一种基于BP神经网络方法的HY-2A散射计反演风场偏差订正方案

针对HY-2A散射计风矢量场数据,利用BP神经网络方法,引入NDBC浮标的降水海温等环境要素,对HY-2A散射计风场进行偏差订正。实验结果表明:BP神经网络方法对HY-2A散射计的风速风向均有较好的订正效果,能有效修正HY-2A的风速高估现象,风速平均偏差由2.32 m/s改善至0.25 m/s;同时通过敏感性试验,发现了各样本输入量以及各环境要素对实验结果的敏感性。     

HY-2B卫星散射计海面风场产品质量分析 *

星载微波散射计是获取全球海面风场信息的主要手段, HY-2B卫星散射计的成功发射为全球海面风场数据获取的持续性提供了重要保障。本文利用欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)再分析风场数据、热带大气海洋观测计划(Tropical Atmosphere Ocean Array, TAO)和美国国家数据浮标中心(National Data Buoy Center, NDBC)浮标获取的海面风矢量实测数据, 对HY-2B散射计海面风场数据产品的质量进行统计分析。分析表明, HY-2B风场与ECMWF再分析风场对比, 在4~24m·s^-1风速区间内, 风速和风向均方根误差(root mean square error, RMSE)分别为1.58m·s^-1和15.34°; 与位于开阔海域的TAO浮标数据对比, 风速、风向RMSE分别为1.03m·s^-1和14.98°, 可见HY-2B风场能较好地满足业务化应用的精度要求(风速优于2m·s^-1, 风向优于20°)。与主要位于近海海域的NDBC浮标对比, HY-2B风场的风速、风向RMSE分别为1.60m·s^-1和19.14°, 说明HY-2B散射计同时具备了对近海海域风场的良好观测能力。本文还发现HY-2B风场质量会随风速、地面交轨位置等变化, 为用户更好地使用HY-2B风场产品提供参考。     

卫星散射计与海面平台所测的风场数据比较

基于南海北部海面PY30-1石油平台气象站测风仪2011年7月19日—2012年9月17日实测的风场数据,分别开展了对卫星搭载的ASCAT和HY-2散射计所测风场数据的比较研究,分析散射计的测风能力(选取的时空窗口为30 min和25 km)。结果表明:在南海北部海域,ASCAT 散射计所测风速和PY30-1石油平台气象站观测风速的均方根误差为2.53 m/s,风向偏差较大,均方根误差为47.87°;HY-2散射计所测风速和PY30-1石油平台气象站观测风速的均方根误差为3.41 m/s,风向的均方根误差为58.66°。分别按低、中和高风速的不同条件将ASCAT和HY-2散射计所测的风场数据与PY30-1石油平台气象站观测的风场数据加以比较可知,ASCAT和HY-2散射计都具有较好的测风能力, 前者所测风速与PY30-1石油平台气象站测风仪观测风速的均方根误差稍小于后者。在150 min和15 km的时空窗口下,ASCAT与HY-2散射计所测风速的均方根误差为0.72 m/s,风向的均方根误差为8.50°。     

北黄海QuikSCAT 卫星风速与浮标风速的对比分析

对北黄海QuikSCAT散射计矢量风资料与黄海实测浮标站风速资料进行对比分析,结果表明:北黄海QuikSCAT卫星风速和浮标观测风速的大小基本吻合,二者平均偏差是0.26 m/s,相关系数是0.74;风向偏差较大,平均偏差是117.52°。根据卫星风速和浮标风速的对比分析结果,提出了修正方案。修正后的QuikSCAT风向与实测浮标站风向的平均偏差显著提高到20.44°。该修正方案实施简单,修正效果显著,为更准确地使用卫星资料提供了保证。     

海洋二号卫星散射计风场产品真实性检验及分析

利用国际海-气综合数据集(ICOADS)中的海面风场实测数据作为真实值,对海洋二号卫星散射计风场产品进行真实性检验,得到初步结论:(1)在中、低风速条件下,海洋二号散射计风速与ICOADS实测风速具有较好一致性,但在较高风速条件下海洋二号散射计会出现风速低估现象;(2)海洋二号散射计风向与ICOADS实测风向的误差主要集中在-15°—15°范围内,在低风速条件下,海洋二号散射计与ICOADS两者风向存在较大偏差,风向多解也主要发生在低风速时;(3)在2—24 m/s风速条件下,剔除超过3个标准偏差风速样本后,海洋二号与ICOADS两者风速的平均绝对误差为1.36 m/s,均方根误差为1.92 m/s,若忽略风向多解的影响,两者风向的平均绝对误差为14.98°,均方根误差为20.21°。     

复合雷达后向散射模型与合成孔径雷达、散射计和高度计海面雷达后向散射观测的比较分析

海洋微波散射模型相比于以经验统计建立的地球物理模式函数具有不受特定微波频率限制的优势。组合布拉格散射模型和几何光学模型形成了复合雷达后向散射模型。利用南海北部气象浮标2014年海面风速风向实测值作为散射模型输入，分别比较了复合雷达后向散射模型与RADARSAT-2卫星C波段SAR、HY-2A卫星Ku波段微波散射计的海面后向散射系数，偏差分别为(?0.22±1.88) dB (SAR)、(0.33±2.71) dB (散射计VV极化）和(?1.35±2.88) dB (散射计HH极化)；以美国浮标数据中心(NDBC)浮标2011年10月1日至2014年9月30日共3年的海面风速、风向实测值作为散射模型输入，分别比较了复合雷达后向散射模型与Jason-2、HY-2A卫星Ku波段高度计海面后向散射系数，偏差分别为(1.01±1.15) dB和(1.12±1.29) dB。中等入射角和垂直入射下的卫星传感器后向散射系数观测值与复合雷达后向散射模型模拟值比较，具有不同的偏差，但具有相同的海面风速检验精度，均方根误差小于1.71 m/s。结果表明，复合雷达后向散射模型可模拟计算星载SAR、散射计和高度计观测条件下的海面雷达后向散射系数，且与CMOD5、NSCAT-2、高度计业务化海面风速反演的地球物理模式函数的计算结果具有一致性；复合雷达后向散射模型可用于微波遥感器的定标与检验、海面雷达后向散射的模拟。     

我国海洋二号卫星微波散射计数据处理软件设计

我国第一颗海洋动力环境(HY-2)卫星于2011年8月16日发射上天,HY-2卫星微波散射计数据处理软件是用于生产海面风场矢量的软件,其作用是输入HY-2卫星经过预处理的散射计数据和辅助数据,进行时间标识、波束定位、几何参数计算、后向散射系数(σo)与辐射测量精度(Kp)系数计算、面元匹配、大气校正、海面风场反演等处理,输出具有固定格式的各级数据产品和/或图像产品。主要介绍该软件的结构设计、数据处理流程、接口设计和设计说明,该设计已经用于业务系统研发,软件处理的产品精度经过与浮标的比较,达到了预期的风速误差小于2 m/s、风向精度小于20°的要求,证明了该设计的正确性。     

4种表层风场资料在北半球海域的适用性评估

为进行海洋表层风场的物理结构重建与基础理论溯源,需选用可靠准确且通过检验的高时空分辨率风场资料。本文利用NDBC、TAO和嵊泗站现场观测资料,在全面比较分析的基础上,对其中应用较广泛的CFSR/CFSv2、ERA-Interim、FNL和CCMP四种风场产品在北半球海域(北太平洋、北大西洋)进行了检验评估,得出结论:1)4种资料的风速都不同程度地低估了实际观测风速;在低风速区的风向偏差较大,风速越低,偏差越多;产品资料在远岸地区比近岸地区更接近实测资料,在高纬地区的效果优于低纬地区。2)通过比较4种产品资料与浮标实测资料的风向和风速的偏差、均方根误差、误差标准差和相关系数,发现CCMP资料是4种资料中整体效果最好的一种,而CFSR/CFSv2资料是较差的一种。3)嵊泗站观测平台资料与浮标观测资料验证的结论略有差异,结果显示:FNL资料是4种资料产品中效果最好的产品,ERA-Interim资料的效果仅次于FNL,而用浮标验证效果较好的CCMP资料在嵊泗站点效果却较差,CFSR/CFSv2资料是4种资料中效果最差的。4)通过分析4种风场资料的偏差分布发现,CCMP与ERA-Interim风场资料的偏差较小,而CFSR/CFSv2与FNL风场资料的偏差较小。CCMP资料与其他3种资料的纬向风偏差在海洋上以负偏差为主,陆地以及沿岸地区的偏差较大,且分布不均匀;经向风偏差分布中,南半球的正偏差区较为明显,而北半球的负偏差区则较为明显,但偏差程度要小于纬向风偏差。     

基于HY-2A/SCAT数据的西北太平洋台风应用研究

本文用国产卫星海洋二号散射计(HY-2A/SCAT)的数据对2012—2014年发生在西北太平洋的67个台风在台风最大风速、台风大小和结构方面进行探索性研究。结果表明,HY-2A/SCAT数据在对弱台风(风速小于20m/s)的最大风速估计整体偏高。用风速15m/s对应的半径(R_(15))定义台风大小并将台风分为大中小三个类别,得到了HY-2A/SCAT观测的台风大小的月平均分布,从台风数量的月分布直方图发现,中型台风数量最多且多发生于每年8—10月份。利用瑞金涡旋模型公式导出半径的计算公式,将HY-2A/SCAT海面风场数据相关参数代入公式求得相应半径值,与从HY-2A/SCAT数据中提取的半径R_(15)相结合进行对比分析,结果证明HY-2A/SCAT海面风场数据可以很好地应用于台风结构方面的研究。     

环渤海海域卫星反演风与站点观测风对比分析

选用了布设在渤海海域的浮标、平台、海岛共计18个站点,利用COARE算法进行站点风速的高度修正,对ASCAT卫星反演风与三类站点风进行对比分析。统计检验结果表明,卫星风与站点风相比,整体上卫星风速比站点风速大。浮标与卫星的风速差最小,而平台和海岛与卫星的风速差较大。风向对比结果显示,卫星风与站点风的风向平均偏差都很小,但均方根偏差却比较大。随着风速的增加,三类站点的风速平均偏差都是由大到小变化,由正值变化为负值,弱风速的时候卫星风速大于站点风速,高风速的时候卫星风速小于站点风速;风速的均方根偏差则相对稳定。卫星风与站点风的风向均方根偏差随着风速的增加而减小,在不同的方向上,风速偏差和风向偏差等统计量的区别较小。随季节的变化中,平台和海岛站的风速与卫星风速的平均偏差秋冬季大而春夏季小。     

基于ERA-interim再分析资料的ASCAT风场产品在南海的精度评估及南海月平均风场特征分析

利用ERA-interim再分析资料作为参照,统计分析了南海季风盛行时ASCAT散射计L2B和L3风场产品的误差特征。结果表明:季风盛行时,南海中南部大部分海域,ASCAT两种散射计风场产品精度较好,与设计精度一致,风速标准偏差小于2 m/s,偏差小于1 m/s,风向标准偏差小于20°,偏差小于5°,ASCATL2B相对L3产品表现更好,西南风盛行时,风场相关性强,在0.8以上,ASCAT与ERA-interim一致性好,东北风盛行时,风场也具有强相关,不过在南海东部海域,风向相关性较弱,小于0.7。另外,利用ASCAT L2B分析了南海月平均风场分布特征,结果表明:南海季风盛行时,存在两个风速大值中心,分别位于南海中南部和台湾海峡及巴士海峡一带,其位置和大小随时间而变化。     

星载微波散射计海面风场与海洋环境噪声的相关特性分析

根据海洋环境噪声机理及风关噪声已有的研究成果,提出利用星载微波散射计反演的海面风场数据进行海洋环境噪声分析,并对HY-2A和ASCAT数据与噪声谱级的相关性进行了对比分析。选取南海海域作为研究区,利用潜标测量系统获取的噪声数据和多源散射计风场数据开展了相关实验,并采用NCEP海面风场数据进行对比分析。结果表明,ASCAT数据与噪声的相关性优于HY-2A,散射计数据优于NCEP数据,散射计风场更适合海洋环境噪声的分析研究。该研究内容拓展了微波散射计风场数据的应用领域,并为海洋环境噪声研究提供了更好的技术手段。     

东营港海洋站风要素特征分析

根据东营港海洋站2011年1月—2015年12月间每10 min的实测风速、风向资料,对平均风速风向、极大风和7级以上大风天数等风要素进行了特征分析。结果表明:东营港海洋站的风具有明显的季节特征和年际变化,平均风速月际变化呈"两峰两谷"型,在偏北风向上,平均风速最大并且月际变化最显著,在偏南风向上,平均风速最小并且月际变化最不明显;全年盛行偏南向风和偏北向风,春夏季盛行偏南向风,秋季以偏南向风为主偏北向风为辅,冬季则以偏北向风为主偏南向风为辅;偏北风向上最易出现极大风,偏南风向出现极大风的频率最低;出现7级以上大风的天数每年总体上呈增长趋势,秋季最多,春季最少。     

基于ASCAT微波散射计风场与NCEP再分析风场的全球海洋表面混合风场

通过星下点的计算得出ASCAT散射计、HY-2散射计单独观测以及双星结合观测的全球覆盖率,分析了中国南海海域双星结合观测对采样率的提升。同时详细介绍了利用NCEP风场、星载微波散射计风场,用时空加权分析法结合构建混合风场的具体程序,构建的混合风场时空分辨率达到6 h、0.25°,时间序列2012年1月1日—2012年3月31日,并且用实际浮标观测数据进行了检验,得到构建的混合风场与观测数据比较一致的结果。     

3种海面风场资料在吕宋海峡的比较与评估

利用1990—2014年的ICOADS观测资料,从空间分布、季节变化和不同风速风向特征等角度,对3种海面风场资料(ERA-I、CCMP、CFSR)在吕宋海峡处的风速和风向质量进行了较为全面详细的对比和评估。主要结论如下:(1)3种风场资料在吕宋海峡处风速整体偏小,海峡中部误差较小,南北两端误差较大;均方根误差季节变化显著,6月最小,12月最大;(2)风速误差随不同风速、不同风向而不同,整体呈现高风速时风速较观测偏大,低风速时风速偏小的特点,且低风速段误差较小,高风速段误差随风速增大而增大;(3)3种风场资料在吕宋海峡处风向整体偏右,海峡中部误差较小,南北两端误差较大;季节变化显著,12月最小,5月最大;(4)风向误差随不同风速、不同风向而不同,偏北方向,风向偏右;偏东方向,低风速段风向偏右,高风速段风向偏左;偏南方向,低风速段风向偏左,高风速段风向偏右;偏西方向,风向呈偏左状态。风向误差整体随风速的增大而减小;(5)综合比较,CCMP的风速、风向资料质量均好于其他两种资料。     

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。     

QuikSCAT卫星遥感风场可靠性分析及其揭示的中国近海风速分布

利用2000—2009年美国国家航空航天局(NASA)在中国近海海域(0°~45°N,105°~135°E)的QuikSCAT卫星遥感风场资料与近海测风塔(位于上海近海)、海上石油平台(位于东海和渤海)、岛屿站(南海珊瑚岛和西沙海边观测塔)的实测风场资料进行对比分析,检验了QuikSCAT卫星遥感风场资料在中国近海海域的可靠性。研究结果如下:各站点实测风速与站点位置以及站点附近的QuikSCAT卫星遥感风场资料相关系数均在0.7以上;QuikSCAT卫星遥感风场资料与海上石油平台的风速均方根误差较小(约1.5 m/s);其年均值均大于实测值,差值范围是0.1~1.3 m/s;其Weibull形状参数K与海上石油平台以及近海测风塔的K值较为接近,表明QuikSCAT卫星遥感风场资料各风速段的频次分布形态与观测站的实测值基本吻合,QuikSCAT卫星遥感风场资料能基本合理地反映出中国近海风速的分布状况。利用QuikSCAT卫星遥感风场资料分析了中国近海及其邻近水域风速的空间分布特征:(1)台湾海峡是中国近海风速最大的区域,从台湾海峡向东北至日本海,往西南至南海北部115°E附近和巴林塘海峡为风速的次大值区;(2)28°N到长江入海口的东海海域年均风速为7.0~7.5 m/s,在黄海和渤海为5.5~7.0 m/s,在南海北部自东向西由8.5 m/s递减为6.0 m/s,北部湾最大风速区位于东方附近海域。     

ERA-Interim和NCEP/NCAR再分析资料在我国东南近海适用性分析

利用我国东南近海5个浮标站观测资料,对2012—2016年ERA-Interim和NCEP/NCAR再分析资料10 m风、2 m气温、海平面气压的适用性进行了评估。结果表明:NCEP/NCAR的再分析10 m风适用性更好,ERA-Interim的2 m气温适用性更好,海平面气压两者差异不大。风速再分析值与观测值具有较好的一致性,相关系数达0.8～0.9,但再分析风速总体上有偏小的趋势,平均偏差在-1.3～0 m/s之间,均方根误差在1.5～3 m/s。再分析资料的平均风向有顺时针偏差的趋势,温州浮标偏右达14°以上,均方根误差大多在40°～50°。不管风速还是风向,5个浮标站中均以舟山浮标的再分析值与观测值最为接近;分析还表明,再分析资料的冬季风代表性相对较差,这是造成风速和风向系统性偏差的主要原因。再分析资料与观测2 m气温相关系数均在0.95以上,且有偏高的趋势,NCEP偏高更为明显,有4个浮标站平均偏差达1～2℃,而ERA-I仅1个浮标站偏差1～2℃,4个在1℃以内。春季和冬季气温偏高最为明显,春季升温过程存在异常偏高的可能,秋季气温与观测值最为接近。海平面气压适用性较好,总体优于10 m风和2 m气温,且季节间差异也不大。     

ASCAT洋面风资料在中国北方海域的真实性检验

采用北方海域6个海洋观测站风资料对2009年3月—2013年6月ASCAT卫星反演洋面风(10 m)资料进行了检验。ASCAT反演洋面风与测站风向、风速偏差均较小,二者风速平均偏差为0.99 m/s,ASCAT风速略高于测站风速,二者风向平均偏差为-12.97°,表明ASCAT洋面风资料在北方海域具有可信性;分风级统计表明,在北方海域,风力为0—7级(0—17.1 m/s)时,利用ASCAT风速代表洋面风速是可行的(其中风力为4—5级时,ASCAT与测站风速误差最小,为0.10 m/s),当风力达到8级以上时ASCAT的可信度较低。     

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.