海洋二號衛(wèi)星3個主要載荷風速測量比較

賈永君，劉建強，林明森，張有廣

（國家衛(wèi)星海洋應用中心，100081北京）

海洋二號衛(wèi)星3個主要載荷風速測量比較

賈永君，劉建強，林明森，張有廣

（國家衛(wèi)星海洋應用中心，100081北京）

海面風速對海洋中動能的轉移、海氣間物質和能量的交換具有非常重要的作用。海洋二號(HY-2)衛(wèi)星搭載的雷達高度計、微波散射計和掃描微波輻射計均可以用來探測海面風速。區(qū)別是雷達高度計只能測量星下點風速，微波散射計可以得到寬刈幅的風場（包括風向和風速），掃描微波輻射計可獲得寬刈幅的風速。為了更好地分析3個載荷風速測量能力，針對2013年9月19日“天兔”臺風影響海域范圍內的海面風速，比較了3種載荷的探測結果。結果表明，在小于20 m/s風速范圍內，雷達高度計和微波散射計探測到的風速非常接近，標準偏差小于2m/s，而掃描微波輻射計測量的風速比另外兩個載荷測量的風速大；在20～35m/s風速范圍內，雷達高度計和掃描微波輻射計風速較為接近；在大于35 m/s的高風速區(qū)，只有掃描微波輻射計可以探測出風速，但其測量精度還需要進一步驗證。

風速；雷達高度計；海洋二號

1　前言

我國自行研制的海洋二號（HY-2）海洋動力環(huán)境衛(wèi)星已于2011年8月發(fā)射成功，目前在軌運行良好。HY-2衛(wèi)星搭載的主要微波遙感器包括雷達高度計、微波散射計、掃描微波輻射計和校正微波輻射計。這顆衛(wèi)星的4個主載荷均可以獲得海面風速。雷達高度計和校正微波輻射計可獲得星下點風速，微波散射計和掃描微波輻射計可獲得寬刈幅海面風速。由于校正微波輻射計只提供風速的大致趨勢，達不到應用的需要，所以本文不做討論。

從探測原理上比較，雷達高度計和微波散射計較為接近，都是通過后向散射系數計算得到風速；掃描微波輻射計和校正微波輻射計都是通過亮溫反演得到海面風速。

從探測范圍比較，雷達高度計和微波散射計適合探測中等風速（2～24 m/s），掃描微波輻射計和校正微波輻射計可探測的風速范圍沒有嚴格限制。微波散射計和掃描微波輻射計的刈幅寬度較大，雷達高度計和校正微波輻射計只能探測星下點的風速。

2　方法

2.1雷達高度計風速反演算法

Brown等[1]對1975—1978年的Geos-3及美國國家海洋大氣局（NOAA）浮標數據進行編輯、篩選，找出時間間隔在1.5 h之內、空間距離相差150 km的共184對數據。利用這些數據進行建模分析。Brown風速算法分兩步，第一步由式（1）給出

式（1）中，σ0為后向散射系數，A、B為系數。當σ0＜10.12 dB時，A=0.080 074，B=-0.124 651；當10.12 dB≤σ0＜10.9 dB時，A=0.039893，B=-0.031996；當σ0≥10.9 dB時，A=0.015 95，B=0.017 215。W1表示風速的第一次估計值，通過與浮標風速的比較，Brown發(fā)現(xiàn)浮標值與W1有一系統(tǒng)偏差，為了校正這一系統(tǒng)偏差，推導出風速的二次估計值W2

式(2)中，a1=2.087799，a2=-0.3649928，a3=0.04062421，a4=-0.001 904 952，a5=0.000 032 881 89。上述即為高度計風速反演的Brown模式函數，反演出的風速為海面10 m高處風速值。

為了消除Brown風速算法對σ0的不連續(xù)性，Goldhirsh等[2]用一個五次多項式擬合Brown的原始σ0和浮標風速數據(共184個點)。這種風速反演函數幾乎與Brown算法一致，但沒有Brown模型的風速多模態(tài)特征。因此該模型也稱平滑的Brown算法，由式（4）給出

式（4）中，a0=-15.383，a1=16.077，a2=-2.305，a3= 0.098 96，a4=0.000 18，a5=-0.000 064 14。其中，條件σ0＜15 dB表明該算法適用于2 m/s以上的風速計算。

Chelton和Wentz針對Seasat高度計開發(fā)了適用的風速反演算法[3]。對Geosat高度計，Witter和Chelton發(fā)現(xiàn)其σ0與Seasat高度計所觀測的σ0有一系統(tǒng)偏差。他們比較了Seasat高度計與Geosat高度計的σ0分布直方圖，這兩者的偏差確實存在，但不是年季及季節(jié)變化所造成的。為適用于Geosat高度計的應用，Witter和Chelton針對Geosat衛(wèi)星的情況，對Chelton和Wentz針對Seasat衛(wèi)星開發(fā)的風速反演算法做了修正，以消除Seasat高度計和Geosat高度計σ0測量的系統(tǒng)偏差，建立的新算法即為改進的Chelton和Wentz算法（MCW）[4]。

隨著高度計風速反演算法研究的進一步發(fā)展，人們普遍認為在發(fā)展風速反演函數時應該引入海洋中波浪的成長狀態(tài)，方法是在風速反演函數中引入有效波高。Gourrion等在Brown和MCW模型的基礎上，發(fā)展了雙參數模型。HY-2衛(wèi)星雷達高度計風速反演算法利用了Gourrion等提出的雙參數模型[5]，即

式(5)中，

式(6)中，

式(5)～式(7)中，U10為距離海面10 m處的風速；P為有效波高（SWH）與σ0歸一化后的矩陣，維度為1×2；aU10、bU10

為風速系數；Wx、Wy、Bx、By為待定的模型參數矩陣，維度分別為2×2、2×1、1×2、1×1。該算法既考慮了海面風速同后向散射截面之間的近似反比關系，同時引入了有效波高對風速的影響。利用神經網絡模型確定的上述模型中的待定參數如表1和表2所示。

表1　Gourrion模型參數ⅠTable 1　Gourrion model parametersⅠ

表2　Gourrion模型參數ⅡTable 2　Gourrion model parametersⅡ

根據HY-2衛(wèi)星雷達高度計自動增益控制(AGC)和其 σ0得到 Ku波段線性關系為σ0=(AGC-28.15)。

2.2微波輻射計海面風速反演算法

多元統(tǒng)計回歸方法是目前星載微波輻射計海洋地球物理參數常用的業(yè)務化反演算法，其利用星載微波輻射計多個通道觀測亮溫的線性組合或變相的線性組合反演海氣參量。這種方法假定海面溫度、風速等海洋參數與輻射計各個通道觀測的亮溫之間存在一定的線性關系，通過將時空匹配的星載輻射計測量與浮標數據、再分析數據等統(tǒng)計回歸，得到一組或數組系數，從而進行海洋參數的反演。

HY-2衛(wèi)星微波輻射計海面風速反演算法形式與Goodberlet等[6]給出的多通道亮溫線性組合形式相同

式（8）中，WS表示風速；ci是系數；Fi（i＝1，2，3，...，9）分別對應于6.6V、6.6H、10.7V、10.7H、18.7V、18.7H、23.8V、37V、37H（V和H分別表示垂直極化和水平極化）9個通道的亮溫數據。對于23.8V（i＝7）以外的通道，F(xiàn)i=TBch_i-150；對于23.8V（i＝7）通道，F(xiàn)7=-ln(290-TBch_7)。無雨情況下，式（8）的系數見表3。有雨情況下，式（8）的系數見表4。

表3　海面風速反演算法系數（無雨）Table 3　Parameters of wind speed algorithm（without rain）

表4　海面風速反演算法系數(有雨)Table 4　Parameters of wind speed retrival algorithm（with rain）

2.3微波散射計海面風場反演算法

微波散射計風矢量反演算法主要是通過地球物理模型函數以及海面風矢量單元不同方位角的觀測獲得海面的風矢量解。地球物理模型函數的一般形式為

式（9）中，σ0代表散射計測量的后向散射系數；ω為風速；χ為風向的相對方位角；f為散射計的工作頻率；p為極化方式；θ為天線的入射角。

自1978年美國Seasat衛(wèi)星裝載的微波散射計（SASS）成功運作以來，經過20多年的研究，雷達后向散射截面σ0與風矢量關系的地球物理模型己逐漸完善，已建立許多地球物理模型，包括SASS-1、SASS-2以及ERS-1的CMOD系列模型。由于測量中各種噪聲的存在，所以不能通過從地球物理模型中直接求逆來反演風矢量。通常利用加權最小二乘法（SOS）、最大似然法（ML）、最小二乘法（LS）、加權最小二乘法（WLS）、自適應最小二乘法（AWLS）、Ll模算法（Ll）和最小風速平方和法（LWSS）來進行反演運算。這些方法中，最大似然估計法（MLE）是海面風矢量反演的最佳算法，其已經應用于ERS/SCAT和NSCAT散射計的海面風矢量反演。本文也將采用該法來反演風矢量。

根據散射計的幾何觀測特征，利用模擬的后向散射系數及其觀測參數，分析MLE目標函數的一般分布特征，并考察分布特征隨幾何觀測參數和橫向地面軌道位置變化的規(guī)律。MLE目標函數表達式為式（10）中，σ0i為衛(wèi)星觀測后向散射系數測量值；σm(w，φ)為后向散射系數模型計算出來的后向散射系數結果；N表示后向散射系數的獨立測量次數；Var(σm)i=ασ+βσm+γ=(K)i為測量偏差，系數α、β和γ與天線和風矢量單元的位置有關。

利用MLE求極值的方法可以得到多個海面風矢量解，其風速基本一致，相差較小，但是風向卻存在模糊性。為了獲取唯一的風矢量解，需要采用風向多解消除算法。

確定要排除的風向模糊點，并選擇N×N點陣的單元作為濾波窗口，保證要排除的風向模糊點位于這個點陣的中心位置。利用周圍點及要排除的風向模糊點上的第一風場解的值，作出圓直方圖。

根據圓直方圖中每個值所對應的圓分布函數的離散值 fK，利用式（11）求出中數角（有多個）。

式(12)中，Xi為中數角。利用式（13）求出圓平均角

式（13）中，Δ=(2·π)/L是圓直方圖離散步長。

比較中數角與圓平均角，選取與圓平均角最接近的中數角作為圓中數角。用圓中數角作為該點的參考風向值，并選取與之最接近的模糊風向作為風向真值，這樣逐點求解，一直處理下去，全場排除完畢進行新一層的迭代求解，直到迭代的全場風向不發(fā)生變化，即求出了全場的風向真解。

經過風向模糊排除處理，得到了每個測量點上具有唯一大小和方向的風矢量場，進一步處理這樣的風矢量場，就可以得到能直接用于氣象和海洋模型研究及海面風場信息分析的風場。

3　結果

為比較不同載荷探測不同風速的能力，本文選取2013年第19號臺風“天兔（Usagi）”風場作為研究對象。選擇“天兔”風場作為研究對象的原因是它的風速范圍比較大，既有小風速也有超過25m/s的大風速。

圖1～圖3分別給出了3個不同載荷2013年9月19日在西北太平洋海域的風速探測情況。從圖中可以看到，3個載荷均有探測風速的能力，并且在臺風中心也表現(xiàn)出比不受臺風影響海域風速大的特點，符合實際；但3個載荷探測到的臺風中心最大風速有所差別。總體而言，雷達高度計和微波散射計探測到的中低風速相差較小；微波輻射計探測到的風速不管是大風速還是中低風速與另外兩個載荷探測到的風速相比都較大。

圖1　HY-2衛(wèi)星雷達高度計過“天兔”臺風中心海面風速測量結果（2013-09-19）Fig.1　Wind speed of Usagi from HY-2 satellite radar altimeter(2013-09-19)

圖2　HY-2衛(wèi)星掃描微波輻射計過“天兔”臺風中心海面風速測量結果（2013-09-19）Fig.2　Wind speed of Usagi from HY-2 satellite scanning microwave radiometer(2013-09-19)

圖3　HY-2衛(wèi)星微波散射計過“天兔”臺風中心海面風速測量結果（2013-09-19）Fig.3　Wind field of Usagi from HY-2 satellite microwave scatterometer(2013-09-19)

考慮到雷達高度計只能探測星下點海面風速，為更明確地知道3個載荷探測風速的能力，選取過臺風“天兔”中心的一個pass星下點風速作為研究對象（微波散射計和掃描微波輻射計也提取到星下點風速）。圖4給出了3個載荷探測的風速比較。從圖4可以看到，在不超過20 m/s的中低風速下，雷達高度計和微波散射計探測到的結果相差很小，不到2 m/s；掃描微波輻射計探測到的結果較雷達高度計和微波散射計探測到的結果大，平均超過2 m/s，但在低于22 m/s的風速下總體趨勢與雷達高度計和微波散射計保持一致。對于超過20 m/s的大風速，雷達高度計和微波散射計的探測結果略有差別，最大相差近5 m/s，但總體趨勢一致；掃描微波輻射計表現(xiàn)出和雷達高度計探測結果相同的趨勢，但風速明顯大于雷達高度計探測的風速。

圖4　HY-2衛(wèi)星3個主要載荷過臺風“天兔”中心海面風速測量結果比較（2013-09-19）Fig.4　Comparison of wind speed among 3 main payloads of HY-2 when satellite flying above typhoon Usagi(2013-09-19)

圖5是3個載荷在相同星下點探測的風速概率密度分布。從圖5中可以看到，雷達高度計和微波散射計探測到的風速概率密度非常接近，最大概率密度對應的風速約為8m/s；不同的是當風速為8m/s時二者的概率密度不同，這可能和二者的風速反演算法模型有關，有待進一步研究。掃描微波輻射計海面風速概率密度對應的風速同雷達高度計和微波散射計相比，有一個約為2 m/s的偏差，而且是偏大的。

圖5　HY-2衛(wèi)星3個主要載荷過臺風“天兔”中心海面風速測量結果概率密度比較（2013-09-19）Fig.5　Comparison of wind speed probability density function among HY-2 satellite 3 main payloads when satellite flying above typhoon Usagi(2013-09-19)

模式預報和其他方式得到的海面風速均表明臺風“天兔”有大于40 m/s的大風速出現(xiàn)，但3個載荷中只有掃描微波輻射計探測到了超過35 m/s的風速，另外兩個載荷測量的最大風速均不超過35 m/s。

當風速小于20 m/s時，雷達高度計和微波散射計星下點風速測量值相差很小，圖6和圖7都表明二者的差小于2 m/s；在20～35 m/s的風速范圍內，二者的風速測量偏差較大，標準差最大可達7.3 m/s。

圖6　HY-2衛(wèi)星雷達高度計和微波散射計過臺風“天兔”中心海面風速測量結果比較（2013-09-19）Fig.6　Comparison of wind speed between HY-2 satellite radar altimeter and scatterometer when satellite flying above typhoon Usagi(2013-09-19)

圖7　HY-2衛(wèi)星雷達高度計和微波散射計過臺風“天兔”中心海面風速測量標準偏差隨散射計風速測量結果分布（2013-09-19）Fig.7　Comparison of wind speed standard deviation between HY-2 satellite radar altimeter and scatterometer when satellite flying above typhoon Usagi(2013-09-19)

4　結語

已經利用美國國家數據浮標中心（NDBC）浮標數據驗證，在小于20 m/s的風速范圍內，微波散射計和雷達高度計的風速測量精度均優(yōu)于2 m/s。但是微波散射計的刈幅寬度可以達到1 800 km，而雷達高度計只能做到星下點觀測。雖然二者的測量精度在小于20 m/s的風速范圍內幾乎是相同的，但實用性有很大差別。掃描微波輻射計在小風速范圍內與雷達高度計和微波散射計風場測量值有明顯的約為2 m/s的固定偏差。因此，在小于20 m/s的風速范圍，3個載荷都可以用來測量風速，并且微波散射計和掃描微波輻射計具有寬刈幅的優(yōu)點。在20～35m/s的風速范圍內，由于微波散射計風速測量范圍的限制，雷達高度計和掃描微波輻射計測得的風速較為接近，可以應用在相關的監(jiān)測中。在大于35 m/s的高風速區(qū)，只有掃描微波輻射計可以探測，但其測量精度還需要驗證。

[1]Brown G S，Stanley H R，Roy N A.The wind speed measurement capacity of space borne radar altimeter[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，1981，6(2)：59-63.

[2]Goldhirsh R E，Dobson E B.A recommended algorithm for the determination of ocean surface wind speed using a satellite borne radar altimeter[R].Report JHU/APLS1R85U-005，Laurel，MD：Applied Physics Laboratory，Johns Hopkins University，1985.

[3]Chelton Dudley B，Wentz Frank J.Further development of an improved altimeter wind speed algorithm[J].Journal of Geophysical Research，1986，91(C12)：14250-14260.

[4]Witter Donna L，Chelton Dudley B.A Geosat altimeter wind speed algorithm and a method for altimeter wind speed algorithm development[J].Journal of Geophysical Research，1991，96 (C5)：8853-8860.

[5]Gourrion J，Vandemark D，Bailey S，et al.A two-parameter wind speed algorithm for Ku-band altimeters[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2002，19(12)：2030-2048. [6]Goodberlet Mark A，Swift C F，Wilkerson J C.Ocean surface wind speed measurements of the Special Sensor Microwave/Imager(SSM/I)[J].Geoscience and Remote Sensing，IEEE Transactions on，1990，28(5)：823-828.

Comparison of wind speed from 3 main payloads of HY-2 satellite

Jia Yongjun，Liu Jianqiang，Lin Mingsen，Zhang Youguang
(National Satellite Ocean Application Service，100081 Beijing，China)

Sea surface wind speed plays a very important role in the transfer of kinetic energy in the ocean and the exchange of the matter and energy in the air-sea surface.There are three payloads on HY-2 satellite which can be used to detect the sea surface wind speed.The payloads are radar altimeter，microwave scatterometer and scanning microwave radiometer.The difference is that the radar altimeter can measure the wind speed at the nadir point of the HY-2 satellite，the microwave scatterometer can detect the wide swath wind field，and the scanning microwave radiometer can measure the wide swath wind speed only.In order to analyze the capacity of the three payloads，in this study，the Typhoon Usagi was selected for comparing the ability of the three payloads to measure the wind speed.It turned out that when the wind speed is lower than 20 m/s，the wind speed from radar altimeter is much the same as that from microwave scatterometer.The standard deviation is less than 2 m/s.But when wind speed is between 20 m/s and 35 m/s，the wind speed of radar altimeter is close to the scanning microwave radiometer. Only the scanning microwave radiometer is able to detect the wind speed higher than 35 m/s. Before using it to measure the wind speed higher than 35 m/s，we have to assess the accuracy of measurement.

wind speed；radar altimeter；HY-2

P715.6

A

1009-1742(2014)06-0027-06

2014-04-10

海洋公益性行業(yè)科研專項經費項目（201105032）；國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）“海洋動力環(huán)境微波遙感信息提取技術與應用”（2013AA09A505）

賈永君，1980年出生，男，內蒙古清水河縣人，博士，副研究員，主要研究方向為衛(wèi)星雷達高度計數據處理算法及高度計數據應用；E-mail：jiayongjun2008@gmail.com