星载波谱仪海面风场反演研究

发布时间：2020-07-23 10:52

【摘要】：海面风场是最重要的气象参数之一,精准的海面风场信息不仅能帮助我们更加深入地了解地球上的气象系统,还能用来预报天气,特别是灾害式天气。中法海洋卫星CFOSAT(China-France Oceanography Satellite)上搭载的波谱仪SWIM(Surface Waves Investigation and Monitoring)是一种旋转扫描的小入射角雷达,主要用于探测全球范围的海浪方向谱,而它独特的工作方式,可以获取某一测量点随入射角和方位角(0～360°)变化的海面后向散射系数,可为海面风场的反演提供基础数据,本文基于SWIM的观测数据成功反演出了海面风场。论文首先利用无雨时SWIM后向散射系数σ~0、双频降雨雷达DPR(Dual-frequency Precipitation Radar)双波段(Ku和Ka波段)的σ~0和欧洲中期天气预报中心ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)风场数据,验证了无雨时小入射角下σ~0随相对风向存在各向异性与不对称性,并且分析了全方位向平均以后的σ~0、不对称性以及各向异性的幅度与风速和入射角的关系。然后利用有雨时DPR双波段的σ~0和ECMWF风场数据,验证了大到暴雨时小入射角下σ~0随相对风向仍存在各向异性与不对称性。入射角在10°附近时σ~0基本不随风速变化,因此选择10°附近的σ~0数据重点分析了降雨对σ~0的影响,并且利用四次多项式模型对降雨率和σ~0数据进行了拟合,模型有很好拟合优度。最后基于小入射角下σ~0的各向异性与不对称性和σ~0随风速变化的经验模型,利用SWIM数据反演出了海面风场信息。其中0°、2°和4°波束的σ~0数据反演出的风速相对于ECMWF风速的均方根误差分别为1.22 m/s、1.23 m/s和1.49 m/s。风速大于7 m/s条件下,10°波束的σ~0数据反演出的风向相对于ECMWF风向的均方根误差为18.87°。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P714.2
【图文】：

示意图,示意图,入射角,波束

华中科技大学硕士学位论文2 小入射角下海面散射机理及风场反演理论本文的研究目标是利用 SWIM 数据反演出海面风场信息，因此在本章我们先介绍了 SWIM 的工作方式，然后介绍了小入射角下海面散射机理以及小入射角雷达反演海面风场的相关理论，为本文后续章节提供理论基础。2.1 波谱仪 SWIM 简介SWIM 是一个工作在 Ku 波段的真实孔径雷达，轨道高度约为 519 km，配备有0°、2°、4°、6°、8°和 10°六个扫描波束，六个波束的波束宽度均为 2°，实际入射角范围为 0~11°，0°波束用于测量海面的有效波高，其他波束主要用于探测海浪方向谱信息。图 2-1 为 SWIM 的工作示意图。

示意图,卫星群,全球,波束

波束分别选择入射角在 6±0.5°、8±0.5°和 10±0得到的测量点的分别进行平均就可以得到分析时描的时间、波束、经纬度和方位角就组成了分析时目前只能提供约 14 天的数据，且主要为无雨时的 SWIM 数据只研究无雨时后向散射系数的各向异达数据卫星 GPM（Global Precipitation Measurement）是续ical Rainfall Mapping Mission）之后的能探测全球降国国家航空航天局 NASA 和日本的宇宙航空研究7]。GPM 的核心卫星是双频降雨雷达 DPR （），卫星轨道高度为 407 km，不但可以观测热带文使用的是 2A 级别（版本 7）的标准数据产品，可下图 3-1 为 GPM 卫星群的一个示意图。

示意图,雷达观测,示意图,波段

图 3-2 DPR 雷达观测示意图描方式如图 3-2 淡蓝色所示，每次扫描有 49，一种与 Ku 波段中间 25 个扫描点重合，称与 Ku 波段是同步扫描的。另外一种是在两 24 个扫描点，此时 Ka 波段的脉冲宽度是 KS（High-sensitivity Scan）。表 3-1 DPR 雷达主要参数Ku 13.6 GHz 0.5 mm/h 245 km 5 km ±18.1° 49 41.67μs 1.67μ

【参考文献】