Comparison of the two-dimensional directional wave spectra retrieved from spaceborne synthetic aperture radar images using the MPI scheme against directional buoy measurements

Abstract

SUMMARY: Spaceborne Synthetic Aperture Radar (SAR) is to date the only source of two-dimensional directional wave spectra with continuous and global coverage when operated in the so-called SAR Wave Mode (SWM). Since the launch in 1991 of the first European Remote Sensing Satellite ERS-1, and more recently with ENVISAT, millions of SWM imagettes containing detailed spectral information are now available in quasi-real time. This huge amount of directional wave data has opened up many exciting possibilities for the improvement of our knowledge of the dynamics of ocean waves. However, the retrieval of wave spectra from SAR images is not a trivial exercise due to the nonlinearities involved in the mapping mechanism. In this paper we review the main features of the SAR ocean wave imaging mechanisms and give a detailed description of the Max-Planck Institut (MPI) retrieval algorithm which is running operationally at the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF). Some examples of retrieved spectra are compared against directional buoy measurements obtained in deep water in the South Atlantic and against WAM spectra. The main characteristics of the MPI retrieval scheme are discussed and some of its deficiencies and strengths are identified.Key words: wind wave, SAR spectrum, MPI scheme, SAR Wave Mode, ERS SWM imagettes. RESUMEN: COMPARACIÓN DEL ESPECTRO DIRECCIONAL BIDIMENSIONAL DE OLEAJE OBTENIDO CON RADAR DE ABERTURA SIN-TÉTICA MEDIANTE EL ESQUEMA MPI RESPECTO A MEDIDAS CON BOYA DIRECCIONAL. -El radar de abertura sintética (SAR) operado desde satélite es actualmente el único medio que permite calcular espectros direccionales de oleaje bidimensionales de forma global y continua, cuando se opera en el denominado modo SAR de oleaje (SWM). Desde el lanzamiento en 1991 del primer Satélite Europeo de Observación de la Tierra (ERS-1), y más recientemente con el ENVISAT, millones de pequeñas imágenes SWM con información espectral detallada están disponibles en tiempo casi real. Esta enorme cantidad de datos de oleaje direccional ha abierto numerosas posibilidades a la mejora de nuestro conocimiento de la dinámica del oleaje oceánico. Sin embargo, la obtención del espectro de oleaje a partir de imágenes SAR no es un ejercicio trivial a causa de las no-linealidades que aparecen en el cálculo. En este artículo revisamos las principales características de los mecanismos de visualización del oleaje por parte del SAR, con una descripción detallada del algoritmo de recuperación del Instituto MaxPlanck (MPI) que utiliza de forma operacional el Centro Europeo de Predicción del Tiempo a Medio Plazo (ECMWF). Algunos ejemplos de espectros obtenidos por este método son comparados con los obtenidos a partir de medidas realizadas por boyas de oleaje direccionales en aguas profundas del Atlántico sur.Palabras clave: olas de viento, espectro de SAR, esquema MPI, SAR en modo oleaje, imágenes SAR SWM.