A two-scale model to predict C-band VV and HH normalized radar cross section values over the ocean

Abstract

This paper presents a two-scale model that can predict C-band, VV polarized (C-VV), normalized radar cross section values generated from the CMOD4 model and calibrated normalized radar cross section values derived from C-band, HH polarized (C-HH), RADARSAT-1 synthetic aperture radar imagery with coincident buoy observations of the local wind. The model is based on standard composite models that incorporate tilt modulations, with a new approach for incorporating hydrodynamic modulations. It is shown that inclusion of the hydrodynamic term does not significantly impact the fit to normalized radar cross section (NRCS) values, but does allow the model to accurately predict the upwind to downwind C-VV ratios and improves the model fit to simultaneous C-VV and C-HH NRCS observations. The model uses a new wave height spectrum that is a linear combination of the Apel and Romeiser spectra, weighted heavily toward the Apel form, and has modified values within the C-band Bragg wavenumber regime which are close to midway between the two spectra. The final model can represent the CMOD4 C-VV NRCS results with a root-mean-square error (RMSE) of 0.47 dB and can represent the RADARSAT-1 C-HH NRCS observations, without any change to the model parameters, with an RMSE of 1.9 dB. The model can accurately reproduce the upwind to downwind C-VV NRCS ratios from CMOD4 (RMSE = 0.15 dB) and fits simultaneous C-VV to C-HH ratios derived from aircraft observations to within 1 dB (RMSE = 0.65 dB). If the C-HH hydrodynamic term is allowed to be scaled differently than the C-VV hydrodynamic term, it lowers the RMSE for the simultaneous C-VV to C-HH aircraft observations to 0.49 dB while not affecting the fit to C-VV and C-HH NRCS values. Compared to other C-HH models published in the literature, this model provides a better fit to the RADARSAT-1 C-HH NRCS data across a larger range of conditions than any other single model, provides a better fit to simultaneous C-VV and C-HH NRCS data at an incidence angle of 20°, and reproduces the decreasing trend in the C-VV to C-HH ratio with increasing wind speed observed in data.

Dans cet article, on présente un modèle à deux échelles pour la prévision des valeurs de surface équivalente radar normalisée en bande C polarisation VV (C-VV) générées à partir du modèle CMOD4 de même que des valeurs étalonnées de surface équivalente radar normalisée dérivées des images radar à synthèse d'ouverture de RADARSAT-1 en bande C polarisation HH (C-HH) et jumelées aux mesures de vent local acquises par des bouées co-localisées. Le modèle est basé sur les modèles composites standards qui intègrent les modulations tilt avec une nouvelle approche incorporant les modulations hydrodynamiques. Il est démontré que l'inclusion du terme hydrodynamique n'a pas d'impact significatif sur l'ajustement des valeurs de surface équivalente radar normalisée (SERN) mais permet au modèle de prédire de façon précise les ratios C-VV au près du vent à sous le vent et améliore l'ajustement du modèle par rapport aux observations simultanées de SERN en polarisation C-VV et C-HH. Le modèle utilise un nouveau spectre de hauteur de vague qui est une combinaison linéaire des spectres de Apel et de Romeiser pondérée fortement en faveur de la forme d'Apel et qui présente des valeurs modifiées à l'intérieur du régime du nombre d'ondes de Bragg en bande C proches du point central entre ces deux spectres. Le modèle final permet de représenter les résultats des SERN issues du modèle CMOD4 en polarisation C-VV avec une erreur quadratique moyenne (RMSE) de 0,47 dB, et peut représenter les observations de SERN de RADARSAT-1 en polarisation C-HH sans aucun changement par rapport aux paramètres du modèle, avec une erreur quadratique moyenne de 1,9 dB. Le modèle peut reproduire de façon précise les ratios de valeurs de SERN en polarisation C-VV au près du vent à sous le vent dérivés du modèle CMOD4 (RMSE = 0,15 dB) et s'ajuste aux ratios simultanés C-VV/C-HH dérivés des observations aéroportées à l'intérieur de 1 dB (RMSE = 0,65 dB). Si le terme hydrodynamique C-HH est étalonné différemment du terme hydrodynamique C-VV, cela rabaisse l'erreur quadratique moyenne (RMSE) des observations aéroportées simultanées de C-VV/C-HH à 0,49 dB tout en n'affectant pas l'ajustement par rapport aux valeurs de SERN C-VV et C-HH. Une comparaison avec les autres modèles C-HH publiés dans la littérature permet de démontrer que ce modèle donne un meilleur ajustement par rapport aux données de SERN C-HH de RADARSAT-1 à travers une gamme plus grande de conditions que tout autre modèle individuel, que le modèle donne un meilleur ajustement par rapport aux données simultanées de SERN en polarisation C-VV et C-HH à un angle d'incidence de 20°, et qu'il reproduit la tendance à la décroissance du ratio C-VV/C-HH observée dans les données en fonction de l'accroissement de la vitesse du vent.[Traduit par la Rédaction]