双极化SAR台风海面风场反演与风雨耦合微波散射数值模拟

发布时间：2020-10-02 06:17

　　准确获取台风风场信息是海洋和大气科学的研究热点,也是准确预报台风强度和路径的关键。本文利用C波段双极化合成孔径雷达(SAR)图像反演得到台风的风场信息,同时研究了降水条件下,降水对雷达信号的散射机制。在极端的气象条件下,海表面公里尺度的大气边界层涡旋产生的风条纹在SAR图像上非常明显。因此,台风的风向信息可以从SAR图像中由大气边界层涡旋引起的风条纹来获取。在低风速区域,VH极化的信噪比很小,但是VV极化的信噪比很大;在高风速区域,VH极化信号不饱和,VV极化信号饱和。因此,可以同时利用VV和VH极化的SAR图像来反演风向。最终利用局部梯度法(LG)获得了 25 km空间分辨率的台风风向产品。经过与浮标、GPS-dropsondes、散射计、微波辐射计以及H*Wind的统计验证表明,风向的偏差和均方根误差分别为17.14°和-4.20°。在反演双极化SAR台风风速方面,同时利用低风速以及高风速的GMF构造代价函数,并把利用局部梯度法获取的风向作为代价函数的输入风向,通过求解代价函数最小值获得双极化SAR台风风速。通过和SFMR观测得到的风速进行比较发现,融合的GMF反演的风速在低风速区不偏高,高风速区不偏低,均方根误差为4.1 m/s,偏差为0.9 m/s。因此,本论文实现了直接从SAR图像获取海面的风场信息,无需外部信息的输入,减小了误差,提高了风速反演的精度。在反演海面风场时,我们发现降水对雷达信号的影响非常大。本论文提出了风雨耦合微波散射模型,在高风速条件下,同时考虑风、湍流、波浪破碎以及大气对雷达信号的影响。利用SFMR和SAR匹配的数据,我们验证了高风速区的风雨耦合模型,模拟的结果和观测的结果有很好的一致性,均方根误差为0.94 dB,偏差为0.01 dB。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P715.7;P732
【部分图文】：

雨滴撞击,皇冠,稻秆,海面

逦南京信息工程大学硕士学位论文逦逡逑达接收的电磁波信号［１４＿１６］。降水改变风场主要是通过由降水产生的下沉气流，下沉气流逡逑改变了粗糙度谱并且可能会改变海面的原始风场，在风场反演时这将引起反演的风场的逡逑不确定性甚至错误［１７］。逡逑在海面上，如图（１－１）所示，雨滴撞击海表面会产生中间凹陷的皇冠状（Ｃｒｏｗｎ）柱逡逑体，当皇冠状的柱体在垂直方向塌陷时，会形成如（ｂ）秸秆状（Ｓｔａｌｋｓ）的柱体，秸秆状逡逑的柱体继续塌陷将会产生大量的如（ｃ）向外传播的环波（Ｒｉｎｇ－ｗａｖｅｓ）［１８］。逡逑

流程图,风向,反演,图像

我们用局部梯度法来估计Ｃ波段热带气旋双极化ＳＡＲ的风向。这种方法计算ＳＡＲ逡逑图像的局部梯度并且选择垂直于梯度方向出现频率最高的方向作为可能的风向。我们利逡逑用热带气旋的旋转特性去除１８０°的风向模糊。图２－１是Ｗ极化ＳＡＲ图像风向反演流逡逑程图，ＶＨ极化ＳＡＲ图像风向反演过程与ＶＶ极化相同。下面，我们将逐步描述风向反逡逑演过程。逡逑Ｗ极化图像逡逑子图像：Ａ，像兀：５０邋ｍ逡逑１逡逑外围区域逡逑子图像：２５邋ｋｍ逡逑Ｖ逦逦逦／逡逑１逡逑平滑：l:＝逡逑像元：５０邋ｍ逡逑，邋１逦，逡逑重采样巧次：Ｗ邋＝，逡逑像元：２００邋ｍ逡逑逦，逦ｙ逡逑１逦广逡逑＾ｍ：邋ａ＂＇邋＝邋ｂ２ａ＂逡逑像元：２００邋ｍ逡逑广邋Ｉ逡逑ｆ逦计算梯度：逦＇逡逑Ｇ＇邋＝邋（ＤＸ邋＋邋ｉＤｙ）（Ａ＂＇）逡逑＾逦像元：２００邋ｍ逦）逡逑＾逦Ｎ逡逑计算梯度平方：逡逑Ｇ＂邋＝邋ＳＲｉＧ＇２）逡逑，逦像元N４００邋ｍ逦

直方图,台风,图像,梯度

Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ邋［ｄｅｇ］逦Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ邋［ｄｅｇ］逡逑图２－３ＷＳＬＧ模的直方图：（ａ）Ｗ极化，（ｂ）ＶＨ极化。横坐标的方向不代表主梯度的方向或者风向，逡逑只是用来寻找主平方梯度。逡逑图２－３（ａ）和２－３（ｂ）显示的是图２中红色方框里的ＷＳＬＧ模的直方图。在７２个区逡逑间里，Ｗ极化的ＷＳＬＧ的值显然比ＶＨ极化的ＷＳＬＧ的值更容易找到最大值。这说逡逑明，在热带气旋外围区域，相比于ＶＨ极化，ＶＶ极化对风条纹的信号更敏感，从下面逡逑的个例分析中也可得到此结论。在图２－３中，横坐标的方向不代表主梯度的方向或者风逡逑向，只是人为设定的方向以便于寻找主平方梯度。如图２－３（ａ）所示，ＷＳＬＧ模的最大值逡逑为７１，在取模之前，ＷＳＬＧ为４８．４２－５１．９３ｉ是一个复数，所以主平方梯度的方向为１８０°－逡逑ａｒｃｔａｎ（４８．４２／５１．９３）＝１３７°；主梯度为ａ／４８．４２邋－邋５１．９３ｉ＝７．７３－３．３６ｉ，所以主梯度的方向为逡逑１８０°－ａｒｃｔａｎ（７．７３／３．３６）＝１１３。，风向为邋１１３。－９０。＝２３。或者邋１１３。＋９０。＝２０３。。逡逑１４逡逑

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