1.2海面粗糙度

粗糙雷诺数、空气动力学粗糙长度和阻力系数是表征海面粗糙程度的三个物理量[3]，本文将基于空气动力学粗糙度展开。

1.2.1空气动力学粗糙度概念

由于粗糙元的不同，地表的粗糙度有很大的区别，根据粗糙元的类型，粗糙度可分为砂质、雪质、水质、砾石、植被粗糙度[4][5][6]。不同下垫面的空气动力粗糙度千差万别，山脉地形下的粗糙度达到10m以上甚至接近100m，城市中心在1m左右，而本文中所研究的开阔海面的粗糙度精度为10-4m。

1.2.2海面粗糙度概念

海面粗糙度描述了微尺度海面起伏状况，由于海面随风起伏不定，粗糙元的形状、大小、排列方式随之改变。另外，由于海浪的作用，接近海面的气流也会产生雷诺应力。综上所述，海面粗糙度不仅与风速有关，也同样受到其他因素的影响。

1.3研究现状

海洋表面特征的提取方法多样，包括遥感、浮标、水声等。其中水声获得数据需要依赖于置于水中的仪器而导致操作困难；浮标可提供资料较多，且不受陆地船舶影响，误差较小，但数据较为离散，分布不均匀；遥感可提供大面积数据，分辨率高，且监测连续均匀，可重复，自20世纪60年代以后受到广泛应用，但成本高，且亦受云层干扰。相比之下，视频监测技术易于实现、操作简单、成本低廉，且随着视频监测技术的发展，更能提供大面积、持续性实测数据。美国最早广泛应用了视频监测技术。视频监测技术也被用于在NCEX、RIPEX大型海洋科学研究实验中[7]。上个世纪80年代，美国俄勒冈州立大学RobHolman教授所在的科学家团队成立海岸图像实验室，开发了基于岸线的近岸视频观测技术即ARGUS系统，开展海滩和近海的水纹动态、海岸变化的研究工作，这套系统目前已开发至第三套[8]。澳大利亚从1999年至今，采用视频图像监测海岸潮水线、海流、海浪的持续长期资料，研究海滩演变等，日本2003在田边湾海中建立视频图像监测系统，2015年我国第一套ARGUS系统于浙江舟山建成，目前英国新南威尔士大学也发展了近海图像监测系统[7]。

海面粗糙度一般无法直接测量得到，我们需要综合风力数据，其中包括了海浪的高度、风速、波浪频谱能量等，从而间接粗略估计出海面粗糙程度。其中卫星高度计测量数据多，范围广，持续监测时间长，但所测数据只有高度、风速和有效波高，没有波长信息；相比之下，微波风场散射计可提供更高精度数据，可提供风速、风向以确定风场，但目前风向估计依旧有一定模糊性，模型还在不断改进当中；合成孔径雷达可以测量海洋表面的多种参数，在这几种方法中精度最高，是测量小范围海洋粗糙度的有效手段，但观测数据量较少，成本较高。