星载微波散射计海面风场反演研究进展

星载微波散射计以高时空分辨率、全天候的观测能力,能实现多波段、多极化、多视角的海面观测,成为大面积获取高分辨率海面风场的重要手段,是全球海面风场观测资料最主要的卫星传感器,对其进行研究有着重要的意义。文章以星载微波散射计对风速和风向的反演为主线,全面而系统地探讨了国内外学者在海面风场反演方法方面的研究进展,涵盖了地球物理模型函数的演化、模糊解去除方案的优化以及神经网络算法和深度学习在海面风场遥感中的应用。这些内容不仅为海面风场反演技术的进一步发展提供了重要参考,也为未来海洋遥感领域的研究和应用提供了新的思路。

构建准实时海面风场的一种智能算法

本文基于深度学习U-Net网络构建了CMA-GFS数值模式风场订正模型,并以此订正模型订正后的风场为背景场(CMA-GFS_Unet),以HY-2B/2C/2D以及MetOp-B 4颗卫星的散射计海面风资料为观测资料,采用插补法快速完成准实时海面风场的构建。此智能算法可实现滞后3 h准实时生成空间分辨率为0.25°、时间分辨率为6 h的全球海面融合风场(Fusion_QRT)。分别使用CCMP融合风场数据和中国近海浮标10 m风矢量数据对CMA-GFS、CMA-GFS_Unet和Fusion_QRT 3组风场资料进行了评估,结果表明,CMA-GFS_Unet风场质量得到显著提升,Fusion_QRT风场风速质量得到进一步改善,但风向质量略有降低:相较于CCMP,3组风场的风速平均绝对误差(MAE)分别为1.13 m/s、0.89 m/s和0.84 m/s,CMA-GFS_Unet和Fusion_QRT相较于CMA-GFS分别提升了21.3%和25.7%;风向MAE分别为17.5°、15.5°和16°,分别提升了11.3%和8.6%;而相较于浮标,风速MAE分别为1.50 m/s、1.36 m/s和1.28 m/s,分别提升了9.3%和14.7%;风向MAE分别为23.3°、22.7°和24.0°,分别提升了3.0%和-3.9%。

HY-2C卫星散射计海面风场产品的检验评估

基于中国近海浮标的逐小时海面风矢量实测数据、ASCAT散射计风场数据以及欧洲中期天气预报中心的第五代全球再分析数据(ERA5)的逐小时风场数据,使用统计分析方法对HY-2C卫星散射计海面风场数据产品进行检验评估,检验使用的是2~24 m/s风速区间内的数据。结果表明:使用11个浮标共计3351个样本数据作为真值进行检验,风速和风向的均方根误差分别为1.01 m/s和20.7°;使用8304963个ASCAT样本数据进行检验,风速和风向的均方根误差分别为0.66 m/s和11.5°;使用ERA5风场数据进行全球区域检验,风速和风向的均方根误差分别为1.05 m/s和12.0°;使用ERA5风场数据进行西北太平洋区域检验,风速和风向的均方根误差分别为1.19 m/s和15.5°。由此可见,HY-2C卫星散射计海面风场产品质量的可信度较高,能够较好地满足业务化应用的精度要求。

基于CCMP的台湾海峡海面风场时空特征变化分析

利用1993-2022年最新版交叉标定多平台风场资料(CCMP V3.1),针对台湾海峡海面风场的年、季、月、日变化特征进行了分析。结果表明:台湾海峡及台湾岛周边海域风场具有明显的空间分布特征,地形效应导致不同海域出现风速极大值区和极小值区。其中台湾海峡中部受“狭管效应”的影响,在冬季风速最大,风向基本与海峡走向平行;夏季风速低于海峡外部的风速,无“狭管效应”。此外,海面风场还具有明显的季、月变化特征,冬季盛行东北风,风速为全年最高;夏季盛行西南风,风速最低;春、秋两季风场特征相似,皆盛行东北风;冬季风比夏季风盛行期长,约占全年的四分之三。对风场的年际变化分析时,结果表明夏季风向易发生较大角度的偏转;年平均风速保持基本平缓的线性趋势,在一些年份的异常偏高或偏低与海气相互作用现象厄尔尼诺-南方涛动的发生相关。研究日变化特征时则发现,在夜间20时风速和风向波动最大;风速一天内存在周期性变化;风向日变化夏季偏转最明显。

HY-2D卫星散射计海面风场产品在西北太平洋区域的适用性分析

基于中国近海浮标数据、欧洲中期天气预报中心第五代全球再分析资料ERA5和MetOp-B卫星散射计ASCAT海面风场数据,对HY-2D卫星散射计反演的风场数据在西北太平洋区域的质量进行了检验评估,用以分析其在该区域的适用性。统计结果表明:HY-2D风场数据与中国近海浮标数据、ERA5数据和ASCAT数据均有较好的一致性,3组检验结果的风速均方根误差分别为0.98 m/s、1.23 m/s和0.58 m/s,误差都很好地控制在2 m/s以内;风向均方根误差分别为18.8°、16.8°和12.8°,误差均控制在20°以内;HY-2D风场数据与ASCAT数据有着最好的一致性。对比HY-2D风场数据和中国近海浮标站点风矢量数据,未发现离岸距离和误差之间的明显规律。在HY-2D风场数据与ERA5和ASCAT的对比结果中,近9成数据的风速绝对误差≤2 m/s、风向绝对误差≤20°。由此可见,HY-2D卫星散射计反演的海面风场数据在西北太平洋区域质量较高,能够较好地满足业务化应用的精度要求。

基于Resnet50的江苏近海海面风场预报订正方法研究

海面风场的精确预报对于海上风能开发具有非常重要的影响。利用2019—2021年ERA5再分析数据系统评估了欧洲中期天气预报中心的EC细网格10 m风场预报在江苏近海区域的预报准确性,发现EC细网格对于该区域4级风的预报准确性最高,24 h(48 h)风速预报的均方根误差为2.28 m/s(2.34 m/s),但是随着风级增大,风速预报的准确性大幅降低,5~11级风24 h(48 h)预报的均方根误差(RMSE)由2.39 m/s(2.58 m/s)增加到8.67 m/s(8.51 m/s)。此外,风速预报误差存在显著的空间差异性,误差随着离岸距离的增大而增大。在此基础上,基于Resnet50模型构建了江苏近海海面风场预报订正模型,并利用2022年的预报数据对其进行独立性检验。结果表明:订正模型可以显著改善EC细网格24 h(48 h)的10 m风速预报结果,订正后的RMSE为1.45 m/s(1.66 m/s),较订正前降低了45%(40%)。对于3~10级风,订正模型24 h和48 h预报的RMSE为1.13~6.67 m/s和1.21~5.68 m/s,同样明显低于订正前(2.33~7.65 m/s和2.58~9.97 m/s)。

合成孔径雷达图像的近岸海面风场反演

根据海面微波散射原理 ,给出了星载合成孔径雷达 (SyntheticApertureRadar,SAR)图像海面风场反演的方法。该方法包括SAR图像辐射定标、海面风向确定和风速计算。利用该方法由加拿大RadarsatSAR图像反演获得了中国海南省东南部近岸海区海面风场 ,并与预报风场作了比较。结果显示 ,二者相符得很好 ,风速的均方根误差为 0 94m/s ,风向的均方根误差为 4 0 3°。

中尺度数值预报模式(MM5)在海面风场预报中的应用

本文简要介绍了在工作站上运行有限区域海面风场数值预报业务化系统的情况。该系统以MM5V3作为主要框架,选定了积云对流和边界层参数化方案,准备了三种侧边界方案,以确保有限区域海面风场数值预报业务化的运行。半年多的准业务运行表明,系统运行稳定,海面风场预报效果较好,除能直接给有关业务单位参考外,还提供给有关海洋数值预报模式使用。

3种海面风场资料在台湾海峡的比较和评估

本文对3种海面风场资料(CCMP、NCEP、ERA)在台湾海峡风场的平面分布和时间变化特征进行了相互比较,并应用2011年浮标观测的风速和风向资料分别对3种风场的误差进行了分析及评估。主要结论如下:(1)3种资料风场的平面分布、季节变化和年际变化特征基本一致,差异主要表现在冬季NCEP资料在海峡中部和南部的风速相对CCMP和ERA资料较大;(2)CCMP资料的风速偏差、风速均方根误差和风向均方根误差分别为-0.62m/s、1.67m/s和31°,NCEP分别为0.15m/s、1.64m/s和31°,ERA分别为-1.36m/s、2.4m/s和33°;NCEP资料的风速整体略偏大、CCMP略偏小、ERA偏小明显,CCMP和NCEP资料比ERA资料更接近观测;(3)在西南季风影响期以及风速较小时(风速不大于10m/s)CCMP资料的风速可信度较高、NCEP资料的风速偏大;在东北季风影响期以及风速较大时(大于10m/s)NCEP资料的风速可信度较高、CCMP资料的风速偏小;(4)3种资料的风向误差接近,均在低风速时(风速小于5m/s)误差较大。本文的结论可以为台湾海峡的海洋和大气科学研究选择合适的海面风场资料提供借鉴和参考。

基于GPS散射信号的机载海面风场反演系统

提出了利用GPS散射信号构成机载海面风场反演系统,详细介绍了基于GPS散射信号的风场反演模型与散射信号相关功率的计算方法,给出了不同海面粗糙度下散射信号的相关功率曲线。分析了延迟映射接收机的工作模式,给出了某次飞行试验的数据分析结果。试验结果表明,文中所设计的延迟映射接收机能够准确地接收到GPS卫星信号的海面反射信号,并给出与理论分析一致的结论。

基于最大似然估计的海面风场反演算法研究

最大似然估计法被认为是海面风场反演的最佳方法,目前被用来处理SeaWinds散射计数据。风矢量求解算法是风场反演算法的核心内容。最大似然法的目标函数形式决定了在风场反演过程中必须采用数值方法求解风矢量,而传统数值求解方法运算量大。该文对最大似然估计的风场反演方法的基本原理和具体过程进行探讨,根据其目标函数的一般分布特征,提出一种较为高效的数值风矢量搜索算法。用SeaWinds散射计的L2A实测数据和相应的L2B数据验证了该算法的可行性。

基于墨西哥帽小波变换的机载SAR海面风场反演

针对从机载SAR探测图像中反演风向中如何提取图像中的风条纹信息的问题,给出基于墨西哥帽小波的风条纹信息提取方法,结合二维快速Fourier变换反演海面风向。以中国南海海域一组机载SAR实测数据为例,采用该方法反演风向,并运用CMOD4、CMOD-IFR2和CMOD5模式反演风速,验证海面风场反演方法特性。结果表明,墨西哥帽小波法较好地解决了机载SAR探测图像的风条纹信息提取问题,反演精度优于局部梯度法,3种风速反演模式均可用于机载SAR探测数据风速反演。

南海QuikSCAT海面风场变化特征分析

基于QuikSCAT海面风场产品,对海面风场资料进行了EOF分析和随机动态分析,以此分析南海海面风场的变化特征。研究发现:海面原始风场风速季节变化最为明显,其变化占总变化方差的59.1%,黑潮的季节变化通过海气相互作用对南海局地风场有较明显的影响;原始风场第三模态及异常风场第二模态时间变化函数与SOI和PDO弱相关,且异常风场第二模态时间变化函数谱分析结果主要呈现5年的周期变化,南海海面风场变化与年际振荡有关;南海大部分海区风速呈现增长的趋势,但增长速率较小;风速增大最快的区域是台湾海峡以南海域和北部湾,增长速度达到0.05 ms-1a-1。

星载合成孔径雷达图像反演海面风场方法综述

合成孔径雷达作为微波雷达,具有全天候、全天时、高分辨率对海面成像的能力,能实现多波段、多极化、多视角的观测海面,可以提供大范围、高精度的实时动态海面信息,对其进行深入研究有着重要的意义。基于合成孔径雷达图像,分别以风向和风速反演为主线,对国内外海面风场反演的工作进行了详细的总结。

台风影响下渤海及邻域海面风场演变过程的MM5模拟分析

在装有 L inux操作系统的 PC机上运行美国大气研究中心 ( NCAR)的非静力中尺度大气模式 MM5。运用 MM5的嵌套功能 ,以 30 km水平分辨率对台风 KAI- TAK( 2 0 0 0年第 4号 )影响渤海海区的时段进行数值模拟 ,同时给出了水平分辨率为 10 km的嵌套区内逐时的渤海海面风场。通过对台风中心位置、中心气压、风速分布与雨区分布等要素的模拟结果与实况的比较 ,证实该实验对台风过程的模拟较为成功。嵌套区内渤海海面风场也明显体现出了地形影响的特征。并尝试以T10 6格点资料的三维客观分析场结合高空及地面观测为模式提供初值场 ,6h/次预报场为模式提供时变边界条件 ,对渤海海面风场进行了 2 4

中国近海海面风场的时空特征分析

本文利用1987年9月—2013年9月连续26a的多源卫星融合数据,用经验正交函数方法 (EOF)分析中国近海海面风场变化特征。分析结果指出中国近海海面风场的第一模态占总方差贡献的63.94%,呈现为冬-夏季风振荡类型,揭示了中国近海风场的季节变化特征;第二模态占总方差贡献的12.35%,呈现为春-秋振荡类型,反映了冬季风和夏季风过渡时期的变化特征;第三模态占总方差贡献的3.49%,呈现出近似半年周期的波动,体现了中国近海风场季节内变化的特征。

台风期间台湾岛周边海域海面风场特征的卫星遥感研究

利用1999-2005年QuikSCAT卫星遥感资料，对台风期间三种台风路径下台湾岛周边海域海面风场变化特征及成因进行了分析，结果表明，尽管台风强度被不同程度低估，台风中心附近风向反演受降雨影响明显，但遥感海面风场的大致形态仍较为合理．地形对风场特征的形成有着显著作用，它导致了台湾海峡内大风（〉10m／s）天气提前出现、中央山脉两侧背风槽（或诱生低压）形成、中央山脉两端下风面“角流”形成等现象．海峡内大风天气是否提前出现与台风中心的位置有关．不同台风路径下，“角流”和背风槽的位置和范围不同．

琼州海峡海面风场特征的观测分析

在检验资料可靠性的基础上,利用船载自动站、浮标站与岸基自动站测风资料分析了琼州海峡海面风速空间变化规律,以及秋冬季节的海面风场的日变化特征。结果表明:(1)琼州海峡海面风速平均比沿岸风速大3～4 m/s,当沿岸风速≥8.0 m/s(5级)时,海面风速比沿岸大5～6 m/s;(2)海峡海面阵风系数随着风速加大而减小。沿岸风速<5级时,海面平均阵风系数在1.4～1.5之间,风速≥5级时,平均阵风系数为1.35左右;(3)秋冬季节,海面的平均风速日较差与风一致率均小于沿岸,当海面出现≥10.8 m/s(6级)强风时,海面与沿岸的风速日较差减小,风一致率增加。

渤海海面风场的一种动力诊断方法

给出一种动力诊断获取渤海海面风场的简便方法 .首先建立一个简单的水平二维地面风场诊断模式 ,根据由微机支持的数字化仪输入的地面格点气压场 ,诊断出地面风场 ;然后利用渤海沿岸和岛屿海洋观测站 (含石油平台站 )实测风资料 ,运用简单的资料同化方法 (张驰逼近方法 )对诊断风场进行调整 ,从而得到渤海海面风场 .结果表明 ,此方法简便有效 .

南海海面风场变分融合的初步研究

利用二维变分同化（2DVar）方法，把南海海域（110．12～117．92°E，10．12～17．92°N）QuikSCAT散射计风场资料融合到区域高分辨率数值模式（华南中尺度天气预报模式GZMM）风场资料中，并利用独立的观测数据（西沙站海面风场观测值）对融合效果进行了检验。得到结论：（1）风场单点融合试验表明，风场融合设计方案基本合理；（2）与独立观测数据的偏差分析表明，融合后的风场在经向和纬向的均方根误差分别为2．59m／s、2．76m／s，明显好于模式风场（3．63m／s、2．81m／s）和散射计风场（2．79m／s、2．80m／s），这说明融合的风场优于模式风场和散射计风场；（3）与独立观测数据的相关性分析表明，融合后的风场在经向和纬向的相关系数分别为0．80和O．81，好于散射计风场（0．74和O．79），而比模式风场（0．91和0．94）的要差。最后讨论了均方根误差与相关系数不一致的可能原因。