基于中法海洋卫星波谱仪观测的一维海浪谱模型对比

海浪谱模型不仅能表征粗糙海表面,还能揭示海浪能量随波数和方向的分布,为海洋探测等研究和应用提供必要信息。中法海洋卫星搭载的波谱仪可实现全球海浪方向谱的空间观测。根据现有海浪谱模型和海浪谱观测的发展现状,对波谱仪观测的海浪参数进行统计特征分析,在波谱仪观测的波数范围内(0.01~0.25rad·m^(–1)),进行不同海态下实测海浪谱与以Apel谱、Elfouhaily谱和Goda谱为代表的波高谱和曲率谱模型的比较,得到现有海浪谱观测与上述三种谱模型的差异,并结合海浪参数统计特征,对产生差异的原因进行讨论分析。结果表明,现有谱与波谱仪观测的差异来自于其对海态的不完全表达,且所表示的海态在自然状态中仅占有限比例。研究结论可以为海浪谱模型和观测的后续研究提供支持。

海表温度对中法海洋卫星散射计测量的影响

卫星散射计通过测量海表粗糙度反演全球海面风场。对于Ku波段散射计,海表粗糙不仅和海面风场相关,还受海表温度的二阶效应调制。定量研究了海表温度对中法海洋卫星(CFOSAT)散射计(CSCAT)反演风速和后向散射测量的影响。结果表明,CSCAT两种极化方式测量的后向散射系数都会受到海表温度的影响,但是垂直极化中低入射角(θ <36°)测量的后向散射系数几乎不随温度变化。因此CSCAT的风速偏差也随海表温度的变化而变化,且随着入射角的增大和风速的减小,海表温度对风速偏差的影响程度增大。在数据分析的基础上提出了一种考虑海表温度影响机制的地球物理模式函数,为未来CFOSAT散射计风场反演的海温校正提供参考。

中法海洋卫星总体设计技术难点与解决措施

中法海洋卫星是中国和法国联合研制的海洋动力环境遥感卫星,配置了2台大功率主动微波有效载荷——雷达波谱仪和微波散射计。主动微波与国际合作这两大特点,使卫星在进行总体设计时面临许多以往不曾碰到的设计难点。通过采取加强载荷配置与参数优化、电磁兼容性设计与验证、"内单外双"准双母线供配电体制、跨国运输产品集中布局、固态存储器分区等创新性设计措施,解决了风浪联合同步观测工作模式设计、小卫星上2台大功率微波设备相互干扰、脉动式设备工作时供电母线安全、产品跨国运输特殊的技术需求、特殊的星上数据存储与回放需求等各项总体设计问题,并在研制过程中进行了充分的试验验证。卫星发射入轨以来,在轨性能优异,充分证明了解决措施的正确性和有效性。

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。

中法海洋卫星微波散射计在轨性能验证

中法海洋卫星(CFOSAT)微波散射计是国际上第一个旋转扇形波束体制散射计,通过优化雷达观测几何实现对地面目标多角度和多方位的高精度测量,提高海面风场、土壤湿度和海冰面积等地球物理参数的反演精度.根据CFOSAT卫星2018年10月发射以来的在轨测试数据,结合散射计系统特点,分析验证了星上定标数据和后向散射系数反演结果的正确性,并对CFOSAT首批科学数据进行了定量分析和系统评价.结果表明,CFOSAT散射计在轨工作状态良好,实际性能与设计预期一致,风速测量精度优于1.5 m·s-1,风向测量精度优于15°,空间分辨率可达12.5 km,在近岸风场监测、土壤湿度遥感和海冰面积估计等应用领域具有独特的优势.

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。

中法海洋卫星微波散射计风场反演残差特性研究

2018年10月发射的中法海洋卫星散射计(CSCAT)是国际上首个扇形波束旋转扫描微波散射计。本文以最大似然估计风场反演算法为基线,详细分析了中法海洋卫星微波散射计海面风场反演代价函数的残差特性,重点研究了新的观测几何对风场反演残差以及风场质量的影响,并建立了风场模糊解的似然概率模型函数。结果表明,CSCAT风场反演的残差特性随风矢量单元在刈幅交轨方向位置的变化而变化,模糊解似然概率模型函数的指数分布在−0.4~−1.8之间。分析结果为CSCAT风场质量控制和二维变分分析去模糊算法的精细化调整提供了重要的参考。

海洋2B卫星和中法海洋卫星散射计海面风资料在台风“米娜”模拟中的一次应用

以台风“米娜”(201918)为试验对象,利用WRF模式及其3DVAR同化系统对海洋2B卫星和中法海洋卫星散射计海面风资料分别和同时进行同化,设计3组同化试验,对照控制试验,分析了同化不同卫星散射计海面风资料对台风模拟的影响。试验结果表明:对于台风路径模拟,3种同化方案的结果均有较明显的改善;对于台风强度模拟,3种同化方案的效果均不明显。

中法海洋卫星有效载荷系统级故障检测隔离与恢复实现方法研究

中法海洋卫星搭载了波谱仪分系统、微波散射计分系统和数据传输分系统3种载荷,三类载荷在轨每天连续24小时不间断工作;为提高卫星在轨期间有效载荷运行的安全性,提出了有效载荷系统级故障检测隔离与恢复(FDIR,Fault detection,isolation and recovery)实现方法;有效载荷FDIR由卫星主机和载荷下位机协同完,各载荷下位机实时监测自身运行状态,发现故障时按照故障预案执行隔离操作或上报故障信息交由卫星主机处理;卫星主机还能通过平台其他分系统获得更高级别的有效载荷状态参数,综合分析后及时执行故障隔离操作;文章介绍了三类有效载荷故障监测参数选择方法、故障判断准则和故障隔离措施;各有效载荷的FDIR功能都能够独立使能/禁止,FDIR门限值、连续异常错误次数在轨均可软件调整;中法海洋卫星有效载荷的FDIR实现方法已通过地面试验验证,符合设计要求,其方法可推广至其他卫星型号。

中法海洋卫星电源分系统设计与在轨应用

中法海洋卫星载荷设备具有低频脉动负载特性,且地影期功率需求较大。为了防止载荷设备对其他设备产生干扰,电源控制器采用“内单外双”母线设计,简化了系统配置,减少体积和质量,降低研制成本。为降低电池组的放电深度,适应大电流放电需求,开发了国内单体容量最大的70 Ah航天用镉镍蓄电池。

中法海洋卫星散射计噪声分析及自适应估计

针对星载扇形波束扫描散射计数据预处理中噪声能量估计问题,对中法海洋卫星(China-France oceanography satellite,CFOSAT)微波散射计数据稳定性及其对噪声能量估计的影响进行了分析,基于内部噪声信号和内定标信号构建了噪声能量估计的二元多项式模型,实现了散射计噪声能量的自适应估计。微波散射计数据预处理中需要由回波能量中去除噪声能量获得观测信号的能量,噪声能量的准确估计是获得高精度后向散射系数的前提。CFOSAT散射计数据验证表明,该方法在数据稳定性较差的条件下,也能够自适应地获得准确的后向散射系数,进而获得稳定、准确的海面风场反演性能。

基于中法海洋卫星的全球海面波致应力的季节变化

由于全球尺度风和海浪谱的同步观测资料匮乏,利用实测海浪谱对全球波致应力和包含海浪作用的风应力特征研究极少,特别是季节变化特征的研究.中法海洋卫星(China France Oceanography Satellite,CFOSAT)首次实现了全球海面风和海浪谱的同步观测,为研究这一难题提供了坚实的资料基础.本文利用CFOSAT为期一年的风、浪同步观测资料,结合海浪边界层模型分析了全球海面波致应力及风应力的季节变化特征.波致应力根据海浪的不同形态分为风浪致应力和涌浪致应力.结果表明,波致应力与涌浪指数呈现出明显的反相关关系;大的涌浪指数,对应的涌浪致应力占比会大,使得风应力减小;反之,风浪致应力起主导作用,使得风应力增大.从北半球春季到冬季,南半球的西风带海域风浪致应力占主导;而在赤道附近海域,涌浪致应力占主导.进一步分析表明,南半球的风浪致应力的季节变化不明显,而北半球夏季的风浪致应力明显要小于其他季节;南半球涌浪致应力的绝对值从北半球春季到冬季呈现出先减小后增大的趋势.考虑波致应力后的风应力增减百分比在春秋季节表现出南北半球大致对称现象,而夏冬季节呈现不对称特征.波致应力会显著调节风应力,使得纬向平均的风应力变化可达±30%,这在全球尺度上进一步揭示了海浪对风应力的重要调制作用.

CFOSAT散射计海面后向散射系数误差及影响

仪器噪声(K_(pc))和地球物理噪声(K_(pg))是影响星载微波散射计后向散射系数(σ^(0))测量精度以及海面风场反演精度的关键因素.针对中法海洋卫星(CFOSAT)散射计(CSCAT),详细分析了K_(pc)和K_(pg)随海面风速、入射角、风单元网格分辨率以及离岸距离等因素变化的特征.结果表明,低风速条件下海面风场变异性较大,K_(pg)为σ^(0)测量误差的主导因素,而且风单元网格越大、海面风场的不均匀性越强,K_(pg)也就越大,而在高风速条件下,海面风场变异性较小,K_(pc)与K_(pg)贡献相当.此外,σ^(0)测量误差总体上随着离岸距离的减小而增大,表明近海岸区域的K_(pg)为散射计观测不可忽略的影响因子.研究结果揭示了星载微波散射计σ^(0)测量误差的影响因素,对CSCAT近海岸风场反演具有重要的指导意义.

基于CFOSAT散射计的海冰识别方法研究

中法海洋卫星散射计(CSCAT)丰富的观测几何信息为极地海冰遥感提供了新的机遇。本文提出一种适用于CSCAT的贝叶斯海冰识别算法,不需要构建海冰地球物理模式函数和计算后向散射系数离海冰地球物理模型函数(GMF)的距离,仅利用海面风场反演伴随的最小残差即可构建CSCAT海冰识别模型。研究结果与欧洲气象卫星组织的海冰边缘线产品进行了比较,表明2021年9月南极和北极区域逐日的海冰覆盖面积估计标准差分别为1%和7%,与其他卫星散射计的海冰识别结果基本一致。这种新的海冰识别方法具有模型参数少、处理速度快、检测结果可靠的优点,对卫星地面系统的业务化处理具有重要的借鉴意义。

CFOSAT散射计风场资料同化在台风预报中的应用

采用WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其三维变分同化模块WRF-3DVar,开展了中法海洋卫星(China-France Oceanography SATellite,CFOSAT)散射计风场资料同化及数值预报试验研究,对比分析了同化常规观测资料及进一步同化CFOSAT散射计风场资料后对台风“白鹿”预报效果的影响。结果表明:与不进行资料同化相比,同化常规观测资料使台风路径预报平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)降低20 km以上,中心最低海平面气压平均绝对误差降低3%以上,但中心最大风速没有明显改善;同化CFOSAT卫星散射计风场资料后,台风路径和强度的预报效果得到进一步改善,与不进行资料同化相比,台风路径预报的平均绝对误差降低30 km以上,中心最低海平面气压平均绝对误差降低约7%,中心最大风速的预报平均绝对误差降低幅度超过20%。

CFOSAT散射计几何定位验证与精度初步评估

采用STK软件对中法海洋卫星(CFOSAT)散射计几何定位算法进行了验证。针对CFOSAT散射计扇形波束扫描观测体制,分别就扇形波束扫描散射计几何定位原型算法、包含天线安装误差的完整几何定位算法利用STK进行了详细验证。结果表明了CFOSAT扇形波束散射计几何定位算法的准确性,与STK几何定位结果偏差在100 m以内。在此基础上,结合有源定标器实验数据,对CFOSAT实际观测数据几何定位参数进行了校正,给出了CFOSAT散射计几何定位精度的初步评估。