Towards a unified theoretical model of ocean backscatter for wind speed retrieval from SAR, scatterometer, and altimeter

Abstract

We discuss the development of a theoretical model of radar backscatter from the ocean surface which is applicable to radar altimeters, synthetic aperture radars (SAR), and scatterometers. The ultimate objective of such a model is to allow the accurate retrieval of wind speed by including all the physically important factors. Our formulation combines alternative models of the interaction between the wind and the sea surface, different descriptions of the ocean wave height spectrum and two alternative scattering theories, namely the composite-surface model and the integral equation method. The effects of swell, limited fetch, air‐sea temperature difference, and rain are included. The model predictions are compared against empirical scatterometer model functions at C band, VV polarisation, where the observational behaviour has been most thoroughly studied. Published results from our model at nadir (see companion paper by Anderson et al. 2002, in this issue) agree well with the empirically observed dependence on wind speed, and the dependence on swell is consistent with recent studies. Here, results at off-nadir incidence angles show a residual discrepancy in the upwind direction which has the dimensional dependence predicted by Phillips for the radar backscatter from breaking waves. However, systematic discrepancies in the upwind to crosswind ratio indicate that the directional spread of waves is still not well understood in the theoretical modelling. Similar behaviour is also observed at Ku band, VV polarisation. The implications for the retrieval of wind speed from individual scatterometer or SAR data-takes are discussed.

Nous discutons du développement d'un modèle théorique de rétrodiffusion radar à partir de la surface de l'océan applicable aux altimètres-radars, aux radars à synthèse d'ouverture (RSO) et aux scattéromètres. L'objectif ultime d'un tel modèle est de permettre l'extraction précise de la vitesse du vent en incluant tous les facteurs physiquement importants. Notre formulation combine des modèles alternatifs de l'interaction entre le vent et la surface de la mer, différentes descriptions du spectre de hauteur de vague océanique et deux théories alternatives de diffusion (notamment le modèle CSM (composite-surface model) et la méthode IEM (integral equation method)). Les effets de la vague, du fetch réduit, des différences de températures air‐mer et de la pluie sont intégrés. Les prévisions du modèle sont comparées aux fonctions du modèle empirique de scattéromètre en bande C et en polarisation VV où le comportement des observations a été étudié plus en détail. Les résultats publiés de notre modèle au nadir (voir article d'accompagnement par Anderson et al. dans ce numéro) sont en accord avec la dépendance observée empiriquement par rapport à la vitesse de vent alors que la dépendance par rapport à la vague est cohérente avec les études récentes. Dans notre cas, les résultats pour des angles d'incidence obliques montrent une différence résiduelle dans la direction au près du vent qui présente la dépendance dimensionnelle prédite par Phillips pour la rétrodiffusion radar des vagues brisantes. Toutefois, des différences systématiques dans le ratio des vents au près par rapport aux vents de travers indiquent que l'étalement directionnel entre les vagues est encore mal connu en modélisation théorique. Un comportement semblable est aussi observé en bande Ku, en polarisation VV. On discute des implications au niveau de l'extraction de la vitesse du vent à partir d'acquisitions individuelles de données de scattérométrie ou RSO.[Traduit par la Rédaction]