基于Sentinel-2 MSI影像的角谱分析法在海洋表面波向与波长估算中的应用与验证

本文提出一种基于角谱分析（ASA）的实用算法，利用Sentinel-2多光谱仪器（MSI）影像估算海洋表面波向与波长。该方法无需复杂的图像-物理域转换函数，而是通过MSI的快速傅里叶变换（FFT）频谱解析波向，并利用B04与B08波段0.74秒的时滞消除180°方向模糊。与浮标测量结果（N=144）对比显示显著线性相关性，与ERA5再分析风场数据的风速和风向均方根误差分别低于1.4 m/s和14.4°。研究表明高分光学遥感可为海面波浪参数及风速估算提供可靠数据支撑。

　　

Highlight

本研究开发了一种无需物理模型的实用光谱分析方法，通过Sentinel-2 MSI影像估算海洋波浪方向与波长。该方法基于快速傅里叶变换（FFT）频谱直接提取波浪参数，避免了复杂的转换函数计算。MSI衍生的波浪参数与现场测量结果呈现显著线性关系（方向均方根误差RMSE=22.7°，偏差Bias=2.68°；波长均方根误差RMSE=30.1 m，偏差Bias=-2.7 m）。进一步按波龄标准分析显示，风浪（N=62）的统计相关性优于涌浪（N=82）。与欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析（ERA5）逐小时风场产品对比显示，风速和风向的均方根差异分别小于1.4 m/s和14.4°。这些结果表明，在特定观测条件下，高分光学遥感影像可提供相对准确的海面波浪方向、波长及风速估算，但业务化应用仍需进一步研究。

Conclusions

基于Sentinel-2 MSI影像的实用光谱分析方法成功实现了海洋波浪方向与波长的估算。该方法通过快速傅里叶变换（FFT）频谱解析波浪特征，无需依赖物理模型或转换函数。MSI衍生的波浪参数与现场测量数据高度一致，证实了高分光学遥感在海洋动态监测中的潜力。与ERA5风场数据的对比进一步验证了其在风速和风向估算中的可靠性。尽管目前仍存在业务化应用的挑战，本研究为光学遥感在海洋环境监测中的深入应用提供了重要技术支撑。