我国首台天基微波散射计测量海面风场的应用研究

介绍了微波散射计测量海面风场的原理和反演算法,并将此算法应用于我国首台天基微波散射计.获得了我国自主资料的第一幅海面风场图.     

基于混合密度网络的NSCAT散射计海面风场反演

以NSCAT散射计数据为例,介绍了一种神经网络反演海面风场的方法.风速的反演是基于多层感知器网络;多解风向的反演是基于多层感知器网络和混合密度模型组合而成的混合密度网络,其中的核函数采用高斯函数的形式.通过与欧洲中期天气预报模式风场和现场浮标数据对比,证明了该神经网络反演海面风场的有效性.     

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。     

星载全极化微波散射计仿真与海面风场反演研究

通过建立全极化微波散射计系统仿真模型,探索全极化微波散射计的风场反演方法;通过对比不同仪器测量精度下全极化和同极化微波散射计风场反演结果,分析评价全极化微波散射计系统反演海面风场的性能.全极化微波散射计通过增加测量信息来减少模糊解出现的概率,进一步提升风场反演精度.结果表明全极化微波散射计相比同极化微波散射计具有更好的风场反演性能,对于风向结果的改善较为明显:在仿真实验中,全极化仿真反演的风速误差结果优于同极化10°以上,证明了全极化微波散射计能够提升风场反演性能.该仿真结果对我国后续海洋卫星的研发具有一定的借鉴作用.     

基于HY-2A微波散射计海面风场资料的台风风剖面信息提取研究

台风风剖面信息是直观反映与台风中心不同距离的各点与平均风速关系的曲线,它是确定各级台风风圈范围的重要基础。本文利用HY-2A微波散射计海面风场资料,结合Holland风场模型提出了一种新的台风风剖面信息提取方法,并选取2012–2017年期间16期典型台风进行应用。结果表明:34 kt与50 kt风圈半径的平均均方根误差为37.6 km与18.3 km,该方法具有较好的适用性和精度。本研究对于描述台风结构特征及潜在的破坏力和台风可能的影响范围具有一定的现实意义。     

中法海洋卫星散射计近海岸海面风场反演研究

中法海洋卫星散射计(CSCAT)使用扇形波束旋转扫描体制,能够以多角度测量同一海面的雷达后向散射系数,并具有空间分辨率较高的特点。这为近海岸海面风场反演提供了新的机遇。本文介绍了CSCAT近海岸海面风场处理的主要流程和关键技术。特别地,在风场反演之前,利用一种矩形窗算术平均的方法将L1B级的高分辨率条带数据组合平均到相应的风矢量单元中,从而实现近海岸风场反演的快速预处理。通过对比CSCAT、欧洲先进散射计(ASCAT)以及美国QuikSCAT的近海岸风场,发现CSCAT风场的质量在离岸40 km以外区域具有良好的一致性,而在离岸40 km以内显著恶化。分析表明,CSCAT近海岸区域风场统计特征恶化的原因可能是由潜在的海冰污染引起的。总体而言,CSCAT的近海岸风场与模式背景风场和浮标风场都具有良好的一致性。     

基于遗传算法的微波散射计海面风矢量反演研究

针对目前传统反演方法存在的不足和限制,引入遗传算法用于风矢量反演中的目标函数优化.以SeaWinds散射计为例,根据其模型函数和模糊解的基本特征,设计并实现了一套可用于该散射计的海面风矢量反演算法,并利用SeaWinds散射计部分L2A实测数据对该反演算法进行了验证.实验结果表明,通过多代遗传操作,算法能够收敛于几个局部极值点,从而证明该算法能够有效解决数值风矢量的优化搜索问题.     

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°。     

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°。     

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。     

Comparison among four kinds of data of sea surface wind stress in the South China Sea

By using remote sensing (ERS) data, FSU data, COADS data and Hellerman & Rosen-stein objective analysis data to analyze the sea surface wind stress in the South China Sea, it is found that the remote sensing data have higher resolution and more reasonable values. Therefore we suggest that remote sensing data be chosen in the study of climatological features of sea surface wind stress and its seasonal variability in the South China Sea, especially in the study of small and middle scale eddies.     

Comparison of sea surface wind field measured by HY-2A scatterometer and WindSat in global oceans

In this study, we present a comprehensive comparison of the sea surface wind ?eld measured by scatterometer(Ku-band scatterometer) aboard the Chinese HY-2 A satellite and the full-polarimetric radiometer WindSat aboard the Coriolis satellite. The two datasets cover a four-year period from October2011 to September 2015 in the global oceans. For the sea surface wind speed, the statistical comparison indicates good agreement between the HY-2 A scatterometer and WindSat with a bias of nearly 0 m/s and a root mean square error(RMSE) of 1.13 m/s. For the sea surface wind direction, a bias of 1.41° and an RMSE of 20.39° were achieved after excluding the data collocated with opposing directions. Furthermore,discrepancies in sea surface wind speed measured by the two sensors in the global oceans were investigated.It is found that the larger dif ferences mainly appear in the westerlies in the both hemispheres. Both the bias and RMSE show latitude dependence, i.e., they have signi?cant latitudinal ?uctuations.     

机载多普勒散射计海风海流联合反演研究

多普勒散射计能够获取海面后向散射系数和多普勒频移,从而实现海面风场和海表流场的同步观测。本文基于机载多普勒散射计的观测数据,对多普勒散射计海面风场和海表流场联合反演模型进行研究,并与风场流场独立反演结果进行对比。结果表明,联合反演的流场精度显著优于独立反演结果;然而以欧洲中期天气预报中心的海面风场为参考时,联合反演风场的精度略低于独立反演结果。这说明多普勒频移信息对海面风场反演的贡献不太显著,但雷达后向散射系数信息（即风场）对流场反演有积极的作用,通过联合反演算法能够更有效地消除海面风场对流场反演的影响。研究结果有助于进一步理解海面风场和海表流场反演时的相互影响,并为星载多普勒散射计的数据处理提供了参考。     

多源卫星遥感海面风速误差分析和交叉标定

利用多源卫星散射计和辐射计构建高时间分辨率的海面风遥感数据集是当前海洋遥感研究的热点。本文针对2019年同时期在轨运行的卫星散射计和辐射计,利用浮标数据和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）第五代大气再分析数据（ERA5）,定量评估了不同传感器获取的海面风速数据的误差特性和标定系数,阐明不同卫星遥感海面风单位误差相对大小,为多源卫星海面风场融合、同化等定量应用提供技术支撑。与常用的中性参考风相比,微波散射计和辐射计反演的风速更适合用等效应力风解释,以便实现卫星遥感数据的优化应用。现有微波散射计和辐射计遥感的海面风速与浮标和ERA5等效应力风在总体上具有良好的一致性,但在高风速条件下（风速大于20 m/s）呈明显的偏差。本文提出的一种用于风速误差横向对比的指示因子,实现了散射计与辐射计风速相对误差估计,为多源数据同化应用中的误差设置提供重要的参考。结果表明：5种散射计风速固有误差介于0.40～0.73之间,5种微波辐射计的风速固有误差介于0.86～1.23。总体而言,在0～20 m/s风速范围内,散射计的风速精度优于辐射计。     

风浪状态对海面风应力影响的初步研究

利用新近提出的海面风应力系数线性参数化理论,定性地分析了已有风应力和风浪的观测数据。分析发现这些观测数据表明在小波陡的情形下海面风应力系数随风速的变化较大波陡的情形更加迅速。结果定性地倾向于支持Toba等的结果,即成熟的风浪较年轻的风浪更加粗糙。     

Validation and accuracy analysis of wind products from scatterometer onboard the HY-2B satellite

The Chinese marine dynamic environment satellite HY-2B was launched in October 2018 and carries a Ku-band scatterometer. This paper focuses on the accuracies of HY-2B scatterometer wind data during the period from November 2018 to May 2021. The HY-2B wind data are validated against global moored buoys operated by the U.S. National Data Buoy Center and Tropical Atmosphere Ocean, numerical model data by the National Centers for Environmental Prediction, and the Advanced Scatterometer data issued b...     

卫星高度计海面风速的校准与验证

为了改善不同卫星高度计海面风速数据之间的一致性,以浮标数据为基准,对国内的HY-2A和国外的T/P、GFO、Jason-1、Envisat、Jason-2、CryoSat-2共7颗卫星高度计的海面风速数据进行了分析,给出了各个卫星高度计的海面风速校准公式,并对其校准效果进行了验证。验证结果表明:各个卫星高度计的海面风速在经过校准后,与浮标海面风速差异的均值和均方根都有所降低,其中HY-2A最为显著。经过校准后所有卫星高度计的海面风速与浮标海面风速差异的均值都在±0.2m/s以内。除了HY-2A、GFO和Jason-1,其余4颗卫星高度计校准后的海面风速与浮标海面风速差异的均方根都在1.6m/s以下。由此可以得出结论,利用本文的校准公式对各个卫星高度计(特别是HY-2A卫星高度计)的海面风速进行校准,可以有效减少其与浮标海面风速之间的差异。     

星载散射计资料反演带有气旋及锋面的复杂风场

气象预报在确定热带气旋中的大风（风速17．2～20．7m／s）半径时，由于热带海洋地区在恶劣气候下缺乏现场数据，往往过高地估计了大风半径。星载散射计在探测海面上的风矢量的同时，也探测到许多热带气旋。本文利用Seasat－A卫星上的散射计（SASS）资料反演计算海面风暴的风矢量，并利用风速等值线进行风向多解排除，计算结果表明：星载散射计能探测到大风的阈值（17～18m／s），其准确度为2m／s或±10％（取大者）。