海面风速是海洋动力环境要素之一。海洋白帽是波浪破碎的直观展现，与海面风速具有密切的统计关系，是风速估算的主要依据。光学卫星通过监测海洋白帽，实现海面风速的光学遥感反演，是海洋光学遥感的创新与突破。南京大学国际地球系统科学研究所陆应诚教授团队最近在Journalof Geophysical Research: Oceans上发表了题为“Discriminationof Oceanic Whitecaps Derived by Sea Surface Wind Using Sentinel-2 MSIImages”的论文。研究阐明并发展了卫星光学遥感对海洋白帽的识别估算原理与方法，揭示了卫星光学遥感反演海面风速的技术特点与能力。
基于美国东、西海岸25个浮标站点观测资料，对2019年8月至2020年7月同步Sentinel-2MSI光学卫星数据开展分析，获取了102组MSI图像与实测风速的有效数据对；开展海面白帽识别提取、特征参数反演、白帽覆盖率—海面风速建模及验证，实现了海面风速的光学卫星遥感估算与评估。研究表明：(1)发展了基于曲率滤波的白帽识别提取算法，在MSI图像多个方向上，对白帽像元进行导数滤波，实现了海洋白帽的有效识别提取(精度约为85%)；(2)基于MSI数据估算的海洋白帽监测参数(白帽覆盖率、白帽密度等)，与同步海面风速具有良好的统计关系，从而发展并验证了“白帽覆盖率-海面风速”统计模型(适用风速范围为6~ 18 m/s，均方根偏差为0.35m/s)；(3)Sentinel-2MSI数据估算的白帽覆盖率(W)，其稳定的图像计算窗口为4km × 4 km，表明MSI数据能实现空间分辨率为4km的风速反演(图1)；(4)将Sentinel-2MSI数据反演的海面风速产品(空间分辨率为4km)重采样到较粗空间分辨率(0.25°)，与准同步ERA5再分析风速产品(空间分辨率为0.25°)进行对比分析，海面风速的空间分布具有一致性，相对最大偏差不超过1.3m/s。
图1(a)Sentinel-2 MSI光学遥感数据,(b)基于MSI估算的高空间分辨率(4km)海面风速,(c)高分辨率海面风速光学遥感反演结果的空间重采样图像(空间分辨率为0.25°)，(d)准同步ERA5再分析风速产品(空间分辨率为0.25°)
该研究基于高空间分辨率Sentinel-2卫星MSI光学遥感数据，分析了海洋白帽的图像特征，发展了海洋白帽的识别提取算法，实现了稳健的白帽覆盖率光学遥感估算，促进了高分辨率海面风速的卫星光学遥感反演，为卫星光学遥感开展海洋动力环境监测提供了参考（Zhao,B., Lu, Y., Ding, J., Jiao, J., & Tian, Q. (2022). Discriminationof oceanic whitecaps derived by sea surface wind using Sentinel-2 MSIimages. Journal of Geophysical Research: Oceans, 127, e2021JC018208.https://doi. org/10.1029/2021JC018208）。
