COH-ML-SPM：一种用于雪覆盖的新生海冰上C波段雷达后向散射模拟的相干多层模型

《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》：COH-ML-SPM: A Coherent Multilayer Model for C-Band Radar Backscatter Simulation Over Snow-Covered First-Year Sea Ice

微波后向散射建模研究：提出相干多层数值方法COH-ML-SPM，有效改进传统模型对C波段海冰-雪层非单调散射特性（误差均方根1.3dB，R20.9）的模拟精度，尤其在42°–54°入射角系统偏差降低30%，并通过多区域、多时相实验验证模型泛化能力。

　　

摘要：

对覆盖着雪的海冰的微波后向散射进行建模是冰冻圈遥感中的一个重要挑战。然而，由于不考虑相干散射的影响，传统的电磁散射模型无法准确捕捉到测量数据中观测到的C波段后向散射角度响应的非单调变化。为了解决这个问题，本文提出了一种相干多层小扰动方法（称为COH-ML-SPM），该方法在多层框架内明确考虑了空气-雪和雪-冰界面的相干散射贡献。该模型通过两个层次的实验进行了验证。首先，将COH-ML-SPM与加拿大Resort Bay地区覆盖雪的海冰的C波段后向散射测量结果进行了对比，并与三种广泛使用的模型（ML-SPM、高级积分方程模型（AIEM）以及雪微波辐射传输模型（SMRT，包括独立后向散射近似（IBA）和密集介质辐射传输（DMRT）配置）进行了比较，这些测量是在雪深分别为14厘米、8厘米和4厘米的情况下进行的。结果表明，COH-ML-SPM显著提高了模拟精度，平均均方根误差（RMSE）为1.3分贝，相关系数R2为0.9，并成功再现了观测到的非单调角度行为。值得注意的是，在42°–54°的入射角范围内，该模型减少了传统模型中存在的系统偏差，精度提高了多达30%。进一步使用来自不同地区、时期和环境条件的独立实地测量数据对模型进行了验证，证明了该模型在多种雪-冰配置下的稳健性和适应性。模型参数的敏感性分析表明，介电相关属性（如密度、温度和盐度）显著影响相干散射项的幅度和相位，而界面粗糙度参数主要影响散射强度...

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引言

全球变暖加速了海冰的融化，对全球气候系统和人类活动产生了显著影响[1]、[2]。北极海冰的减少改变了区域气候动态（例如增强了极地水循环和加剧了海洋-大气之间的热量交换）。它还导致了低至中纬度地区的极端天气事件，从而影响了南美洲、东南亚和印度等地区的降水模式[3]、[4]。同时，海冰范围的减少提高了北极航道的通航能力，产生了重要的地缘政治影响[5]、[6]。凭借全天候、昼夜观测的能力，微波遥感技术——特别是合成孔径雷达（SAR）、雷达高度计和散射计——已成为海冰监测的重要工具。