HY-2B扫描微波辐射计海温产品在典型区域的精度验证和分析

“海洋二号B”卫星（HY-2B）于2018年10月25日发射,是我国第二颗海洋动力环境探测卫星,其上搭载有包括扫描微波辐射计（SMR）在内的多个载荷,海表面温度（SST）是SMR的主要产品之一。本文分别利用NOAA提供的iQuam实测海温数据、CORIOLIS卫星WINDSAT反演的海温遥感产品、NCEP模式海温数据,在两个典型区域,对2020年1月1日至2020年12月31日期间的HY-2B/SMR海温产品进行了验证,其中HY-2B/SMR与iQuam实测海温的Bias为0.004℃,RMSE为0.65℃左右,CORR高于0.95。通过进一步分析,由区域A的分析结果揭示出HY-2B/SMR海温产品精度随纬度变化的规律及其原因,同时,由区域B的分析结果揭示出陆地、岛礁以及RFI对海温总体反演精度的影响约为0.1℃。     

HY-2卫星雷达高度计时标偏差估算

卫星雷达高度计是海洋遥感监测的重要传感器之一,测高系统和定轨系统是高度计重要的组成部分。若两系统使用不同的系统时钟,则获得的轨道高度和卫星测距值之间可能会存在一个时标偏差,该时标偏差会降低卫星雷达高度计的海面高度测量精度。针对HY-2卫星雷达高度计的时标偏差问题,本文分析了时标偏差对测高精度的影响,介绍了一种使用自交叉点数据估算时标偏差值的方法,并基于HY-2卫星雷达高度计第21个周期数据开展了时标偏差修正实验。时标偏差修正后HY-2自交叉点的海面高度差值(也称"不符值")分布收敛程度有了明显的提高,其RMS均方根值从24.7 cm减小到了7.0 cm,HY-2与Jason-2互交叉点的不符值的RMS也从16.6 cm减小到了7.3 cm。这表明本文介绍的时标偏差修正方法可有效地提高HY-2卫星雷达高度计的测高精度。     

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-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-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。     

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。     

HY-2B卫星散射计神经网络多区间风速反演

以欧洲中期天气预报中心ECMWF(European Centre for Medium Range Weather Forecasts)的ERA5风场数据为真实风速参考值,利用HY-2B卫星散射计L2A数据,使用反向传播神经网络方法对风速进行了反演,分别建立了中高风速、中低风速和全风速反演模型.与基于NSCAT-4地球...     

基于核函数NPSSB模型的HY-2A卫星雷达高度计海况偏差研究

利用机器学习的方法,对14个周期HY-2A卫星高度计数据:风速、有效波高和海面高度差值进行训练,探究海况偏差和风速、有效波高之间的关系,创建海况偏差核函数非参数模型(NPSSB),并与参数模型中具有代表性的BM3、BM4模型进行对比。研究表明:(1)核函数NPSSB模型能够很好的反映SSB与U、SWH之间的关系,SSB与U呈二次函数关系,SSB与SWH呈反比例函数关系;(2)核函数NPSSB模型对SSB的模拟能力与训练数据集相关,数据量越多,模拟能力越好;(3)核函数NPSSB模型与BM3、BM4模型都存在0～-0.03 m的差值,随着风速和有效波高的增加,差值的绝对值越大。     

HY-2B卫星雷达高度计对流层路径延迟精度分析

干对流层路径延迟与湿对流层路径延迟是影响HY-2B测高精度的重要因素。本文采用星星交叉分析法和对流层独立模型检验法对HY-2B干对流层与湿对流层路径延迟产品进行对比分析。本文基于大气压强数据和辐射计测量的水汽数据,利用干对流层和湿对流层独立检验模型对HY-2B沿轨数据进行重处理,与HY-2B业务化运行产品差异的标准差分别为1.8和2.6 mm。此外,HY-2B与Jason-3交叉点处干对流层与湿对流层路径延迟差异的标准差分别为1.5和6.1 mm,两年内产品的漂移较少。实验结果表明：HY-2B干对流层与湿对流层路径延迟的精度均达到国际水平。该文对于验证国产海洋卫星HY-2B数据精度,扩展HY-2B卫星数据的应用范围具有重要意义。     

Verification and recalibration of HY-2A microwave radiometer brightness temperature

HY-2A is the first one of the Chinese HY-2 ocean satellite series carrying a microwave radiometer(RM)to measure sea surface temperature,sea surface wind speed,atmospheric water vapor,cloud liquid water content,and rain rate.We verified the RM level 1B brightness temperature(T B)to retrieve environmental parameters.In the verification,TB that simulated using the ocean-atmosphere radiative transfer model(RTM)was used as a reference.The total bias and total standard deviation(SD)of the RM level 1B TB,with reference to the RTM simulation,ranged-20.6-4.38 K and 0.7-2.93 K,respectively.We found that both the total bias and the total SD depend on the frequency and polarization,although the values for ascending and descending passes are different.In addition,substantial seasonal variation of the bias was found at all channels.The verification results indicate the RM has some problems regarding calibration,e.g.,correction of antenna spillover and antenna physical emission,especially for the 18.7-GHz channel.Based on error analyses,a statistical recalibration algorithm was designed and recalibration was performed for the RM level 1B TB.Validation of the recalibrated TB indicated that the quality of the recalibrated RM level 1B TB was improved significantly.The bias of the recalibrated T B at all channels was reduced to<0.4 K,seasonal variation was almost eradicated,and SD was diminished(i.e.,the SD of the 18.7-GHz channel was reduced by more than 0.5K).     

Assessment of the initial sea surface temperature product of the scanning microwave radiometer aboard on HY-2 satellite

HY-2 satellite is the first satellite for dynamic environmental parameters measurement of China,which was launched on 16th August 2011.A scanning microwave radiometer（RM） is carried for sea surface temperature（SST）,sea surface wind speed,columnar water vapor and columnar cloud liquid water detection.In this paper,the initial SST product of RM was validated with in-situ data of National Data of Buoy Center（NDBC） mooring and Argo buoy.The validation results indicate the accuracy of RM SST is better than 1.7 C.The comparison of RM SST and WindSat SST shows the former is warmer than the latter at high sea surface wind speed and the difference between these SSTs is depend on the sea surface wind speed.Then,the relationship between the errors of RM SST and sea surface wind speed was analyzed using NDBC mooring measurements.Based on the results of assessment and errors analysis,the suggestions of taking account of the affection of sea surface wind speed and using sea surface wind speed and direction derived from the microwave scatteromter aboard on HY-2 for SST product calibration were given for retrieval algorithm improvement.     

HY-2B卫星和模式风速数据随机误差及相关性分析

当利用三配准（Triple Collocation,TC）方法进行误差分析时,系统间随机误差（简称误差）不相关是一个重要前提假设,而在实际应用中不同系统误差常存在相关性,基于最小二乘法扩展配准（Extended Collocation,EC）方法能够在误差相关性存在情况进行误差分析,但对于误差弱相关性情况不能够准确估计误差的标准差。为此本文提出利用3个误差独立系统对第四个系统进行误差估计的方法,同时考虑误差相关性和表征误差,在误差弱相关情况下能更精确估计系统误差的标准差。本文根据HY-2B卫星3个载荷风速观测数据集随机误差相互独立特点,利用扩展三配准（Extended Triple Collocation,ETC）方法计算得到散射计、辐射计和高度计3个载荷风速产品误差的标准差分别为0.600 m/s、0.742 m/s和0.533 m/s;再对ECMWF再分析数据集ERA5的风速产品误差及相关性进行估计,计算出ERA5再分析风速产品随机误差的标准差为0.810 m/s,HY-2B卫星散射计风速产品和ERA5再分析风速产品误差相关性为0.231,HY-2B卫星辐射计风速产品和ERA5再分析风速产品误差相关性为0.105。本文提出利用已知3个误差独立数据集对第四个数据集误差及相关性进行估计的方法,实现了在误差弱相关情况下对系统误差的标准差更为准确的估计,有助于在同化和融合中更好地使用这些数据。     

HY-2 扫描辐射计风速数据产品与平台基观测数据的比较研究

基于南海北部PY30-1平台上2012年2月至9月测风仪观测的风速数据,开展了HY-2扫描辐射计风速数据比较研究。选取时空匹配窗口为5 min和25 km,利用HY-2扫描辐射计RM 100,70和35 km分辨率3种风速数据,分别与平台观测数据进行了比较。比较结果表明:在南海北部海域,HY-2扫描辐射计100 km分辨率风速和平台观测风速的均方根偏差为3.86 m/s;70 km分辨率风速和平台观测风速的均方根偏差为10.52 m/s;35 km分辨率风速和平台观测风速的均方根偏差为5.54 m/s。还进一步比较了有雨和无雨两种情况下HY-2扫描辐射计和平台数据的偏差,结果表明:有雨和无雨条件下都是100 km分辨率的数据偏差最小。这为在我国南海北部海域应用HY-2扫描辐射计的风速数据产品的选择提供了依据。     

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.