HY-2B 衛(wèi)星載荷聯(lián)合觀測海面陣風(fēng)的一種反演方法

張有廣，蔣城飛，賈永君，馬小峰

( 1. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東 廣州 511485；2. 國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081)

1 引言

海上陣風(fēng)是海面的瞬時(shí)極大風(fēng)速。在海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，尤其是上層建筑結(jié)構(gòu)必須要考慮陣風(fēng)的作用[1]。陣風(fēng)特性研究也是大風(fēng)預(yù)報(bào)和服務(wù)的基礎(chǔ)[2]。胡波等[3]利用2006–2012 年的NCEP/NCAR 再分析數(shù)據(jù)、舟山群島68 個(gè)自動站的小時(shí)極大風(fēng)速數(shù)據(jù)，通過定義大氣環(huán)流形勢相似指數(shù)和地面風(fēng)場相似指數(shù)，建立一種陣風(fēng)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)降尺度映射預(yù)報(bào)模型。魏曉琳等[4]利用深圳沿海站點(diǎn)的風(fēng)速觀測資料，按季風(fēng)及熱帶氣旋兩種類型探討了陣風(fēng)和陣風(fēng)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征。周福等[2]基于2011–2013 年浙江省自動氣象站逐日逐10 min 測風(fēng)資料，分析了浙江省陸地和近海海面冷空氣、熱帶氣旋和強(qiáng)對流大風(fēng)的陣風(fēng)系數(shù)特征，認(rèn)為模糊聚類可幫助提高模型陣風(fēng)系數(shù)預(yù)報(bào)能力。Giglio 等[5]認(rèn)為上層海洋過程在海氣耦合中起著關(guān)鍵作用，在短時(shí)間尺度和長時(shí)間尺度上都有變化。當(dāng)日平均風(fēng)較弱時(shí)，陣風(fēng)調(diào)節(jié)海地表水混合到更深處的速度。陣風(fēng)比白天的風(fēng)強(qiáng)得多。即使在一維過程模型中使用隨機(jī)陣風(fēng)，但不使用日風(fēng)作為輸入，也可以得到與觀測值比較好的日溫度估計(jì)值。胡波等[3]利用2006–2016 年冬、春季浙江4 個(gè)海島氣象站10 m大風(fēng)觀測資料和ERA-interim 資料，采用高斯過程回歸方法建立陣風(fēng)概率預(yù)報(bào)模型，并進(jìn)行試報(bào)，大部分站點(diǎn)陣風(fēng)預(yù)報(bào)的50%概率區(qū)間上下界跨度約為2.5 m/s,75 %概率區(qū)間跨度約為4.5 m/s[3]。萬夫敬等[6]利用上海臺風(fēng)研究所移動觀測車獲取的“莫拉克”臺風(fēng)登陸過程中超聲風(fēng)、溫等觀測資料對地面陣風(fēng)特性進(jìn)行了診斷分析。

綜上所述，國內(nèi)外對海上陣風(fēng)的研究并不多，且大多集中在陣風(fēng)預(yù)報(bào)和應(yīng)用方面，對于海洋陣風(fēng)數(shù)據(jù)的獲取技術(shù)未見文獻(xiàn)系統(tǒng)論述。我國的海洋動力環(huán)境衛(wèi)星（HY-2B）于2018 年投入在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行，已經(jīng)具備全球海面風(fēng)速等海洋動力環(huán)境信息的業(yè)務(wù)化獲取能力[7]。利用HY-2B 衛(wèi)星上的雷達(dá)高度計(jì)獲取海面的風(fēng)速信息是其主要功能之一。迄今研究學(xué)者已提出大約20 種的雷達(dá)高度計(jì)風(fēng)速反演算法，其中比較著名的包括文獻(xiàn)中提出的僅依賴于Ku 波段后向散射系數(shù)單參數(shù)經(jīng)驗(yàn)算法[8–12]。Gourrion 等[13]通過對TOPEX/Poseidon 高度計(jì)測量的有效波高和標(biāo)準(zhǔn)化雷達(dá)后向散射截面資料與NSCAT 風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空匹配處理, 得到同步數(shù)據(jù)集，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法試驗(yàn)得到反演海面風(fēng)速的兩參數(shù)算法（即將后向散射系數(shù)和有效波高都作為輸入的參數(shù)）。目前，HY-2B 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)就是采用這種方法獲取全球海面風(fēng)速信息。

綜上所述，國內(nèi)外對海上陣風(fēng)的研究并不多，且大多集中在陣風(fēng)預(yù)報(bào)和應(yīng)用研究方面，對于海洋陣風(fēng)數(shù)據(jù)的獲取技術(shù)未見文獻(xiàn)系統(tǒng)論述。同時(shí)，現(xiàn)有的衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)獲取的只是海面風(fēng)速的信息，也未提供海面陣風(fēng)風(fēng)速的觀測。本文將在HY-2B 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)海面風(fēng)速觀測的基礎(chǔ)上，納入被動遙感觀測的校正微波輻射計(jì)的同步觀測信息，補(bǔ)償雷達(dá)高度計(jì)的風(fēng)速觀測能力，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)遙感載荷聯(lián)合的海面陣風(fēng)觀測，為陣風(fēng)風(fēng)速的觀測提供一種可靠的衛(wèi)星遙感信息獲取手段。

2 衛(wèi)星觀測及相關(guān)數(shù)據(jù)源

2.1 雷達(dá)高度計(jì)及觀測數(shù)據(jù)

雷達(dá)高度計(jì)是海洋動力環(huán)境衛(wèi)星上的主動微波遙感載荷。它向海面垂直發(fā)射脈沖，通過接收返回脈沖的信號進(jìn)行信息的獲取。在返回的脈沖信號波形中，波形的幅度與海面后向散射特性具有相關(guān)性，利用這種相關(guān)關(guān)系可以建立海面風(fēng)速與后向散射系數(shù)的算法模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)速信息的獲取[14]。HY-2B 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)有Ku 和C 兩個(gè)頻段，都可以進(jìn)行有效波高和風(fēng)速的觀測，在衛(wèi)星二級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品中包含了Ku 和C 頻段的后向散射系數(shù)、海面風(fēng)速、有效波高和海面高度等海洋動力環(huán)境信息。圖1 為文中所用的后向散射系數(shù)沿軌道分布示意圖，數(shù)據(jù)的沿軌空間分辨率為7 km，1 s 一個(gè)觀測數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)觀測數(shù)據(jù)的空間足印為1.9 km。Jason-3 衛(wèi)星由美國和法國聯(lián)合研制，Jason-3 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)與HY-2B 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)屬于相同工作體制的遙感器，技術(shù)指標(biāo)也基本一致[15]。

圖1 HY-2B 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)觀測的海面后向散射系數(shù)示意圖Fig. 1 Backscattering coefficient observed by HY-2B satellite radar altimeter

2.2 校正輻射計(jì)及觀測數(shù)據(jù)

校正輻射計(jì)是海洋動力環(huán)境衛(wèi)星上專門為雷達(dá)高度計(jì)配備的用于大氣濕對流層路徑延遲校正的被動微波遙感載荷。HY-2B 衛(wèi)星校正輻射計(jì)有18.7 GHz（T18）、23.8 GHz（T23）和37 GHz（T37） 3 個(gè)亮度溫度觀測通道，這3 個(gè)通道分別對海面風(fēng)速、大氣水汽和云液態(tài)水含量信息敏感，進(jìn)而可以建立相應(yīng)的反演算法[16]。校正輻射計(jì)各通道的亮度溫度觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)融合到雷達(dá)高度計(jì)的二級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品中，數(shù)據(jù)的采樣間隔也是1 s，空間分辨率為24 km。Jason-3 衛(wèi)星校正輻射計(jì)有18.7 GHz（T18）、23.8 GHz（T23）和34 GHz（T37） 3 個(gè)亮度溫度觀測通道，技術(shù)指標(biāo)基本與HY-2B 校正輻射計(jì)一致[15]。文中所用的HY-2B 衛(wèi)星校正輻射計(jì)T18數(shù)據(jù)的沿軌分布示意圖，如圖2 所示。

圖2 HY-2B 衛(wèi)星校正微波輻射計(jì)18.7 GHz 通道觀測亮度溫度示意圖Fig. 2 Brightness temperature of 18.7 GHz channel of HY-2B satellite correction radiometer

2.3 美國國家浮標(biāo)數(shù)據(jù)中心觀測數(shù)據(jù)

美國國家浮標(biāo)數(shù)據(jù)中心（NDBC）持續(xù)提供高質(zhì)量的海洋環(huán)境觀測，以支持對天氣、氣候、海洋和海岸變化的理解和預(yù)測。NDBC 全球浮標(biāo)觀測體系中有1 000 多個(gè)各類浮標(biāo)，用來獲取海洋和大氣的多種現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)。其中，浮標(biāo)獲取的風(fēng)速信息有海面風(fēng)速和陣風(fēng)風(fēng)速等。海面風(fēng)速是NDBC 浮標(biāo)在8 min 內(nèi)的平均風(fēng)速（m/s），陸地站在2 min 內(nèi)的平均風(fēng)速（m/s），每小時(shí)報(bào)告一次；陣風(fēng)風(fēng)速是在8 min 或2 min 內(nèi)測得的峰值5 s 或8 s 陣風(fēng)風(fēng)速（m/s）。本文研究中選取了距離HY-2B 衛(wèi)星星下點(diǎn)觀測距離最近的2 個(gè)浮標(biāo)點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行定量評估，分別是41044 和51000浮標(biāo)，時(shí)段是2019–2021 年。選取了距離Jason-3 衛(wèi)星星下點(diǎn)觀測距離最近的浮標(biāo)41047 進(jìn)行研究方法的適用性評估，數(shù)據(jù)時(shí)段是2016–2018 年。圖3 為截取自NDBC 的浮標(biāo)位置示意圖，浮標(biāo)51000、41044和41047（圖中紅圈內(nèi)）分別位于美國東部太平洋和西部大西洋開闊海域，衛(wèi)星數(shù)據(jù)不受陸地污染，利用數(shù)據(jù)的比對和分析。

圖3 美國國家浮標(biāo)數(shù)據(jù)中心浮標(biāo)位置示意圖Fig. 3 National data buoy center buoy position

3 研究方法

3.1 現(xiàn)有海面風(fēng)速反演方法

HY-2B 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)風(fēng)速反演算法中利用了Gourrion 等[13]提出的雙參數(shù)模型，即

根據(jù)上述方法，HY-2B 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)可以實(shí)現(xiàn)全球海面風(fēng)速的觀測（圖4），在非降雨條件下，20 m/s風(fēng)速以內(nèi)的觀測精度優(yōu)于2 m/s[17]。

圖4 HY-2B 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)觀測海面風(fēng)速示意圖Fig. 4 Sea surface wind speed observed by HY-2B satellite radar altimeter

3.2 海面陣風(fēng)風(fēng)速反演方法

為了研究海面風(fēng)速和陣風(fēng)之間的關(guān)系，本文選取了距離HY-2B 衛(wèi)星星下點(diǎn)觀測距離最近的2 個(gè)ND-BC 浮標(biāo)的觀測數(shù)據(jù)，分別是41044 和51000 浮標(biāo)；選取的浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)時(shí)段是2019–2021 年。51000和41044 浮標(biāo)分別位于美國東部太平洋和西部大西洋開闊海域，衛(wèi)星數(shù)據(jù)不受陸地污染，利于數(shù)據(jù)的比對和分析。經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選，有70 對數(shù)據(jù)點(diǎn)滿足時(shí)間1 h，空間距離100 km 以內(nèi)的數(shù)據(jù)匹配條件，相應(yīng)的HY-2B 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)獲取的海面風(fēng)速（W0）與NDBC 浮標(biāo)的海面風(fēng)速（wb）和陣風(fēng)風(fēng)速（wg）比對結(jié)果，如圖5 和圖6 所示。

圖5 HY-2B 衛(wèi)星的海面風(fēng)速（W0）和NDBC 浮標(biāo)觀測到的對應(yīng)海面風(fēng)速（wb）及陣風(fēng)風(fēng)速（wg）Fig. 5 HY-2B satellite sea surface wind speed (W0) and the corresponding sea surface wind speed (wb) and wind gusts (wg)observed by NDBC buoy

圖6 HY-2B 衛(wèi)星的海面風(fēng)速（W0）與NDBC 浮標(biāo)風(fēng)速（wb）以及陣風(fēng)風(fēng)速（wg）之間的絕對誤差Fig. 6 Absolute error between HY-2B satellite wind speed(W0) and NDBC buoy wind speed (wb) and wind gusts (wg)

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

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

這里以浮標(biāo)41044 在2021 年10 月1 日和浮標(biāo)51000 在2021 年10 月3 日的衛(wèi)星觀測為例，在圖7和圖8 中展示了衛(wèi)星觀測海面風(fēng)速W0和陣風(fēng)風(fēng)速WG的變化。由圖7 和圖8 可以看出，本文方法（圖中紅線）明顯提升了HY-2B 衛(wèi)星海面風(fēng)速（圖中藍(lán)線）觀測的量值。

圖7 浮標(biāo)41044 附近的HY-2B 衛(wèi)星觀測海面風(fēng)速（W0）和陣風(fēng)風(fēng)速（WG）Fig. 7 Wind speed (W0) and wind gust (WG) observed by HY-2B satellite near Buoy 41044

圖8 浮標(biāo)51000 附近的HY-2B 衛(wèi)星觀測海面風(fēng)速（W0）和陣風(fēng)風(fēng)速（WG）Fig. 8 Wind speed (W0) and wind gust (WG) observed by HY-2B satellite near Buoy 51000

4 數(shù)據(jù)驗(yàn)證與討論

4.1 HY-2B 衛(wèi)星數(shù)據(jù)與浮標(biāo)的比對和評價(jià)

為了對本文方法進(jìn)行定量化評估，將NDBC 浮標(biāo)觀測的海面風(fēng)速和陣風(fēng)風(fēng)速納入進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)。通過數(shù)據(jù)匹配共找到70 對數(shù)據(jù)，具體的比對信息見圖9 至圖11 和表3 至表8。數(shù)據(jù)比對結(jié)果中除了3 次陣風(fēng)觀測的絕對誤差為2.1 m/s，其他數(shù)據(jù)觀測絕對誤差均優(yōu)于2.0 m/s。按照式（6）計(jì)算的均方根誤差（RMSE）為0.98 m/s，衛(wèi)星和浮標(biāo)數(shù)據(jù)的相關(guān)性0.82。

圖9 HY-2B 衛(wèi)星獲取的陣風(fēng)風(fēng)速（WG）與NDBC 浮標(biāo)觀測到的陣風(fēng)風(fēng)速（wg）Fig. 9 HY-2B satellite observed wind gust (WG) and wind gusts (wg) observed by NDBC buoy

圖10 HY-2B 衛(wèi)星與2019–2021 年浮標(biāo)陣風(fēng)數(shù)據(jù)比對散點(diǎn)圖Fig. 10 Scatter diagram of comparison between HY-2B satellite wind gust and buoy wind gust from 2019 to 2021

圖11 衛(wèi)星的風(fēng)速和陣風(fēng)風(fēng)速與浮標(biāo)觀測結(jié)果之間的絕對誤差Fig. 11 Absolute error between satellite wind speed and gust wind speed and buoy observations

表3 HY-2B 衛(wèi)星與41044 浮標(biāo)2019 年數(shù)據(jù)比對結(jié)果Table 3 Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 41044 in 2019

表4 HY-2B 衛(wèi)星與41044 浮標(biāo)2020 年數(shù)據(jù)比對結(jié)果Table 4 Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 41044 in 2020

續(xù)表4

表5 HY-2B 衛(wèi)星與41044 浮標(biāo)2021 年數(shù)據(jù)比對結(jié)果Table 5 Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 41044 in 2021

表7 HY-2B 衛(wèi)星與51000 浮標(biāo)2020 年數(shù)據(jù)比對結(jié)果Table 7 Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 51000 in 2020

續(xù)表7

續(xù)表8

表8 HY-2B 衛(wèi)星與51000 浮標(biāo)2021 年數(shù)據(jù)比對結(jié)果Table 8 Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 51000 in 2021

式中，m為比對數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)；wg為浮標(biāo)陣風(fēng)風(fēng)速；WG為衛(wèi)星觀測陣風(fēng)風(fēng)速。

如圖11 所示，衛(wèi)星觀測海面風(fēng)速W0與浮標(biāo)陣風(fēng)風(fēng)速wg絕對誤差最大可達(dá)4.2 m/s；衛(wèi)星觀測陣風(fēng)速WG與浮標(biāo)陣風(fēng)風(fēng)速wg絕對誤差均在2.1 m/s 以內(nèi)，絕大部分觀測優(yōu)于1.5 m/s。這表明文中方法具備可靠的陣風(fēng)風(fēng)速觀測能力。

4.2 本文方法在同類衛(wèi)星中的適用性評價(jià)

本文為了進(jìn)一步檢驗(yàn)反演方法，并評估方法在同類衛(wèi)星上的適用性。這里將本文方法應(yīng)用到Jason-3衛(wèi)星上，反演的陣風(fēng)風(fēng)速與NDBC 的浮標(biāo)41047 進(jìn)行比對評估。浮標(biāo)41047 位于北大西洋北部的北美海盆開闊海域（圖3）。數(shù)據(jù)比對的時(shí)段為2016–2018 年，表9 和圖12 為數(shù)據(jù)的比對結(jié)果，在33 個(gè)匹配數(shù)據(jù)點(diǎn)中，只有1 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)絕對誤差為2.4 m/s，其他觀測均達(dá)到或優(yōu)于2 m/s，RMSE 為0.96 m/s，相關(guān)系數(shù)為0.88。數(shù)據(jù)比對驗(yàn)證表明：本文方法對于同類衛(wèi)星也適用，也具備高精度的觀測能力。

圖12 2016-2018 年Jason-3 衛(wèi)星與浮標(biāo)陣風(fēng)的對比散點(diǎn)圖Fig. 12 Scatter diagram of comparison between Jason-3 satellite and buoy wind gust from 2016 to 2018

表9 Jason-3 衛(wèi)星與41047 浮標(biāo)數(shù)據(jù)比對結(jié)果Table 9 Comparison results between Jason-3 satellite and Buoy 41047

續(xù)表9

5 結(jié)論

海上陣風(fēng)是對海上工程和海上安全必不可少的海洋環(huán)境信息，但缺乏相關(guān)的有效觀測手段。本文針對海上陣風(fēng)遙感觀測開展研究，提出利用HY-2B 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)觀測的后向散射系數(shù)，結(jié)合同步校正微波輻射計(jì)觀測的亮度溫度信息聯(lián)合反演陣風(fēng)風(fēng)速的方法。該方法是在衛(wèi)星現(xiàn)有海面風(fēng)速觀測基礎(chǔ)上，利用同步觀測的校正輻射計(jì)提供的18.7 GHz 通道的亮度溫度信息，來對雷達(dá)高度計(jì)對海面風(fēng)速的觀測進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而具備陣風(fēng)的觀測能力。為了定量化評估文中方法的可靠性，采用兩個(gè)遙感載荷聯(lián)合反演得到的陣風(fēng)風(fēng)速與2019–2021 年NDBC 浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示：陣風(fēng)風(fēng)速RMSE 為0.98 m/s，相關(guān)系數(shù)為0.82。為了檢驗(yàn)文中方法在同類衛(wèi)星上的適用性，基于本方法利用國外同類衛(wèi)星Jason-3 得到的陣風(fēng)風(fēng)速與2016–2018 年NDBC 浮標(biāo)數(shù)據(jù)的RMSE為0.96 m/s，相關(guān)系數(shù)為0.88。通過數(shù)據(jù)比對和分析，采用雷達(dá)高度計(jì)和校正輻射計(jì)聯(lián)合觀測海上陣風(fēng)風(fēng)速是可行的，并具備較高的觀測精度。同時(shí)，該方法對于具有相同觀測體制的國內(nèi)外衛(wèi)星也適用。本文的研究可為海上陣風(fēng)衛(wèi)星遙感觀測提供一種簡單易行且可靠的技術(shù)手段。

致謝：感謝NDBC 網(wǎng)站提供的浮標(biāo)陣風(fēng)數(shù)據(jù)（https://www.ndbc.noaa.gov/）；感謝AVISO 提供的Jason-3 衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)（https://aviso.altimetry.fr/en/data.html）。