Vandemark-Chapron算法與Young算法聯(lián)合反演Jason-1雷達(dá)高度計(jì)海面風(fēng)速方法研究

姜祝輝，黃思訓(xùn)，郭洪濤，赫英明，尹志泉

（1.解放軍理工大學(xué) 氣象學(xué)院，江蘇 南京 211101；2.玉泉二中，黑龍江 哈爾濱 150322）

Vandemark-Chapron算法與Young算法聯(lián)合反演Jason-1雷達(dá)高度計(jì)海面風(fēng)速方法研究

姜祝輝1，黃思訓(xùn)1，郭洪濤1，赫英明1，尹志泉2

（1.解放軍理工大學(xué) 氣象學(xué)院，江蘇 南京 211101；2.玉泉二中，黑龍江 哈爾濱 150322）

針對現(xiàn)行業(yè)務(wù)運(yùn)行的雷達(dá)高度計(jì)風(fēng)速反演算法只考慮0～20 m/s的缺陷，提出了VC算法（Vandemark-Chapron Algorithm）與Young算法聯(lián)合反演高度計(jì)海面風(fēng)速的方法，通過對Jason-1資料的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，確定了后向散射截面臨界點(diǎn)，當(dāng)高度計(jì)后向散射截面大于等于該臨界點(diǎn)時(shí)采用VC算法反演風(fēng)速，反之采用Young算法反演風(fēng)速，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)亦校準(zhǔn)了Young算法因儀器參數(shù)不同而引起的觀測偏差。選取了Jason-1高度計(jì)經(jīng)過珊珊臺(tái)風(fēng)中心的一個(gè)個(gè)例進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，單純使用VC算法使得反演結(jié)果嚴(yán)重偏低，校準(zhǔn)后的Young算法進(jìn)行20～40 m/s風(fēng)速反演能夠有效的提高反演精度。分析過程中進(jìn)一步證實(shí)了利用Young算法反演20～40 m/s風(fēng)速的有效性。

高度計(jì); 風(fēng)速反演; 校準(zhǔn)

地球上70%以上的面積由海洋覆蓋，擁有豐富的資源，開發(fā)和利用海洋對未來人類可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。海面風(fēng)場作為海洋探測領(lǐng)域的一個(gè)重要參數(shù)，對氣象及海洋預(yù)報(bào)起著重要作用。傳統(tǒng)的探測設(shè)備，如浮標(biāo)、測量船、驗(yàn)潮站等的測量存在數(shù)據(jù)稀疏、重復(fù)周期較長、費(fèi)用高等缺陷，限制了針對海面風(fēng)場的深入研究[1]。衛(wèi)星高度計(jì)作為一種主動(dòng)式微波探測器，具有獨(dú)特的全天候、長時(shí)間歷程、觀測面積大、觀測精度高、時(shí)間準(zhǔn)同步、信息量大等特點(diǎn)。衛(wèi)星高度計(jì)以海面作為遙測靶，從其回波中可得到后向散射截面、有效波高等信息，從而可以反演海面風(fēng)速[2,3]。

從20世紀(jì)70年代至今，已經(jīng)發(fā)展了眾多雷達(dá)高度計(jì)反演海面風(fēng)速的算法，其反演精度不斷提高。由于現(xiàn)場觀測資料的空間分辨率低，且20 m/s以上的現(xiàn)場觀測資料很難獲得，所以絕大部分高度計(jì)反演風(fēng)速算法的適用范圍為0～20 m/s[4]，而Young[5]通過高度計(jì)資料與模式預(yù)報(bào)的結(jié)果資料進(jìn)行對比分析，得出了20～40 m/s的風(fēng)速反演算法，此后趙棟梁等[6]經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)了Young算法的可靠性。

現(xiàn)今Topex/Poseidon，ERS-1，ERS-2等高度計(jì)的業(yè)務(wù)運(yùn)行算法是MCW算法（Modified Chelton and Wentz Wind Speed Model Function）[7]，而Jason-1等高度計(jì)的業(yè)務(wù)運(yùn)行算法是Gourrion提出的VC算法（Vandemark-Chapron Algorithm）[8]。這兩種算法的適用范圍均是0～20 m/s。用現(xiàn)行的業(yè)務(wù)運(yùn)行算法顯然很難準(zhǔn)確得到臺(tái)風(fēng)等極端惡劣天氣系統(tǒng)中的海面風(fēng)速信息。將現(xiàn)行的業(yè)務(wù)運(yùn)行算法與Young算法相結(jié)合進(jìn)行風(fēng)速反演是一個(gè)很好的途徑。Quilfen[9]、楊樂等[10]在這方面做了初步工作。然而其中依舊存在一些值得深入研究的問題。Young算法針對Geosat雷達(dá)高度計(jì)而建立，簡單的直接聯(lián)合兩種方法反演風(fēng)速必將引入誤差，所以將0～20 m/s的風(fēng)速反演算法與20～40 m/s風(fēng)速反演算法相結(jié)合來反演海面風(fēng)速時(shí)需要進(jìn)行校準(zhǔn)。本文針對該問題，提出了將0～20 m/s的風(fēng)速反演算法與20～40 m/s風(fēng)速反演算法相結(jié)合來反演Jason-1雷達(dá)高度計(jì)海面風(fēng)速的方法，詳細(xì)論述了對Young算法的校準(zhǔn)方法。通過對Jason-1資料的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，確定了后向散射截面臨界點(diǎn)，當(dāng)高度計(jì)后向散射截面大于等于該臨界點(diǎn)時(shí)采用VC算法反演風(fēng)速，反之采用Young算法反演風(fēng)速，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)亦校準(zhǔn)了Young算法因儀器參數(shù)不同而引起的觀測偏差。最后通過Jason-1高度計(jì)經(jīng)過珊珊臺(tái)風(fēng)中心的一個(gè)個(gè)例試驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法的有效性。

1 反演算法

因方法和數(shù)據(jù)量的不同，從1981年至今已發(fā)展了很多雷達(dá)高度計(jì)的風(fēng)速反演算法。相比之下計(jì)算穩(wěn)定、精度較高且應(yīng)用廣泛的反演算法有MCW算法和VC算法[11]。由于MCW算法僅是建立后向散射截面與風(fēng)速的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型來反演海面風(fēng)速，VC算法考慮了波浪狀態(tài)對風(fēng)速反演的影響，其均方根誤差比MCW算法降低了10%～15%，所以本文僅以VC算法為例展開分析試驗(yàn)。本文高度計(jì)資料以Jason-1資料為例。

Gourrion[8]等對全球的高度計(jì)和散射計(jì)在軌道交叉點(diǎn)測量的風(fēng)速研究發(fā)現(xiàn)：以前廣泛認(rèn)同的海面風(fēng)場對大尺度的重力波沒有影響的結(jié)論值得商榷，也就是說海面風(fēng)場對大尺度重力波存在影響。該影響雖然比對小的毛細(xì)重力波的影響要小些，但依舊需要將其考慮到高度計(jì)風(fēng)速反演算法中去。通過進(jìn)一步試驗(yàn)證明高度計(jì)測風(fēng)的誤差和測得的有效波高之間存在相關(guān)關(guān)系。Gourrion通過比較1996年和1997年的Topex/Poseidon和Nscat（散射計(jì)）的大量同步測量數(shù)據(jù)（96 436個(gè)）通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法得到VC算法。該算法的具體表達(dá)形式為

其中輸入?yún)?shù)為后向散射截面σKou(dB)和有效波高Hs(m)，輸出雷達(dá)高度計(jì)海面10 m風(fēng)速V（m/s），其他參數(shù)均為常數(shù)，詳見文獻(xiàn)[8]。

VC算法的適用范圍為0～20 m/s，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，臺(tái)風(fēng)等極端惡劣天氣條件下的風(fēng)速常常會(huì)高于20 m/s，針對這種情況Young[5]于1993年對比模式輸出的結(jié)果與高度計(jì)后向散射截面之間的關(guān)系得出了針對Geosat雷達(dá)高度計(jì)，適用于20～40 m/s的Young風(fēng)速反演算法

2 校準(zhǔn)方法

考慮到VC算法在模式建立階段已經(jīng)將浮標(biāo)數(shù)據(jù)與后向散射截面在0～20 m/s的風(fēng)速區(qū)間內(nèi)建立起誤差小于2 m/s的映射關(guān)系，可假定VC算法在20 m/s附近反演精度可信。本文統(tǒng)計(jì)了Jason-1的Cycle172（2006年9月6日18時(shí)59分到2006年9月16日16時(shí)57分）中利用VC算法得出的所有在19.5～20.5 m/s的風(fēng)速及其相應(yīng)的有效波高及后向散射截面如圖1所示。從圖中可見，當(dāng)風(fēng)速在20 m/s附近時(shí)，后向散射截面絕大部分在10～10.5 dB之間，而有效波高則在5～10 m之間。其中后向散射截面很多低于10 dB，相應(yīng)的有效波高高于10 m/s，這是由考慮到VC算法在模式建立階段已經(jīng)將浮標(biāo)數(shù)據(jù)與后向散射截面在0～20 m/s的風(fēng)速區(qū)間內(nèi)建立起誤差考慮到Y(jié)oung算法只是后向散射截面的線性函數(shù)，本文在20 m/s時(shí)僅考慮后向散射截面的值。對圖1中后向散射截面做算術(shù)平均得出20 m/s對應(yīng)的后向散射截面值為σc=10.231 3 dB。結(jié)合2種算法適用范圍可以取σc為后向散射截面分界值，當(dāng)時(shí)，利用VC算法反演風(fēng)速，當(dāng)時(shí)，利用Young算法反演風(fēng)速。

圖 1 Jason-1風(fēng)速在19.5-20.5 m/s的風(fēng)速、后向散射截面與有效波高統(tǒng)計(jì)分布Fig.1 Distribution of wind speed, backscatter cross section and significant wave height when the Jason-1 wind speed is between 19.5-20.5 m/s

Topex/Poseidon與Jason-1這2種高度計(jì)飛行高度及工作頻率都相同，存在2.26 dB的系統(tǒng)偏移，Young算法是針對Geosat雷達(dá)高度計(jì)建立風(fēng)速反演算法，而Geosat雷達(dá)高度計(jì)與Jason-1工作頻率稍有偏移（Geosat為13.5 GHz，Jason-1為13.6 GHz），飛行高度差別很大（Geosat為800 km，Jason-1為1 300 km），所以有必要對Young算法在Jason-1上應(yīng)用進(jìn)行修正。根據(jù)Young算法可以得出20 m/s相應(yīng)的后向散射截面值為8.125 dB，而VC算法在風(fēng)速20 m/s時(shí)，后向散射截面的統(tǒng)計(jì)值經(jīng)上面的討論為10.231 3 dB，兩者進(jìn)行比較，得出偏移量2.108 dB。這樣，Young算法應(yīng)用到Jason-1的風(fēng)速反演需訂正為

圖 2 經(jīng)校準(zhǔn)的VC算法曲線與Young算法曲線Fig.2 Graph of calibrated VC algorithm and Young algorithm

3 個(gè)例試驗(yàn)

本文選取高度計(jì) Jason-1的Cycle172 Pass203（2006年9月16日3時(shí)14分UTC）資料，當(dāng)Jason-1經(jīng)過珊珊臺(tái)風(fēng)時(shí)，珊珊臺(tái)風(fēng)的基本數(shù)據(jù)如表1所列。臺(tái)風(fēng)中心緯度為20.6°N ，經(jīng)度為124.7°E，最大風(fēng)速為45 m/s。Jason-1高度計(jì)的軌跡如圖3所示，該高度計(jì)剛好通過珊珊臺(tái)風(fēng)。其中實(shí)線圓圈為10級(jí)風(fēng)圈，虛線圓圈為7級(jí)風(fēng)圈。

表 1 珊珊臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)Tab.1 Typhoon Shanshan information

高度計(jì)軌跡上風(fēng)速、有效波高及后向散射截面如圖4所示。橫坐標(biāo)為選取的高度計(jì)軌跡所經(jīng)過的緯度范圍16-25°N。圖4a中實(shí)線為利用VC算法得出的高度計(jì)反演風(fēng)速曲線，虛線為當(dāng)時(shí)，通過Young算法反演得到的20 m/s以上的風(fēng)速曲線?？梢钥闯鐾ㄟ^VC算法反演20 m/s以上的風(fēng)速時(shí)，其反演值比Young算法反演值低，而Young算法反演風(fēng)速的最大值為46.5 m/s，與中國臺(tái)風(fēng)網(wǎng)提供的最大值45 m/s（如表1所列）僅存在1.5 m/s的誤差。圖4b為Ku波段有效波高，圖4c為Ku波段后向散射截面。從圖中可以看出，圖4a中風(fēng)速在16°N到17.6°N附近僅為8 m/s，隨后震蕩上升，直至20.2°N附近達(dá)到風(fēng)速最大值46.5 m/s，隨后風(fēng)速急劇下降，到20.6°N為一風(fēng)速極小值，大約10 m/s，之后風(fēng)速攀升至28 m/s，再緩慢下降到7 m/s，這是一個(gè)很明顯的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場剖面圖，在20.6°N為一風(fēng)速達(dá)到極小值，相應(yīng)的有效波高亦為極小，而后向散射系數(shù)為一極大值，此處就是高度計(jì)所經(jīng)過的姍姍臺(tái)風(fēng)中心位置。由于高度計(jì)資料與實(shí)測資料在高風(fēng)速區(qū)匹配較少，致使算法在高風(fēng)速區(qū)的不穩(wěn)定，陳戈等[4]指出風(fēng)速的均方根誤差隨著風(fēng)速增大而急劇增大，風(fēng)速在25 m/s左右時(shí)，均方根誤差在2.5 m/s左右，這可能是風(fēng)速、有效波高和后向散射系數(shù)在臺(tái)風(fēng)區(qū)震蕩劇烈的原因。

圖 3 高度計(jì)軌跡及珊珊臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈示意[10]Fig.3 Altimeter track and Typhoon Shanshan wind circle

圖 4 高度計(jì)軌跡上風(fēng)速、有效波高及后向散射截面Fig.4 Wind speed, backscatter cross section and significant wave height along altimeter track

4 結(jié) 論

現(xiàn)行業(yè)務(wù)運(yùn)行的算法只考慮0～20 m/s的風(fēng)速情況，難以準(zhǔn)確獲取極端惡劣天氣如臺(tái)風(fēng)等情況下的風(fēng)速，本文提出了VC算法與Young算法相結(jié)合反演高度計(jì)海面風(fēng)速的方法。通過對Jason-1資料的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，確定了后向散射截面臨界點(diǎn)，當(dāng)高度計(jì)后向散射截面大于等于該臨界點(diǎn)時(shí)采用VC算法反演風(fēng)速，反之采用Young算法反演風(fēng)速，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)亦校準(zhǔn)了Young算法因儀器參數(shù)不同而引起的觀測偏差。選取了Jason-1高度計(jì)經(jīng)過珊珊臺(tái)風(fēng)中心的一個(gè)個(gè)例進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，對于Jason-1雷達(dá)高度計(jì)單純使用VC算法會(huì)使得反演結(jié)果嚴(yán)重偏低，利用校準(zhǔn)后的Young算法進(jìn)行20～40 m/s的風(fēng)速反演能夠有效的提高反演精度。分析過程中進(jìn)一步證實(shí)了利用Young算法反演20～40 m/s的風(fēng)速的有效性。本文方法可應(yīng)用到我國即將發(fā)射的海洋二號(hào)衛(wèi)星的高度計(jì)風(fēng)速反演業(yè)務(wù)應(yīng)用算法中。

致謝：本文研究過程中得到南京理工大學(xué)楊樂博士的大力幫助，在此表示誠摯的謝意。

[1]Carrere L, Mertz F, Dorandeu J, et al.Observing and Studying Extreme Low Pressure Events with Altimetry [J].Sensors, 2009, 9: 1306-1329, doi:10.3390/s90301306.

[2]Zieger S, Vinoth J, Young I R.Joint Calibration of Multi- Platform Altimeter Measurements of Wind Speed and Wave Height over the Past 20 Years [J].J Atmos Oceanic Tech, 2009, 26, Doi 10.1175/ 2009JTCHA1303.1.

[3]Tran N, Vandemark D, Lbroue S, et al.Sea state bias in altimeter sea level estimates determined by combining wave model and satellite data [J].J Geophys Res, 2010, 115, C03020, doi:2009JC005534.

[4]Chen G, Chapron B, Ezraty R, et al.A dual-frequency approach for retrieving sea surface wind speed from TOPEX altimetry [J].J Geophys Res, 2002, 107(C12): 3226-3235.

[5]Young I R.An estimate of the Geosat altimeter wind speed algorithm at high wind speeds [J].J Geophys Res, 1993, 98(C11): 20275-20285.

[6]Zhao D, Toba Y.A spectral approach for determining altimeter wind speed model functions.Journal of Oceanography [J].2003, 59: 235-244.

[7]Witter D L, Chelton D B.A Geosat altimeter wind speed algorithm and a method for altimeter wind speed algorithm development [J].J Geophys Res, 1991, 96: 8853-8860.

[8]Gourrion J, Vandemark D, Bailey S, et al.Satellite altimeter models for surface wind speed developed using ocean satellite crossovers [J].Technical report, 2000,Report No: IFREMER-DROOS-2000-02.

[9]Quilfen Y, Tournadre J, Chapron B.Altimeter dual-frequency observations of surface winds, waves, and rain rate in tropical cyclone Isabel [J].J Geophys Res, 2006, 111: C01004.

[10]Yang L, Lin M, Zou J, et al.Improving the wind and wave estimation of dual-frequency altimeter JASON1 in Typhoon Shanshan and considering the rain effects [J].Acta Oceanologica Sinica, 2008, 27(5): 49-62.

[11]姜祝輝, 黃思訓(xùn), 杜華棟, 等.利用變分結(jié)合正則化方法對高度計(jì)風(fēng)速資料調(diào)整海面風(fēng)場的研究 [J].物理學(xué)報(bào), 2010, 59(12): 8968-8977.

Research on the combination of Vandemark-Chapron algorithm and Young algorithm to retrieve the altimeter sea surface wind speed

JIANG Zhu-hui1, HUANG Si-xun1, GUO Hong-tao1, HE Ying-ming1, YIN Zhi-quan2

(1.Institute of Meteorology, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China; 2.Physics Team, Yuquan Second Middle School, Haerbin 150322, China)

Considering the deficiency of the current radar altimeter wind speed retrieval algorithm, VC algorithm (Vandemark-Chapron Algorithm) combined with Young algorithm is proposed to retrieve the altimeter sea surface wind speed.A critical point of the backscattering cross section is proposed through statistical experiment, if the altimeter backscattering cross section is greater or equal to the critical point then use the VC algorithm to retrieve the sea surface wind speed, otherwise use the Young algorithm.The statistical experiment also calibrates the observation bias.A case when Jason-1 altimeter is crossing the typhoon Shanshan shows that it appears a serious low wind speed bias when using the Young algorithm without calibration, and the retrieval accuracy is improved when using the calibrated Young algorithm.Analyses also prove that the Young algorithm is efficient when the wind speed is between 20 and 40m/s.

altimeter; wind speed retrieval; calibration

P732.6; P425

A

1001-6932(2011)06-0679-04

2010-10-06；

2011-03-17

國家自然科學(xué)基金（40775023）。

姜祝輝（1982－），男，博士生，主要從事海洋遙感研究。電子郵箱：jiangzhuhui@126.com。

黃思訓(xùn)（1946－），男，教授，博士生導(dǎo)師。電子郵箱：huangsxp@yahoo.com.cn。