卫星高度计反演海面风速——模式函数与应用实例

对迄今为止国际上公开发表的１４ 种卫星高度计反演海面风速的模式函数进行了系统的分析和比较。在此基础上提出了一种“折中”模式函数,用于ＴＯＰＥＸ 资料海面风速反演效果良好。文中对高度计获取的全球海面风速分布特征进行了分析,最后探讨了改善海面风速模式函数反演精度的途径。     

GNSS-R海面风速反演技术研究

利用全球卫星导航系统反射信号技术(GNSS-R)反演海面风速时,得到的双基雷达横截面积由于几何因素的影响不能直接用来反演风速.针对这一问题,对功率校准后的数据进行几何校正,在分析全球卫星导航系统(GNSS)海面反射信号特征的基础上,分析了几何因素对风速反演的影响,对双基雷达横截面积和有效散射区域进行校正,得到相应反射点的反射信号功率;最后对所求得的反射信号参数进行仿真验证.实验结果表明,海面风速反演的均方根误差为2.61 m/s,反演风速与真实风速的相关系数为0.57,校正后的归一化双基雷达横截面积能够有效地反演海面风速.     

高频地波雷达风速反演经验模型

通过分析高频地波雷达所在探测海域内浮标观测的有效波高和风速数据,建立了海面风速与有效波高的经验模型。利用二范数最小方法对该模型的参数进行估计,实验结果表明了该模型的稳定性。将所提模型应用到高频地波雷达OSMAR071数据处理中,6个月数据连续反演结果与浮标给出的风速吻合度高,表明了该风速反演经验模型的有效性。     

基于观测量校正的星载GNSS-R海面风速快速反演方法

快速反演(FDI)算法是一种典型的星载全球卫星导航反射技术(GNSS-R)海面风速反演方法,具有计算复杂度低、快速实时反演的特点,但是FDI算法中的反演观测量提取精度不高,导致风速反演精度低.针对于此,提出基于观测量校正的改进FDI算法,用于实现海面风速的快速高精度反演.该方法首先利用辅助测量信息对观测量进行校正以降低...     

星载成像高度计双侧独立交叉定标方法

为通过数据处理提高SWOT的观测精度,本文采用双侧刈幅独立交叉定标对相位误差和倾角误差复合输入的情况进行误差估计。本文选取横跨经度100°和纬度60°的南太平洋东部地区,以HYCOM数据作为海洋真值,根据AVISO官网提供的SWOT和Jason-2 (2016年10月前)轨道参数利用SWOT simulator进行仿真采样,进行刈幅自交叉和星下点刈幅交叉实验。实验将90%的误差校正到4 cm内,近75%的交叉点残差的标准差降到2 cm内,较解算前提升一倍,表明在仪器精度较低时,双侧刈幅独立交叉定标的方法能够科学有效估计两种误差的复合输入值,显著降低了误差水平。     

地基GNSS-IR风速反演原理及方法初探

随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Systems,GNSS)的发展,曾经被认为是误差源的多路径效应,已经被证实可以用来监测水位、雪深、植被指数、土壤湿度等反射面参数,其中的地基分支逐步发展为GNSS干涉遥感(GNSS-interferometry refl ectometry,GNSS-IR)技术.为了扩展GNSS-IR技术的监测对象和应用范围,本文提出了一套地基GNSS-IR风速反演的原理及方法.首先,本文基于信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)振荡原理、散射模型原理、波浪谱原理,从理论上证明了SNR截止高度角参数与风速之间存在一一对应的数学关系,并仿真得到了具体的数学关系.然后,本文使用小波分析方法从实测SNR序列中获取SNR截止高度角,并将同一GPS卫星、每天同一时间内SNR序列的截止高度角进行基准统一,获得截止高度角变化量;根据该变化量反演风速.算例选取香港HKQT站在"山竹"和"天鸽"台风前后时间的数据进行分析,结果发现:GPS L5信号的截止高度角变化量与实测风速数据对应关系良好,相关性达到70％ ～85％;截止高度角变化量可以刻画风速从低风速逐步抬升至高风速的变化情况;同一站点截止高度角变化量与风速之间存在特定的数学关系;相关结论证实了利用SNR可以估计风速变化.最后,本文讨论了GNSS-IR风速反演技术中下一步的研究方向,以期推进该技术的实际应用进程.     

FY-3B 微波成像仪海表面温度和风速统计反演算法

基于同步的TAO (Tropical Atmosphere Ocean project) 浮标实测数据和FY-3B 微波成像仪(MWRI) 亮温数据,建立了FY-3B MWRI 海表面温度SST(Sea Surface Temperature) 和海面风速SSW(Sea Surface Wind) 统计反演算法,并利用实测数据进行了检验.根据检验结果,FY-3B MWRI 全通道亮温的SST 反演模型均方根误差为0.81 ℃,相关系数为0.77; SSW 反演模型均方根误差为0.91 m/s ,相关系数为0.78 .     

风速风向对SAR浅海水下地形成像影响的仿真研究

基于SAR浅海水下地形成像机理和M4S海面微波成像程序,建立了SAR浅海水下地形成像仿真模型,改进了传统浅海水下地形成像仿真模型的缺陷.通过仿真研究和分析浅海水下地形SAR图像特征实例,对风速风向与浅海水下地形SAR图像特征的关系提出了新的认识.低风速条件下,浅海水下地形SAR海面后向散射强度整体偏暗,高风速下整体偏亮;sAR图像条带亮暗的程度与风速有一定的关系,但不是主要的影响因素.风向对SAR浅海水下地形成像的影响明显,表现为,在逆风和顺风情况下,浅海水下地形SAR海面后向散射强度整体偏亮,SAR图像分别以亮条带和暗条带为主;侧风情况下,整体偏暗,SAR图像条带亮暗相当;最佳探测风向是逆风向.     

星载GNSS-R技术反演海面降雨强度及风速和浪高方法研究

星载GNSS-R是一种利用地球表面反射的GNSS信号监测地球物理参数的新兴遥感技术,因其具有时空分辨率高、观测成本低、覆盖范围广和全天候运行等独特优势,已在陆地和海洋遥感领域得到了广泛应用。论文侧重于利用CYGNSS任务收集的星载GNSS-R数据研究海面降雨强度及风速和浪高反演方法,主要研究内容涵盖星载GNSS-R数据质量控制、时延多普勒图(DDM)特征观测值提取、海面降雨检测和强度反演建模、海面风速反演建模、海面浪高反演建模、海面降雨强度及风速和浪高联合反演几个方面。主要研究成果和贡献如下。     

两种浅海水深快速反演方法对比研究

针对对数比例变换法和多波段模型法两种操作简便的水深反演方法的优劣进行对比,旨在探讨二者对于大量浅海水深快速反演流程化工作的适用性。基于水深参考数据,随机选取138个样本点分别构建反演模型,并分层随机抽取100个验证点进行精度评价。从模型决定系数R2、反演精度,以及方法鲁棒性和适用性3个方面进行对比分析。结果表明,多波段模型法的决定系数R2(0.912)优于对数比例变换法(0.776);多波段模型法的反演平均绝对误差为1.47m,平均相对误差11.67%,均略低于对数比例变换法(1.45m,11.49%),但后者在小于1m的水深范围内的反演结果存在大范围错误,精度明显低于前者;多波段模型法可通过对回归方程和回归系数的显著性检验而不断优化,鲁棒性和适用性亦明显优于对数比例变换法。因此,本研究认为多波段模型法更适用于大量浅海水深快速反演流程化工作。     

Application of MK-PRISM for interpolation of wind speed and comparison with co-kriging in South Korea

The spatial distribution of wind speed is important information required to understand climate-related regional phenomena. This paper presents the Modified Korean Parameter-elevation Regression on Independent Slopes Model (MK-PRISM) as a method for spatial interpolation of monthly wind speeds. A database of gridded monthly mean wind speeds with a spatial resolution of 1 km for the period of March 2011–February 2014 is constructed by MK-PRISM. Wind speed observation data collected from the 529 to 641 meteorological stations in South Korea were utilized as the input data for interpolation. The wind speed distribution estimated by co-kriging is used for comparison with the MK-PRISM results. Research demonstrates that the efficiency difference between the two models, MK-PRISM and co-kriging, is insignificant. The Kling and Gupta efficiencies of both models were 0.68-0.78 and the root mean square errors (RMSEs) were 0.44-0.68 m/s. The spatial distribution of wind speeds, however, differs between MK-PRISM and co-kriging, which can be considered a reflection of the influence of topographic features such as terrain convexity, aspect, and coastal proximity. MK-PRISM can perform more appropriately to represent the phenomena where similar wind speeds appear continuously along ridges and coastlines. This suggests that a knowledge-based approach that considers topographic features can be successfully applied to the interpolation of monthly or seasonal wind speeds, similar to temperature and precipitation. The wind speed distribution generated by MK-PRISM can be utilized as important data for different geographical studies.     

GNSS-R研究进展及其关键技术

利用全球导航卫星系统反射(global navigation satellite system reflectometry, GNSS-R)信号对海面风速进行反演时,连续地球物理模式函数常用于建立时延-多普勒图像(delay/Doppler map, DDM)特征值与风速之间的映射关系。该模型在DDM较少的风速范围内(0~5 m/s及12~20 m/s)存在较大系统偏差。为解决该问题,提出了一种自适应累积分布函数(cumulative distribution function, CDF) 匹配方法。该方法将反演风速序列与参考风速序列进行CDF匹配,并利用最小二乘自适应地寻找最优阶数多项式,对风速偏差序列进行拟合和改正。公开数据实验验证结果表明,在0~5 m/s和12~20 m/s内,改正后的反演风速均方根误差分别减小了6%和15%,系统偏差分别减小了45%和25%,明显提升了少样本情况下的反演精度,反演风速更符合自然界中风速分布。