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.     

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.     

基于星载SAR数据的台风参数估计及风场构建

传统的星载SAR数据海面风场反演方法是利用海面风场与雷达后向散射系数之间的经验关系即CMOD5模式函数求解海面风场.但在台风条件下,由于降雨对雷达信号的影响及高风速条件下CMOD5模式函数的停滞效应,海面风场的反演精度迅速下降.针对降雨对雷达信号的影响,本文基于星载SAR卫星平台未搭载降雨测量载荷的特点,将多时次的静止气象卫星红外云图用于推导台风云系的运动矢量,并由该运动矢量及非同步观测降雨数据估算星载SAR数据过境时的降雨强度.最后,利用订正模型和降雨强度数据进行降雨订正.针对高风速条件下CMOD5模式函数的停滞效应,本文基于台风的SAR图像特征和改进的HOLLAND台风模型,提出了台风参数估计及风场构建方案.首先,利用基于小波分析的风向提取算法提取台风风场的海面风向信息,并通过地球物理模式函数和风向信息反演海面风速.然后,根据台风眼的SAR图像特征计算台风中心位置和最大风速半径,并将其代入改进的HOLLAND台风模型.最后,利用中低风速数据通过最小二乘法拟合台风中心气压和最大风速,并将台风风向、中心位置、最大风速半径、中心气压和最大风速等参量代入改进的HOLLAND模型构建台风海面风场.为了验证方案的精度,选择台风"艾利"、"卡努"和"奥菲利娅"的星载SAR数据进行试验,并利用美国联合台风预警中心和飓风研究中心的最佳路径数据和风场数据进行精度检验.结果表明,本文利用星载SAR数据估算的台风中心位置、中心气压、最大风速与最佳路径数据基本一致,构建的海面风场精度较高,其中,海面风速的均方差为1.4 m s-1,风向的均方差为2.1°,为台风监测提供了新的技术途径.     

风云三号C星微波湿温探测仪的定标和验证

风云三号C星(FY-3C)已经于2013年9月23日发射升空,其上装载的微波湿温探测仪(MWHTS)已于9月30日开机正常工作.MWHTS具有对大气温度和湿度垂直分布进行同步探测的能力.MWHTS为跨轨扫描式微波辐射计,在89~191GHz毫米波段内设置了十五个探测通道,其中包括118.75GHz氧气吸收线附近的8个大气温度探测通道,183.31GHz水汽吸收线附近的5个大气湿度探测通道,以及89GHz和150GHz两个窗区通道.设置在118.75GHz的一组毫米波探测通道是国际上业务卫星首次使用的大气探测通道,这组通道和183.31GHz通道对大气进行联合探测,将获得更加精细的大气温湿度垂直分布数据,为数值预报和气候研究提供丰富信息.为保证MWHTS观测资料的定量应用,对仪器性能和定标精度进行了在轨测试.利用MWHTS在轨正常工作后的三个月数据,对仪器在轨定标的基础数据:冷空和黑体计数值,黑体和仪器温度进行监测分析和质量检验,经过质量检验的在轨定标基础数据,结合发射前真空试验得到的非线性订正项在轨定标生成MWHTS观测亮温数据.评估MWHTS在轨辐射定标结果的精度和偏差特性使用了三种方法:1通过场地定标试验获取大气温湿廓线和地面温度等大气参数信息,结合微波逐线正演辐射传输模式MonoRTM(Monochromatic Radiative Transfer Model)模拟MWHTS的上行微波辐射亮温,与MWHTS实际观测结果进行对比分析;2两个通道特性一致的同类星载被动微波载荷同时观测同一目标,观测亮温的差异主要取决于两个载荷的定标系统偏差.选取美国SNPP上搭载的微波探测仪器ATMS作为MWHTS的参考载荷,基于SNO(simultaneous nadir overpass)技术,对两个仪器的观测亮温进行交叉比对,观测亮温时空匹配及均匀性检验的条件为:观测时间差异小于20min,观测像元中心距离小于3km,观测角度在星下点附近差异小于5°,观测像元周围3×3像元内的亮温标准差小于1K;3基于美国国家环境预测中心的全球数据同化系统GDAS(Global Data Assimilation System)数据,利用快速辐射传输模式CRTM(Community Radiative Transfer Model)对MWHTS各通道亮温进行正演模拟,模拟结果(O)和仪器实际观测的亮温(B)之间的差异记为"O-B",对偏差值"O-B"进行统计特征分析.仪器中心频率的变化、正演模式模拟精度和模式输入廓线自身的误差都会对"O-B"产生影响.但是对于首次使用的探测频点而言(如118.75GHz通道),由于国际上没有同类载荷可以进行交叉比对,借助于正演辐射传输模式计算得到"O-B"偏差的分析结果可以在一定程度上反映仪器整体定标情况.外场地定标试验结果显示除通道14外,其他14个通道的亮温差都在1.3K以内;与同类载荷ATMS的在轨观测进行直接交叉比对表明通道14与ATMS的亮温偏差最大,但中心频点一致的5个水汽探测通道的标准差都小于1K;将MWHTS观测结果和正演辐射传输模式模拟结果即"O-B"进行偏差分析显示,靠近118.75GHz吸收线中心的通道2—6"O-B"标准差小于0.5K,其他通道"O-B"标准差和ATMS相应通道的结果相当;MWHTS观测和模拟偏差随角度变化的研究表明通道1,7~13和15观测结果对角度有一定依赖性.     

利用海面全极化微波辐射获取毛细重力波谱的研究

通常利用双尺度模型计算海面微波辐射的原则是, 先计算大波斜率密度函数对电磁扰动权函数的影响, 再引入海面毛细重力波谱的效应. 电磁扰动权函数与海面毛细重力波谱无关, 而且海浪长波谱和毛细重力波谱可以根据分界波数分开计算; 依据这一点, 推导并获得了一个简单的计算海面微波辐射的新模型. 依据该模型, 海面微波辐射可以表示为电磁扰动权函数对海面曲率谱的积分, 其优点是电磁扰动权函数和海面曲率谱对亮温的作用可以进行分解研究. 基于该模型, 进一步讨论了利用多频全极化辐射计反演海面毛细重力波谱的可行性.     

基于月球实时加权平均辐射亮度温度的星载毫米波湿度仪的定标

太空环境的变化会给在轨运行的星载有效载荷定标造成一定的不确定性,因此需要一个长期稳定可靠的定标辐射源. 2005年,美国NOAA-18卫星搭载了多类微波辐射有效载荷,其中包括工作在毫米波频段的微波湿度仪(MHS).卫星在轨运行中,对冷空观测时MHS的深空视野(deep space view, DSV)有时会观测到月球.由于没有大气与多变的环境影响,稳定的月表面微波辐射是一个可利用的定标辐射源.文章用实时的太阳辐射强度和日下点位置,基于月球勘测轨道飞行器LRO Diviner红外辐射亮温数据反演的热物性参数,由一维热传导方程计算月球正面的月壤温度廓线;结合"嫦娥二号"微波辐射亮温数据反演得到的月壤层正切损耗,用辐射传输积分方程仿真计算了2011年内89、157、183GHz频段月球正面的加权平均辐射亮温.将月球视为一个圆盘目标,而非一个点目标,用仿真的月球正面辐射亮温来修正拟合深空视野中实际的辐射强度半峰全宽(full width at half maximum,FWHM).仿真分析了卫星与月球的距离、月相、辐射计的FWHM对数据拟合的影响,将修正后的辐射亮温数据与仿真结果进行比较.文章提出了月球正面实时的加权平均辐射亮温模型,为在轨气象卫星微波辐射计的在轨定标技术提供了一个新设计方案.     

星载微波ERS-1和多通道SSM/I观测海洋的相关性和随机粗糙面复合模型的数值模拟

欧洲遥感卫星（ERS）和美国防卫气象卫星计划（DMSP）空对地微波遥感是当今研究全球大气地表微波散射辐射和反演地球物理与水文参数的主要数据来源．本文研究了ERS－1散射计和SSM／I多通道辐射计在中国海域观测到的后向散射和热辐射数据,论证了同一地区同一时间段内ERS主动散射计和SSM／I被动辐射计观测数据的相关性．用海域主、被动遥感数据的比较,阐述了主、被动联合多通道分析方法有利于监视和分析复杂地表和海面在时间和空间尺度上的变化．用带泡沫散射层的双尺度随机粗糙面的复合模型计算后向散射和热发射,用以数值模拟ERS和SSM／I数据．并讨论了后向散射与热辐射数值模拟结果的相关性,以及与星载微波遥感器实际观测结果的比较．     

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．     

基于时间序列的星载微波成像仪无线电频率干扰识别方法

无线电频率干扰(Radio Frequency Interference,简称RFI)的识别对提高星载被动微波资料的利用率有重要作用.本文基于先进的微波扫描辐射计AMSR-2(Advanced Microwave Scanning Radiometer-2)2016年1月1日到2017年12月31日两年的观测亮温资料,采用两种基于长时间观测序列的方法(平均值与标准差法、标准估算误差法)来识别全球陆面在C波段(6.9 GHz和新增7.3 GHz通道)的无线电频率干扰,同时还统计分析了长时间RFI信号的分布及变化特征.通过与成熟的谱差法对比验证表明,平均值与标准差法、标准估算误差法对识别全球陆面在C波段的无线电频率干扰是行之有效的,而且标准估算误差法能够将谱差法、平均值与标准差法在冰雪覆盖区域(如格陵兰岛)识别的虚假RFI信号给剔除,有助于得到更加准确的全球无线电频率干扰信号分布图.研究还发现,RFI信号的空间位置分布随时间的推移是逐渐变化的,其出现概率与通道的极化特性有关,且在6.9 GHz水平极化通道识别出RFI信号的视场总数多于垂直极化通道,而在7.3 GHz水平极化通道识别出RFI信号的区域则少于垂直极化通道.同一频率的升轨和降轨资料中RFI信号的出现概率也不同,不论6.9 GHz和7.3 GHz的水平还是垂直极化通道,在升轨资料中识别出RFI信号的视场总数都多于降轨资料.     

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.     

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.     

A new algorithm for microwave radiometer remote sensing of sea surface salinity and temperature

The microwave radiation of the sea surface, which is denoted by the sea surface brightness temperature, is not only related with sea surface salinity (SSS) and temperature (SST), but also influenced by sea surface wind. The errors of wind detected by satellite sensor have significant influences on the accuracy of SSS and SST retrieval. The effects of sea surface wind on sea surface brightness temperature, i.e. △Th,v, and the relations among △Th,v, wind speed, sea surface tempera- ture, sea surface salinity and incidence angle of observation are investigated. Based on the investi- gations, a new algorithm depending on the design of a single radiometer with double polarizations and multi-incidence angles is proposed. The algorithm excludes the influence of sea surface wind on SSS and SST retrieval, and provides a new method for remote sensing of SSS and SST.     

Estimation of tropical cyclone parameters and wind fields from SAR images

The traditional method of Synthetic Aperture Radar(SAR)wind field retrieval is based on an empirical relation between the near surface winds and the normalized radar backscatter cross section to estimate wind speeds,where this relation is called the geophysical model function(GMF).However,the accuracy rapidly decreases due to the impact of rainfall on the measurement of SAR and the saturation of backscattered intensity under the condition of tropical cyclone.Because of no available instrument synchronously monitoring rain rate on the satellite platform of SAR,we have to derive the precipitation of the SAR observation time from non-simultaneous passive microwave observations of rain in combination with geostationary IR images,and then use the model of rain correction to remove the impact of rain on SAR wind field measurements.For the saturation of radar backscatter cross section in high wind speed conditions,we develop an approach to estimate tropical cyclone parameters and wind fields based on the improved Holland model and the SAR image features of tropical cyclone.To retrieve the low-to-moderate wind speed,the wind direction of tropical cyclone is estimated from the SAR image using wavelet analysis.And then the maximum wind speed and the central pressure of tropical cyclone are calculated by a least square minimization of the difference between the improved Holland model and the low-to-moderate wind speed retrieved from SAR.In addition,wind fields are estimated from the improved Holland model using the above-mentioned parameters of tropical cyclone as input.To evaluate the accuracy of our approach,the SAR images of typhoon Aere,typhoon Khanun,and hurricane Ophelia are used to estimate tropical cyclone parameters and wind fields,which are compared with the best track data and reanalyzed wind fields of the Joint Typhoon Warning Center(JTWC)and the Hurricane Research Division(HRD).The results indicate that the tropical cyclone center,maximum wind speed,and central pressure are generally consistent with the best track data,and wind fields agree well with reanalyzed data from HRD.     

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.     

Coastal upwelling observed by multi-satellite sensors

Coastal upwelling phenomenon along the China coast in the Yellow Sea during August 2007 is studied using ENVISAT Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) data, NOAA Advanced AVHRR series Sea Surface Temperature (SST) data, and NASA QuikSCAT Scatterometer ocean surface wind data. A dark pattern in an ASAR image is interpreted as coastal upwelling. This is because the natural biogenic slicks associated with coastal upwelling damp the Bragg waves on the sea surface and thus make the surface smoother. Most of the incoming radar energy is reflected in the forward direction. As a result, the radar backscatter signal is very weak. Analyzing the concurrent AVHRR SST image, we find that the dark pattern in the ASAR image is indeed corresponding to the low SST area. The wind retrieval in the slicks dominant region is biased due to the low Normalised Radar Cross Section (NRCS) associated with the coastal upwelling. We applied a SST correction to the NRCS values to improve the accuracy of wind retrieval from ASAR data.     

Characteristics of coastal trapped waves along the northern coast of the South China Sea during year?1990

The structures and evolution of the coastal-trapped waves (CTW) along the northern coast of the South China Sea (SCS) in the year?1990 are studied using observed hourly sea level records collected from four sites around the northern SCS and a three-dimensional numerical model with realistic bathymetry and wind forcing. Analysis of the yearlong records of the observed sea level data indicates that the sea level variations are highly correlated between the stations and the sea level variability propagates southwestward along the coast. The sea level signals traveling from northeast to southwest along the coast with a propagation speed of 5.5–17.9?m?s^?1 during both the typhoon season and the winter month show the characteristics of a CTW. The wave speed is faster between stations Shanwei and Zhapo than that between Xiamen and Shanwei. Sea level variations during both typhoon season and winter month are reasonably well represented by the numerical model. The model runs focused on the wave signals related to typhoons and winter storm show that the CTW propagating southwestward along the coast can be reinforced or decreased by the local wind forcing during its propagation and there are apparent differences in the propagation characteristics between the waves along the mainland and those traveling around Hainan Island. The abrupt change of the shelf width and coastline around Leizhou Peninsula and Hainan Island are responsible for strong scattering of CTWs from one mode into higher modes. The alongshore velocities across different transects associated with CTW are investigated to examine the vertical structures of the waves. The alongshore velocity structures at transects during different events are related to the combined effect of stratification and shelf profile, which can be estimated using the Burger number. The empirical orthogonal function analysis of alongshore velocity and nodal lines of the mode structure suggest mode two CTWs in transect S2 during typhoon season and mode 1 CTWs during winter. Sensitivity model experiments are also performed to demonstrate the effects of local wind and topography on the wave propagation.     

西太平洋台风对上海地区钻孔应变的低频扰动特征分析

基于上海佘山台四分量钻孔应变仪在6次西太平洋台风期间的观测记录,利用小波分解、优势振动方向等处理方法提取出台风所激发的显著低频扰动信号,并详细分析扰动信号在时频域及空间域的表现特性。结果显示:在低频区间,台风激发的扰动信号优势周期为2~4 min,信号能量随台风进程而变化,并主要与台风量级、台风中心的位置(海上或陆域)及其与台站间的距离有关。在台风中心不断逼近海岸时,佘山台4个分量记录的扰动信号均开始增强,但不同方向记录的信号强度存在较显著的差别,其中振动强度最大的方向(即优势振动方向)为160°,该方向与台站所处海岸线的走向密切相关。最后结合扰动信号的时频及空间响应特征,对比地表风速、海洋浮标记录后认为分量应变仪记录的低频扰动信号与近海浪高的相关性较好;综合信号的频谱特征,认为应变仪记录的台风扰动信号是由近岸浅海区域的海洋长重力波激发产生的。     

泡沫覆盖的随机粗糙海面的双站散射和热辐射

从双尺度随机粗糙面的散射理论和矢量辐射传输理论出发，将具有白帽泡沫覆盖的风驱海面模拟成一层离散球形粒子下垫双尺度随机粗糙界面的复合模型．利用Ｐｉｅｒｓｏｎ的半经验海洋波高谱和修正的Ｃｏｘ和Ｍｕｎｋ的坡度分布函数，推导了强风驱使下白帽泡沫覆盖的随机起伏海面的双站散射系数和热发射率，得到了极化的双站散射和热发射与海面各物理参数之间定量的函数关系．数值计算的结果与已有的海洋遥感实验数据进行了比较和讨论．