基于星载SAR数据和模式资料的海面风场变分融合方法研究

为实现合成孔径雷达数据与数值预报模式资料融合,提高海面风场精度和业务化运用水平,提出了一种基于星载SAR数据与模式资料的变分融合方法。其研究思路是采用二维连续小波变换提取SAR图像中高精度风条纹风向,结合地球物理模型函数求解海面风场的经向分量和纬向分量,然后采用Kriging插值方法将数值预报模式风速插值到SAR海面风场覆盖区域,得到SAR风速观测算子,由此构建SAR风场与模式风场融合的代价函数,并采用变分方法求解分析风场,最终得到融合后的海面风场结果。仿真分析结果表明,变分融合后的海面风速和风向结果更接近于理想值,尤其在SAR海面风场覆盖区域更为明显。选取ENVISAT/ASAR资料和与其时空匹配的欧洲中期天气预报中心模式风场资料开展实例验证,结果表明融合后的海面风场结果比模式风场更加接近于浮标观测结果。     

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。     

中国卫星海洋观测系统及其传感器(1988—2025)

全面收集1988—2025年中国地球观测卫星(和飞船)计划,包括历史的、运行中的和列入未来计划的。详细介绍风云卫星系列(FY-n)、海洋卫星系列(HY-n)、资源卫星系列(ZY-n)、环境卫星系列(HJ-n)、中国遥感卫星系列(CRS-n)、灾害监测星座/北京小卫星(DMC/BJ-1)、神舟飞船系列(SZ-n)和天宫空间站系列(TG-n)等8个卫星(和飞船、空间站)系列。这些卫星(和飞船、空间站)系列都提供对海洋的观测,从而构成中国卫星海洋观测系统。按装载的传感器分类,进而给出中国的海色、海表温度、海面高度、海面风场和合成孔径雷达(SAR)卫星观测系统。对中国海洋观测卫星与国际海洋观测卫星装载的传感器性能作了比较和讨论,指出差距。列出目前在轨运行的中国海洋卫星观测系统38个传感器及其类似的国外卫星传感器。     

中法海洋卫星微波散射计近海岸产品在台风遥感监测中的应用

中法海洋卫星(Chinese-French Oceanography Satellite,CFOSAT)搭载的微波散射计(CFOSAT Scatterometer,CSCAT)采用 Ku 波段扇形波束旋转扫描体制,具有观测几何信息丰富、观测样本数多的特点,是一种新型的海面风场遥感仪器。CSCAT 的原始空间分辨率可达10 km×12-5 km,是目前空间分辨率最高的微波散射计,为开发高质量的近海岸高分辨率海面风场产品提供了可能性。首先,回顾了 CSCAT 近海岸风场遥感的原理,并利用辅助数据验证了这种新的科学产品的有效性。 然后,利用 CSCAT 近海岸风场开展了台风灾害监测研究。与标准 25 km 分辨率的产品相比, CSCAT 近海岸风场可以更细致地描绘台风结构,能够为气象和海洋防灾减灾提供更精准的信息支持与决策服务。     

基于SAR多普勒质心频移的海面流场迭代反演算法

为了克服SAR多普勒质心频移法反演海面流场时风场贡献去除困难的难题,本文提出了基于M4S模型的弦截下山法,利用其迭代计算局部区域的海面流场;然后估算整幅SAR图像中风场对多普勒速度的风贡献因子7;最后去除风场对多普勒速度的贡献.将该算法用于Radarsat-2数据反演海面径向流速,并利用匹配的实测数据验证反演精度.研究...     

基于二维激光观测的溢油及其乳化过程散射模式研究进展

合成孔径雷达(SAR)以其高分辨率、能不受雨云影响实施全天时全天候全方位监测,在海面溢油灾害应急监测过程中发挥着越来越重要的作用。溢油是因为海面油膜抑制了毛细波和重力波,在SAR图像上呈暗斑而被识别。然而,海面溢油的乳化过程直接影响SAR对海面溢油后向散射截面的观测精度。本研究以物理海洋学和激光原理以及海面电磁散射理论为基础,通过实验利用激光扫描仪观测海面溢油粗糙度,分别与溢油特征参数、后向散射系数建立对应关系;耦合海面溢油参数与后向散射截面的关系,利用电磁散射数值建模方法,建立海面溢油散射模型,研究海面溢油乳化过程对微波后向散射截面的影响。本项目的研究将为SAR监测海面溢油量、溢油厚度及油品分布格局提供了可能;将进一步揭示海面溢油的散射机制,提高SAR海面监测溢油的精度和能力。     

一种改进的基于逆Omega-K算法的海面场景SAR原始数据仿真方法

合成孔径雷达(SAR)海面场景原始数据仿真是研究海洋动力参数(表面波浪、风矢量和洋流)的有效工具。目前海面场景原始数据仿真方法已经基于逆Omega-K算法实现了海洋运动参数的空间变化。但是目前仅仅讨论了正侧视情况下的海面场景仿真,应用范围有限,同时没有考虑Stokes漂流以及Bragg相速度的影响,而这两者都是存在于真实海面的。通常情况下为了反演得到海面流场的二维速度矢量,雷达需要从两个不同的方位方向观察海面的同一个区域,因此这就需要考虑大斜视的雷达波束,同时Stokes漂流和Bragg相速度是SAR海表面流场观测不容忽视的两种运动。本文在不改变原有正侧视逆Omega-K算法的情况下,通过增加重新计算零方位时刻的斜视波束中心位置坐标,并据此确定SAR原始数据在多普勒域的位置来将其扩展到大斜侧视逆Omega-K算法,并通过时域Stokes漂流公式到频域内离散化Stokes漂流公式的推导来加入Stokes漂流,以及根据Bragg散射机制加入了Bragg相速度。仿真结果表明,经过聚焦成像后的SAR图像很好的体现了真实海面波浪场的形状,同时能够很好地反演出设定的雷达径向流场速度,且流速精度误差控制在6%以内。最后也证明了Bragg相速度以及Stokes漂流对于海面流场的影响不可忽视。     

“深水地平线”事故深海溢油输移扩散的数值模拟

为深入认识深海溢油输运过程和提高深海溢油事故的应急响应能力,文章以2010年墨西哥湾“深水地平线”事故为例,采用深海溢油输移扩散模型,以三维流场和海面风场为主要环境动力,数值模拟溢油深海泄漏后的浮射扩散、水体中输移扩散以及在风场和流场共同作用下在海面上输移扩散的全过程,同时模拟实施海底消油剂喷注处理措施后溢油输移轨迹和扩散范围的变化。研究结果表明：数值模拟结果与相关报道的悬浮油带实际观测结果以及美国国家海洋与大气管理局的海水异常遥感监测结果总体相符,可为更加全面和精细的深海溢油输移扩散数值模拟研究奠定良好的基础。     

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。     

机载小型SAR研发与海洋溢油监测试验研究

基于海上溢油监测需求,自主研发了小型合成孔径雷达(SAR),并基于机载平台开展海上监测试验,进行应用测试。研发的小型SAR工作在C波段,极化方式为VV,质量24kg,可搭载于有人或无人飞行器,对较大面积海域进行实时连续成像,在获取设定分辨率的SAR实时影像的同时,完整记录原始回波信息,可进一步地面处理生成精细影像。2015年8—9月在山东烟台威海近海海域开展了机载小型SAR海洋监测试验,获取了海上目标包括平台、船只、浮筏和海上疑似油膜现象的SAR影像,成像良好。海上试验研究表明,小型SAR可以提供高质量的海面SAR影像数据,为海面目标及油膜的实时监测提供有利支持。     

Atmospheric frontal gravity waves observed in satellite SAR images of the Bohai Sea and Huanghai Sea

In the satellite synthetic aperture radar (SAR) images of the Bohai Sea and Huanghai Sea, the authors observe sea surface imprints of wave-like patterns with an average wavelength of 3.8 km. Comparing SAR observations with sea surface wind fields and surface weather maps, the authors find that the occurrence of the wave-like phenomena is associated with the passing of atmospheric front. The authors define the waves as atmospheric frontal gravity waves. The dynamical parameters of the wave packets are derived from statistics of 9 satellite SAR images obtained from 2002 to 2008. A two-dimensional linear physical wave model is used to analyze the generation mechanism of the waves. The atmospheric frontal wave induced wind variation across the frontal wave packet is compared with wind retrievals from the SAR images. The CMOD-5 (C-band scatterometer ocean geophysical model function) is used for SAR wind retrievals VV (transmitted vertical and received vertical) for ENVISAT and HH (transmitted horizontally and received horizontally) for RADARSAT-1. A reasonable agreement between the analytical solution and the SAR observation is reached. This new SAR frontal wave observation adds to the school of SAR observations of sea surface imprints of AGWs including island lee waves, coastal lee waves, and upstream Atmospheric Gravity Waves (AGW).     

Radial velocity of ocean surface current estimated from SAR Doppler frequency measurements—a case study of Kuroshio in the East China Sea

Ocean currents are a key element in ocean processes and in meteorology, affecting material transport and modulating climate change patterns. The Doppler frequency shift information of the synthetic aperture radar (SAR) echo signal can reflect the dynamic characteristics of the sea surface, and has become an essential sea surface dynamic remote sensing parameter. Studies have verified that the instantaneous Doppler frequency shift can realize the SAR detection of the sea surface current. However, the validation of SAR-derived ocean current data and a thorough analysis of the errors associated with them remain lacking. In this study, we derive high spatial resolution flow measurements for the Kuroshio in the East China Sea from SAR data using a theoretical model of shifts in Doppler frequency driven by ocean surface current. Global ocean multi observation (MOB) products and global surface Lagrangian drifter (GLD) data are used to validate the Kuroshio flow retrieved from the SAR data. Results show that the central flow velocity for the Kuroshio derived from the SAR is 0.4–1.5 m/s. The error distribution between SAR ocean currents and MOB products is an approximate standard normal distribution, with the 90％ confidence interval concentrated between –0.1 m/s and 0.1 m/s. Comparative analysis of SAR ocean current and GLD products, the correlation coefficient is 0.803, which shows to be significant at a confidence level of 99％. The cross-validation of different ocean current dataset illustrate that the SAR radial current captures the positions and dynamics of the Kuroshio central flow and the Kuroshio Counter Current, and has the capability to monitor current velocity over a wide range of values.     

基于人工神经网络的高频雷达风速反演

风速是重要的海洋状态参数之一，对海面风速的准确提取是实现海洋环境监测和沿海工程应用的重要保证。目前，作为新兴海洋环境监测设备，高频雷达在风速提取方面仍然存在挑战。本文提出了一种基于人工神经网络的风速提取方法，利用历史浮标测量海态数据训练风速提取网络，实现风速与有效波高、波周期、风向及时间因素之间的非线性映射。测试结果表明了这一网络在时间和空间上的稳定性；进而将已训练的网络应用到便携式高频地波雷达OSMAR-S的风速反演中，得到的风速与浮标测量风速间的相关系数达到0.849，均方根误差为2.11 m/s。这一结果明显优于常规由浪高反演风速的SMB方法，验证了该方法在高频雷达风速反演中的可行性。     

Effects of winds,tides and storm surges on ocean surface waves in the Sea of Japan

Ocean surface waves are strongly forced by high wind conditions associated with winter storms in the Sea of Japan. They are also modulated by tides and storm surges. The effects of the variability in surface wind forcing, tides and storm surges on the waves are investigated using a wave model, a high-resolution atmospheric mesoscale model and a hydrodynamic ocean circulation model. Five month-long wave model simulations are inducted to examine the sensitivity of ocean waves to various wind forcing fields, tides and storm surges during January 1997. Compared with observed mean wave parameters, results indicate that the high frequency variability in the surface wind filed has very great effect on wave simulation. Tides and storm surges have a significant impact on the waves in nearshores of the Tsushima-kaihyō, but not for other regions in the Sea of Japan. High spatial and temporal resolution and good quality surface wind products will be crucial for the prediction of surface waves in the JES and other marginal seas, especially near the coastal regions.     

北极海域海面风场和海浪遥感观测能力分析

卫星遥感是开展北极海域海面风场和海浪分布特征与变化规律研究的重要手段。本文基于在轨多源卫星遥感数据，从遥感观测空间覆盖、时间覆盖和多源卫星遥感数据融合等方面开展北极海域海面风场与海浪遥感观测能力分析，研究主要结果为:基于ASCAT和HY-2A散射计可实现北极海域海面风场遥感观测，通过多星联合观测可获取北极海域时空分辨率优于12 h和0.1°的海面风场遥感融合数据；基于HY-2A、CryoSat-2、SARAL和Sentinel-3高度计可实现北极海域海浪遥感观测，同样通过多星联合观测可获取北极海域时空分辨率优于1 d和0.25°的海浪有效波高遥感融合数据；基于2016年北极海面风场和海浪遥感融合数据，分析得出北极海域海面风场和海浪在2月处于极大值，然后逐渐减小，7月最小，随后开始逐渐增大。本研究表明，基于多源散射计和高度计遥感观测可实现北极海域海面风场和海浪的高时空分辨率遥感业务化监测。     

Approximate evaluation of the distortion to the peak ocean wavelength and direction derived from SAR image spectra

A calculation procedure using the modulation transfer function approach is presented to estimate the distortions to the values of the peak ocean wavelength and direction derived from SAR images of these waves. The distortions are calculated for ranges of SAR parameters which are typical for aircraft and satellites, and ocean wave parameters which reflect sea states which can be imaged by these SARs. The calculated distortions are discussed in terms of overall trends, effect of particular SAR and wave parameters, and qualitatively compared with observed differences between SAR and in situ measurements.     

基于同步风场的机载SAR海浪参数反演方法

针对机载合成孔径雷达(SAR)对海探测特点,采用多入射角法从SAR数据本身得到与海浪参数反演区域时空匹配的同步海面风速和风向,并结合线性变换关系,计算得到海浪初猜谱对应的仿真SAR图像谱,将仿真SAR图像谱和观测SAR图像谱输入代价函数中进行迭代运算,通过非线性方程的解算得到最适海浪谱;采用交叉谱法去除海浪传播180°方向模糊,最终得到海浪参数。论文提出的基于同步风场的机载SAR海浪参数反演方法,充分利用了机载SAR海洋环境探测的优势,解决了传统SAR海浪参数反演中初猜谱构造依赖外部风场的问题,机载同步飞行试验的海浪参数反演结果与浮标观测值的有效波高、波向的均方根误差分别为0.23 m和13.23°,验证了该方法的有效性,可为机载SAR海浪参数反演业务化提供支持。