高海况海面风场的微波反演技术及海洋对热带气旋响应的遥感观测研究

发布时间：2020-07-01 02:22

【摘要】：星载微波散射计是获取全球海面风场的主要遥感手段。在常规海况下,微波散射计反演的海面风场具有较高的精度,广泛应用在海洋学、气象学各个领域。然而,在高海况下,散射计风场反演受到限制,产品精度下降。本论文针对高海况微波散射计风场反演关键难点,针对性地开展了降雨、高风速、波浪破碎等复杂高海况下散射计风场反演算法研究,取得如下创新性研究成果:(1)利用TAO浮标、NDBC浮标数据、ASCAT散射计数据和NCEP模式风场评估了HY-2A微波散射计反演的海面风场,结果表明HY-2A散射计具有较好的风场反演效果。(2)研究了降雨对HY-2A散射计后向散射系数及对风速风向反演的影响,并在此基础上,建立了降雨条件下散射计后向散射系数的修正模型,该模型能够提高降雨条件下散射计风场反演精度。(3)针对高风速下的波浪破碎问题,本文利用Kudryavtsev(2003)散射模型,定量研究了波浪破碎对散射信号的影响;建立了适合于HY-2A散射计的地球物理模式函数,该函数能够提高高风速下风场反演效果。(4)利用HY-2A的散射计和辐射计数据建立了主、被动相结合的海面风场反演算法,提高了高风速下的反演精度。针对最为常见高海况天气系统—热带气旋,本文通过遥感数据与Argo数据相结合,研究了热带气旋引起的上层海洋响应,特别是温盐结构和叶绿素浓度的时空变化特征。通过实例分析发现:热带气旋诱发的垂向混合和Ekman上升流,会导致海面温度下降,温跃层抬升,海面高度降低,海表面叶绿素浓度大幅度上升等现象;叶绿素最大值出现的时间滞后于海面风速最大值;先前存在于热带气旋路径上的冷涡会增大气旋过后海洋的响应程度,使得海面温度下降、叶绿素增高更显著;热带气旋经过近岸的,会引起悬浮物泥沙和有色物质的增高,造成卫星反演的叶绿素出现虚高值。论文研究成果可为我国自主卫星散射计的海面风场遥感反演技术提供基础。发现的上层海洋对不同热带气旋响应机制的差异,可为遥感资料在该领域的研究提供理论参考。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P732.3;P715.7
【图文】：

示意图,散射计,雷达波束,示意图

图 2-1 散射计雷达波束的几何示意图向散射截面：散射计是一种主动式雷达，达其天线接收到的功率与磁波长、天线增益及效率、雷达与目标物的距离以及目标的散射特以用雷达方程来表达。雷达方程的具体形式为： = 2（4π）3 40 在该方程中，是雷达接受到的回波信号的功率，是雷达发射的发射天线的增益，R 为散射计到目标物的距离，是接受天线的增益效率，λ 是发射的电磁脉冲的波长，A 是散射目标的有效照射面积，的散射截面（Normalized Radar Cross Section， NRCS），它是一个系数，其物理意义是单位面积总散射功率与入射波能流密度的比值，物体后向散射计强度的一种物理量。目标物表面粗糙度越大，0随越

原理图,散射计,海面风场,原理图

为了定量的刻画海面粗糙度，前人提出了二分法，二分法ht 为判定标准。二分法认为如果满海面起伏的垂直高度 hλ/8，则此时的海面为平滑海面，否则为海面为粗糙海面。其中，，θ为散射计入射角。面无风时，发射到海面的电磁波将产生镜面反射，仅在垂直海面方反射的电磁波能量，在其他入射角观测不到散射计发射的电磁信示，当海面有风时，风会驱动海面产生毛细重力波，此时，海面粗面会对散射计发射出的雷达波束进行后向散射，减弱了垂直海面方，倾斜入射角的观测也可以接收到海面的散射信号。风通过调制海影响散射计的后向散射强度，海面后向散射系数是风速、风向、入射极化方式的函数。我们可以建立后向散射系数与海面风矢量的经验风场的反演。这是散射计反演海面风场的最基本的原理。

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