基于影像纹理特征和外部风向的星载 SAR 海面风场反演研究

在合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)海面风场反演中,基于风条纹影像纹理特征的海面风向反演方法精度高,但是依赖于图像风条纹的存在,而外部风向信息与SAR资料时空分辨率不易匹配、精度较低,从而影响大面积、高分辨率海面风场反演的精度。针对此问题,提出一种将SAR图像风条纹线性纹理特征与外部风向信息相结合的星载SAR海面风向获取方法,在SAR影像线性纹理特征明显的区域采用二维连续小波变换得到高精度的海面风向,其余区域采用与之时空相匹配的数值预报模式风向填充;并利用地球物理模型函数进一步得到海面风速,进而实现高精度、大范围海面风场的反演。为验证本文方法的有效性,利用ENVISAT/ASAR数据进行风场反演试验,并将反演结果与浮标实测数据进行比对。结果表明:在线性纹理特征明显的区域,小波方法的反演精度优于快速傅里叶变换(FFT)法和数值预报模式风向;外部风向精度略低,但与SAR观测资料时空匹配性较好,弥补了风条纹风向的不足。二者的结合为星载SAR海面风场反演的业务化应用提供了支持。     

合成孔径雷达反演黄海海面风场

基于后向散射系数反演高空间分辨率海面风场,采用谱方法确定风向,并利用CMOD4模式函数反演风速。以ERS-2 SAR黄海区域图像为例,反演海面风场,并将反演结果同QuikSCAT散射计对比,比较吻合,证明该方法在黄海区域的可行性。     

针对C波段组网SAR卫星的风场优化反演方法研究

地球物理模型函数是一种常被用于同极化合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）的风场反演方法。在使用该方法提取SAR数据的风速时,需要将风向作为输入信息,这导致反演风速的精度受风向精度的影响,且使SAR风场反演无法独立完成。为了解决这些问题,通过数值模拟获取仿真的组网SAR卫星数据,3颗SAR同时以不同的入射角观测同一海面。针对仿真的组网SAR卫星数据,发展了一种风场优化反演方法,可以在不输入风向的前提下反演风速,提供参考风向还可以进一步提高风场反演的精度。     

高海况海洋遥感信息提取技术研究进展

中等海况下,星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)已经广泛应用于海洋动力环境要素的监测(风场、波浪、流场)。近年来,SAR高海况遥感,尤其是探测台风海面风场、巨浪、流场已经成为国内外研究热点,并突破了一些关键技术。利用SAR多极化成像模式对海观测和新发展的地球物理模式函数,可以提取高海况下的海面风速、风向、有效波高、流速和流向等海洋表面关键物理参数。这些环境要素可以用于海洋灾害监测预警;为海洋和大气数值模式提供准确的初始场和同化源,改进模式预报精度;为研究全球气候变化提供有力的观测依据。     

两种海面风场的对比及对海浪模拟的影响

海面风场在海浪模拟研究和预报中起着关键性的作用,再分析风场数据可为海浪模式提供长时间的大范围、高时空分辨率海面风场。利用日本浮标站资料和卫星高度计资料对再分析风场QuickSCAT/NCEP(Q/N)混合风场和ERA风场进行验证分析,并利用WAVEWATCH-Ⅲ模式进行连续12个月的数值模拟试验。对比风场和计算得到的海浪场得出结论:在风速较小的时候,ERA和Q/N风场较实测风场大,在风速较大的时候,ERA和Q/N风场较实测风场小;ERA风场模拟浪高较浮标观测波高偏小;Q/N混合风场模拟的浪高更接近实测浪高。     

基于区域海气浪耦合模式的海洋风场预报性能研究

为评估面向海洋风场的耦合模式预报性能,针对西北太平洋海域,基于一次有无台风过程开展了区域海气浪耦合模式的72 h风场预报应用研究,并重点对1 000 m以下低空风预报进行了GPS观测数据的比对检验评估。结果表明:无论是海面10 m风还是1 000 m以下低空风,耦合模式对无台风日的风场预报效果相对更好;有无台风过程的检验评估均显示,海面低空风预报随时间变化趋势与GPS观测的基本一致,且各高度上均是u分量预报效果好于v分量的;针对台风的耦合模式预报需从模式初始场和物理过程参数化等加以发展完善。     

初始化方案对有限区域海面风场数值预报模式的影响

在一个已应用于海洋要素预报的有限区域海面风场预报模式的基础上,以渤海海域为实验海区,研究初始化方案对有限区域海面风场数值预报模式的影响。对“未采用初始化”与“采用初始化”方法进行了预报实验比较,结果表明,初始化方法对有限区域海面风场模式作用明显,尤其是海面风场的开始阶段,主要体现在海风与陆风预报能力的差异上。     

WRF与MM5在印度洋海域业务化预报结果的对比分析

国家海洋环境预报中心基于MM5模式及WRF模式构建了两套印度洋海域数值预报系统。文中利用这两套系统2012年1月一12月期间的业务化数值预报结果,结合亚丁湾海域两个随船观测站点的观测资料,对亚丁湾海域进行了预报与观测的对比分析;并收集了世界气象组织(WMO)全球气象通信系统(GTS)2012年海洋大气观测资料,对印度洋海域的业务化预报结果进行了检验。结果表明:WRF模式与MM5模式均能很好的对海面风场、温度场和气压场进行预报,WRF模式在风速预报上较MM5模式没有明显改进,但对气温、气压和风向的预报准确性都有所提高;WRF模式风场34h、58h、82h预报与10h预报的差异较MM5模式都有所缩小,说明WRF模式对长时段风场预报的准确度优于MM5模式。     

一种机器学习海面风场快速融合的方法

基于多源资料进行海面风场的同化融合或插值融合,目前受到计算能力的较大制约。本文提出在多源卫星数据和ERA-5再分析数据重叠区域,训练基于XGBoost的机器学习ERA-5数据修正融合模型。然后基于该模型快速修正ERA-5数据（机器学习推理）。由于机器学习推理的快速性,ERA-5全区域修正融合的时间仅需2 s左右,可以较小计算代价构建整个海面融合风场。本文以10 m风速、10 m风向、U10分量和V10分量等典型风场变量展开,考虑了海陆分布差异使用陆地掩膜消除陆地区域,分别构建D_S_A_XGBoost、D_S_O_XGBoost、U_V_A_XGBoost、U_V_O_XGBoost 4个ERA-5修正模型,并最终生成海面融合风场。通过修正前后的ERA-5再分析数据与卫星数据进行比较,上述4个模型均减小了ERA-5再分析数据与卫星数据的差距。特别是在风速方面,不论是均方根误差（RMSE）还是绝对误差（MAE）都得到有效降低。在风向方面上,RMSE_d以及MAE_d也呈现降低趋势。在利用热带大气海洋观测计划（Tropical Atmosphere Ocean Array,TAO）浮标数据对4种XGBoost模型进行评价发现,U_V_O_XGBoost模型对于ERA-5数据的修正结果最好,其相关性达到0.893,提高了约0.011,结果表明本文在保证风场精度的情况下较大地提高了融合速度。     

背景场对变分方法海面风速反演结果的影响

利用前期提出的合成孔径雷达反演海面风场变分方法新解法,开展背景场对合成孔径雷达反演海面风场变分方法风速反演结果影响的模拟试验分析.模拟试验表明,变分方法有效解决了直接反演方法的两大缺陷:一是当背景场风速较大的时候,合成孔径雷达后向散射系数对风速不敏感,直接导致较大的风速反演误差;二是当背景场风向存在误差时,将导致后向散...     

一个台风海面风场的数值模式及其后报检验

本文建立了一个用于台风海面风场后报的数值模式,并给出了用于实际台风海面风场后报时求解上述模式的全过程,首先根据边界层风速垂直分布特点,对贴地面摩擦应力使用平均风进行参数化,进而导出边界层平均风动力学方程,对上述动力学方程积分到一准稳态,得到边界层平均风分布;再使用Monin-Obkhov相似理论,将平均风换算到10m高度,从而得到10m高度风场.对3个台风过程,给出了10m高度风场和浪场的数值后报结果.海浪同实测的结果比较表明,该风场模式的结果在实测点的后报风与实测风较一致,两者相关系数为0.95左右,台风影响测点时,极值误差均在2m/s以内,平均误差范围约10%;后报风向与实测风向的平均绝对值误差为20°,将该后报风场模式用于海浪数值后报也得到了满意的结果,后报波高与实测波高的相关系数约为0.95,最大有效波高和跨零周期的实测值与后报值相差符合得很好.这些结果均表明本文提出的风场模式是合理的,并且适用于强海况的数值计算.     

一种调整台风参数的方法

本文针对我国海面风数值预报和后报研究，基于现有的实测资料和前人的经验统计，就海面风模式中较敏感的风资料参数对台风最大风速半径的确定提出了一种较客观的统计方法，使之在缺乏观测资料的情况下能合理地反映海面风实况。在这之前，本文对中国《台风年鉴》１９７０年以前偏大的最大风速资料进行了合理的订正，使之在进入海面风数值模式前能真实地代表台风气候特征。     

一种调整台风参数的方法

西文针对我国海面风数值预报和后报研究，基于现有的实测资料和前人的经验统计，就海面风模式中较敏感的风资料参数对台风最大风速半径的确定提出了一种较客观的统计方法，使之在缺乏观测资料的情况下能合理地反映海面风实况。在这之前，西文对中国《台风年鉴》１９７０年以前偏大的最大风速资料进行了合理的订正，使之在进入海面风数值模式前能真实地代表台风气候特征。／     

“龙王”台风SAR遥感研究

利用0519号"龙王"台风SAR遥感图像,结合NCEP/QSCAT混合风场海面风向反演了高分辨的台风海面风速。基于高分辨率的SAR台风海面风场的风速剖面,对台风期间台湾海峡及周边海域海面风场的小尺度特征及变化进行了分析,结果表明,地形对风场特征的形成有显著作用,它导致台风海面风场结构发生变形以及澎湖列岛附近低风速尾流区、台湾岛的中央山脉北端下风面"角流"区和台湾岛西北海岸背风槽(或诱生低压)等现象的形成及台风期间福建省沿海区的大风天气。     

双多普勒雷达资料同化在飓风“艾克”预报中的应用研究

本文采用美国国家大气研究中心（NCAR）开发的中尺度数值模式WRFV3.7及其三维变分同化系统WRF-3DVAR对2008年飓风“艾克”进行了数值模拟研究。利用多普勒天气雷达观测资料具有高时空分辨率的优点,将美国两部多普勒天气雷达资料进行速度退模糊等必要质量控制后同化进中尺度数值模式,考察雷达资料同化对飓风“艾克”预报的改进程度。试验结果表明:将雷达资料用于对流尺度分辨率下飓风初始化需要对变分同化系统中特征尺度化因子进行优化调整,使观测资料能够以较为合理的方式调整模式初始场并进而改进预报;雷达径向风同化可以有效调整模式初始场中的飓风动力和热力结构,而经过尺度化因子调整后的雷达径向风同化则在飓风观测中心位置产生较为合理的气旋性风场增量,提供更为确切的中小尺度信息,使模式初始场更加接近观测并进而改进对飓风路径和强度的预报。     

用星载微波散射计测量海洋风场的反演方法研究

Seasat-A卫星散射计(SASS)成功地测量了全球海洋上的风矢量场.其技术基础基于微波后向散射对由海表面风产生的海面厘米级波的敏感性.由于后向散射是各向异性的,所以可以从而个或更多的天线方位角的测量中反演出风速、风向由于散射物理模型函数的非线性及信号中噪声的存在,使得风场反演中存在风向多解.本文给出了一种从SASS测量的后向散射强度的数据中反演出大尺度海洋风场的新的方法,计算结果与Petecherych等[5]利用SASS表面风分析的结果比较在风向上是吻合的,在风速上我们得到的结果更接近于表面真实风速.     

有限区域海面风场数值模式的建立

目前,国内外大尺度天气预报数值模式已经取得很大成就,如在预报地面气旋系统的移动和发展等方面。然而,这些模式的铅直分辨率一般不高,通常不包括边界层的动力过程,因而,在预报海面风场上,数值天气预报模式还没有令人满意的效果。目前所用的边界层预报模式尽管具有较高的水平分辨率和垂直分辨率,但要求大量的计算和资料,很难用于日常业务预报;另一种边界层诊断模式,用到的风场数据是气象工作者从天气形势(大尺度)分析中,通过差值等方法获得的,缺乏针对性,而且精度较低(WMO,1988;WMO,1990)。 作者认为,适于海洋要素预报的风场模式应是定位于有限区域,或称中尺度模式,并根据台站的具体资料来源和工作状况力争建立一套适于海洋要素预报的中尺度风场数值模式。鉴于以上,作者建立了一个适于海洋要素预报的有限区域海面风场数值模式。模式采用符合动力及热力学条件的简化方程组对大尺度风场进行加密,通过数值模拟得到适于海洋要素预报的有限区域海面风场。并将该模式运用于渤海这一有限区域,获得了良好的效果,说明该模式对海洋要素预报具有很好的应用前景。     

WRF、EC和T639模式在福建沿海冬半年大风预报中的检验与应用

基于福建省冬半年沿海和港湾岛屿自动站的逐时极大风观测资料和WRF(Weather Research and Forecast)、EC(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)细网格以及T639(TL639L60)三种模式预报的10 m 风场资料, 将模式预报的风向风速与观测资料进行对比检验, 结果表明: 福建省沿海冬半年大风的盛行风向以东北风为主, 大风的时空分布极为不均, 沿海风力的脉动性、跳跃性、局地性突出。从三种模式对风速风向的模拟效果来看, WRF 和EC 细网格的预报效果较好, 有可参考性, T639可参考性不高。对于风速, 模式预报结果相比实况极大风速偏小, 港湾岛屿代表站风速的平均绝对误差均小于沿海代表站, 预报平均误差由沿海向内陆逐渐减小, 由中部向南北逐渐减小。风向相比风速的预报效果要差, WRF 和EC 细网格的风向预报误差在45°～50°, 有一定的参考意义; 港湾岛屿代表站风向的平均绝对误差大于沿海代表站, 以浮标站的误差最大。当观测风速出现7 级及以上风速时, 若对大风进行分级检验, 则较低风速的预报平均绝对误差小于较高风速; 风向预报的平均绝对误差也大大降低, 且误差都在45°以内, 具有良好的参考性。     

WRF模式在“大洋一号”随船预报中的应用

首次使用WRF模式对"大洋一号"科考船第二十六航次第二航段大西洋工作海区进行了风场和气压场数值预报,并对预报结果与实况资料进行了对比分析。结果表明,在资料稀少的大洋科考工作海区,WRF模式预报的天气形势变化与实况完全吻合,其定点的风速、风向和气压预报误差都比较小。尤其是风场能较好的反映出北大西洋10 m风的变化趋势,可以有效弥补大洋科考海区资料短缺的不足。根据WRF模式数值预报图做出的主观预报与船测实况吻合程度较高,为大洋科考海区风场预报提供了一种新的途径,为今后开展大洋考察工作海区精细化业务预报打下基础。     

基于变分多参数正则化方法融合卫星散射计资料

基于常规三维变分同化（3DVAR）思想和反问题中的正则化技术,提出了适用于风场融合的带正则化约束项的3DVAR方法,在南海海域开展数据融合试验,同时采用模型函数方法确定合理的正则化参数,针对一次台风个例进行了QuikSCAT散射计海面风场数据和华南中尺度模式海面风场数据的融合试验,结果表明采用带正则化约束的3DVAR融合方法,明显消除了常规3DVAR方法融合风场时带来的虚假信息,融合后分析风场以及涡度场和散度场分布均匀,结构清晰,气旋中心显著,且分析场中观测起主导作用;采用信号自由度（DFS）方法对融合方法进行定量评估,发现相对常规3DVAR方法,带正则化约束的3DVAR融合系统中观测数据提供的DFS较多,同时提高了观测场对分析场的影响;基于独立观测资料对融合结果进行检验发现相对华南中尺度模式和常规3DVAR方法的统计结果,带正则化约束的3DVAR方法得到的风场具有最小的均方根误差和最大的相关系数。