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°。     

东南亚海域HY-1C SST数据评估与校正

海洋一号C卫星（HY-1C）是服务于海洋水色水温、海岸带和海洋灾害与环境监测的业务化应用卫星,是海洋遥感数据的重要来源,对中国HY-1C卫星红外辐射计在东南亚海域的SST观测数据开展评估与校正工作具有重要意义。本研究基于多源卫星SST数据和ARGO浮标测量温度数据,对中国HY-1C卫星在东南亚海域的SST数据进行了质量评估和改进工作。HY-1C SST数据的质量评估结果表明：HY-1C白天的平均偏差、标准差和均方根误差分别为–0.73℃、1.38℃和1.56℃,夜晚数据偏差分别为–0.95℃、1.57℃和1.83℃。与其他同类红外辐射计的数据质量对比发现HY-1CSST数据精度低于其他红外辐射计。采用月平均差值校正、SST分区域差值校正、SST分段校正3种校正方法对HY-1C SST数据质量进行改进,其中HY-1C SST分区域校正的质量提升最明显,标准差、均方根误差接近1℃,夜晚均方根误差比校正前降低了约0.8℃,白天和晚上均方根误差分别降低了32.52%和42.04%。     

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。     

HY-2B卫星载荷联合观测海面阵风的一种反演方法

国内外对海上阵风的研究并不多,且大多集中在阵风预报和应用研究方面,对于海洋阵风数据的获取技术未见文献系统论述。本文利用HY-2B卫星雷达高度计观测的后向散射系数,结合校正微波辐射计观测的亮度温度信息,提出联合反演阵风风速的方法。两个遥感载荷联合反演得到的阵风风速与2019–2021年美国国家浮标数据中心（NDBC）浮标数据进行真实性检验,结果显示:阵风风速均方根误差（RMSE）为0.98 m/s,相关系数为0.82;基于本方法利用国外同类卫星Jason-3得到的阵风风速与2016–2018年NDBC浮标数据的RMSE为0.96 m/s,相关系数为0.88。本文在HY-2B卫星雷达高度计海面风速观测的基础上,纳入同一卫星平台校正微波辐射计的同步观测信息联合实现了海面阵风的观测,数据的比对结果证明文中方法具有较高的观测精度。同时,该方法对于具有相同观测体制的国内外卫星也适用。     

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。     

全球海洋大气柱水汽含量遥感融合数据产品生成

本研究利用国际在轨SSMIS、WindSat、AMSR-E、ASMR2和国产HY-2A微波辐射计多源遥感大气柱水汽含量观测数据,基于最优插值算法,生成了2003－2015年的全球海洋每日0.25°高分辨率大气柱水汽含量多源遥感融合产品,以及2012－2015年未使用HY-2A微波辐射计数据的全球海洋每日0.25°遥感融合产品。利用无线电探空仪水汽含量观测数据,对生成的全部全球海洋大气柱水汽含量融合产品进行精度检验,结果表明,总体上,13年间均方根误差和标准差优于3 mm,平均偏差优于0.6 mm,平均绝对偏差优于2 mm,相关系数优于0.98;使用HY-2A微波辐射计数据产品会使融合结果的精度出现微小的降低;AMSR2和HY-2A微波辐射计数据的联合使用对于替代AMSR-E数据具有积极意义。     

HY-2微波辐射计降雨条件下海面风速反演算法研究

由于降雨改变了海洋-大气的辐射/散射特性,长期以来星载遥感器在降雨条件下进行海面风速信息提取存在困难。本文针对自主海洋动力环境卫星海洋2号（HY-2）搭载的扫描微波辐射计,分析了不同频段亮温对降雨和海面风速敏感性,自此基础上获得了一种对降雨不敏感的亮温通道组合,该亮温通道组合对海面风速的敏感性甚至高于原有亮温通道。本文利用该亮温通道组合建立了降雨条件下的风速反演算法,并将反演结果与WindSat全天候风速产品、HY-2微波辐射计原有风速产品以及浮标实测数据进行了比较。结果表明本文算法在降雨条件下的反演误差小于2m/s,明显优于原有HY-2微波辐射计风速产品,验证了本文发展的算法在降雨条件下的风速反演能力。     

HY-2卫星扫描微波辐射计数据反演北极海冰漂移速度

本文基于最大互相关法,利用海洋二号（HY-2）卫星扫描微波辐射计37 GHz通道多时相垂直极化亮温数据,获取了北极海冰漂移速度。采用2012年和2013年国际北极浮标计划海冰现场观测数据,对利用微波辐射计亮温资料反演的冬季北极海冰漂移速度进行了定量验证,结果表明:流速和流向均方根误差分别为1.12 cm/s和16.37°,从一定程度上说明了HY-2卫星扫描微波辐射计亮温数据反演海冰漂移速度的可行性。此外,使用美国国防气象卫星F-17搭载的专用微波成像仪91 GHz通道垂直极化亮温,采用高斯拉普拉斯滤波方法进行处理,结合最大互相关法反演的海冰漂移速度,优于法国海洋开发研究院海冰漂移速度产品。     

星载SAR对雨团催生海面风场的观测研究

雨团或对流雨是热带与亚热带地区的主要降雨形式,较易被高分辨率星载合成孔径雷达（SAR）探测到。SAR图像上的雨团足印是由大气中雨滴的散射与吸收、下沉气流等共同导致形成的。本文以RADARSAT-2卫星100 m分辨率的SAR图像上雨团引起的海面风场及其结构反演与解译作为实例进行分析。使用CMOD4地球物理模式函数,分别以NCEP再分析数据、欧洲MetOp-A卫星先进散射计（ASCAT）和中国HY-2卫星微波散射计的风向为外部风向,进行了SAR图像的海面风场反演。反演的海面风速相对于NCEP、ASCAT和HY-2的均方根误差（RMSE）分别为1.48 m/s,1.64 m/s和2.14 m/s。SAR图像上一侧明亮另一侧昏暗的圆形信号图斑被解译为雨团携带的下沉气流对海面风场（海面粗糙度）的改变所致。平行于海面背景风场其通过雨团圆形足印中心的剖面上的风速变化可拟合为正弦或余弦曲线,其拟合线性相关系数均不低于0.80。背景风场的风速大小、雨团引起的风速大小以及雨团足印的直径可利用拟合曲线获得,雨团足印的直径大小一般为数千米或数十千米,本文的8例个例解译与分析均验证了该结论。     

2008年冬季台湾海峡及其邻近海域QuikSCAT卫星遥感风场的检验及应用分析

采用布放在台湾海峡及其邻近海域的2个浮标对2008年冬季（2008年12月至2009年2月）QuikSCAT卫星遥感观测的风场资料进行了检验.结果表明,这两者风速的相关系数为0.93,平均偏差为-0.03 m/s,均方根误差为1.10 m/s,平均绝对误差为1.54 m/s;风向平均偏差为-9.53°,均方根误差为22.83°,平均绝对误差为33.84.°这表明QuikSCAT卫星遥感风场资料在台湾海峡及其邻近海域冬季风观测中具有很高的适用性.本文利用2008年冬季QuikSCAT卫星遥感的平均风速场,分析了在＂狭管效应＂影响下台湾海峡及其邻近海域的风速特征.结果显示其平均风速具有3个基本特征：（1）台湾海峡中部存在着明显高于附近其他海域的高风速区,平均风速高出1~4m/s,风速高值区更贴近海峡东岸.（2）台湾海峡南部平均风速大于北部.（3）台湾岛东北角和西南角各有一个风速低值区.结合对2009年2月15~18日一次冷空气大风过程的分析发现,风速越大台湾海峡＂狭管效应＂越明显.     

A preliminary assessment of the sea surface wind speed production of HY-2 scanning microwave radiometer

A scanning microwave radiometer（RM） was launched on August 16,2011,on board HY-2 satellite.The six-month long global sea surface wind speeds observed by the HY-2 scanning microwave radiometer are preliminarily validated using in-situ measurements and WindSat observations,respectively,from January to June 2012.The wind speed root-mean-square（RMS） difference of the comparisons with in-situ data is 1.89 m/s for the measurements of NDBC and 1.72 m/s for the recent four-month data measured by PY30-1 oil platform,respectively.On a global scale,the wind speeds of HY-2 RM are compared with the sea surface wind speeds derived from WindSat,the RMS difference of 1.85 m/s for HY-2 RM collocated observations data set is calculated in the same period as above.With analyzing the global map of a mean difference between HY-2 RM and WindSat,it appears that the bias of the sea surface wind speed is obviously higher in the inshore regions.In the open sea,there is a relatively higher positive bias in the mid-latitude regions due to the overestimation of wind speed observations,while the wind speeds are underestimated in the Southern Ocean by HY-2 RM relative to WindSat observations.     

Effect of air-sea temperature difference on ocean microwave brightness temperature estimated from AMSR,SeaWinds, and buoys

The effect of air-sea temperature differences on the ocean microwave brightness temperature (Tb) was investigated using the Advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR) aboard the Advanced Earth Observing Satellite-II (ADEOS-II) during a period of seven months. AMSR Tb in the global ocean was combined with wind data supplied by the scatterometer SeaWinds aboard ADEOS-II and air temperature given by a weather forecast model. Tb was negatively correlated with air-sea temperature difference, its ratio lying around −0.4K/°C at the SeaWinds wind speed of 14 m/s for the 6 GHz vertical polarization. Tb of AMSR-E aboard AQUA during 3.5 years was combined with ocean buoy data, and similar results were obtained.     

A wind speed retrieval algorithm by combining 6 and 10 GHz data from Advanced Microwave Scanning Radiometer: Wind speed inside hurricanes

A wind speed retrieval algorithm was developed using 6 and 10 GHz h-pol (6H and 10H) data of the Advanced Microwave Scanning Radiometer (AMSR) aboard the Advanced Earth Observation Satellite-II (ADEOS-II) and AMSR-E aboard AQUA, for the purpose of retrieving wind speed inside rainstorms, primarily hurricanes and typhoons. The h-pol was used rather than the v-pol, because the brightness temperature sensitivity to the ocean wind at h-pol is larger than v-pol. The microwave emission change of 6H and 10H corresponding to ocean wind was evaluated in no-rain areas by combining AMSR and SeaWinds data aboard the ADEOS-II (SeaWinds was NASA’s scatterometer), and it was found that the ratio of the two 6H to 10H increments due to ocean wind is 0.9. Assuming that this result also holds with higher wind speeds and under rainy conditions, the brightness temperatures at 6H and 10H were simulated using a microwave radiative transfer model. A parameter W6 (unit; Kelvin) was then defined, representing an increment at 6H due to ocean wind. W6 is applicable to rainy areas, and to all ranges of sea surface temperature. W6 was compared with wind speed reported by the National Hurricanes Center for several hurricanes in the Western Atlantic Ocean during three years (2002 to 2004). W6 averaged around centers of hurricanes was found to exhibit a sensitivity to wind speed, such as increasing from 22 K to 65 K as the wind speed rose from 65 to 140 knots (33 to 72 m/s), and an empirical relationship relating the averaged W6 to wind speed in hurricanes was derived.     

Arctic sea ice concentration retrieval using the DT-ASI algorithm based on FY-3B/MWRI data

Sea ice concentration (SIC) is one of the most important indicators when monitoring climate changes in the polar region. With the development of the Chinese satellite technology, the FengYun (FY) series has been applied to retrieve the sea ice parameters in the polar region. In this paper, to improve the SIC retrieval accuracy from the passive microwave (PM) data of the Microwave Radiation Imager (MWRI) aboard on the FengYun-3B (FY-3B) Satellite, the dynamic tie-point (DT) Arctic Radiation and Turbulence Interaction Study (ARTIST) Sea Ice (ASI) (DT-ASI) SIC retrieval algorithm is applied and obtained Arctic SIC data for nearly 10 a (from November 18, 2010 to August 19, 2019). Also, by applying a land spillover correction scheme, the erroneous sea ice along coastlines in melt season is removed. The results of FY-3B/DT-ASI are obviously improved compared to that of FY-3B/NT2 (NASA-Team2) in both SIC and sea ice extent (SIE), and are highly consistent with the results of similar products of AMSR2 (Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)/ASI and AMSR2/DT-ASI. Compared with the annual average SIC of FY-3B/NT2, our result is reduced by 2.31％. The annual average SIE difference between the two FY- 3Bs is 1.65×106 km2, of which the DT-ASI algorithm contributes 87.9％ and the land spillover method contributes 12.1％. We further select 58 MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer) cloud-free samples in the Arctic region and use the tie-point method to retrieve SIC to verify the accuracy of these SIC products. The root mean square difference (RMSD) and mean absolute difference (MAD) of the FY-3B/DT-ASI and MODIS results are 17.2％ and 12.7％, which is close to those of two AMSR2 products with 6.25 km resolution and decreased 8％ and 7.2％ compared with FY-3B/NT2. Further, FY-3B/DT-ASI has the most significant improvement where the SIC is lower than 60％. A high-quality SIC product can be obtained by using the DT-ASI algorithm and our work will be beneficial to promote the application of FengYun Satellite.     

基于HY-2 卫星观测分析南海风浪关系

海面有效波高(H1/3)是表征海浪的重要参数,随着卫星遥感技术的发展,雷达高度计已成为获取海面有效波高的重要手段,但也只能对卫星星下点轨迹处进行有效观测,远无法满足大范围应用的需求.本研究结合2013年10月HY-2雷达高度计观测的海面有效波高和微波散射计观测的海面风场资料,分别对高、低风速下风浪数据进行拟合,建立了适用于0~40 m/s风速范围内的南海海域风浪关系模型,经模型比对和结果验证,结果表明,基于HY-2卫星数据分析建立的南海海域风浪关系模型是可信的,特别是低风速的风浪模型与实测数据建立的风浪模型具有很好的一致性;根据建立的风浪关系模型,从卫星散射计大面观测的海面风场出发,能推算出风浪条件下海面有效波高的大面信息,数据覆盖远高于卫星高度计的星下点观测,能为分析和预报海浪、风暴潮灾害提供大范围的海面有效波高信息.     

中国沿海HY-2A 校正微波辐射计水汽含量数据精度检验方法

为评价“海洋二号”卫星（HaiYang-2A, HY-2A）校正微波辐射计（Calibration Microwave Radiometer, CMR）近海水汽产品精度,以中国沿海全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）业务观测站数据和欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)发布的第五代大气再分析资料（ECMWF Reanalysis 5, ERA5）作为验证数据。首先对选取的GNSS业务观测站数据和CMR水汽含量数据进行时空匹配,两者的观测时间一致、空间范围取为100 km;然后利用精密单点定位方法反演GNSS业务观测站上空的大气可降水量（Precipitable Water Vapor, PWV）,同时对1 h分辨率的ERA5再分析资料内插计算,得到CMR水汽数据点处的ERA5 PWV;最后以GNSS PWV和ERA5 PWV为参考,分析2015年CMR水汽产品精度和偏差时空分布。结果表明,CMR水汽含量和GNSS PWV、ERA5 PWV之间的相关系数r均高于0.96,平均均方根误差分别为3.17 mm和1.58 mm,具有较高的精度;CMR水汽含量相对于GNSS PWV和ERA5 PWV的偏差不随季节变化而变化,但CMR水汽含量数据精度随纬度的增加而有所提高。