Internal wave parameters retrieval from space-borne SAR image

Abstract

Based on oceanic internal wave SAR imaging mechanism and the microwave scattering imaging model for oceanic surface features, we developed a new method to extract internal wave parameters from SAR imagery. Firstly, the initial wind fields are derived from NCEP reanalysis data, the sea water density and oceanic internal wave pycnocline depth are estimated from the Levites data, the surface currents induced by the internal wave are calculated according to the KDV equation. The NRCS profile is then simulated by solving the action balance equation and using the sea surface radar backscatter model. Both the winds and internal wave pycnocline depth are adjusted by using the dichotomy method step by step to make the simulated data approach the SAR image. Then, the wind speed, pycnocline depth, the phase speed, the group velocity and the amplitude of internal wave can be retrieved from SAR imagery when a best fit between simulated signals and the SAR image appears. The method is tested on one scene SAR image near Dongsha Island, in the South China Sea, results show that the simulated oceanic internal wave NRCS profile is in good agreement with that on the SAR image with the correlation coefficient as high as 90%, and the amplitude of oceanic internal wave retrieved from the SAR imagery is comparable with the SODA data. Besides, the phase speeds retrieved from other 16 scene SAR images in the South China Sea are in good agreement with the empirical formula which describes the relations between internal wave phase speed and water depths, both the root mean square and relative error are less than 0.11 m·s⁻¹ and 7%, respectively, indicating that SAR images are useful for internal wave parameters retrieval and the method developed in this paper is convergent and applicable.

Keywords

synthetic aperture radar / internal wave / retrieval

References

[1] Alpers W (1985). Theory of radar imaging of internal waves. Nature, 314(6008): 245–247

[2] Alpers W, He M X, Zeng K, Guo L F, Li X M (2005). The distribution of internal waves in the East China Sea and the Yellow Sea studied by multi-sensor satellite images. IGARSS, 2005, 0-7803-9050-4/05

[3] Alpers W, Hennings I (1984). A theory of the imaging mechanism of underwater bottom topography by real and synthetic aperture radar. Journal of Geophysical Research, 89: 10529–10546

[4] Brandt P, Romeiser R, Rubino A (1999). On the determination of characteristics of the interior ocean dynamics from radar signatures of internal solitary waves. Journal of Geophysical Research, 104(C12): 30039–30045.

[5] Cai S Q, Long X M, Gan Z J (2003). A method to estimate the forces exerted by internal solitons on cylindrical piles. Ocean Eng, 30(5): 673–689

[6] Fan K G, Huang W G, Gan X L, Fu B (2010). Retrieving internal wave surface currents from SAR image. Journal of Remote Sensing, 14(1): 127–139 (In Chinese)

[7] Fan Z S (2002). Research Fundamentals of Ocean Interior Mixing. Beijing: China Ocean Press.

[8] Gan X L, Huang W G, Yang J S, Zhou C B, Shi A Q, Jin W M (2007). A new method to extract internal wave parameters from sar imagery with Hilbert-Huang transform. J. Remote Sensing, 11(1): 39–47 (In Chinese)

[9] Jackson C R, Apel J R(2004). Synthetic aperture radar marine user's manual. Silver Spring, Natl. Environ. Satell. Data, and Inf. Serv., Nalt. Oceanic and atmos. admin. pp. 245–262

[10] Lai Y L (1999). Extraction of surface currents of solitary internal waves from synthetic aperture radar data. Proceedings of the IEEE Sixth Working Conference on Current Measurement. San Diego: IEEE

[11] Le Caillec J M (2006). Study of the SAR signature of internal waves by nonlinear parametric autoregressive Models. IEEE Trans Geosci Rem Sens, 44(1): 148–158

[12] Lehner S, Schulz-Stellenfleth J, Schättler B, Breit H, Horstmann J (2000). Wind and wave measurements using complex ERS-2 SAR wave mode data. IEEE Trans Geosci Rem Sens, 38(5): 2246–2257

[13] Li X F, Clemente-Colón P, Friedman K S (2000). Estimating oceanic mixed layer depth from internal wave evolution observed from Radarsat-1 SAR. Johns Hopkins Apl Technical Digest, 2l(1): 130–135

[14] Lin H, Fan K G, Shen H, Huang W G, He M X (2010). Review on remote sensing of oceanic internal wave by space-borne SAR. Progress in Geophys, 25(3): 1081–1091 (In Chinese)

[15] Liu A K, Chang Y S, Hsu M K, Liang N K (1998). Evolution of nonlinear internal waves in the East and South China Seas. J Geophys Res, 103(C4): 7995–8008

[16] Lyzenga D R (2003). Status of forward models for SAR observation of current features. The Coastal and Marine Applications of SAR Symposium, Svalbard, Norway.

[17] Ostrovsky L A, Stepanyants Y A (1989). Do internal solitions exist in the ocean? Rev Geophys, 27(3): 293–310

[18] Portabella M, Stoffelen A (2002). Toward an optimal inversion method for synthetic aperture radar wind retrieval. J Geophys Res, 107(C8): 3086

[19] Porter D L, Thompson D (1999). Continental shelf parameters inferred from SAR internal wave observations. J Atmos Ocean Technol, 16(4): 475–487

[20] Rodenas J A, Garello R (1998). Internal wave detection and location in SAR Images using wavelet transform. IEEE Trans Geosci Rem Sens, 36(5): 1494–1507

[21] Romeiser R (2005). USER'S of M4S Manual. pp. 31

[22] Romeiser R, Alpers W (1997a). An improved composite surface model for the radar backscattering cross section of the ocean surface 2. Model response to surface roughness variations and the radar imaging of underwater bottom topography. J Geophys Res, 102(C11): 25251–25267

[23] Romeiser R, Alpers W (1997b). An improved composite surface model for the radar backscattering cross section of the ocean surface 1. Theory of the model and optimization/validation by scatterometer Data. J Geophys Res, 102: 25238–25250

[24] Romeiser R, Schmidt A, Alpers W (1994). A three-scale composite surface model for the ocean wave-radar modulation transfer function, J Geophys Res, 99(C5): 9785–9801

[25] Thompson R E, Gasparovic R F (1986). Intensity modulation in SAR image of internal waves. Nature, 320(27): 345–348

[26] Yang J S, Huang W G, Zhou C H, Zhou C B, Hsu M K, Xiao Q M (2003). Nonlinear internal wave amplitude remote sensing from SAR image. Proc SPIE, 4892: 450–454

[27] Zhang C (2010). Research on statistical characteristics of synthetic aperture radar ocean internal wave polarity conversion and parameters. Dissertation for Master degree. Hangzhou: Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration

[28] Zhao Z X (2004). A study of nonlinear internal wave in the north eastern South China Sea. Dissertation for PhD degree. State of Delaware United States of America, The University of Delaware.

[29] Zhao Z X, Klemas V, Zheng Q, Yan X H (2004). Estimating parameters of a two-layer stratified ocean from polarity conversion of internal solitary waves observed in satellite SAR images. Remote Sens Environ, 92(2): 276–287

[30] Zheng Q A, Susanto R D, Ho C R, Song Y T, Xu Q (2007). Statistical and dynamical analysis of generation mechanisms of solitary internal wave in the northern South China Sea. J Geophys Res, 112, C03021

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg