A comparison of the sea-state sensitivity in empirical and theoretical models of altimeter ocean backscatter

Abstract

A new empirical model for the altimeter ocean backscatter, derived from a large set of Topex satellite altimeter observations that are co-located with buoy data, shows dependencies on significant wave height and wave age. These dependencies are investigated by constructing a theoretical model of altimeter backscatter by combining individual models for air‐sea interaction, ocean surface spectrum, and electromagnetic scattering. Two alternative models, namely the integral equation method and the composite-surface model, are used for the electromagnetic scattering component. The ability of the theoretical model to reproduce and explain the behaviour displayed by the empirical model is then examined. It is shown that the predicted rates of change of backscatter with certain wave parameters are sensitive to particular aspects of the theory. Specifically, the dependence on swell root-mean-squared height is strongly influenced by the assumed interaction between the wind and the sea surface, and the dependence on wave age is strongly influenced by the assumed wind‐sea spectrum. The best-fitting descriptions of the wind‐sea spectrum and the interaction between the wind and the sea surface are identified. The results are independent of the particular scattering models considered here.

Un nouveau modèle empirique pour la rétrodiffusion altimétrique océanique dérivée d'un ensemble important d'observations altimétriques satellitaires de Topex co-localisées avec des données de bouées, indique des dépendances par rapport aux valeurs significatives de la hauteur et de l'âge de la vague. Ces dépendances sont étudiées en construisant un modèle théorique de rétrodiffusion altimétrique en combinant les modèles individuels pour l'interaction air‐mer, le spectre de la surface de l'océan et la diffusion altimétrique. Deux modèles alternatifs, notamment le modèle IEM (integral equation model) et le modèle CSM (composite-surface model), sont utilisés pour la composante de diffusion électromagnétique. L'habileté du modèle théorique à reproduire et expliquer le comportement démontré par le modèle empirique est ensuite examinée. Il est démontré que les taux de changement prédits dans la rétrodifusion en fonction de certains paramètres de la vague sont sensibles à des aspects particuliers de la théorie. Spécifiquement, la dépendance par rapport à la hauteur de la vague RMS est fortement influencée par l'interaction assumée entre le vent et la surface de la mer alors que la dépendance par rapport à l'âge de la vague est fortement influencée par le spectre assumé vent‐mer. Les descriptions les plus appropriées du spectre vent‐mer et de l'interaction entre le vent et la surface de la mer sont identifiées. Les résultats sont indépendants des modèles spécifiques de diffusion considérés dans l'analyse.[Traduit par la Rédaction]