趙碧，丁靜，劉建強(qiáng)，焦俊男，唐君，陸應(yīng)誠

1.南京大學(xué) 國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 南京 210023;

2.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心, 北京 100081;

3.自然資源部空間海洋遙感與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081

1 引 言

海面在風(fēng)的作用下產(chǎn)生海浪，隨著海表風(fēng)速增加到某一臨界值，海浪破碎并在波峰處產(chǎn)生大量的氣泡，從而形成目視特征顯著的白色氣泡水體，被稱為海洋白帽或白冠（Oceanic whitecaps，本文中統(tǒng)稱為白帽）（Raizer 等，1994；Melville，1996；Pivaev等，2021）。海洋白帽是海面波浪破碎的直觀表現(xiàn)（Callaghan 等，2008a；Salisbury 等，2014；Paget等，2015），是海氣交換的重要媒介和通道（Frouin 等，1996 和2001；Callaghan 等，2008a），在海氣通量交換（Asher 和Wanninkhof，1998；Goddijn-Murphy等，2016；Monahan等，1983）、海洋能量傳遞（Phillips，1985；Melville，1996）、海浪發(fā)展及波形破碎（Hanson 和Phillips，1999；Melville，1996；Myrhaug 和Holmedal，2008）等方面具有指示作用，是海洋環(huán)境監(jiān)測研究的重要對象。

描述海洋白帽的屬性參數(shù)主要有白帽反射率、白帽覆蓋率等，海洋白帽在光學(xué)到微波譜段內(nèi)的反射特性基本得到闡明（Koepke，1984；Kokhanovsky，2004；Moore 等，2000；Nicolas 等，2001），其在可見光、近紅外波段的反射率高于背景水體，因此海洋白帽在現(xiàn)場觀測資料中易于目視識別和提取（Koepke，1984；Frouin 等，1996，2001）。海洋白帽的現(xiàn)場觀測分析基于原位觀測的照片或視頻資料，通過統(tǒng)計(jì)一定范圍內(nèi)白帽面積和發(fā)生頻率等特征，從而揭示該區(qū)域環(huán)境動力的現(xiàn)象與影響因素（Monahan等，1983；Goddijn-Murphy等，2011；Callaghan 等，2008a；Jia 和Zhao，2019；Zhang 等，2015）?；诂F(xiàn)場觀測資料能進(jìn)一步給出白帽覆蓋率，即白帽面積占總觀測面積的比例（Whitecap coverage 或Whitecap fraction）從而可建立起白帽覆蓋率與風(fēng)速之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型（Monahan 和Muircheartaigh，1980；Callaghan 等，2008b；Lafon等，2004）。不同海域的“白帽覆蓋率—風(fēng)速”模型研究，進(jìn)一步揭示了風(fēng)對海面（波浪破碎、海面粗糙度、海氣交換等）的作用機(jī)制、影響程度及區(qū)域分異特點(diǎn)（Monahan等，1983；Goddijn-Murphy等，2011；Callaghan等，2008a；Jia和Zhao，2019；Zhang等，2015）。

衛(wèi)星光學(xué)遙感技術(shù)開展海洋白帽的觀測分析，是厘清不同區(qū)域海洋白帽的分布變化、揭示海洋環(huán)境動力特征的有效技術(shù)支撐（Koepke，1984；Kokhanovsky，2004；Moore 等，2000；Nicolas 等，2001）。在海洋白帽遙感研究中，除了云霧的影響，圖像空間分辨率、海洋水色差異、海面耀光反射、海洋環(huán)境動力等均會產(chǎn)生影響（Monahan等，1983；Goddijn-Murphy等，2011；Callaghan等，2008a；Myrhaug 和Holmedal，2008）。如在粗空間分辨率的MODIS 數(shù)據(jù)中，難以直接從圖像中鑒別海洋白帽，目前多利用統(tǒng)計(jì)模型來估算白帽反射信號貢獻(xiàn)，提高M(jìn)ODIS 數(shù)據(jù)的大氣校正精度（Gordon和Wang，1994；Hu等，2000），因此，要從海洋遙感的高空間分辨率數(shù)據(jù)中（海洋遙感與陸地遙感在空間分辨率的需求與認(rèn)知上存在差異，不展開討論）進(jìn)行白帽的識別提取、厘清海洋白帽的光學(xué)遙感特征。海洋白帽能在美國陸地衛(wèi)星（Landsat 8）30 m 空間分辨率的陸地成像儀OLI（Operational Land Imager）圖像中清晰識別（Kubryakov 等，2021），也能在歐空局哨兵2 號衛(wèi)星（Sentinel-2 A/B）10 m 空間分辨率的多光譜成像儀MSI（Multi Spectral Instrument）圖像中清晰展現(xiàn)（如圖1所示）。

圖1 海洋白帽的照片與遙感影像Fig.1 Oceanic whitecaps in photograph and remotely sensed images

開展高空間分辨率海洋光學(xué)遙感數(shù)據(jù)中海洋白帽的識別提取與定量反演研究，挖掘光學(xué)遙感數(shù)據(jù)在海洋環(huán)境動力（如風(fēng)場、流場等）監(jiān)測中的應(yīng)用潛力，能拓展海洋光學(xué)遙感的研究范疇。本研究基于Sentinel-2 MSI 高分辨率數(shù)據(jù)，進(jìn)行海面白帽覆蓋率的光學(xué)遙感反演，探索白帽覆蓋率對海面環(huán)境動力背景的響應(yīng)，分析白帽覆蓋率反演算法的適用條件、不確定性和干擾因素；面向中國首個(gè)海洋水色業(yè)務(wù)衛(wèi)星星座（海洋一號C/D衛(wèi)星，HY-1C/D）的高空間分辨率光學(xué)載荷——海岸帶成像儀CZI（Coastal Zone Imager），開展不同風(fēng)速背景下，CZI 圖像中白帽的可識別性研究，分析白帽反射信號在CZI各波段中的信號貢獻(xiàn)差異，討論海洋白帽在CZI數(shù)據(jù)中的存在特點(diǎn)；從而為國產(chǎn)自主海洋光學(xué)衛(wèi)星的精細(xì)應(yīng)用、海洋環(huán)境動力與海氣交互監(jiān)測提供參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

選用Sentinel-2 衛(wèi)星的MSI 數(shù)據(jù)，其10 m 空間分辨率的影像上能夠清晰識別出海洋白帽。相對應(yīng)的背景風(fēng)速數(shù)據(jù)，選擇歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）的ERA5 再分析風(fēng)速產(chǎn)品，其空間分辨率為0.25°、時(shí)間分辨率為1 h。數(shù)據(jù)選擇及預(yù)處理需基于如下幾點(diǎn)考慮：（1）先根據(jù)背景風(fēng)速優(yōu)選MSI 數(shù)據(jù)。白帽的產(chǎn)生需要一定的風(fēng)速條件，據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，在6 m/s 以上的風(fēng)速會產(chǎn)生海洋白帽，風(fēng)速大于7—8 m/s 時(shí)白帽迅速增多（Monahan 和Zietlow，1969），為了保證在MSI 影像中檢測到白帽，本研究選擇8 m/s 以上風(fēng)速條件的影像。（2）對于高空間分辨率數(shù)據(jù)，太陽耀光反射的影響較粗空間分辨率數(shù)據(jù)更為復(fù)雜（Wu 等，2022）。為了盡量避免耀光反射的影響，選擇MSI數(shù)據(jù)的θm大于40°的影像。θm為海面太陽鏡面反射角與傳感器觀測角度之間的夾角，由傳感器與太陽的幾何角度決定，是海面耀光反射強(qiáng)弱的直接指針，其大小可表征平均耀光反射的強(qiáng)弱，θm越大表示耀光反射越弱（Hu 等，2009；Lu 等，2016；Wen等，2018），θm的計(jì)算公式如下：

式中，θ0、θ和φ分別為太陽天頂角、傳感器天頂角和相對方位角。（3）數(shù)據(jù)預(yù)處理。利用ACOLITE（版本20190326）軟件對MSI L1C 級別數(shù)據(jù)進(jìn)行瑞利校正獲得10 m 分辨率的數(shù)據(jù)（Rrc）。鑒于云會明顯干擾白帽覆蓋率的估算，因此選擇無云或少云的影像，對圖像中少量的云進(jìn)行掩膜，并對掩膜結(jié)果進(jìn)行5個(gè)像元的膨脹處理。

對中國東黃海2021年MSI 數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，研究主要使用MSI 842 nm 波段生成Rrc反射率產(chǎn)品，可忽略背景水體差異，具體區(qū)域和影像時(shí)間如圖2所示。圖2（a）、2（b）、2（c）分別由2景、5景、2 景MSI 影像拼接而成。由于影像數(shù)據(jù)的成像時(shí)間在2：16—2：41 UTC，因此將風(fēng)速產(chǎn)品2：00 UTC 及3：00 UTC的數(shù)據(jù)取平均。

2.2 海面白帽覆蓋率估算

光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，大氣頂層總輻亮度Lt可表示為

式中，Lr、La和Lra分別表示瑞利散射、氣溶膠散射、瑞利—?dú)馊苣z散射輻亮度，LWC示白帽反射輻亮度，Lw表示離水輻亮度，Lg表示耀光反射輻亮度，T、t分別為大氣直射、散射透過率（Gordon和Wang，1994）。根據(jù)公式：

可將輻亮度轉(zhuǎn)換為反射率，式（3）中R為反射率，L為輻亮度，F(xiàn)0為太陽輻照度，θ0為太陽高度角。海面反射率又分為受白帽影響及不受影響部分（Koepk，1984），結(jié)合式（2），海面反射率可表達(dá)為

式中，Rr、Ra和Rra分別表示瑞利散射、氣溶膠散射、瑞利—?dú)馊苣z散射反射率，Rwc示白帽反射率，Rw表示離水反射率，Rg表示耀光反射率，T、t分別為大氣直射、散射透過率，W為白帽覆蓋率（Whitecap coverage），表示海面被白帽覆蓋的部分占總面積的比例，由式（4）可得

式中，Rb=Ra+Rra+tRw，代表了來自背景海水與大氣的反射率貢獻(xiàn)。由于近紅外波段（842 nm）中離水輻亮度可以忽略（即tRw≈0），且忽略耀光反射的影響（圖2 中數(shù)據(jù)的θm均大于40°，則TRg= 0）。因此，針對圖2 中白帽覆蓋率可根據(jù)下式（6）進(jìn)行估算：

圖2 Sentinel-2衛(wèi)星MSI近紅外波段Rrc（842 nm）影像圖Fig.2 Sentinel-2 MSI near infrared Rrc（842 nm）images

近紅外波段白帽的反射率（Rwc）約為0.55（Koepke，1984；Frouin 等，1996 和2001），海洋白帽的光學(xué)特征相對穩(wěn)定，具有較為明確的光譜反射率特征（Kokhanovsky，2004；Garaba 和Dierssen，2018），而圖像上白帽反射率變化則是與圖像中白帽覆蓋率密切相關(guān)。近紅外波段大氣散射透過率（t）為0.7—0.8（Kneizys 等，1981），上述值僅可用于背景海水與大氣均勻穩(wěn)定且不受海面耀光反射干擾的區(qū)域。此外，利用式（6）進(jìn)行白帽覆蓋率（W）反演的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確的背景反射信號Rb的獲取。本研究中，假定在4 km×4 km的區(qū)域內(nèi)，海水和大氣的光學(xué)屬性是均勻的，對圖像進(jìn)行400×400（4 km×4 km）的窗口濾波，獲得窗口內(nèi)的最小值作為背景反射率，可進(jìn)一步計(jì)算得出圖像的白帽覆蓋率（W）。特別需要說明的是，上述公式和參數(shù)有著嚴(yán)格的適用條件，本文原理分析中的數(shù)據(jù)邊界清楚，可以適用，但是在未來的實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中，還需要發(fā)展業(yè)務(wù)化應(yīng)用算法。

3 基于MSI影像的白帽覆蓋率估算與分析

3.1 白帽覆蓋率

基于MSI 842 nm 波段Rrc數(shù)據(jù)（圖2）反演的白帽覆蓋率如圖3所示，其中云、陸地、輻射沙脊等已經(jīng)被掩膜處理。白帽覆蓋率作為海面波浪破碎狀況的直觀體現(xiàn)，一方面反映了風(fēng)速這一主要?jiǎng)恿σ蛩?，與風(fēng)速大小呈正相關(guān)；另一方面，又受到海洋渦旋、內(nèi)波、鋒面等的調(diào)制（Monahan等，1983；Goddijn-Murphy 等，2011；Callaghan等，2008a）。如在圖3（a）中，2021年1月13日的白帽覆蓋率的變化主要受到海面風(fēng)速的影響，而在圖3（b）和3（c）中，在2021年1月27日和2021年2月21日的白帽覆蓋率在局部區(qū)域又受到海洋鋒面、渦旋等的影響（具體分析見3.3 節(jié)）。總體而言，圖3 中平均白帽覆蓋率在1%上下（對應(yīng)風(fēng)速8—12 m/s），這與白帽的現(xiàn)場觀測（基于海面實(shí)拍照片或視頻等資料）分析結(jié)果較為接近（Blanchard，1983）。

圖3 基于MSI數(shù)據(jù)的白帽覆蓋率估算結(jié)果Fig.3 MSI images derived whitecap coverage

為了驗(yàn)證白帽覆蓋率算法的估算精度，本文針對圖2（a）中紅框框選出的12 個(gè)區(qū)域開展精度評價(jià)。12 個(gè)500×400 像元驗(yàn)證區(qū)域的842 nm 波段Rrc圖像見圖4 第一和第三列，對這12 個(gè)區(qū)域圖像采用人工目視解譯的方法，通過選取合適閾值分割出圖像中的海洋白帽，并計(jì)算出該區(qū)域中的白帽覆蓋率（圖4 第二、第四列）。將12 個(gè)驗(yàn)證區(qū)域的算法反演結(jié)果與目視解譯結(jié)果進(jìn)行對比分析（如圖5所示），算法反演的白帽覆蓋率與目視解譯的白帽覆蓋率具有較好的一致性（R2=0.85），說明提取結(jié)果的精度可靠驗(yàn)證擬合線低于1∶1 線，說明本研究算法在弱耀光條件下存在一定的低估。

3.2 基于白帽覆蓋率的海面風(fēng)速反演

海面白帽是風(fēng)生波浪破碎的直觀表現(xiàn)，在其他海洋環(huán)境動力影響較為均勻的區(qū)域，白帽覆蓋率與海面風(fēng)速（海面10 m 高處的風(fēng)速，U10）具有密切的統(tǒng)計(jì)關(guān)系（Monahan 和Muircheartaigh，1980；Anguelova 和Webster，2006；Anguelova 和Bettenhausen，2019）?；诤Ｃ鎸?shí)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建“白帽覆蓋率—風(fēng)速”統(tǒng)計(jì)模型，有利于對區(qū)域海洋環(huán)境動力等的深入研究。需要指出的是，本研究的重點(diǎn)在于能否反演出海面風(fēng)速，并與已有風(fēng)速產(chǎn)品進(jìn)行對比分析，但基于本區(qū)域海面實(shí)測結(jié)果的“白帽覆蓋率—風(fēng)速”統(tǒng)計(jì)模型缺乏，因此選擇Monahan 和Muircheartaigh（1980）的白帽覆蓋率—風(fēng)速模型來反演海面風(fēng)速。模型公式如下：

式中，W代表白帽覆蓋率，U10為風(fēng)速，對其進(jìn)行變換可以給出風(fēng)速反演模型如下：

利用式（8）結(jié)合圖3（a）的海面白帽覆蓋率提取結(jié)果，可以得到該區(qū)域風(fēng)速反演結(jié)果（如圖6（a），空間分辨率為4 km），圖6（b）為該區(qū)域同時(shí)段的ERA5 海面再分析風(fēng)速產(chǎn)品（時(shí)間差＜15 min，空間分辨率為0.25°）。對比圖6（a）和6（b），整體風(fēng)速為東北方向風(fēng)速高，向西南方向風(fēng)速遞減，MSI推導(dǎo)的風(fēng)速結(jié)果因?yàn)榻K沿海輻射沙脊的影響會出現(xiàn)一些反演異常值（見圖6（a）左下角）?？傮w上，基于MSI 白帽覆蓋率反演的海面風(fēng)速與ERA5海面風(fēng)速產(chǎn)品的空間變化趨勢與風(fēng)速變化區(qū)間基本一致。給出二者的頻率累計(jì)曲線對比如圖6（c），用于進(jìn)一步評估風(fēng)速反演的精度。海面風(fēng)速的頻率累計(jì)曲線圖可以說明，MSI白帽覆蓋率反演的海面風(fēng)速與ERA5 海面風(fēng)速產(chǎn)品變化基本一致，但MSI 反演的海面風(fēng)速略低于ERA5 風(fēng)速產(chǎn)品的值，二者之間的差異在風(fēng)速為10 m/s左右達(dá)到最大，為1.6 m/s，大部分差異在1 m/s 以內(nèi)，這主要是由于算法對MSI圖像中白帽覆蓋率的低估造成（圖5）。

圖5 目視解譯與算法估算白帽覆蓋率對比圖Fig.5 Comparison of visual interpretation and algorithmic estimation of whitecap coverage from MSI images

圖6 MSI白帽反演風(fēng)速及其與ERA5風(fēng)速產(chǎn)品的對比Fig.6 Comparison between whitecaps derived wind speed based on MSI images and wind speed product of ERA5

3.3 其他環(huán)境動力對白帽覆蓋率的調(diào)制

海洋白帽主要反映的是風(fēng)生波浪的破碎過程，雖然海面風(fēng)場是白帽產(chǎn)生的首要因素，但風(fēng)生波浪也會被渦旋、內(nèi)波等其他海洋環(huán)境動力所調(diào)制，從而改變白帽的發(fā)生概率（Thorpe 等，1987；Romero，2019）。圖7分別反映了海洋鋒面、渦旋、內(nèi)波和船只尾跡對白帽覆蓋率的影響：圖7左列為MSIRrc（842 nm）影像（圖7（a）與圖7（b）左列分別為圖2（b）和2（c）中紅框區(qū)域，圖7（c）左列為圖8（a）中紅框區(qū)域）；圖7右列為白帽覆蓋率。

MSI 842 nm 的開闊海洋觀測數(shù)據(jù)中，雖然該數(shù)據(jù)的觀測角度避開了強(qiáng)耀光反射（圖2中數(shù)據(jù)的θm均大于40°），但在高空間分辨率光學(xué)影像中，海面耀光反射差異實(shí)際上仍存在，并對影像總信號有貢獻(xiàn)（Wu 等，2022）。如圖7（a）所示，海洋鋒線（圖中紅色虛線）兩側(cè)呈現(xiàn)明顯的水團(tuán)圖像特征差異，圖7（a）中白帽覆蓋率在不同水團(tuán)之間也表現(xiàn)出類似的差異，雖然海水離水輻亮度差異可以忽略，但是白帽覆蓋率差異和耀光反射差異同時(shí)存在；圖7（b）和（c）反映了受海洋渦旋與內(nèi)波的影響，白帽覆蓋率會存在一定程度的升高。易于理解的是，相同風(fēng)速條件下，內(nèi)波的波峰處較其他位置，波浪更易于破碎而產(chǎn)生白帽（Thorpe等，1987；Kubryakov等，2021）。

圖7 不同海洋環(huán)境動力對白帽的影響Fig.7 Influence of different marine environmental dynamics on whitecaps

海洋白帽是風(fēng)生波浪破碎的產(chǎn)物，這種波浪破碎也受到海面鋒面、渦旋、內(nèi)波等各種其他海洋動力因素的調(diào)制，在高空間分辨率的MSI 影像上，海洋白帽及其覆蓋率所反映的海洋與大氣背景動力特征能清晰展現(xiàn)。

3.4 耀光反射對白帽覆蓋率估算的影響

海面耀光反射差異一直是海洋光學(xué)遙感研究關(guān)注的重點(diǎn)問題（Cox 和Munk，1954；Jackson 和Alpers，2010；Kay 等，2009；Harmel 等，2018）?；诮?jīng)典統(tǒng)計(jì)模型（Cox 和Munk，1954）估算的耀光反射率，雖可以準(zhǔn)確描述粗空間分辨率衛(wèi)星光學(xué)遙感數(shù)據(jù)（如250 m 的MODIS 數(shù)據(jù)）中耀光反射的強(qiáng)弱；但在高空間分辨率的海洋光學(xué)遙感數(shù)據(jù)中（如10 m 的MSI數(shù)據(jù)），耀光反射規(guī)律會有所不同（Wu 等，2022），表現(xiàn)出較大的離散性，無法通過統(tǒng)計(jì)模型或簡單的空間濾波進(jìn)行剔除（Jackson 和Alpers，2010）。本研究白帽覆蓋率估算算法中的4 km × 4 km 窗口濾波方法，本質(zhì)是一種平滑處理（主要用于消除海水和大氣的影響），不能直接從總體反射率中有效消除耀光反射的影響，因此無法處理強(qiáng)耀光反射的圖像。

為了闡明耀光反射對海面白帽覆蓋率估算的影響，選擇2021年6月2日的6 景MSI 數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)預(yù)處理與圖2 和圖3 一致）。如圖8（a）中所示，θm從左到右逐漸減?。ㄓ?2°減小到16°），耀光反射不斷增強(qiáng)；圖8（b）為算法估算的白帽覆蓋率，與耀光強(qiáng)度空間變化相似；圖8（c）為該區(qū)域同時(shí)段的ERA5風(fēng)速產(chǎn)品，在無明顯水團(tuán)、渦旋等海洋動力環(huán)境的調(diào)制下，風(fēng)速與白帽覆蓋率的空間分異顯然不同（圖8（b））。此外，在相似風(fēng)速下（8—12 m/s），圖8（b）中強(qiáng)耀光反射下的白帽覆蓋率較圖3（a）的結(jié)果有一個(gè)數(shù)量級上的差異；對圖8（a）與圖8（b）做采樣分析，以θm為橫軸（圖8（d）），不難發(fā)現(xiàn)樣點(diǎn)的Rrc（842 nm）反射率與白帽覆蓋率（W）的變化趨勢一致。

圖8 Sentinel-2 MSI影像中白帽覆蓋率與耀光變化分析Fig.8 Whitecap coverage and sunglint variation in Sentinel-2 MSI images

海面耀光反射是白帽識別估算的主要干擾，本研究算法只適用于弱耀光反射下（θm大于40°）的MSI圖像，如何有效消除耀光反射的影響，也是今后亟待關(guān)注的重點(diǎn)問題之一。

4 CZI數(shù)據(jù)中海洋白帽的響應(yīng)

HY-1C/D 是中國首個(gè)海洋水色業(yè)務(wù)衛(wèi)星星座，CZI載荷能提供星下點(diǎn)空間分辨率為50 m、中心波長位于460 nm、560 nm、650 nm 和825 nm 的4 波段海洋光學(xué)遙感數(shù)據(jù)（沈亞峰 等，2020）。本文所用的CZI 數(shù)據(jù)均為L2A 級的瑞利校正反射率產(chǎn)品（Rrc），由于像元的混合效應(yīng)，相對較低風(fēng)速條件下的白帽難以被CZI圖像有效識別，隨著風(fēng)速的增加，海洋白帽逐漸被有效檢測出，即CZI圖像中檢測出海洋白帽的最低風(fēng)速要大于MSI圖像。

圖9 為選取的開闊海洋CZIRrc（825 nm）圖像，圖像都為海面弱耀光反射條件，海洋環(huán)境動力影響不明顯，且涵蓋不同風(fēng)速條件下的影像，該區(qū)域同時(shí)段的ERA5風(fēng)速均已經(jīng)標(biāo)注在Rrc（825 nm）圖像上。對CZI圖像上的海洋白帽進(jìn)行識別并計(jì)算其覆蓋率，圖9（a）和圖9（b）中海洋白帽不能被有效識別；在較高風(fēng)速下（圖9（c）、（d）、（e）、（f））海洋白帽能夠從CZI 圖像上檢測出。50 m 空間分辨率CZI圖像中可識別的海面白帽，其所對應(yīng)的海面風(fēng)速約9 m/s 以上，隨著風(fēng)速的增加，其白帽覆蓋率也隨之增加（圖9（c）、（d）、（e）、（f）），這也反映了CZI數(shù)據(jù)具有對高風(fēng)速下的海面白帽覆蓋率進(jìn)行遙感監(jiān)測與估算的應(yīng)用潛力。

圖9 不同風(fēng)速條件下HY-1C/D CZI影像中的白帽及其目視解譯結(jié)果Fig.9 Whitecaps in HY-1C/D CZI images and corresponding visual interpretation results at different wind speed（U10）

為了進(jìn)一步分析闡明CZI圖像中的海洋白帽反射率與背景海水反射率的差異，本研究對圖9 中4 幅CZI 圖像（圖9（c）、（d）、（e）、（f））的4 個(gè)波段（460 nm、560 nm、650 nm 和825 nm），對其海洋白帽反射率與背景海水反射率分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖10所示。CZI 的4 個(gè)波段圖像中，白帽反射率均明顯高于背景海水反射率，反射率差異分別為5.8%、7.8%、8.3%和7.3%。

圖10 HY-1C/D CZI不同波段的海洋白帽與背景海水反射率差異Fig.10 Reflection difference between whitecaps and background seawater in different HY-1C/D CZI bands

5 結(jié) 論

海洋白帽是海面風(fēng)生波浪破碎的直觀表現(xiàn)，其區(qū)域性特征參數(shù)——白帽覆蓋率，不僅與海面風(fēng)速有著密切的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，也會受到其他海洋環(huán)境動力的調(diào)制。海洋白帽對入射光具有較高的反射散射特征，是海洋光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的大氣校正一個(gè)重要環(huán)節(jié)。隨著海洋光學(xué)遙感數(shù)據(jù)空間分辨率的提高，海洋白帽能被有效的探測，從而開展更為豐富的研究與應(yīng)用探索。本文針對Sentinel-2 MSI數(shù)據(jù)，分析海面白帽反射率的信號貢獻(xiàn)，利用一種用于弱耀光反射條件下的白帽覆蓋率估算方法，開展MSI圖像上白帽覆蓋率反演?；贛SI圖像估算的不同區(qū)域海面白帽覆蓋率，與海面風(fēng)速的變化具有良好的空間一致性和統(tǒng)計(jì)關(guān)系，基于白帽覆蓋率估算的海面風(fēng)速與ERA5再分析海洋風(fēng)速產(chǎn)品對比驗(yàn)證表明，其相對偏差不大于1.6 m/s。此外，不同水團(tuán)、鋒面、渦旋、內(nèi)波等其他海洋環(huán)境動力對海面白帽的調(diào)制作用，能顯著改變遙感數(shù)據(jù)反演的白帽覆蓋率；與此同時(shí)，MSI圖像中耀光反射對海面白帽遙感的干擾與影響也不容忽視。最后，基于HY-1C/D 衛(wèi)星CZI 載荷數(shù)據(jù)開展海面白帽的響應(yīng)分析，結(jié)果表明：海面風(fēng)速大于9 m/s 時(shí)，在無其他海洋環(huán)境動力的調(diào)制下，海面白帽可被50 m 空間分辨率的CZI 載荷所探測，且白帽覆蓋率隨著風(fēng)速的增加而增加；不同CZI波段圖像中，白帽反射率與背景海水反射率有5.8%—8.3%的差異。這表明，HY-1C/D 衛(wèi)星CZI 載荷可成為海洋白帽深入研究的可用數(shù)據(jù)源，能用于較高風(fēng)速下的海面風(fēng)速反演?？傊S著海洋光學(xué)遙感載荷空間分辨率的提升，通過海洋白帽的有效探測，能為海面風(fēng)場及其他海洋環(huán)境動力監(jiān)測提供新的技術(shù)方法參考，也必將在海面風(fēng)場反演、海氣交換、海洋動力環(huán)境研究等方面發(fā)揮越來越重要的作用。

志 謝感謝美國南佛羅里達(dá)大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院胡傳民教授、武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田禮喬教授、中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所邢前國研究員對本研究的指導(dǎo)；感謝歐空局和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的MSI和ERA5數(shù)據(jù)（https：//scihub.copernicus.eu/dhus/#/home，https：//cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#！/dataset/reanalysis-era5-single-levels？tab=form）；感謝國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心提供的CZI 數(shù)據(jù)（http：//www.nsoas.org.cn/）。