HY-2卫星扫描微波辐射计数据反演北极海冰漂移速度

本文基于最大互相关法,利用海洋二号（HY-2）卫星扫描微波辐射计37 GHz通道多时相垂直极化亮温数据,获取了北极海冰漂移速度。采用2012年和2013年国际北极浮标计划海冰现场观测数据,对利用微波辐射计亮温资料反演的冬季北极海冰漂移速度进行了定量验证,结果表明:流速和流向均方根误差分别为1.12 cm/s和16.37°,从一定程度上说明了HY-2卫星扫描微波辐射计亮温数据反演海冰漂移速度的可行性。此外,使用美国国防气象卫星F-17搭载的专用微波成像仪91 GHz通道垂直极化亮温,采用高斯拉普拉斯滤波方法进行处理,结合最大互相关法反演的海冰漂移速度,优于法国海洋开发研究院海冰漂移速度产品。     

北极海冰密集度动态系点值ASI反演算法研究

海冰密集度是极区海冰监测的重要因素,使用AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer for Earth Observing System) 89GHz数据ASI反演算法得到的海冰密集度是目前能够获得的分辨率最高的微波数据.在以前的算法中往往使用固定的系点值,本研究实现了动态系点值ASI (the Arctic Radiation And Turbulence Interaction Study (ARTIST) Sea Ice)算法,更重要的是在统计开阔水系点值的时候消除了云对系点值的影响,使得纯水系点值更接近真实状况.得到2010年平均的开阔水和海冰的系点值分别为50.8K和7.8K,通过每天的系点值得到的反演方程在低密集度区增大了海冰密集度,在高密集冰区减小了海冰密集度,从而在一定程度上改善了微波数据的反演准确度.通过和北极区域选取40幅不受云影响的MODIS 500m分辨率宽频大气层顶反照率(broadband TOA albedo)计算的海冰密集度进行了比较验证.结果显示,40个个例中,95%本文的平均差异比使用固定系点值算法产品的小,而且75%的均方根差异比使用固定系点值算法产品的小.     

基于星载微波辐射计的海洋大气参数反演算法研究

利用3个辐射传输模式对无冰无降水情况下的星载微波辐射计亮温测量进行仿真研究,通过模拟计算结果与同步卫星数据之间的比较分析,确定了用于反演算法研究的前向模式;利用该模式,提出了基于物理的星载微波辐射计海洋大气参数(包括海面风速、海表温度、大气垂直积分水汽量以及积分液态水量)多重线性回归算法。     

基于南太平洋的AMSR2L1R亮温数据质量评估

本文基于环境场较为稳定的南太平洋目标海区,以海洋大气微波辐射传输模型(Radiative Transfer Model,RTM)模拟亮温作为参考值,对2015年1月1日—2017年12月31日的高级扫描微波辐射计(Advanced Microwave Scanning Radiometer 2,AMSR2) L1R亮温数据产品进行了质量评估。结果表明AMSR2 L1R所有通道亮温数据总偏差和标准偏差的变化范围分别为1.466～6.352 K、0.270～1.693 K,其中标准偏差在水平极化通道较大的同时随着频率的增大而增大。相比同类遥感器如全球降水测量微波成像仪(Global Precipitation Measurement Microwave Imager,GMI)等的质量分析结果,AMSR2亮温数据的标准偏差较小,这表明AMSR2亮温数据精度较高。对AMSR2 L1R亮温数据3年长时间序列的变化趋势分析表明所有通道亮温偏差均在±0.5 K范围内波动但是存在微弱的季节性变化,标准偏差随时间的变化较小,这表明AMSR2 L1R亮温数据质量较为稳定。     

应用微波辐射亮温确定北极海冰边缘的算法

海冰边缘区(MIZ)的边缘位置是微波遥感图像的1个基本特征,本文利用AMSR-E微波辐射亮温的强度比,提出1个确定MIZ边缘位置的方法。强度比最初用来确定数字影像中海冰和海水的阈值。研究发现,强度比也可以反应海冰与海水的微波辐射的差异。在无冰水域,垂直极化的18.7(V18.7)和36.5(V36.5)GHz的高级微波扫描辐射计(AM-SR-E)的亮温之比主要在0.86～0.89之间变化,此时它们在散点图中聚集成1条经过原点的直线;而在MIZ,它们的比值发生了显著改变。强度比比较好的体现了V18.7和V36.5的亮温比值在MIZ边缘处的变化特征:强度比快速增大,并且它的梯度出现极大值。全年中MIZ边缘处的亮温比值在0.89～0.90之间变化,此时对应的海冰密集度为0.08。     

一套基于FY-3B/MWRI观测的热带气旋微波亮温数据集

利用风云三号B星(FY-3B)微波成像仪(Microwave Radiation Imager,MWRI)一级亮温数据和每6 h一次的热带气旋(tropical cyclone,TC)最佳路径数据进行时空匹配,建立了TC微波亮温数据集.该数据集包含了2011—2016年全球六大海盆生成的热带风暴级别以上的TC共计538...     

基于星载微波辐射低频双极化通道观测数据的微波辐射传输模型

微波辐射传输方程是海洋-大气微波遥感的理论基础,本文基于晴空条件下AMSR-E 10.7GHz水平与垂直极化亮温数据,将平静海面的亮温观测结果与4种海水相对电容率模型和2种大气水汽吸收模型的计算结果进行比较,确定了海水相对电容率模型与水汽吸收模型,基于上述模型和实测亮温数据反演了风致各项同性海面发射率,其与已有的经验模型结果基本一致,由此建立了星载微波辐射传输模型;利用建立的辐射传输模型计算亮温与AMSR-E观测亮温分别反演了海表面温度与海表面风速,验证了所建微波传输模型的有效性。本文的研究结果可为星载微波辐射计亮温定标、海洋地球物理参数提取奠定基础。     

基于19GHz修正91GHz频段改进的ASI海冰密集度算法

基于数据融合算法思想，利用低频修正高频微波数据提出改进的ASI海冰密集度反演算法，对北极海冰进行反演研究。目前用于整体海冰密集度反演的算法中，使用低频数据的算法受天气影响较弱，但空间分辨率相对较低；而使用高频数据的算法，空间分辨率相对较高，但受天气影响较大，虽然使用天气滤波器处理，能消除那些被误判成海冰的水点，但并没有改变冰点的密集度。改进的ASI算法，利用低频数据（19GHz）修正高频数据（85.5GHz），进而得到修正后的85.5GHz的极化差P''，将P带入ASI算法，最终得到以2008-2016年每年的1月3日SSMIS数据为例的北冰洋整体海冰密集度反演结果。结果表明，改进后的ASI算法得到的总体海冰面积介于ASI与NASA Team两个结果之间；在边缘海冰区，改进后的ASI算法结果与传统的ASI算法结果在海冰面积与平均海冰密集度上都有较大差异，且前者更接近NASA Team算法。因此改进后的ASI算法，在空间分辨率上优于NASA Team算法，在受天气影响程度上更弱于ASI算法，并且有效变了边缘海冰区像元的海冰密集度。     

海冰密集度卫星遥感反演研究进展

海冰密集度是海冰的重要参数之一,在冰区导航、海上作业、海冰模式验证和气候模型改进等方面具有重要意义。卫星遥感具有覆盖范围广、重访周期短、成本相对低等优势,已成为获取海冰密集度的主要观测手段。本文从主被动微波遥感和光学遥感的角度,回顾了现阶段海冰密集度卫星遥感反演研究进展情况,包括海冰监测传感器、海冰密集度反演算法和海冰密集度产品等。结果表明,被动微波遥感是目前获取海冰密集度的主要方式,已发展出许多成熟的业务化算法;主动微波遥感数据已成为制作冰情图的主要数据源,海冰密集度反演算法由合成孔径雷达SAR（Synthetic Aperture Radar）图像分类向深度学习算法发展;光学遥感海冰密集度算法较为成熟,但受限于云层和夜晚限制,其反演结果多用于其他海冰密集度产品的验证。受传感器硬件限制,3种观测手段各有其长处与不足。为获得高精度、高时空分辨率的海冰密集度数据,开展多源数据融合研究是解决传感器性能瓶颈的有效手段。大数据时代,基于深度学习的海冰密集度卫星遥感反演技术快速发展,需要深度融入海冰密集度卫星遥感领域知识。海冰密集度卫星遥感反演应着力于海冰预报服务,致力于提高我国的海冰预报能力。     

基于一维综合孔径微波辐射计的大气海洋环境参数敏感性分析

相比于实孔径微波辐射计,一维综合孔径微波辐射计具有高空间分辨率和多入射角观测特点。本文提出采用观测频率为6.9,10.65,18.7,23.8和36.5 GHz,且入射角范围为0°~65°的一维综合孔径微波辐射计遥感大气海洋环境要素。基于构建的微波大气海洋辐射传输正演模型,分析了辐射计亮温对大气海洋环境要素的敏感性,为辐射计关键指标确定和大气海洋环境要素反演算法设计提供技术支撑。结果表明：一维综合孔径微波辐射计的垂直和水平极化亮温对大气海洋环境要素的敏感性表现出不同特性,且敏感性随入射角的改变而变化显著;6.9和10.65 GHz对海面温度的敏感性较大,且随着入射角的增大,垂直极化亮温的敏感性增大,水平极化亮温的敏感性减小;10.65和18.7 GHz对海面风速的敏感性相对较大,且敏感性最大的风速区间位于10~20 m/s;23.8 GHz对大气水汽含量最敏感,且水汽含量较低、入射角较大时,敏感性越大;36.5 GHz对云液态水含量最敏感,随着入射角的增大,垂直极化亮温的敏感性减小,水平极化的敏感性增大,但两者均在液态水含量较小时表现出较大的敏感性。     

Arctic sea ice concentration retrieval using the DT-ASI algorithm based on FY-3B/MWRI data

Sea ice concentration (SIC) is one of the most important indicators when monitoring climate changes in the polar region. With the development of the Chinese satellite technology, the FengYun (FY) series has been applied to retrieve the sea ice parameters in the polar region. In this paper, to improve the SIC retrieval accuracy from the passive microwave (PM) data of the Microwave Radiation Imager (MWRI) aboard on the FengYun-3B (FY-3B) Satellite, the dynamic tie-point (DT) Arctic Radiation and Turbulence Interaction Study (ARTIST) Sea Ice (ASI) (DT-ASI) SIC retrieval algorithm is applied and obtained Arctic SIC data for nearly 10 a (from November 18, 2010 to August 19, 2019). Also, by applying a land spillover correction scheme, the erroneous sea ice along coastlines in melt season is removed. The results of FY-3B/DT-ASI are obviously improved compared to that of FY-3B/NT2 (NASA-Team2) in both SIC and sea ice extent (SIE), and are highly consistent with the results of similar products of AMSR2 (Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)/ASI and AMSR2/DT-ASI. Compared with the annual average SIC of FY-3B/NT2, our result is reduced by 2.31％. The annual average SIE difference between the two FY- 3Bs is 1.65×106 km2, of which the DT-ASI algorithm contributes 87.9％ and the land spillover method contributes 12.1％. We further select 58 MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer) cloud-free samples in the Arctic region and use the tie-point method to retrieve SIC to verify the accuracy of these SIC products. The root mean square difference (RMSD) and mean absolute difference (MAD) of the FY-3B/DT-ASI and MODIS results are 17.2％ and 12.7％, which is close to those of two AMSR2 products with 6.25 km resolution and decreased 8％ and 7.2％ compared with FY-3B/NT2. Further, FY-3B/DT-ASI has the most significant improvement where the SIC is lower than 60％. A high-quality SIC product can be obtained by using the DT-ASI algorithm and our work will be beneficial to promote the application of FengYun Satellite.     

长序列北极海冰覆盖数据集对比分析

国家卫星气象中心使用2011年至今的风云三号卫星数据开发了一套基于Nasa Team2（NT2）算法的北极海冰密集度数据集，并可实时业务更新。将该数据集与其他国家不同机构业务运行并实时更新多种同类型数据集进行横向对比分析，其中包括:（1）美国冰雪中心基于Nasa Team（NT）算法以及SSM/I、SSMIS数据制作的1978年至今25 km分辨率全球极区海冰覆盖数据集；（2）美国冰雪中心基于Boot Strap（BS）算法以及SSM/I、SSMIS数据制作的1978年至今25 km分辨率全球极区海冰覆盖数据集；（3）美国NOAA基于多种卫星资料、地面观测数据以及海冰模型制作的2004年至今4 km分辨率北半球海冰覆盖数据集（IMS）。对比表明，上述数据集在北极地区不同的时空范围内存在一定的偏差。以分辨率较高的IMS数据集为基准，对其他3种长序列数据集进行初步评价，总体最大偏差超过100×104 km2，其中，NT2数据集过估较明显。经过与IMS数据集多年各月监测最大值的对比订正，NT2数据集过估情况得到改善。在此基础上的分析结果表明，NT、BS、NT2等3种数据集与IMS数据集相比，过估区域主要分布在海岸线附近，夏季过估比冬季更加明显，少估区域与算法、月份相关性明显，夏季少估面积也较冬季更大。NT、BS、NT2等3种数据集之中，NT2数据集与IMS数据集偏差最小，NT数据集次之，BS数据集与IMS数据集偏差最大。结果表明使用风云三号卫星数据的北极海冰覆盖数据集精度与国外3种同类型数据集相当。     

利用2012年中国北极考察现场观测数据和卫星遥感资料评估海洋2号卫星扫描辐射计数据反演北极海冰密集度的研究

A retrieval algorithm of arctic sea ice concentration(SIC) based on the brightness temperature data of "HY-2" scanning microwave radiometer has been constructed. The tie points of the brightness temperature were selected based on the statistical analysis of a polarization gradient ratio and a spectral gradient ratio over open water(OW), first-year ice(FYI), and multiyear ice(MYI) in arctic. The thresholds from two weather filters were used to reduce atmospheric effects over the open ocean. SIC retrievals from the "HY-2" radiometer data for idealized OW, FYI, and MYI agreed well with theoretical values. The 2012 annual SIC was calculated and compared with two reference operational products from the National Snow and Ice Data Center(NSIDC) and the University of Bremen. The total ice-covered area yielded by the "HY-2" SIC was consistent with the results from the reference products. The assessment of SIC with the aerial photography from the fifth Chinese national arctic research expedition(CHINARE) and six synthetic aperture radar(SAR) images from the National Ice Service was carried out. The "HY-2" SIC product was 16% higher than the values derived from the aerial photography in the central arctic. The root-mean-square(RMS) values of SIC between "HY-2" and SAR were comparable with those between the reference products and SAR, varying from 8.57% to 12.34%. The "HY-2" SIC is a promising product that can be used for operational services.     

基于HY-2A散射计数据的极区海冰范围反演方法及其评估

A sea ice extent retrieval algorithm over the polar area based on scatterometer data of HY-2A satellite has been established.Four parameters are used for distinguishing between sea ice and ocean with Fisher's linear discriminant analysis method.The method is used to generate polar sea ice extent maps of the Arctic and Antarctic regions of the full 2013–2014 from the scatterometer aboard HY-2A(HY-2A-SCAT) backscatter data.The time series of the ice mapped imagery shows ice edge evolution and indicates a similar seasonal change trend with total ice area from DMSP-F17 Special Sensor Microwave Imager/Sounder(SSMIS) sea ice concentration data.For both hemispheres,the HY-2A-SCAT extent correlates very well with SSMIS 15% extent for the whole year period.Compared with Synthetic Aperture Radar(SAR) imagery,the HY-2A-SCAT ice extent shows good correlation with the Sentinel-1 SAR ice edge.Over some ice edge area,the difference is very evident because sea ice edges can be very dynamic and move several kilometers in a single day.     

基于CryoSat-2数据的2010-2017年北极海冰厚度和体积的季节与年际变化特征

北极海冰变化影响着全球物质平衡、能量交换和气候变化。本文基于CryoSat-2测高数据和OSI SAF海冰密集度及海冰类型产品，分析了2010-2017年北极海冰面积、厚度和体积的季节和年际变化特征，结合NCEP再分析资料探讨了融冰期北极气温异常和夏季风异常对海冰变化的影响。结果表明，结冰期海冰面积的增加量波动较大，海冰厚度的增加量呈明显下降趋势。融冰期海冰厚度的减小量波动较大，2013年以后融冰期海冰面积的减小量逐年增加。海冰体积的变化趋势和面积变化更相似，融冰期的减小速率大于结冰期的增加速率。融冰期北极海表面大气温度异常与海冰融化量正相关。夏季风影响海冰的辐合和辐散，在弗拉姆海峡海冰的输运过程中起关键作用，促进了北冰洋表层水向大洋深层的传输。     

一维综合孔径微波辐射计遥感海面温度的敏感性分析

一维综合孔径微波辐射计能够有效提高观测的空间分辨率，其观测入射角通常在0°~55°范围内变化。为了开发适用于一维综合孔径微波辐射计的海面温度反演算法，需要评估其观测亮温对海洋大气环境要素的敏感性。利用海面发射率模型和大气辐射传输模型，构建了适用于一维综合孔径微波辐射计的微波海洋大气辐射传输模式，研究了C波段垂直和水平极化微波辐射亮温在不同入射角下对海洋大气环境要素的敏感性变化情况，并定量计算了相应的敏感系数。结果表明:垂直和水平极化亮温对海洋大气环境要素的敏感性表现出不同的特性。随着入射角的增大，垂直极化亮温对海面温度的敏感性增强，对海面风场的敏感性相对减弱；水平极化亮温则相反。由大气水汽含量和云液态水含量误差引入的垂直和水平极化亮温误差随入射角增大而增大，但是，即使在55°的大入射角下垂直和水平极化亮温误差仍小于0.12 K。对于海面温度反演精度优于1 K的要求，一维综合孔径微波辐射计的测温精度需优于0.6 K。研究结果对于一维综合孔径微波辐射计海面温度反演算法的研究和载荷设计具有一定的理论指导意义。     

基于DINEOF的风云极轨气象卫星海表温度重构方法研究

海表温度是表征海洋表层热力状况的重要海洋参数,日均全天候覆盖的海温观测数据可为服务台风监测及其他海洋灾害时空演变的精细化预报提供数据支撑。可见光红外扫描辐射计和中分辨率光谱成像仪反演的海温产品具有较高的空间分辨率,但是红外遥感反演的海温产品受到云、雾和霾的影响,在云下存在大面积、无规律的缺值;微波辐射计反演的海温产品空间分辨率低,但可穿透云层,实现全天候海温观测。本文基于风云三号B、C、D三颗极轨气象卫星红外和微波遥感仪器反演的海温资料,利用经验正交函数插值法(DINEOF)重构得到全球海表温度产品。与全球分析场日平均海温OISST数据进行比较可知：原始海温资料的均方根误差为0.59~0.70℃,DINEOF重构后海温资料均方根误差降至0.10~0.34℃;相关系数从0.33~0.48提升到0.78~0.98。多传感器重构海温数据空间分布上连续可信,能够监测不同季节的海温变化特征及暖池空间模态。风云三号气象卫星微波遥感的加入显著提升了重构海温的空间连续覆盖率和时间分辨率。     

北冰洋中心区海冰漂流与大气过程

利用北冰洋中心区漂流自动气象站(DAWS)2012年9月—2013年2月的观测数据,分析了北极点周围海冰漂流轨迹和速度及相关大气过程。结果显示,北冰洋中心区海冰具有不稳定漂流过程。2012年9月1日—2013年1月6日,DAWS所在海冰从西向西北方向漂流,2013年1月6日以后稳定地向东南方向漂流,平均移速为0.06m/s,最大达到0.4m/s。海冰漂流方向的突变和加速与穿极气旋和急流的影响有关。净辐射常出现短期突变过程,导致海冰从大气吸收能量,减缓了海冰的辐射冷却。爆发性增温过程的最大幅度达到30℃,是由强穿极气旋和伴随的暖湿气流向北极中心区输送引起,这种现象在中低纬度十分罕见。增温过程的作用是高空大气向冰面输送热量,导致海冰破裂,海冰硬度的脆变,减缓海冰厚度的增长,这种过程可能是北极海冰面积和厚度减少重要过程。