海洋表面特征的提取方法研究现状

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海洋表面特征的提取方法多样，包括遥感、浮标、水声等。其中水声获得数据需要依赖于置于水中的仪器而导致操作困难；浮标可提供资料较多，且不受陆地船舶影响，误差较小，但数据较为离散，分布不均匀；遥感可提供大面积数据，分辨率高，且监测连续均匀，可重复，自20世纪60年代以后受到广泛应用，但成本高，且亦受云层干扰。相比之下，视频监测技术易于实现、操作简单、成本低廉，且随着视频监测技术的发展，更能提供大面积、持续性实测数据。美国最早广泛应用了视频监测技术。视频监测技术也被用于在NCEX、RIPEX大型海洋科学研究实验中[7]。上个世纪80年代，美国俄勒冈州立大学Rob Holman教授所在的科学家团队成立海岸图像实验室，开发了基于岸线的近岸视频观测技术即ARGUS系统，开展海滩和近海的水纹动态、海岸变化的研究工作，这套系统目前已开发至第三套[8]。澳大利亚从1999年至今，采用视频图像监测海岸潮水线、海流、海浪的持续长期资料，研究海滩演变等，日本2003在田边湾海中建立视频图像监测系统，2015年我国第一套ARGUS系统于浙江舟山建成，目前英国新南威尔士大学也发展了近海图像监测系统[7]。69354

海面粗糙度直接测量起来难度很高，通常将风场信息综合海面波高、风速、波速、海浪谱能量等参数，参考海面粗糙度的研究成果间接得出。目前为止，风场数据大多由发展较为成熟的卫星高度计、微波风场散射计或者星载合成孔径雷达等测量。其中卫星高度计测量数据多，范围广，持续监测时间长，但所测数据只有高度、风速和有效波高，没有波长信息；相比之下，微波风场散射计可提供更高精度数据，可提供风速、风向以确定风场，但目前风向估计依旧有一定模糊性，模型还在不断改进当中；合成孔径雷达可以测量海洋表面的多种参数，在这几种方法中精度最高，是测量小范围海洋粗糙度的有效手段，但观测数据量较少，成本较高。论文网

1955年Charnock就认为海面粗糙度受风速的影响，1990年熊康通过经验公式与通量-轮廓线关系理论[9]，得到海面粗糙度与距海面10m高度平均风速关系式：

式（1-1）中为海面粗糙度，单位10-4m ，为海面高度10m处的平均风速，单位m/s，由上式看出海面风速越大，海面粗糙度越大，这与海面上的风越大，海面起伏越剧烈这一物理现象相吻合。

1974年，Hsu首次提出海面粗糙度与波陡有关，认为Charnock参数与波陡有比例关系，提出关系式：

(1-2)

式（1-2）中zch为Charnock参数，g为重力加速度，z0为海面粗糙度, 为摩擦速度，A为常数，Lp为谱峰波长。1987年，Masuda等人提出海面粗糙度与波龄有关，而后大量研究提出GW06等方案指出海面粗糙度随波龄的增长而减小。1997年王炳祥对空气动力学粗糙度与波龄和波高之间的关系进行研究，并得出公式[10]：

, （1-3）

式（1-3）中a，b，c，d，k和是经验系数，为波龄，为均方根波高。2001年Taylor等人指出海面粗糙度与波龄和波陡均相关，并给出了参数优化方案TY01。2002年Oost等人指出，海面粗糙度是关于波龄和摩擦速度的函数，波龄比波陡更能影响海面粗糙度，提出Oo2方案。同年沙文珏等提出由于波龄和波陡关联紧密，因此当海面10米高处风速小于时，这两个方案在拖曳系数、接受摩擦速度和风应力等物理参数上存在较好的一致性[11]。