HY-2B 衛星載荷聯合觀測海面陣風的一種反演方法

張有廣，蔣城飛，賈永君，馬小峰

( 1. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州），廣東 廣州 511485；2. 國家衛星海洋應用中心，北京 100081)

1 引言

海上陣風是海面的瞬時極大風速。在海洋工程結構設計中，尤其是上層建筑結構必須要考慮陣風的作用[1]。陣風特性研究也是大風預報和服務的基礎[2]。胡波等[3]利用2006–2012 年的NCEP/NCAR 再分析數據、舟山群島68 個自動站的小時極大風速數據，通過定義大氣環流形勢相似指數和地面風場相似指數，建立一種陣風經驗統計降尺度映射預報模型。魏曉琳等[4]利用深圳沿海站點的風速觀測資料，按季風及熱帶氣旋兩種類型探討了陣風和陣風系數的統計特征。周福等[2]基于2011–2013 年浙江省自動氣象站逐日逐10 min 測風資料，分析了浙江省陸地和近海海面冷空氣、熱帶氣旋和強對流大風的陣風系數特征，認為模糊聚類可幫助提高模型陣風系數預報能力。Giglio 等[5]認為上層海洋過程在海氣耦合中起著關鍵作用，在短時間尺度和長時間尺度上都有變化。當日平均風較弱時，陣風調節海地表水混合到更深處的速度。陣風比白天的風強得多。即使在一維過程模型中使用隨機陣風，但不使用日風作為輸入，也可以得到與觀測值比較好的日溫度估計值。胡波等[3]利用2006–2016 年冬、春季浙江4 個海島氣象站10 m大風觀測資料和ERA-interim 資料，采用高斯過程回歸方法建立陣風概率預報模型，并進行試報，大部分站點陣風預報的50%概率區間上下界跨度約為2.5 m/s,75 %概率區間跨度約為4.5 m/s[3]。萬夫敬等[6]利用上海臺風研究所移動觀測車獲取的“莫拉克”臺風登陸過程中超聲風、溫等觀測資料對地面陣風特性進行了診斷分析。

綜上所述，國內外對海上陣風的研究并不多，且大多集中在陣風預報和應用方面，對于海洋陣風數據的獲取技術未見文獻系統論述。我國的海洋動力環境衛星（HY-2B）于2018 年投入在軌業務運行，已經具備全球海面風速等海洋動力環境信息的業務化獲取能力[7]。利用HY-2B 衛星上的雷達高度計獲取海面的風速信息是其主要功能之一。迄今研究學者已提出大約20 種的雷達高度計風速反演算法，其中比較著名的包括文獻中提出的僅依賴于Ku 波段后向散射系數單參數經驗算法[8–12]。Gourrion 等[13]通過對TOPEX/Poseidon 高度計測量的有效波高和標準化雷達后向散射截面資料與NSCAT 風速數據進行時空匹配處理, 得到同步數據集，利用人工神經網絡方法試驗得到反演海面風速的兩參數算法（即將后向散射系數和有效波高都作為輸入的參數）。目前，HY-2B 衛星雷達高度計就是采用這種方法獲取全球海面風速信息。

綜上所述，國內外對海上陣風的研究并不多，且大多集中在陣風預報和應用研究方面，對于海洋陣風數據的獲取技術未見文獻系統論述。同時，現有的衛星雷達高度計獲取的只是海面風速的信息，也未提供海面陣風風速的觀測。本文將在HY-2B 衛星雷達高度計海面風速觀測的基礎上，納入被動遙感觀測的校正微波輻射計的同步觀測信息，補償雷達高度計的風速觀測能力，實現兩個遙感載荷聯合的海面陣風觀測，為陣風風速的觀測提供一種可靠的衛星遙感信息獲取手段。

2 衛星觀測及相關數據源

2.1 雷達高度計及觀測數據

雷達高度計是海洋動力環境衛星上的主動微波遙感載荷。它向海面垂直發射脈沖，通過接收返回脈沖的信號進行信息的獲取。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性，利用這種相關關系可以建立海面風速與后向散射系數的算法模型，進而實現風速信息的獲取[14]。HY-2B 衛星雷達高度計有Ku 和C 兩個頻段，都可以進行有效波高和風速的觀測，在衛星二級標準數據產品中包含了Ku 和C 頻段的后向散射系數、海面風速、有效波高和海面高度等海洋動力環境信息。圖1 為文中所用的后向散射系數沿軌道分布示意圖，數據的沿軌空間分辨率為7 km，1 s 一個觀測數據點，每個觀測數據的空間足印為1.9 km。Jason-3 衛星由美國和法國聯合研制，Jason-3 衛星雷達高度計與HY-2B 衛星雷達高度計屬于相同工作體制的遙感器，技術指標也基本一致[15]。

圖1 HY-2B 衛星雷達高度計觀測的海面后向散射系數示意圖Fig. 1 Backscattering coefficient observed by HY-2B satellite radar altimeter

2.2 校正輻射計及觀測數據

校正輻射計是海洋動力環境衛星上專門為雷達高度計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 衛星校正輻射計有18.7 GHz（T18）、23.8 GHz（T23）和37 GHz（T37） 3 個亮度溫度觀測通道，這3 個通道分別對海面風速、大氣水汽和云液態水含量信息敏感，進而可以建立相應的反演算法[16]。校正輻射計各通道的亮度溫度觀測數據已經融合到雷達高度計的二級標準數據產品中，數據的采樣間隔也是1 s，空間分辨率為24 km。Jason-3 衛星校正輻射計有18.7 GHz（T18）、23.8 GHz（T23）和34 GHz（T37） 3 個亮度溫度觀測通道，技術指標基本與HY-2B 校正輻射計一致[15]。文中所用的HY-2B 衛星校正輻射計T18數據的沿軌分布示意圖，如圖2 所示。

圖2 HY-2B 衛星校正微波輻射計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 美國國家浮標數據中心觀測數據

美國國家浮標數據中心（NDBC）持續提供高質量的海洋環境觀測，以支持對天氣、氣候、海洋和海岸變化的理解和預測。NDBC 全球浮標觀測體系中有1 000 多個各類浮標，用來獲取海洋和大氣的多種現場觀測數據。其中，浮標獲取的風速信息有海面風速和陣風風速等。海面風速是NDBC 浮標在8 min 內的平均風速（m/s），陸地站在2 min 內的平均風速（m/s），每小時報告一次；陣風風速是在8 min 或2 min 內測得的峰值5 s 或8 s 陣風風速（m/s）。本文研究中選取了距離HY-2B 衛星星下點觀測距離最近的2 個浮標點的觀測數據進行定量評估，分別是41044 和51000浮標，時段是2019–2021 年。選取了距離Jason-3 衛星星下點觀測距離最近的浮標41047 進行研究方法的適用性評估，數據時段是2016–2018 年。圖3 為截取自NDBC 的浮標位置示意圖，浮標51000、41044和41047（圖中紅圈內）分別位于美國東部太平洋和西部大西洋開闊海域，衛星數據不受陸地污染，利用數據的比對和分析。

圖3 美國國家浮標數據中心浮標位置示意圖Fig. 3 National data buoy center buoy position

3 研究方法

3.1 現有海面風速反演方法

HY-2B 衛星雷達高度計風速反演算法中利用了Gourrion 等[13]提出的雙參數模型，即

根據上述方法，HY-2B 衛星雷達高度計可以實現全球海面風速的觀測（圖4），在非降雨條件下，20 m/s風速以內的觀測精度優于2 m/s[17]。

圖4 HY-2B 衛星雷達高度計觀測海面風速示意圖Fig. 4 Sea surface wind speed observed by HY-2B satellite radar altimeter

3.2 海面陣風風速反演方法

為了研究海面風速和陣風之間的關系，本文選取了距離HY-2B 衛星星下點觀測距離最近的2 個ND-BC 浮標的觀測數據，分別是41044 和51000 浮標；選取的浮標觀測數據時段是2019–2021 年。51000和41044 浮標分別位于美國東部太平洋和西部大西洋開闊海域，衛星數據不受陸地污染，利于數據的比對和分析。經過數據篩選，有70 對數據點滿足時間1 h，空間距離100 km 以內的數據匹配條件，相應的HY-2B 衛星雷達高度計獲取的海面風速（W0）與NDBC 浮標的海面風速（wb）和陣風風速（wg）比對結果，如圖5 和圖6 所示。

圖5 HY-2B 衛星的海面風速（W0）和NDBC 浮標觀測到的對應海面風速（wb）及陣風風速（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 衛星的海面風速（W0）與NDBC 浮標風速（wb）以及陣風風速（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Table 1 Gourrion model parameters

表2 Gourrion 模型參數Table 2 Gourrion model parameters

這里以浮標41044 在2021 年10 月1 日和浮標51000 在2021 年10 月3 日的衛星觀測為例，在圖7和圖8 中展示了衛星觀測海面風速W0和陣風風速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 衛星海面風速（圖中藍線）觀測的量值。

圖7 浮標41044 附近的HY-2B 衛星觀測海面風速（W0）和陣風風速（WG）Fig. 7 Wind speed (W0) and wind gust (WG) observed by HY-2B satellite near Buoy 41044

圖8 浮標51000 附近的HY-2B 衛星觀測海面風速（W0）和陣風風速（WG）Fig. 8 Wind speed (W0) and wind gust (WG) observed by HY-2B satellite near Buoy 51000

4 數據驗證與討論

4.1 HY-2B 衛星數據與浮標的比對和評價

為了對本文方法進行定量化評估，將NDBC 浮標觀測的海面風速和陣風風速納入進行真實性檢驗。通過數據匹配共找到70 對數據，具體的比對信息見圖9 至圖11 和表3 至表8。數據比對結果中除了3 次陣風觀測的絕對誤差為2.1 m/s，其他數據觀測絕對誤差均優于2.0 m/s。按照式（6）計算的均方根誤差（RMSE）為0.98 m/s，衛星和浮標數據的相關性0.82。

圖9 HY-2B 衛星獲取的陣風風速（WG）與NDBC 浮標觀測到的陣風風速（wg）Fig. 9 HY-2B satellite observed wind gust (WG) and wind gusts (wg) observed by NDBC buoy

圖10 HY-2B 衛星與2019–2021 年浮標陣風數據比對散點圖Fig. 10 Scatter diagram of comparison between HY-2B satellite wind gust and buoy wind gust from 2019 to 2021

圖11 衛星的風速和陣風風速與浮標觀測結果之間的絕對誤差Fig. 11 Absolute error between satellite wind speed and gust wind speed and buoy observations

表3 HY-2B 衛星與41044 浮標2019 年數據比對結果Table 3 Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 41044 in 2019

表4 HY-2B 衛星與41044 浮標2020 年數據比對結果Table 4 Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 41044 in 2020

續表4

表5 HY-2B 衛星與41044 浮標2021 年數據比對結果Table 5 Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 41044 in 2021

表7 HY-2B 衛星與51000 浮標2020 年數據比對結果Table 7 Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 51000 in 2020

續表7

續表8

表8 HY-2B 衛星與51000 浮標2021 年數據比對結果Table 8 Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 51000 in 2021

式中，m為比對數據點數；wg為浮標陣風風速；WG為衛星觀測陣風風速。

如圖11 所示，衛星觀測海面風速W0與浮標陣風風速wg絕對誤差最大可達4.2 m/s；衛星觀測陣風速WG與浮標陣風風速wg絕對誤差均在2.1 m/s 以內，絕大部分觀測優于1.5 m/s。這表明文中方法具備可靠的陣風風速觀測能力。

4.2 本文方法在同類衛星中的適用性評價

本文為了進一步檢驗反演方法，并評估方法在同類衛星上的適用性。這里將本文方法應用到Jason-3衛星上，反演的陣風風速與NDBC 的浮標41047 進行比對評估。浮標41047 位于北大西洋北部的北美海盆開闊海域（圖3）。數據比對的時段為2016–2018 年，表9 和圖12 為數據的比對結果，在33 個匹配數據點中，只有1 個數據點絕對誤差為2.4 m/s，其他觀測均達到或優于2 m/s，RMSE 為0.96 m/s，相關系數為0.88。數據比對驗證表明：本文方法對于同類衛星也適用，也具備高精度的觀測能力。

圖12 2016-2018 年Jason-3 衛星與浮標陣風的對比散點圖Fig. 12 Scatter diagram of comparison between Jason-3 satellite and buoy wind gust from 2016 to 2018

表9 Jason-3 衛星與41047 浮標數據比對結果Table 9 Comparison results between Jason-3 satellite and Buoy 41047

續表9

5 結論

海上陣風是對海上工程和海上安全必不可少的海洋環境信息，但缺乏相關的有效觀測手段。本文針對海上陣風遙感觀測開展研究，提出利用HY-2B 衛星雷達高度計觀測的后向散射系數，結合同步校正微波輻射計觀測的亮度溫度信息聯合反演陣風風速的方法。該方法是在衛星現有海面風速觀測基礎上，利用同步觀測的校正輻射計提供的18.7 GHz 通道的亮度溫度信息，來對雷達高度計對海面風速的觀測進行補償，進而具備陣風的觀測能力。為了定量化評估文中方法的可靠性，采用兩個遙感載荷聯合反演得到的陣風風速與2019–2021 年NDBC 浮標數據進行真實性檢驗，結果顯示：陣風風速RMSE 為0.98 m/s，相關系數為0.82。為了檢驗文中方法在同類衛星上的適用性，基于本方法利用國外同類衛星Jason-3 得到的陣風風速與2016–2018 年NDBC 浮標數據的RMSE為0.96 m/s，相關系數為0.88。通過數據比對和分析，采用雷達高度計和校正輻射計聯合觀測海上陣風風速是可行的，并具備較高的觀測精度。同時，該方法對于具有相同觀測體制的國內外衛星也適用。本文的研究可為海上陣風衛星遙感觀測提供一種簡單易行且可靠的技術手段。

致謝：感謝NDBC 網站提供的浮標陣風數據（https://www.ndbc.noaa.gov/）；感謝AVISO 提供的Jason-3 衛星雷達高度計數據（https://aviso.altimetry.fr/en/data.html）。