多传感器卫星海面风场遥感研究

发布时间：2020-06-23 06:25

【摘要】：微波散射计、辐射计和合成孔径雷达具有全天候监测海面风场的能力。本文介绍了利用卫星散射计、辐射计和合成孔径雷达数据反演海面风场的原理和方法。微波传感器测量海面风场的基本原理是建立海面后向散射系数或海面亮温与海面风矢量或风速的关系。目前普遍采用海面归一化后向散射系数与风矢量的经验关系作为卫星散射计海面风场反演的模式函数。 海面风场反演的经验模式函数与海区其它环境参数例如海面温度、海浪等有关。因此，建立中国海域的卫星散射计海面风场反演模式函数对于发展我国卫星散射计计划具有重要意义。本文选择中国海域NSCAT后向散射系数数据、SSM／I海面风速数据以及ECMWF模式风场的风向数据，首次建立了基于中国海域的海面风场反演经验模式函数。其中，经验模式函数的系数由准牛顿迭代法获得。利用该模式函数对另一组NSCAT后向散射系数数据进行海面风场反演，采用最大似然估计确定多个风矢量解，并采用矢量中值滤波消除多解。与NSCAT海面风场数据比较，风速均值偏差为0.22m／s，标准偏差为1.10m／s；风向均值偏差为1.4°，标准偏差为6.4°。与浮标数据比较，风速均值偏差为0.28m／s，标准偏差为1.40m／s；风向均值偏差为2.9°，标准偏差为16.2°。结果证明该海面风场经验模式函数的有效性，为我国未来的海洋卫星微波散射计模式函数的建立奠定了初步基础。 卫星散射计反演海面风场的风向多解消除与散射计的天线及其扫描方式有关。本文利用ECMWF模式风场分析了风向多解消除的准确率与天线方位角、入射角以及风速的关系。研究表明，圆锥扫描的卫星散射计消除风向多解的准 多传感器卫星海面风场遥感研究 确率高于棒状天线，尤其在低风速情况。这对于我国拟定发射的卫星散射计天 线设计具有指导意义。 虽然微波散射计具有全天候工作特点，但是大气衰减对散射计测量的后向散 射系数仍然有影响。消除大气水汽和液态水的影响可以获得更为准确的海面后 向散射系数。本文利用同步的微波辐射计亮温数据以及辐射传递模型对散射计 的后向散射系数数据进行大气衰减修正。结果表明，修正后的散射计后向散射 系数反演的风速具有明显的改进。 合成孔径雷达SAR具有观测高空间分辨率海面风场的优势。本文利用C波 段Radarsat合成孔径雷达数据和ERSISCATC波段CMOD系列模式函数反演高 分辨率的海面风场。由于CMOD系列海面风场反演模式函数是针对ERSC波段 散射计(vv极化)的，而C波段Radarsat SAR采用HH极化，因此需要考虑极 化率模型。本文对四种极化率模型进行了比较研究。利用不同的极化率模型将 H}I极化RADARSAT SAR数据反演的风速与同步的卫星散射计QulkSCAT风速 数据进行对比。结果表明儿rchboff极化率模型适用于HH极化RADARSAT SAR 海面风场反演，风速的均值偏差和标准偏差分别为0.37而s和1 .54耐s。 最后，给出卫星海面风场在台风路径与结构、大气锋面观测以及驱动海洋动 力学模式的一些初步结果。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：P715.7
【图文】：

图1一1棒状的散射计天线示意图(Stoffelen，1998)图1一2圆锥扫描的散射计天线示意图(Stoffelen，1998)气\图l一3Seawinds散射计的天线示意图(Freilieh，2000)搭载在欧空局系列卫星(ERS)上的微波散射计，工作频率为C波段(5.3GHz，相当于5.66cm)，极化方式为垂直方向。该传感器与ERS系列卫星上的合成孔径雷达的成像模式、波模式构成一个主动微波装置(Aetive肠crowaveInstrument，AMI)，分别搭载在1991年7月发射的ERS一1卫星和1995年4月发射的ERS一2卫星上。ERslSCAT具有风矢量反演最佳的天线几何关系

己经进行了大量的研究，并且提出了很多经验模式函数用于描述散射计的后向散射系数与海面风矢量以及散射计几何参数之间的关系。卫星散射计反演海面风场的流程如图2一1所示。本章选择中国海域NSCAT后向散射系数数据、55加刀1海面风速数据以及ECMWF模式风场的风向数据，尝试了利用统计方法建立风场反演的经验模式函数。其研究意义在于为我国未来的散射计模式函数的建立提供一种可行方案。众所周知，卫星散射计测量的后向散射系数主要是风速、风向、方位角、极化方式和入射角的函数。在入射角，风向、方位角一定的情况下，模式函数给出的后向散射系数随着风速的增加而增加;对于给定的风速，模式函数所描述的后向散射系数与风向、方位角之间呈简谐函数的特点。风向对后向散射系数的调制使得卫星散射计可以测量风向信息，在固定的风速条件下，后向散射系数在逆风观测时最大，顺风其次，而横风最小。逆风和顺风对后向散射系数的调制以及多个不同天线方位角和入射角的后向散射系数据原则上可以唯一确定风矢量信息;此外，风向对后向散射系数的调制在不同极化方式条件下有所

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本文编号：2726931