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.     

海面风速微波散射测量与分析

为了深入研究海面风的微波散射特性 ,利用海洋石油平台和飞机作为仪器的工作平台 ,对海面微波散射特性进行了测量 ,并应用统计分析方法 ,对测量数据作处理分析。结果表明 ,海面微波后向散射系数 (σ°)值与海面风速成线性关系 ,随风速增大而增大。同时 ,σ°值与夹角及散射计天线入射角、极化方式有关。结合对海面微波散射算法中 Phillips模式的分析比较 ,得到 Phillips模式的计算值与实测值变化趋势一致的结果     

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.     

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。     

数据库管理系统在微波散射计试验数据处理中的应用

本文运用计算机数据管理系统对１９９２～１９９３年期间的微波散射计海上试验数据进行了处理,为研究海面微波散射特性提供了有价值的结果。     

胶州湾微波遥感资料分析

1979年9、10两月，我院在青岛近海进行了规模较大的海洋航空遥感试验。这次试验，利用多种手段，从空中、海面和水下不同途径，对胶州湾海区开展了立体、同步观察和测量。我国研制的机载三厘米扫描微波辐射计，是这次试验所用仪器之二。本文仅就海洋微波遥感作-扼要论述，并着重分析这次试验取得的微波资料。     

数据库管理系统在微波散射计试验数据处理中的应用

本文运用计算机数据管理系统对１９９２－１９９３年期间的微波散射计海上试验数据进行了处理,为研究海面微波散射特性提供了有价值的结果。     

海面风场与3.2厘米微波散射特性的研究

海面风场遥感的基础工作之一是微波散射特性的研究。美国于一九七八年发射了一颗海洋卫星Seasat-A[3],卫星上载有微波散射计,它被用来遥感全球风场,其测量风速范围为3—25m/s,测风速的精度为±2m/s或±10%,海面上分辨率达50公里。在海洋卫星发射以前,他们对海面风速与海面微波散射特性之间的关系已作了充分的研究,这样才能判读星载或机载上所得到的遥感数据。国外在这方面做了大量的工作,积累了大量的数据。例如,美国学者格兰特和易普利将雷达散射计架在桥上俯视河水,找出了3.2厘米、1.25厘米、8.6毫米海面回波与风速的函数关系[1]。     

大气对微波散射计回波信号衰减的修正方法研究

为了使微波散射计测得的海面后向散射具有足够的精度，必须考虑大气对微波衰减的影响。大气对微波的衰减可以用微波射计来测定。本文将估算晴空、云和降雨天气下的衰减系，讨论计算海面发射率及用微波辐射计剩余亮温估算散射计工作频率下大气衰减的方法。     

星载微波散射计两种体制的比较

星载微波散射计可以提供全球、全天候、高精度、高分辨率和短周期的海面风场数据。根据雷达天线足印的形状,雷达散射计主要包括扇形波束体制与笔形波束体制两种形式。概述了两种体制微波散射计在设计结构及后期数据处理算法中的优缺点,并对两种不同体制散射计的系统仿真数据进行比较。分析结果表明:对于小型卫星平台,Ku波段的旋转扫描扇形波束散射计比笔形波束圆锥扫描散射计具有更优的风场反演性能。     

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。     

A study of remote sensing of sea-surface wind field with 8-12 GHz broad band radar scatterometer

The paper is devoted to the results of the study on sea-surface wind field remote sensing using 8-12 GHz broad band radar scatterometer. Principles and techniques of remote sensing with broad band scatterometer are described. Variations of microwave scattering coefficients on sea surface with different frequencies and incident angles at different polarization and wind velocity are given and the correlationship between scattering coefficients and wind speeds. The result shows that the research is valuable.lt provides data and basis for remote sensing of the sea-surface wind fields with broad band radar scatterometer.     

Influence of the type of sea waves on the backscattered radar cross section at medium incidence angles

We consider the influence of the sea surface state on the backscattered radar cross section and the accuracy of the wind speed retrieval from the scatterometer data. We used a joint set of radars and buoys to determine the type of sea waves. Three types of sea waves were distinguished: developing wind waves, fully developed wind waves, and mixed sea. It is shown that the retrieval error of the near surface wind speed using a one-parameter algorithm is minimal in the case of fully developed wind waves. We compared these data with the results of radio-altimeter data analysis and showed that in both cases underestimation of the retrieval wind speed exists for developing wind waves and overestimation occurs for mixed sea. A variety of swell parameters (length of the dominating wave, swell height, swell age) significantly influence the backscattered radar cross section, leading to a growth in the mean square error of the retrieved wind speed during vertical sounding (radio-altimeter data), and only slightly influence the mean square error of the scatterometer data (medium incidence angles). It is necessary to include the information about the parameters of sea waves in the algorithms and take into account the regional wave properties to increase the accuracy of wind speed retrieval.     

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。     

AAFE RADSCAT 13.9-GHz measurements and analysis: Wind-speed signature of the ocean

About 10 years ago, the advanced application flight experiment radiometer scatterometer (AAFE RADSCAT) made its first successful measurements of ocean radar scattering cross section from a NASA C-130 aircraft. This instrument was developed as a research tool to evaluate the use of microwave frequency remote sensors (particularly radars) to provide wind-speed information at the ocean's surface. The AAFE RADSCAT flight missions and analyses helped establish the feasibility of the satellite scatterometer for measuring both wind speed and direction. Probably the most important function of the AAFE RADSCAT was to provide a data base of ocean normalized radar cross-section (NRCS) measurements as a function of the surface wind vector at 13.9 GHz. NRCS measurements over a wide parametric range of incidence angles, azimuth angles, and winds were obtained in a series of RADSCAT aircraft missions from 1973 to 1977. Presented herein are analyses of data from the 26 RADSCAT flights during which the quality of the sensor and the surface wind measurements were felt to be understood. Subsets of this data base were used to model the relationship between theKu-band radar signature and the ocean-surface wind vector. The models developed partly from portions of this data base, supplemented with data from the Seasat (JASIN Report), were used for inversion of the Seasat-A Satellite Scatterometer (SASS) radar measurements to vector winds. This paper summarizes results from a comprehensive analysis of the RADSCAT/ocean wind signature deduced from this complete data set.     

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。     

复合雷达后向散射模型与合成孔径雷达、散射计和高度计海面雷达后向散射观测的比较分析

海洋微波散射模型相比于以经验统计建立的地球物理模式函数具有不受特定微波频率限制的优势。组合布拉格散射模型和几何光学模型形成了复合雷达后向散射模型。利用南海北部气象浮标2014年海面风速风向实测值作为散射模型输入,分别比较了复合雷达后向散射模型与RADARSAT-2卫星C波段SAR、HY-2A卫星Ku波段微波散射计的海面后向散射系数,偏差分别为(?0.22±1.88) dB (SAR)、(0.33±2.71) dB (散射计VV极化）和(?1.35±2.88) dB (散射计HH极化);以美国浮标数据中心(NDBC)浮标2011年10月1日至2014年9月30日共3年的海面风速、风向实测值作为散射模型输入,分别比较了复合雷达后向散射模型与Jason-2、HY-2A卫星Ku波段高度计海面后向散射系数,偏差分别为(1.01±1.15) dB和(1.12±1.29) dB。中等入射角和垂直入射下的卫星传感器后向散射系数观测值与复合雷达后向散射模型模拟值比较,具有不同的偏差,但具有相同的海面风速检验精度,均方根误差小于1.71 m/s。结果表明,复合雷达后向散射模型可模拟计算星载SAR、散射计和高度计观测条件下的海面雷达后向散射系数,且与CMOD5、NSCAT-2、高度计业务化海面风速反演的地球物理模式函数的计算结果具有一致性;复合雷达后向散射模型可用于微波遥感器的定标与检验、海面雷达后向散射的模拟。     

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.     

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。