賈永君，劉建強(qiáng)，林明森，張有廣

（國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，100081北京）

海洋二號衛(wèi)星3個(gè)主要載荷風(fēng)速測量比較

賈永君，劉建強(qiáng)，林明森，張有廣

（國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，100081北京）

海面風(fēng)速對海洋中動(dòng)能的轉(zhuǎn)移、海氣間物質(zhì)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(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)和掃描微波輻射計(jì)均可以用來探測海面風(fēng)速。區(qū)別是雷達(dá)高度計(jì)只能測量星下點(diǎn)風(fēng)速，微波散射計(jì)可以得到寬刈幅的風(fēng)場（包括風(fēng)向和風(fēng)速），掃描微波輻射計(jì)可獲得寬刈幅的風(fēng)速。為了更好地分析3個(gè)載荷風(fēng)速測量能力，針對2013年9月19日“天兔”臺風(fēng)影響海域范圍內(nèi)的海面風(fēng)速，比較了3種載荷的探測結(jié)果。結(jié)果表明，在小于20 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，雷達(dá)高度計(jì)和微波散射計(jì)探測到的風(fēng)速非常接近，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2m/s，而掃描微波輻射計(jì)測量的風(fēng)速比另外兩個(gè)載荷測量的風(fēng)速大；在20～35m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，雷達(dá)高度計(jì)和掃描微波輻射計(jì)風(fēng)速較為接近；在大于35 m/s的高風(fēng)速區(qū)，只有掃描微波輻射計(jì)可以探測出風(fēng)速，但其測量精度還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

風(fēng)速；雷達(dá)高度計(jì)；海洋二號

1　前言

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

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)算得到風(fēng)速；掃描微波輻射計(jì)和校正微波輻射計(jì)都是通過亮溫反演得到海面風(fēng)速。

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），掃描微波輻射計(jì)和校正微波輻射計(jì)可探測的風(fēng)速范圍沒有嚴(yán)格限制。微波散射計(jì)和掃描微波輻射計(jì)的刈幅寬度較大，雷達(dá)高度計(jì)和校正微波輻射計(jì)只能探測星下點(diǎn)的風(fēng)速。

2　方法

2.1雷達(dá)高度計(jì)風(fēng)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(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、篩選，找出時(shí)間間隔在1.5 h之內(nèi)、空間距離相差150 km的共184對數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析。Brown風(fēng)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(shù)，A、B為系數(shù)。當(dāng)σ0＜10.12 dB時(shí)，A=0.080 074，B=-0.124 651；當(dāng)10.12 dB≤σ0＜10.9 dB時(shí)，A=0.039893，B=-0.031996；當(dāng)σ0≥10.9 dB時(shí)，A=0.015 95，B=0.017 215。W1表示風(fēng)速的第一次估計(jì)值，通過與浮標(biāo)風(fēng)速的比較，Brown發(fā)現(xiàn)浮標(biāo)值與W1有一系統(tǒng)偏差，為了校正這一系統(tǒng)偏差，推導(dǎo)出風(fēng)速的二次估計(jì)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(jì)風(fēng)速反演的Brown模式函數(shù)，反演出的風(fēng)速為海面10 m高處風(fēng)速值。

為了消除Brown風(fēng)速算法對σ0的不連續(xù)性，Goldhirsh等[2]用一個(gè)五次多項(xiàng)式擬合Brown的原始σ0和浮標(biāo)風(fēng)速數(shù)據(jù)(共184個(gè)點(diǎn))。這種風(fēng)速反演函數(shù)幾乎與Brown算法一致，但沒有Brown模型的風(fēng)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(fēng)速計(jì)算。

Chelton和Wentz針對Seasat高度計(jì)開發(fā)了適用的風(fēng)速反演算法[3]。對Geosat高度計(jì)，Witter和Chelton發(fā)現(xiàn)其σ0與Seasat高度計(jì)所觀測的σ0有一系統(tǒng)偏差。他們比較了Seasat高度計(jì)與Geosat高度計(jì)的σ0分布直方圖，這兩者的偏差確實(shí)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(jì)的應(yīng)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(fēng)速反演算法做了修正，以消除Seasat高度計(jì)和Geosat高度計(jì)σ0測量的系統(tǒng)偏差，建立的新算法即為改進(jìn)的Chelton和Wentz算法（MCW）[4]。

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(shí)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。Gourrion等在Brown和MCW模型的基礎(chǔ)上，發(fā)展了雙參數(shù)模型。HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)風(fēng)速反演算法利用了Gourrion等提出的雙參數(shù)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(fēng)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(fēng)速系數(shù)；Wx、Wy、Bx、By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(shí)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)ⅠTable 1　Gourrion model parametersⅠ

表2　Gourrion模型參數(shù)ⅡTable 2　Gourrion model parametersⅡ

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

2.2微波輻射計(jì)海面風(fēng)速反演算法

多元統(tǒng)計(jì)回歸方法是目前星載微波輻射計(jì)海洋地球物理參數(shù)常用的業(yè)務(wù)化反演算法，其利用星載微波輻射計(jì)多個(gè)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(fēng)速等海洋參數(shù)與輻射計(jì)各個(gè)通道觀測的亮溫之間存在一定的線性關(guān)系，通過將時(shí)空匹配的星載輻射計(jì)測量與浮標(biāo)數(shù)據(jù)、再分析數(shù)據(jù)等統(tǒng)計(jì)回歸，得到一組或數(shù)組系數(shù)，從而進(jìn)行海洋參數(shù)的反演。

HY-2衛(wèi)星微波輻射計(jì)海面風(fēng)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(fēng)速；ci是系數(shù)；Fi（i＝1，2，3，...，9）分別對應(yīng)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(gè)通道的亮溫?cái)?shù)據(jù)。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(shù)見表3。有雨情況下，式（8）的系數(shù)見表4。

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

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

2.3微波散射計(jì)海面風(fēng)場反演算法

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

式（9）中，σ0代表散射計(jì)測量的后向散射系數(shù)；ω為風(fēng)速；χ為風(fēng)向的相對方位角；f為散射計(jì)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(jì)（SASS）成功運(yùn)作以來，經(jīng)過20多年的研究，雷達(dá)后向散射截面σ0與風(fēng)矢量關(guān)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(fēng)矢量。通常利用加權(quán)最小二乘法（SOS）、最大似然法（ML）、最小二乘法（LS）、加權(quán)最小二乘法（WLS）、自適應(yīng)最小二乘法（AWLS）、Ll模算法（Ll）和最小風(fēng)速平方和法（LWSS）來進(jìn)行反演運(yùn)算。這些方法中，最大似然估計(jì)法（MLE）是海面風(fēng)矢量反演的最佳算法，其已經(jīng)應(yīng)用于ERS/SCAT和NSCAT散射計(jì)的海面風(fēng)矢量反演。本文也將采用該法來反演風(fēng)矢量。

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

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

確定要排除的風(fēng)向模糊點(diǎn)，并選擇N×N點(diǎn)陣的單元作為濾波窗口，保證要排除的風(fēng)向模糊點(diǎn)位于這個(gè)點(diǎn)陣的中心位置。利用周圍點(diǎn)及要排除的風(fēng)向模糊點(diǎn)上的第一風(fēng)場解的值，作出圓直方圖。

根據(jù)圓直方圖中每個(gè)值所對應(yīng)的圓分布函數(shù)的離散值 fK，利用式（11）求出中數(shù)角（有多個(gè)）。

式(12)中，Xi為中數(shù)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(shù)角與圓平均角，選取與圓平均角最接近的中數(shù)角作為圓中數(shù)角。用圓中數(shù)角作為該點(diǎn)的參考風(fēng)向值，并選取與之最接近的模糊風(fēng)向作為風(fēng)向真值，這樣逐點(diǎn)求解，一直處理下去，全場排除完畢進(jìn)行新一層的迭代求解，直到迭代的全場風(fēng)向不發(fā)生變化，即求出了全場的風(fēng)向真解。

經(jīng)過風(fēng)向模糊排除處理，得到了每個(gè)測量點(diǎn)上具有唯一大小和方向的風(fēng)矢量場，進(jìn)一步處理這樣的風(fēng)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(fēng)場信息分析的風(fēng)場。

3　結(jié)果

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

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

圖1　HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)過“天兔”臺風(fēng)中心海面風(fēng)速測量結(jié)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(jì)過“天兔”臺風(fēng)中心海面風(fēng)速測量結(jié)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(jì)過“天兔”臺風(fēng)中心海面風(fēng)速測量結(jié)果（2013-09-19）Fig.3　Wind field of Usagi from HY-2 satellite microwave scatterometer(2013-09-19)

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

圖4　HY-2衛(wèi)星3個(gè)主要載荷過臺風(fēng)“天兔”中心海面風(fēng)速測量結(jié)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(gè)載荷在相同星下點(diǎn)探測的風(fēng)速概率密度分布。從圖5中可以看到，雷達(dá)高度計(jì)和微波散射計(jì)探測到的風(fēng)速概率密度非常接近，最大概率密度對應(yīng)的風(fēng)速約為8m/s；不同的是當(dāng)風(fēng)速為8m/s時(shí)二者的概率密度不同，這可能和二者的風(fēng)速反演算法模型有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。掃描微波輻射計(jì)海面風(fēng)速概率密度對應(yīng)的風(fēng)速同雷達(dá)高度計(jì)和微波散射計(jì)相比，有一個(gè)約為2 m/s的偏差，而且是偏大的。

圖5　HY-2衛(wèi)星3個(gè)主要載荷過臺風(fēng)“天兔”中心海面風(fēng)速測量結(jié)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(yù)報(bào)和其他方式得到的海面風(fēng)速均表明臺風(fēng)“天兔”有大于40 m/s的大風(fēng)速出現(xiàn)，但3個(gè)載荷中只有掃描微波輻射計(jì)探測到了超過35 m/s的風(fēng)速，另外兩個(gè)載荷測量的最大風(fēng)速均不超過35 m/s。

當(dāng)風(fēng)速小于20 m/s時(shí)，雷達(dá)高度計(jì)和微波散射計(jì)星下點(diǎn)風(fēng)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(fēng)速范圍內(nèi)，二者的風(fēng)速測量偏差較大，標(biāo)準(zhǔn)差最大可達(dá)7.3 m/s。

圖6　HY-2衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)和微波散射計(jì)過臺風(fēng)“天兔”中心海面風(fēng)速測量結(jié)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(dá)高度計(jì)和微波散射計(jì)過臺風(fēng)“天兔”中心海面風(fēng)速測量標(biāo)準(zhǔn)偏差隨散射計(jì)風(fēng)速測量結(jié)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(jié)語

已經(jīng)利用美國國家數(shù)據(jù)浮標(biāo)中心（NDBC）浮標(biāo)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，在小于20 m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)，微波散射計(jì)和雷達(dá)高度計(jì)的風(fēng)速測量精度均優(yōu)于2 m/s。但是微波散射計(jì)的刈幅寬度可以達(dá)到1 800 km，而雷達(dá)高度計(jì)只能做到星下點(diǎn)觀測。雖然二者的測量精度在小于20 m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)幾乎是相同的，但實(shí)用性有很大差別。掃描微波輻射計(jì)在小風(fēng)速范圍內(nèi)與雷達(dá)高度計(jì)和微波散射計(jì)風(fēng)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(fēng)速范圍，3個(gè)載荷都可以用來測量風(fēng)速，并且微波散射計(jì)和掃描微波輻射計(jì)具有寬刈幅的優(yōu)點(diǎn)。在20～35m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)，由于微波散射計(jì)風(fēng)速測量范圍的限制，雷達(dá)高度計(jì)和掃描微波輻射計(jì)測得的風(fēng)速較為接近，可以應(yīng)用在相關(guān)的監(jiān)測中。在大于35 m/s的高風(fēng)速區(qū)，只有掃描微波輻射計(jì)可以探測，但其測量精度還需要驗(yàn)證。

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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(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201105032）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）“海洋動(dòng)力環(huán)境微波遙感信息提取技術(shù)與應(yīng)用”（2013AA09A505）

賈永君，1980年出生，男，內(nèi)蒙古清水河縣人，博士，副研究員，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)處理算法及高度計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)用；E-mail：jiayongjun2008@gmail.com