基于SAR多普勒频移的海洋表面二维流场重构方法及其在准地转流场中的应用

针对单波束合成孔径雷达(SAR)仅能获取径向流速而无法满足海洋预报业务对全流场数据需求的问题，本研究提出基于准地转假设的二维海表流场重构方法。通过将SAR多普勒频移反演的径向流速与地转近似结合，成功重构了湾流和阿古拉斯海流区域流场，与CMEMS产品和浮标数据验证显示偏差0.01-0.05 m/s、均方根误差0.1-0.19 m/s，为SAR数据在海洋动力环境监测中的应用提供了新范式。

　　

海洋表面流场是调控全球热量输送和气候系统的关键动力要素，其精确观测对厄尔尼诺-南方振荡(ENSO)预测、船舶航行和污染物扩散评估至关重要。然而现有观测手段各存局限：漂流浮标(GDP)空间覆盖稀疏，高频地波雷达(HF radar)仅限近岸，卫星高度计(altimetry)仅能获取跨轨方向地转流分量。虽然合成孔径雷达(SAR)通过多普勒频移测量可获取径向流速，但全流场重构仍是国际难题。

针对这一挑战，研究人员创新性地提出基于准地转假设的二维流场重构方法。该方法首先通过Sentinel-1 SAR多普勒频移观测反演径向流速分量u，再根据地转平衡方程推导方位向分量v₀
。核心理论突破在于将传统仅用于高度计数据的地转近似(fv=g?ξ/?x)拓展至SAR领域，通过引入湍流黏滞系数A_z
和表面应力项，构建了适用于中尺度流场的动量平衡方程。

关键技术包括：1) 采用CDOP-3S和DPDop模型校正风浪引起的多普勒频移偏差；2) 基于CMEMS再分析数据验证重构流场；3) 利用同步浮标观测进行现场验证。研究选取湾流和阿古拉斯海流两个强流区作为试验场，通过Sentinel-1A的VV极化数据实施验证。

Sentinel-1 SAR数据
采用三颗Sentinel-1卫星组成的星座数据，其C波段(5.405 GHz)SAR系统通过地形观测扫描模式(TOPS)获取多普勒频移。数据预处理包括天线电子偏置校正和扇形效应(scalloping)消除，确保多普勒中心频率精度达0.5 Hz。

控制方程与求解方案
基于NEMO海洋模型的动量方程框架，引入准地转近似简化原始方程。关键推导步骤包含：1) 忽略加速度项du/dt；2) 将垂向应力项?(A_z
?u/?z)/?z参数化为表面风应力；3) 通过海面高度(SSH)梯度与流速的平衡关系建立u-v分量耦合方程。

案例研究#1
在湾流区域，重构流场与CMEMS产品的对比显示：中尺度涡旋(直径100-200 km)的流速重构误差最小(0.08 m/s)，而锋面区域的误差较大(0.15 m/s)。这验证了准地转假设在中尺度过程的有效性，但对小于50 km的亚中尺度结构适用性下降。

案例研究#2
阿古拉斯海流区的浮标验证表明：当风速>10 m/s时，波浪诱导斯托克斯漂移(Stokes drift)会导致0.03 m/s的系统偏差。通过引入波浪破碎修正项，最终将均方根误差从0.22 m/s降至0.19 m/s。

结论与展望
该研究首次实现仅凭单星SAR数据重构二维海表流场，突破传统方法对辅助数据的依赖。0.1 m/s量级的精度满足世界气象组织(WMO)对海洋分析产品的需求，为未来SKIM和SEASTAR等多波束SAR任务提供算法基础。局限在于赤道区域(地转近似失效)和强风条件下的适用性仍需改进，未来可通过耦合CDOP-Y_n
模型和机器学习进一步提升精度。

这项由中国主导的国际合作研究，通过多学科交叉融合，为全球海洋动力环境监测提供了新的技术范式，相关成果已应用于我国2024YFC2815703专项的海洋环境预报系统。