ERS-2 SAR反演海洋风矢量的研究

SAR(Synthetic Aperture Radar)反演海洋风矢量是当今微波遥感领域非常有意义的前沿课题. 本文首先介绍了星载SAR估算海面风向、风速的基本原理和三种主流反演算法，接着给出反演的流程图以及重要步骤. 然后，以2002年5月7日香港地区ERS-2 SAR海洋图像为例，对经典的SWDA (SAR Wind Direction Algorithm)－谱分析方法加以改进，求得具有180°模糊度的风向，并用香港天文台气象浮标实测数据消除了风向不确定性. 最后，利用CMOD4 GMF（Geophysical Model Function，地球物理模式函数）计算得到海面上10m高的风速. 与气象浮标站实测资料相比，利用ERS-2 SAR图像获取的海面风向、风速的精度均较高. 这一结果表明：如果对SAR预先进行ADC(Analog to Digital Converter)改正以及精确校准，结合改进的SWDA和CMOD4，可以获得高精度的风矢量.     

合成孔径雷达风场反演变分方案评估

利用合成孔径雷达获取高空间分辨率的海面风场,对于研究沿岸海域大气海洋过程具有重要意义.应用CMOD地球物理模型直接反演风速受先验风向误差影响较大,30°的风向误差可导致高达40％的风速误差.变分方法考虑了雷达观测值及背景风场的不确定性,能够较好地降低先验风向对反演风速的影响.但不同的观测误差或地球物理模型选择会形成不同的变分方案,使得反演风场存在差异.本文基于Sentinel-1合成孔径雷达数据及NDBC浮标数据,对不同变分方案进行了系统评估.试验结果表明,当观测误差选取常值0.1 dB、地球物理模型选取CMOD7时,反演风速均方根误差为1.11 m·s-1,总体最小;但在特定风速区间内,其他变分方案能获得相对更好的反演精度;各变分方案反演风速精度均显著高于背景风速及CMOD直接反演风速精度,但反演风向相对背景风向没有明显改善.试验结果可为变分方法在不同应用需求下的选择提供参考依据.     

机载SAR探测图像中归一化雷达截面随入射角变化规律应用

机载SAR对海探测时,探测范围小和时空匹配难等局限使其无法借助风条纹和辅助资料反演海面风矢量.本文在仿真研究CMOD5.N地球物理模型参数的函数关系,实例分析机载SAR探测图像中距离向均值曲线变化规律的基础上,发现相同风向、风速条件下,CMOD5.N模型构建的标准曲线和探测图像的距离向均值曲线遵循统一的归一化雷达截面随入射角变化规律,且两者具有良好的相关性.据此,本文提出将距离向均值曲线与标准曲线逐条匹配,采用相关系数判定两者的相关程度,选择使得相关系数绝对值最大的标准曲线作为最优匹配曲线,进而直接确定风向和风速的海面风矢量反演方法.机载SAR飞行探测实验结果表明,海面风矢量反演结果与浮标观测结果的均方根误差为风向11.3°,风速0.9m·s-1,高于反演精度指标要求,原因在于该方法既避免了机载SAR探测图像中斑点噪声的影响,又不会产生局部最优解,提高了海面风矢量反演精度.     

利用全极化微波辐射计资料反演台风境内海面风场

作为一种新兴的被动遥感技术,全极化微波辐射计不仅可以提供海面风速产品,还可以提供海面风向产品.以往利用全极化微波辐射计观测亮温进行海面风场反演仅在晴空条件下进行,本文通过对观测亮温结合台风区域海面风场的分布特征进行分析,验证了全极化微波辐射计具有在台风等恶劣天气条件下进行海面风场观测的能力.基于敏感性分析实验,确定使用6.8 GHz和10.7 GHz等低频通道组合可进行台风区域内海面风场反演.其中,海面风速反演使用基于统计的多元线性回归算法,同时对海面温度、大气水汽含量、云中液态水含量及降水强度等物理量进行反演计算,为海面风向反演做准备.海面风向反演使用物理统计法进行,借鉴散射计风向反演使用的最大似然估计法.通过在全极化辐射传输前向模型中加入降水对大气透过率的影响、设计第三和第四Stokes通道亮温环境影响修正函数,在实现台风区域内海面风向反演的同时减小了反演误差.通过对“云娜”台风境内海面风场进行数值计算,验证了本文反演算法的可行性,并对反演误差的空间分布特征进行了分析.将2004年各台风过程的海面风场反演结果与散射计风场产品进行对比,海面风速和海面风向反演的均方根误差分别为1.64 m·s^-1和18.02°.     

降雨对PR雷达海面风速探测的影响及校正

针对降雨雷达(PR)海面测风精度易受降雨影响的特点,本文从雨滴对雷达信号的二次路径衰减效应、体后向散射效应以及雨滴对海表的"溅射"效应这三个因素出发,推导了降雨条件下PR雷达方程,并利用Ku波段雨滴衰减模型、球形雨滴体后向散射模型结合2010年6~8月的PR观测数据以及TMI风速数据对PR降雨雷达方程进行逆向求解,定量分析了降雨对PR测风精度的影响,发现降雨对PR回波信号的影响主要表现为雨滴的二次路径衰减效应和雨滴对海表的"溅射"效应,雨滴的体后向散射效应相对最弱;而且,雨滴的二次路径衰减效应和雨滴的体后向散射效应均随降雨强度以及雷达波束在降雨层传输经过的路径增加而增强;雨滴对海表的"溅射"效应对回波能量具有衰减作用,且衰减作用随降雨强度以及入射角的增加而增强.最后,将雨滴体后向散射效应和雨滴对海表的"溅射"效应合并考虑,构建了降雨条件下PR雷达降雨辐射传输模型,并结合2012年6~10月三次台风观测数据对模型精度进行了验证,结果表明,校正前PR观测等与海面风场引起的σ0平均偏差为2.95 dB,均方差为3.10 dB;校正后二者之间的平均偏差为0.64 dB,均方差为1.61 dB,表明本文方法能有效补偿降雨对PR观测σ0衰减的部分.     

一种用于微波辐射计遥感海表面盐度和温度的反演算法

海面的微波辐射除了与海表面温度和盐度有关外, 还受海面风的影响. 海面风的观测误差严重地影响了海表面温度和盐度的遥感精度. 通过研究海面风因子对海表面辐射影响, 建立了海面风(包括风速和风向)与海表面的微波亮温T以及风导致的亮温修正量DT之间的关系; 在此基础上, 提出了利用微波辐射计的单卫星、多角度观测数据反演海表面盐度和温度的算法. 在这个算法中, 风对海表面辐射影响已经被剔除, 风速和风向不再是反演算法的输入参数. 因此, 该算法不受制于海面风速和风向的影响导致的误差. 这样, 为利用单卫星、多角度微波辐射计遥感海表面盐度和温度提供了一个新途径.     

星载微波SSM/I对南中国海海面遥感的辐射特征及其风场反演

研究了星载微波DMSPSSM／I对南中国海海面遥感数据的定量辐射特征．与现有的经验性统计反演不同,本文用37GHz垂直和水平极化两个通道的辐射亮度温度,提出了物理意义明确,又易于计算和参数标定的海面风速反演公式．海面风速及演结果与现有的海面浮标风速观测记录作了很好的比较．这一方法应用于南中国海海面风速的反演,得到了南海海面风速在空间和时间尺度上的分布和变化．     

成像雷达海浪成像机制

从海浪平衡方程出发推导出一般情况下海浪高频谱的解析表达式和变化流场引起海浪谱变化的表达式.利用海面微波散射理论导出了真实孔径雷达(RAR)海面成像公式,并描述了海面风场、流场及其变化对RAR的调制.另外,从合成孔径雷达(SAR)工作原理出发,推导出了由于海浪运动引起的相位调制的一般表达式,并讨论了成像雷达测量海流和海底地形的可能性,为成像雷达探测海浪、海面风场、海面流场、海底地形以及内波等海洋现象提供了理论基础.     

星载重轨极化干涉SAR反演森林植被高度

机载双天线极化干涉SAR反演植被参数得到广泛应用,并取得较好的反演精度.然而对于星载的单天线极化干涉SAR系统,只能采取重轨方式获得极化干涉数据,且该数据受到较为严重的时间去相干的影响.因此,利用星载极化干涉SAR数据反演植被参数不得不考虑时间去相干的影响.由于时间去相干的影响,经典RVoG模型已经被证明对植被区域的极化干涉SAR数据进行反演的结果有较严重的偏差.针对这一问题,基于RVoG模型的TD-RVoG模型被提出,用于消除时间去相干的影响,但该模型未知参数太多,难以应用于单基线极化干涉数据反演植被高度.在原始TD-RVoG模型的基础,提出一种新的运动时间去相干模型,减少了未知参量个数,并采用三阶段法反演植被高度.利用星载重轨极化ALOS/PALSAR数据进行模型验证,结果显示新模型整体反演结果误差在1.5 m以内.     

基于星载高精度GPS观测数据的大气密度反演

星载高精度GPS观测数据可提供卫星速度和位置信息,而卫星的运行轨迹又与所处位置的大气密度紧密相关,因此可通过求解大气阻力微分方程,由高精度GPS观测数据反演出卫星运行轨迹上的热层大气密度.本文从星载高精度GPS观测数据出发,给出大气密度的反演方法,以及平均平动参数nM、反弹道系数B两个重要参数的解算过程,并以天宫一号为例,给出反演结果与天宫一号观测数据的比对.结果表明,反演结果与观测值符合很好,两者的均方差在2012年1月1日、2月24日分别为8.6%和8.4%,说明利用星载GPS观测数据反演大气密度是有效、可行的,可成为今后获取高精度大气密度的一种方法.     

星载SAR遥感图像反演海洋大气边界层高度

本研究将边界层相似理论与对流理论应用到具有海洋大气边界层(Marine Atmospheric Boundary Layer, MABL)对流特征的星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)遥感图像,探讨了星载SAR遥感图像描述海气应力作用下水平扰动尺度变化的潜在可能性.针对具有三维对流涡旋Cell和二维水平滚轴涡旋Roll特征的星载SAR遥感图像,反演了中国海海域MABL高度,并与同步实验获取的MABL高度结果进行对比.结果表明,利用具有对流特征的星载SAR遥感图像反演MABL高度是可行的,展示了以高分辨率、大面积观测为特点的星载SAR遥感图像探测MABL的广阔前景.     

利用风云三号微波成像仪资料遥感“桑达”台风降雨云结构

本文利用搭载于我国风云三号B星上的微波成像仪(MWRI)观测亮温数据,结合戈达德廓线反演算法,对1102号"桑达"台风地面雨强和降雨云结构进行反演试验.利用AMSR-E业务降水产品对地面雨强反演结果进行了检验,结果表明,MWRI和AMSR-E反演的地面雨强在空间分布上非常吻合,相关性达76%,均方根误差约2.8 mm/h,二者的观测亮温及地面雨强反演结果具有较好的一致性.提取洋面台风雨区的平均水凝物廓线,其垂直结构显示,雨水和可降冰含量丰富,随高度变化明显,且具有明显峰值高度,云水和云冰含量则较少,且随高度变化不明显;当降水增强时,雨水和可降冰各层含量稳定增加,且峰值高度基本保持不变,云水和云冰含量则增幅不稳,且峰值高度有所改变.地面雨强随距台风中心距离的变化阐释了台风的螺旋结构及降水特点,距台风中心距离0.3°和0.6°附近分别出现了地面雨强峰值和次峰值,且66%的降水集中在距台风中心距离1°的空间范围内.MWRI提供的台风地面雨强和降雨云垂直信息具有较高的可信度,对于我们监测台风降水、分析台风降水结构的时空演变特征以及数值预报模式应用等具有重要的参考价值.     

钠多普勒激光雷达回波光子数仿真及大气参数反演

钠多普勒激光雷达利用中层顶区域的钠原子作为示踪物,探测中层顶区域大气风场和温度剖面.本文主要分析钠多普勒激光雷达的探测原理和大气参数反演算法.利用MSISE和HWM93等大气模型给出背景大气温度、密度及风场,并给定钠原子数密度剖面,从激光雷达方程出发,模拟计算了激光雷达的瑞利散射和钠共振荧光散射回波光子数.利用模拟的回波光子数剖面数据,反演得到大气温度、视线风速和钠原子数密度剖面,反演结果与模拟计算用的背景参数符合很好,验证了这一反演方法的正确性.分析了激光频率偏移和激光线宽变化对反演精度的影响.     

Fabry-Perot干涉仪非全干涉圆环反演中高层大气风场方法研究

Fabry-Perot干涉仪(FPI)被广泛的应用于中高层大气风场的观测.目前,地基FPI监测中高层大气风场大都基于全干涉圆环,其观测一组风场数据需要15~25min,且由于全干涉圆环不利于多个观测方向同时成像在同一CCD(Charge-Coupled Device)上,因此限制了观测时间分辨率的进一步提高.而非全干涉圆环可以提供足够的空间将多个观测方向同时成像在同一CCD上,从而实现地基观测时间分辨率的提高.因此,本文结合FPI干涉环的特点,基于Taubin计算方法利用迭代法进行非全干涉圆环的圆心确定,然后基于圆心进行圆周积分,并进行半径拟合计算,进而进行大气风速的反演.基于该方法,本文利用2013年4月9日至5月6日28天的山西岢岚(38.71°N,111.58°E)的地基FPI气辉观测数据进行了风速反演验证,包括892.0、630.0和557.7nm气辉.将岢岚地基FPI非全干涉圆环的反演结果与全干涉圆环(傅里叶法)的风速进行了比较和分析,三种气辉的平均反演偏差分别为5.38、5.81和3.03m s~(-1).同时,将兴隆(40.40°N,117.59°E)地基FPI非全干涉圆环和全干涉圆环的风速结果与十三陵站点(40.3°N,116.2°E)的流星雷达风场数据进行了比较,风速变化趋势一致.     

水体浊度对风速、风向及其时间累积效应的响应——以太湖贡湖湾为例

水体浊度是影响水下光场及营养盐循环的关键要素之一,其变化过程与水生生态环境演变关系密切.基于2015-2016年7个时段于太湖贡湖湾内外的金墅和上山村两站点的水体浊度及东山气象站的逐时风场数据,利用分位统计等方法,探讨了风速、风向及时间累积效应对水体浊度的影响.结果表明：在以风场驱动为主要动力来源的大型浅水湖泊中,春、秋两季水体浊度的变化频率高于夏、冬两季,且春季变率更为突出;冬季风场和水体浊度的变率均较夏季明显.风场（包括风速、风向及其累积时间）是影响水体浊度变化的关键因素.其中风速是主要决定性因子;风向对水体浊度有较明显的影响,其通过对风速效应的修正进而影响水体浊度,该修正作用可用三角函数表征;水体浊度变化同时还受前期风场累积的影响,其前期时间累积效应的有效时段为2~10 h.该研究给出了风速、风向及风场累积效应的耦合对水体浊度的影响模型,有助于弄清风场对水体浊度变化的影响机制.     

计算测高卫星的正常点及其平均海面高

利用测高卫星的冻结轨道特征计算了正常点轨迹,利用三次B样条函数和Stacking技术内插计算了T／P、ERS-1／2和Geosat测高数据在正常点的平均海面高,改善了测高数据的精度和分辨率．最后,利用正常点上的平均海面高反演了多种分辨率的海域重力异常,其中所反演的海域重力异常的标准差为mGal级．     

“龙王”台风期间高频地波雷达数据分析

OSMAR2003岸基高频地波雷达系统由武汉大学电波传播实验室研制并于2005年应用于福建沿海,能够全天候、大面积探测台湾海峡内海洋表面动力学要素. 本文首先将0519号台风期间高频地波雷达的测量数据与局部点的浮标数据对比，然后又对大面积海域内雷达测量风场与uikSCAT卫星遥感数据进行了对比分析. 结果表明高频地波雷达较好地反映了台风期间台湾海峡内风场的空间分布及其发展变化情况，具有一定的灾害性海洋天气监测能力.     

台风“菲特”影响下温州某高层建筑顶部风场特性实测分析

东南沿海是我国经济发达地区,在沿海城市中心的高层建筑开展风场特性实测研究,对城市中心高层建筑的抗风设计具有重要的工程意义。本文基于2013年在温州市中心某高层建筑顶部实测获得的台风"菲特"的风场数据,研究获得了温州市中心高空台风风场的湍流度、阵风因子、峰值因子、湍流积分尺度和风速谱等风场特性。研究结果表明,湍流度、阵风因子和峰值因子随10min平均风速增大基本保持稳定;阵风因子随湍流度的增大而增大,且基本为线性关系;湍流度、阵风因子和峰值因子均随阵风持续时间的增加而减小,减小速率逐渐变缓,且变化曲率与Durst的经验曲线较为相似。     

洪泽湖风生流对风场和水位变化响应特征

深入认识大型湖泊在不同风速、风向和水位下三维风生流结构特征对于湖泊污染控制、生态恢复及资源的开发利用具有重要意义.本文在构建笛卡尔坐标系下洪泽湖三维水动力模型的基础上,利用2次全湖30个点位流场监测数据验证了模型精度.基于1975-2020年长系列风场观测数据,确定了洪泽湖典型风速风向.在此基础上,模拟了16种不同风向,13种不同风速和20种不同水位工况条件下洪泽湖三维风生流结构.结果表明：水动力模型可以较好地刻画洪泽湖三维湖流变化特征.洪泽湖风生流结构随风向变化呈现出较大空间差异.风生流流速随着风速的升高呈加速上升趋势,其中表层水体流速上升幅度远高于其他水层.在2.4 m/s东风驱动下,溧河洼、成子湖和南部湖区垂向平均流速随着水位上升呈先升高后降低的趋势,3个湖区分别在12.7、12.4和12.2 m水位下流速达到最大值.     

基于SHMS的润扬悬索桥桥址区北风特性的研究

气象研究表明,作用在润扬悬索桥上的强风荷载主要是夏季台风和冬季偏北大风。运营近三年来,润扬悬索桥结构健康监测系统（SHMS）中的风速仪记录了经过该桥址区的大量强风样本。本文通过对北京时间2007-03-10 T13：00～2007-03-10 T16：00期间的实测强北风风速风向数据的分析,得到了该时段的风速和风向、紊流强度、紊流积分尺度、紊流功率谱密度函数等强风特性。结果表明,桥址区实测北风风速风向较稳定;顺风向紊流功率谱密度函数与Kaimal谱吻合较好;紊流强度较规范偏高。