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。     

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°。     

海洋二号微波散射计极地海冰识别算法研究

An Antarctic sea ice identification algorithm on the HY-2A scatterometer(HSCAT) employs backscattering coefficient(σ0) and active polarization ratio(APR) for a preliminary sea ice identification.Then standard deviation(STD) filtering and space filtering are carried out.Finally,it is used to identify sea ice.A process uses a σ0,STD threshold and an APR as sea ice indicators.The sea ice identification results are verified using the sea ice distribution data of the ASMR2 released by the National Snow and Ice Data Center as a reference.The results show very good consistence of sea ice development trends,seasonal changes,area distribution,and sea ice edge distribution of the sea ice identification results obtained by this algorithm relative to the ASMR2 sea ice results.The accuracy of a sea ice coverage is 90.8% versus the ASMR2 sea ice results.This indicates that this algorithm is reliable.     

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。     

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°。     

海洋二号卫星厘米级定轨的实施建议

针对海洋二号（HY-2）卫星如何实现厘米级定轨问题,提出下列建议：海洋二号卫星不必采用DORIS定轨;给海洋二号卫星装备无电功耗需求的激光后向反射镜阵列,以便对它进行多个SRL测站观测的激光厘米级定轨;给海洋二号卫星装备具有双频载波相位测量能力的GPS信号接收机,实现高精度的星载GPS测量定轨.     

基于卫星微波散射计风场的台风中心定位方法比较研究

基于HY-2A/B、Metop-A卫星微波散射计风场产品,开展了两种定位台风中心方法的比较研究。以2019年台风"娜基莉"为例,分析了在台风形成期与成熟期不同发展阶段的定位结果。结合台风风场涡旋特性与风速特征,考虑相对垂直涡度和水平散度两个影响因子,探究了高风速阈值涡度场定位法和高风速阈值复合场定位法的定位效果,并与中国气象局热带气旋资料中心的最佳路径数据集比较。结果表明:台风成熟期定位精度较形成期更优,高风速阈值复合场定位法精度更佳,平均偏差为0.1°～0.2°,均方根误差小于0.25°。     

中法海洋卫星微波散射计近海岸产品在台风遥感监测中的应用

中法海洋卫星(Chinese-French Oceanography Satellite,CFOSAT)搭载的微波散射计(CFOSAT Scatterometer,CSCAT)采用 Ku 波段扇形波束旋转扫描体制,具有观测几何信息丰富、观测样本数多的特点,是一种新型的海面风场遥感仪器。CSCAT 的原始空间分辨率可达10 km×12-5 km,是目前空间分辨率最高的微波散射计,为开发高质量的近海岸高分辨率海面风场产品提供了可能性。首先,回顾了 CSCAT 近海岸风场遥感的原理,并利用辅助数据验证了这种新的科学产品的有效性。 然后,利用 CSCAT 近海岸风场开展了台风灾害监测研究。与标准 25 km 分辨率的产品相比, CSCAT 近海岸风场可以更细致地描绘台风结构,能够为气象和海洋防灾减灾提供更精准的信息支持与决策服务。     

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.     

基于HY-2B散射计的热带气旋定位定强研究

热带气旋灾害是最严重的自然灾害之一,其影响程度主要取决于气旋的中心位置和强度。提高热带气旋中心位置及强度监测水平对于改进热带气旋分析预报精度、减少热带气旋的灾害影响具有重要意义。本文以HY-2B散射计为例,分析了散射计风场散度和旋度的分布特征,发现气旋中心附近风场的散度或旋度具有显著的分布规律,由此提出了一种新的气旋中心定位方法,并与传统的直接定位法进行比较研究。在此基础上,进一步提出了热带气旋风圈大小估计的方法,用于评估气旋的强度。最后,利用台风“范斯高”和“博罗依”的遥感数据对文中的方法进行验证,结果表明,使用新方法定位的气旋中心位置与最佳路径之间的差异小于20 km,散射计17 m/s风圈大小的变化一定程度上反映了气旋的发展规律。     

海洋二号卫星微波散射计后向散射系数业务化面元匹配算法

本文提出了一种可业务化运行的海洋二号卫星散射计面元匹配方法,该算法主要用于将按时序排列的后向散射系数及相关参数投影到相应风矢量单元。面元匹配方法主要包括地面网格划分和后向散射系数观测结果重采样两个关键步骤。为简化计算,本文采用了以星下点轨迹为中心,以顺轨向及交轨向为坐标轴的地面网格划分方式。在重采样过程中,本文提出了一种“三点标定”重采样方法,利用观测脉冲的地面足印中心,星下点轨迹的起点,以及过地面足印中心做星下点轨迹垂线的交点,三点形成的直角三角形来计算每个后向散射系数观测结果在地面网格中对应的坐标。该直角三角形的两直角边分别对应观测脉冲在顺轨向和交轨向的坐标。同时,为减少由于星下点数据空间分布不连续引起的面元匹配误差,在采用三点标定法进行重采样之前,首先对星下点时空分布不连续的区域对时间插值,然后以时间为坐标,对星下点经度、纬度分别进行内插。对风矢量面元位置分布和风矢量反演精度等分析表明,本文提出的面元匹配算法,可在满足高质量海面风场反演的要求。     

First six months quality assessment of HY-2A SCAT wind products using in situ measurements

The first Chinese microwave ocean environment satellite HY-2A, carrying a Ku-band scatteromenter （SCAT）, was successfully launched in August 2011. The first quality assessment of HY-2A SCAT wind products is presented through the comparison of the first 6 months operationally released SCAT products with in situ data. The in situ winds from the National Data Buoy Center （NDBC） buoys, R/V Polarstern, Aurora Australis, Roger Revelle and PY30-1 oil platform, were converted to the 10 m equivalent neutral winds. The temporal and spatial differences between the HY-2A SCAT and the in situ observations were limited to less than 5 min and 12.5 km. For HY-2A SCAT wind speed products, the comparison and analysis using the NDBC buoys yield a bias of-0.49 m/s, a root mean square error （RMSE） of 1.3 m/s and an increase negative bias with increasing wind speed observation above 3 m/s. Although less accurate of HY-2A SCAT wind direction at low winds, the RMSE of 19.19° with a bias of 0.92° is found for wind speeds higher than 3 m/s. These results are found consistent with those from R/Vs and oil platform comparisons. Moreover, the NDBC buoy comparison results also suggest that the accuracy of HY-2A SCAT winds is consistent over the first half year of 2012. The encouraging assessment results over the first 6 months show that wind products from HY-2A SCAT will be useful for scientific community.     

HY-2卫星散射计热带气旋自动识别算法

对基于HY-2卫星散射计风矢量产品的热带气旋自动识别算法进行了研究。算法分为粗搜索与精搜索两部分。粗搜索利用热带气旋风场的风速与风向分布直方图特征确定搜索的阈值,快速剔除比较容易识别的非热带气旋区域。在此基础上,精搜索利用热带气旋风向的螺旋状分布特征,通过搜索目标区域内是否存在螺旋状流线的方法,确定目标区域的风向是否存在螺旋状流线特征,从而实现对热带气旋的准确自动识别。作为示例,将该方法应用到对HY-2散射计观测到的2012年6号强热带风暴"杜苏芮"的自动识别,结果表明,本文提出的算法可以从HY-2散射计风场数据中准确有效的自动识别出热带气旋。     

一种温度相关的HY-2A散射计地球物理模型函数

利用散射计测量海面后向散射系数, 并通过地球物理模型函数(geophysical model function, GMF)反演得到海面风场。目前散射计风场反演所采用的GMF一般只考虑雷达极化方式、雷达入射角、风速和相对风向对海面后向散射系数的影响, 而相关研究表明海表温度(sea surface temperature, SST)对Ku波段散射计风场反演具有不可忽略的影响。文章利用海洋二号A卫星散射计(Haiyang-2A Scatterometer, HY2A-SCAT)后向散射系数观测值、欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF )再分析风矢量和SST数据, 采用人工神经网络方法, 建立起一种SST相关的GMF (TNGMF)。对TNGMF进行分析后发现, 海面后向散射系数随着SST的增加而增加, 并且其增加幅度与雷达极化方式、风速有关。为了对比, 文章使用相同数据集和相同方法建立了不包含SST的GMF (NGMF), 将美国国家航天航空局散射计-2 (National Aeronautics and Space Administration Scatterometer-2, NSCAT2) GMF、TNGMF和NGMF分别用于HY2A-SCAT风场反演实验。试验结果表明, 采用NSCAT2 GMF、NGMF反演得到的风速在低温时系统性偏小, 在高温时系统性偏大; 而TNGMF可较好地纠正SST对风速偏差均值的影响, 从而提高反演风场质量。     

基于HY-2A散射计数据的极区海冰范围反演方法及其评估

A sea ice extent retrieval algorithm over the polar area based on scatterometer data of HY-2A satellite has been established.Four parameters are used for distinguishing between sea ice and ocean with Fisher's linear discriminant analysis method.The method is used to generate polar sea ice extent maps of the Arctic and Antarctic regions of the full 2013–2014 from the scatterometer aboard HY-2A(HY-2A-SCAT) backscatter data.The time series of the ice mapped imagery shows ice edge evolution and indicates a similar seasonal change trend with total ice area from DMSP-F17 Special Sensor Microwave Imager/Sounder(SSMIS) sea ice concentration data.For both hemispheres,the HY-2A-SCAT extent correlates very well with SSMIS 15% extent for the whole year period.Compared with Synthetic Aperture Radar(SAR) imagery,the HY-2A-SCAT ice extent shows good correlation with the Sentinel-1 SAR ice edge.Over some ice edge area,the difference is very evident because sea ice edges can be very dynamic and move several kilometers in a single day.     

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...