HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)風(fēng)速反演驗(yàn)證

賈永君，張有廣，林明森

（國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081）

HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)風(fēng)速反演驗(yàn)證

賈永君，張有廣，林明森

（國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081）

本文給出了海洋二號（HY-2）衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)風(fēng)速反演的雙參數(shù)算法模型，并利用Jason-1產(chǎn)品和HY-2衛(wèi)星微波散射計(jì)產(chǎn)品定性驗(yàn)證了雙參數(shù)算法模型的正確性，同時利用星星交叉比對方法、美國國家浮標(biāo)數(shù)據(jù)中心(National Data Buoy Center，NDBC)浮標(biāo)數(shù)據(jù)驗(yàn)證方法、美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）再分析數(shù)據(jù)驗(yàn)證方法三種不同方法對該模型進(jìn)行定量化驗(yàn)證，結(jié)果表明HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)風(fēng)速反演的雙參數(shù)算法模型的反演精度達(dá)到2.0 m/s的精度，滿足海洋業(yè)務(wù)應(yīng)用和科學(xué)研究的精度要求，可為用戶提供滿足觀測要求的海面風(fēng)產(chǎn)品。

風(fēng)速反演；雙參數(shù)模型；雷達(dá)高度計(jì)；HY-2

1 前言

作為海洋表面最大的一種動量來源，風(fēng)對于海洋中從波動到流動的各種運(yùn)動過程都有直接或間接的影響。風(fēng)對于海氣間的熱量、物質(zhì)和水汽交換具有重要的調(diào)節(jié)作用。這種調(diào)節(jié)過程能夠平衡大氣和海洋之間的相互作用，從而建立并維持全球和區(qū)域天氣系統(tǒng)。全球風(fēng)場資料在海洋學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用(如漁業(yè)捕撈、航海運(yùn)輸和海洋工程)方面都具有重要應(yīng)用價值。

傳統(tǒng)上，風(fēng)場資料是根據(jù)浮標(biāo)和船只測量獲取。利用這種方法獲得的資料，只能反映局地的風(fēng)場特征。隨著科技的不斷進(jìn)步，衛(wèi)星可以提供各種天氣條件下，全球范圍內(nèi)高分辨率的風(fēng)速資料。衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)是一種星下指向的主動式雷達(dá)，垂直向下發(fā)射脈沖信號，經(jīng)地球表面(海、陸、冰等)反射后回到接收天線。通過分析返回脈沖的波形和強(qiáng)度，可以獲取海面風(fēng)速的信息。如何能根據(jù)衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)測得的波形數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確地反演海面風(fēng)速成為一個重要的研究課題。

衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)是一種星下指向的主動式雷達(dá)，雖然僅給海面風(fēng)速標(biāo)量，但在實(shí)際應(yīng)用中具有特殊意義。因?yàn)楦叨扔?jì)可提供同步的風(fēng)浪數(shù)據(jù)，為風(fēng)浪研究和監(jiān)測提供準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。另外，高度計(jì)星下點(diǎn)測量風(fēng)速的空間分辨率高于散射計(jì)，利用高度計(jì)數(shù)據(jù)對風(fēng)速的估計(jì)，在風(fēng)速為0～10 m/s時，誤差低于1 m/s。

2 海洋二號（HY-2）衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)風(fēng)速反演算法

海面在風(fēng)的作用下能夠產(chǎn)生厘米尺度的波浪，從而引起海面粗糙度的變化。HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)對于大于或等于其工作波長(一般為2 cm左右)的海面粗糙度變化有敏感的響應(yīng)。

雷達(dá)信號散射理論表明，雷達(dá)后向散射截面σ0與表征海面粗糙度的海面均方斜率之間存在下列關(guān)系：

式(1)中，|R(0)|2為Fresnel反射系數(shù)；θ為入射角；α為比例系數(shù)；s2為均方斜率。而另一方面海面風(fēng)速與海面粗糙度密切相關(guān)，20世紀(jì)50年代，Cox和Munk[8]將機(jī)載照相機(jī)拍到的海表面粗糙度和地面風(fēng)速建立關(guān)系，得出了海面均方斜率與海上風(fēng)速之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系

式（2）中，U12.5代表12.5 m高風(fēng)速。

HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)雷達(dá)入射角為0，這種情況下合并式（1）和式（2），得

衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)測量的標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)后向散射截面和海表面風(fēng)速之間存在著一種近似非線性反比關(guān)系。風(fēng)速增加，海面粗糙度隨之增加，使得雷達(dá)脈沖向其他方向散射的能量增加，從而導(dǎo)致高度計(jì)接收到的后向散射截面σ0下降。后向散射截面σ0與海表面風(fēng)速之間的數(shù)學(xué)關(guān)系稱為“反演算法”。高度計(jì)測量的數(shù)據(jù)必須通過反演算法才能轉(zhuǎn)換成海表面風(fēng)速。

隨著高度計(jì)風(fēng)速反演算法研究的進(jìn)一步發(fā)展，人們普遍認(rèn)為在發(fā)展風(fēng)速反演函數(shù)時應(yīng)該引入海洋中波浪的成長狀態(tài)，方法是在風(fēng)速反演函數(shù)中引入有效波高。HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)風(fēng)速反演算法利用Gourrion等提出的雙參數(shù)模型，即

式（4）～式（6）中，U10為距離海面10 m處的風(fēng)速；P為有效波高SWH與σ0歸一化后的 矩陣 ，維度為1×2；為風(fēng)速系數(shù)；為待定的模型參數(shù)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(fēng)速同后向散射截面之間的近似反比關(guān)系，同時引入了有效波高對風(fēng)速的影響。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型確定的上述模型中的待定參數(shù)如表1和表2所示。

表1 Gourrion模型參數(shù)表1Table 1 Gourrion model parameters 1

表2 Gourrion模型參數(shù)表2Table 2 Gourrion model parameters 2

根據(jù)HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)AGC(自動增益控制)和 σ0得到Ku波段線性關(guān)系為：σ0=(AGC-28.15)。

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3 HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)風(fēng)速反演算法驗(yàn)證

3.1 利用Jason-1產(chǎn)品直接驗(yàn)證

Jason系列衛(wèi)星無疑是當(dāng)今世界上測量精度最高的衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)的典范。基于Jason-1衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)2級產(chǎn)品中的σ0和有效波高，利用Gourri-on模型計(jì)算對應(yīng)的風(fēng)速。隨機(jī)選取一軌數(shù)據(jù)進(jìn)行算法驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖1和圖2所示。圖1紅色曲線為利用Gourrion算法模型計(jì)算得到的風(fēng)速，藍(lán)色為Jason-1產(chǎn)品中給出的風(fēng)速，可以看到二者幾乎是相同的。圖2是對應(yīng)的散點(diǎn)圖，圖中藍(lán)色直線為對角線，紅色點(diǎn)為產(chǎn)品結(jié)果與利用Gourrion算法模型計(jì)算結(jié)果對比。從圖2也可以得出二者是一致的。

圖1 風(fēng)速反演效果圖（藍(lán)線為Jason-1自帶產(chǎn)品風(fēng)速，紅線為反演風(fēng)速）Fig.1 Effect figure of windspeed retrieval（the blue line is the wind speed from Jason-1 product and the red one is from retreval）

圖2 風(fēng)速反演結(jié)果比較散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter diagram for the comparation of wind speed retrieval results

3.2 利用HY-2衛(wèi)星散射計(jì)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

HY-2衛(wèi)星搭載有雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)等載荷。從探測原理上比較，雷達(dá)高度計(jì)和微波散射計(jì)較為接近，都是通過后向散射系數(shù)計(jì)算得到的。從探測范圍比較，雷達(dá)高度計(jì)和微波散射計(jì)適合探測中等風(fēng)速（2～24 m/s）。雖然HY-2微波散射計(jì)數(shù)據(jù)尚未經(jīng)過現(xiàn)場標(biāo)定，但其探測精度已經(jīng)被證實(shí)達(dá)到＜2 m/s，所以可以利用HY-2衛(wèi)星微波散射計(jì)星下點(diǎn)風(fēng)速來驗(yàn)證衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)風(fēng)速反演算法模型的正確性。

選取2012年10月4日西北太平洋海域海面風(fēng)場進(jìn)行探測比較。選取該時空范圍作為研究范圍的原因是該時間內(nèi)該海域有臺風(fēng)——馬力斯影響，所以風(fēng)速范圍比較大，圖3給出了馬力斯臺風(fēng)影響下的雷達(dá)高度計(jì)和微波散射計(jì)風(fēng)速反演結(jié)果比較，二者吻合的較好?？上У氖怯捎贖Y-2衛(wèi)星微波散射計(jì)星下點(diǎn)分辨率太粗，二者不能一一對應(yīng)進(jìn)行定量化比較。

圖3 相同時間相同經(jīng)度雷達(dá)高度計(jì)和微波散射計(jì)探測風(fēng)速對比Fig.3 Comparation of the wind speed between altimeter and scattometer at the same time and the same longitude

3.3 星星比對方法驗(yàn)證

驗(yàn)證時使用的HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)，時間范圍為2011年10月20日00：13—2011年11月13日23：58，連續(xù)25天觀測數(shù)據(jù)；使用的Jason-1衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)，Cycle 361 Pass 004-Cycle 363 Pass 136 IGDR數(shù)據(jù)，與HY-2高度計(jì)數(shù)據(jù)時間覆蓋范圍相同；Jason-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)，Cycle 121 Pass 131-Cycle 124 Pass 010 IGDR數(shù)據(jù)，與HY-2高度計(jì)數(shù)據(jù)時間覆蓋范圍相同。取交叉點(diǎn)（見圖4）前后共100 km連續(xù)觀測點(diǎn)的值（交叉點(diǎn)前后各50 km），以該空間范圍內(nèi)沿跡連續(xù)觀測值（1 s觀測值）中有效觀測值的平均值作為交叉對比點(diǎn)的值。

圖5和圖6給出了HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)與Jason-1/2高度計(jì)海面風(fēng)速比較，結(jié)果表明HY-2高度計(jì)海面風(fēng)速與Jason-1和Jason-2星星交叉比較的均方根誤差分別為0.84 m/s和0.78 m/s。

圖4 HY-2衛(wèi)星高度計(jì)與Jason-1/2高度計(jì)地面軌跡交叉對比點(diǎn)分布圖Fig.4 The distribution of crossover points between HY-2 and Jason-1/2 on the ground track

圖5 HY-2與Jason-1雷達(dá)高度計(jì)海面風(fēng)速比較Fig.5 Comparation of wind speed between HY-2 and Jason-1

圖6 HY-2與Jason-2雷達(dá)高度計(jì)海面風(fēng)速比較Fig.6 Comparation of wind speed between HY-2 and Jason-2

3.4 利用NDBC浮標(biāo)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

NDBC測量數(shù)據(jù)的時間范圍與HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)測量數(shù)據(jù)的時間范圍相同。NDBC數(shù)據(jù)包括cwind浮標(biāo)風(fēng)速數(shù)據(jù)和c-man觀測站觀測數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式為每10 min提供一個風(fēng)速數(shù)據(jù)，每個風(fēng)速數(shù)據(jù)為8 min浮標(biāo)觀測的平均值和2 min觀測站觀測值的平均。

搜索高度計(jì)地面軌跡離浮標(biāo)距離最近的點(diǎn)，當(dāng)該最小距離小于50 km時，將該最近點(diǎn)作為高度計(jì)比對點(diǎn)位置；取衛(wèi)星過境比對點(diǎn)的時間前后共1 h內(nèi)海面風(fēng)速作為現(xiàn)場測量值，取衛(wèi)星比對點(diǎn)50 km空間范圍內(nèi)有效觀測值的平均值作為對比點(diǎn)，取到的對比點(diǎn)如圖7所示。

圖7 HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)配對的NDBC浮標(biāo)位置分布Fig.7 Distribution of the NDBC buoys matched to the HY-2 radar altimeter observed

圖8給出了HY-2高度計(jì)海面風(fēng)速大小與NDBC浮標(biāo)現(xiàn)場測量值比較情況，結(jié)果顯示HY-2高度計(jì)海面風(fēng)速大小與NDBC浮標(biāo)現(xiàn)場測量值比較的均方根誤差RMS為1.98 m/s。

圖8 HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)海面風(fēng)速大小與NDBC浮標(biāo)海面風(fēng)速大小比較圖Fig.8 Comparation of wind speed between HY-2 and NDBC bouys

3.5 利用NCEP數(shù)據(jù)驗(yàn)證

選取1°×1°網(wǎng)格的NCEP 10 m高再分析數(shù)據(jù)。取衛(wèi)星過境時間與NCEP數(shù)據(jù)時間1 h內(nèi)的風(fēng)速有效觀測值的平均觀測值作為待檢驗(yàn)值。對于HY-2高度計(jì)反演得到的風(fēng)速，交叉點(diǎn)前后連續(xù)觀測點(diǎn)的有效觀測值的標(biāo)準(zhǔn)偏差≤2.0 m/s，保留作為對比數(shù)據(jù)源，圖9為本研究所選取的對比點(diǎn)分布。

圖10給出了HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)測量得到的海面風(fēng)速與NCEP計(jì)算得到的海面風(fēng)速比較情況，可以看到HY-2高度計(jì)海面風(fēng)速大小與NCEP再分析海面風(fēng)場大小比較的均方根誤差RMS為1.82 m/s。

圖9 HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)海面風(fēng)速與NCEP風(fēng)速對比點(diǎn)分布（2011年10月20日－2011年11月13日）Fig.9 Distribution of NCEP wind speed matched to the HY-2 radar altimeter observed（October 20，2011-November 13，2011）

圖10 HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)與NCEP再分析海面風(fēng)速比較Fig.10 Comparation of wind speed between HY-2 and NCEP

4 結(jié)語

利用5種不同方法對HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)風(fēng)速反演算法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)業(yè)務(wù)化產(chǎn)品中使用的雙參數(shù)模型風(fēng)速反演算法可以滿足2 m/s的測量經(jīng)度。

儲小青2011年證明了波斜率也是影響風(fēng)速的一個重要參數(shù)[9]。在后續(xù)研究中，應(yīng)考慮波斜率的影響。同時，HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)風(fēng)速反演算法使用的雙參數(shù)模型中，后向散射系數(shù)的權(quán)重很大，所以是影響風(fēng)速反演精度主要的參數(shù)。如何更精確標(biāo)定HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)后向散射系數(shù)是風(fēng)速反演精度的關(guān)鍵之一。

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[9]儲小青.海浪波譜儀海浪遙感方法及應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D].青島：中國科學(xué)院海洋研究所，2011.

Verification of HY-2 satellite radar altimeter wind retrieval

Jia Yongjun，Zhang Youguang，Lin Mingsen

(National Satellite Ocean Application Service，Beijing 100081，China)

In this study，the two-parameter algorithm is used to get the wind speed from HY-2 satellite radar altimeter.The correctness of this algorithm is verified using the Jason-1 and HY-2 scatterometer data qualitatively.Three different methods，such as cross-over method，NDBC buoys data validation and NCEP data test method are used respectively to evaluate this algorithm.It is turned out that the two-parameter retieval algorithm of the wind speed from radar altimeter is considered to be accurate to 2.0 m/s.It meet the accuracy requirements of marine scientific research and applications.And HY-2 radar altimeter can provide users the observed surface wind products.

wind speed retrieval；two-parameter algorithm；radar altimeter；HY-2

TP722

A

1009-1742（2014）06-0054-06

2014-04-10

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助(SS2013AA091206)；國家國際科技合作專項(xiàng)（2011DFA22260）

賈永君，1980年出生，男，內(nèi)蒙古清水河縣人，博士，副研究員，主要從事衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)處理及衛(wèi)星海洋應(yīng)用工作；E-mail：jiayongjun@mail.nsoas.gov.cn