Vandemark-Chapron算法与Young算法联合反演Jason-1雷达高度计海面风速方法研究

姜祝辉，黄思训，郭洪涛，赫英明，尹志泉

（1.解放军理工大学 气象学院，江苏 南京 211101；2.玉泉二中，黑龙江 哈尔滨 150322）

Vandemark-Chapron算法与Young算法联合反演Jason-1雷达高度计海面风速方法研究

姜祝辉1，黄思训1，郭洪涛1，赫英明1，尹志泉2

（1.解放军理工大学 气象学院，江苏 南京 211101；2.玉泉二中，黑龙江 哈尔滨 150322）

针对现行业务运行的雷达高度计风速反演算法只考虑0～20 m/s的缺陷，提出了VC算法（Vandemark-Chapron Algorithm）与Young算法联合反演高度计海面风速的方法，通过对Jason-1资料的统计试验，确定了后向散射截面临界点，当高度计后向散射截面大于等于该临界点时采用VC算法反演风速，反之采用Young算法反演风速，统计试验亦校准了Young算法因仪器参数不同而引起的观测偏差。选取了Jason-1高度计经过珊珊台风中心的一个个例进行试验。试验结果表明，单纯使用VC算法使得反演结果严重偏低，校准后的Young算法进行20～40 m/s风速反演能够有效的提高反演精度。分析过程中进一步证实了利用Young算法反演20～40 m/s风速的有效性。

高度计; 风速反演; 校准

地球上70%以上的面积由海洋覆盖，拥有丰富的资源，开发和利用海洋对未来人类可持续发展有着重要意义。海面风场作为海洋探测领域的一个重要参数，对气象及海洋预报起着重要作用。传统的探测设备，如浮标、测量船、验潮站等的测量存在数据稀疏、重复周期较长、费用高等缺陷，限制了针对海面风场的深入研究[1]。卫星高度计作为一种主动式微波探测器，具有独特的全天候、长时间历程、观测面积大、观测精度高、时间准同步、信息量大等特点。卫星高度计以海面作为遥测靶，从其回波中可得到后向散射截面、有效波高等信息，从而可以反演海面风速[2,3]。

从20世纪70年代至今，已经发展了众多雷达高度计反演海面风速的算法，其反演精度不断提高。由于现场观测资料的空间分辨率低，且20 m/s以上的现场观测资料很难获得，所以绝大部分高度计反演风速算法的适用范围为0～20 m/s[4]，而Young[5]通过高度计资料与模式预报的结果资料进行对比分析，得出了20～40 m/s的风速反演算法，此后赵栋梁等[6]经试验证实了Young算法的可靠性。

现今Topex/Poseidon，ERS-1，ERS-2等高度计的业务运行算法是MCW算法（Modified Chelton and Wentz Wind Speed Model Function）[7]，而Jason-1等高度计的业务运行算法是Gourrion提出的VC算法（Vandemark-Chapron Algorithm）[8]。这两种算法的适用范围均是0～20 m/s。用现行的业务运行算法显然很难准确得到台风等极端恶劣天气系统中的海面风速信息。将现行的业务运行算法与Young算法相结合进行风速反演是一个很好的途径。Quilfen[9]、杨乐等[10]在这方面做了初步工作。然而其中依旧存在一些值得深入研究的问题。Young算法针对Geosat雷达高度计而建立，简单的直接联合两种方法反演风速必将引入误差，所以将0～20 m/s的风速反演算法与20～40 m/s风速反演算法相结合来反演海面风速时需要进行校准。本文针对该问题，提出了将0～20 m/s的风速反演算法与20～40 m/s风速反演算法相结合来反演Jason-1雷达高度计海面风速的方法，详细论述了对Young算法的校准方法。通过对Jason-1资料的统计试验，确定了后向散射截面临界点，当高度计后向散射截面大于等于该临界点时采用VC算法反演风速，反之采用Young算法反演风速，统计试验亦校准了Young算法因仪器参数不同而引起的观测偏差。最后通过Jason-1高度计经过珊珊台风中心的一个个例试验验证了本文方法的有效性。

1 反演算法

因方法和数据量的不同，从1981年至今已发展了很多雷达高度计的风速反演算法。相比之下计算稳定、精度较高且应用广泛的反演算法有MCW算法和VC算法[11]。由于MCW算法仅是建立后向散射截面与风速的复杂数学模型来反演海面风速，VC算法考虑了波浪状态对风速反演的影响，其均方根误差比MCW算法降低了10%～15%，所以本文仅以VC算法为例展开分析试验。本文高度计资料以Jason-1资料为例。

Gourrion[8]等对全球的高度计和散射计在轨道交叉点测量的风速研究发现：以前广泛认同的海面风场对大尺度的重力波没有影响的结论值得商榷，也就是说海面风场对大尺度重力波存在影响。该影响虽然比对小的毛细重力波的影响要小些，但依旧需要将其考虑到高度计风速反演算法中去。通过进一步试验证明高度计测风的误差和测得的有效波高之间存在相关关系。Gourrion通过比较1996年和1997年的Topex/Poseidon和Nscat（散射计）的大量同步测量数据（96 436个）通过神经网络的方法得到VC算法。该算法的具体表达形式为

其中输入参数为后向散射截面σKou(dB)和有效波高Hs(m)，输出雷达高度计海面10 m风速V（m/s），其他参数均为常数，详见文献[8]。

VC算法的适用范围为0～20 m/s，强热带风暴，台风等极端恶劣天气条件下的风速常常会高于20 m/s，针对这种情况Young[5]于1993年对比模式输出的结果与高度计后向散射截面之间的关系得出了针对Geosat雷达高度计，适用于20～40 m/s的Young风速反演算法

2 校准方法

考虑到VC算法在模式建立阶段已经将浮标数据与后向散射截面在0～20 m/s的风速区间内建立起误差小于2 m/s的映射关系，可假定VC算法在20 m/s附近反演精度可信。本文统计了Jason-1的Cycle172（2006年9月6日18时59分到2006年9月16日16时57分）中利用VC算法得出的所有在19.5～20.5 m/s的风速及其相应的有效波高及后向散射截面如图1所示。从图中可见，当风速在20 m/s附近时，后向散射截面绝大部分在10～10.5 dB之间，而有效波高则在5～10 m之间。其中后向散射截面很多低于10 dB，相应的有效波高高于10 m/s，这是由考虑到VC算法在模式建立阶段已经将浮标数据与后向散射截面在0～20 m/s的风速区间内建立起误差考虑到Young算法只是后向散射截面的线性函数，本文在20 m/s时仅考虑后向散射截面的值。对图1中后向散射截面做算术平均得出20 m/s对应的后向散射截面值为σc=10.231 3 dB。结合2种算法适用范围可以取σc为后向散射截面分界值，当时，利用VC算法反演风速，当时，利用Young算法反演风速。

图 1 Jason-1风速在19.5-20.5 m/s的风速、后向散射截面与有效波高统计分布Fig.1 Distribution of wind speed, backscatter cross section and significant wave height when the Jason-1 wind speed is between 19.5-20.5 m/s

Topex/Poseidon与Jason-1这2种高度计飞行高度及工作频率都相同，存在2.26 dB的系统偏移，Young算法是针对Geosat雷达高度计建立风速反演算法，而Geosat雷达高度计与Jason-1工作频率稍有偏移（Geosat为13.5 GHz，Jason-1为13.6 GHz），飞行高度差别很大（Geosat为800 km，Jason-1为1 300 km），所以有必要对Young算法在Jason-1上应用进行修正。根据Young算法可以得出20 m/s相应的后向散射截面值为8.125 dB，而VC算法在风速20 m/s时，后向散射截面的统计值经上面的讨论为10.231 3 dB，两者进行比较，得出偏移量2.108 dB。这样，Young算法应用到Jason-1的风速反演需订正为

图 2 经校准的VC算法曲线与Young算法曲线Fig.2 Graph of calibrated VC algorithm and Young algorithm

3 个例试验

本文选取高度计 Jason-1的Cycle172 Pass203（2006年9月16日3时14分UTC）资料，当Jason-1经过珊珊台风时，珊珊台风的基本数据如表1所列。台风中心纬度为20.6°N ，经度为124.7°E，最大风速为45 m/s。Jason-1高度计的轨迹如图3所示，该高度计刚好通过珊珊台风。其中实线圆圈为10级风圈，虚线圆圈为7级风圈。

表 1 珊珊台风数据Tab.1 Typhoon Shanshan information

高度计轨迹上风速、有效波高及后向散射截面如图4所示。横坐标为选取的高度计轨迹所经过的纬度范围16-25°N。图4a中实线为利用VC算法得出的高度计反演风速曲线，虚线为当时，通过Young算法反演得到的20 m/s以上的风速曲线。可以看出通过VC算法反演20 m/s以上的风速时，其反演值比Young算法反演值低，而Young算法反演风速的最大值为46.5 m/s，与中国台风网提供的最大值45 m/s（如表1所列）仅存在1.5 m/s的误差。图4b为Ku波段有效波高，图4c为Ku波段后向散射截面。从图中可以看出，图4a中风速在16°N到17.6°N附近仅为8 m/s，随后震荡上升，直至20.2°N附近达到风速最大值46.5 m/s，随后风速急剧下降，到20.6°N为一风速极小值，大约10 m/s，之后风速攀升至28 m/s，再缓慢下降到7 m/s，这是一个很明显的台风风场剖面图，在20.6°N为一风速达到极小值，相应的有效波高亦为极小，而后向散射系数为一极大值，此处就是高度计所经过的姗姗台风中心位置。由于高度计资料与实测资料在高风速区匹配较少，致使算法在高风速区的不稳定，陈戈等[4]指出风速的均方根误差随着风速增大而急剧增大，风速在25 m/s左右时，均方根误差在2.5 m/s左右，这可能是风速、有效波高和后向散射系数在台风区震荡剧烈的原因。

图 3 高度计轨迹及珊珊台风风圈示意[10]Fig.3 Altimeter track and Typhoon Shanshan wind circle

图 4 高度计轨迹上风速、有效波高及后向散射截面Fig.4 Wind speed, backscatter cross section and significant wave height along altimeter track

4 结 论

现行业务运行的算法只考虑0～20 m/s的风速情况，难以准确获取极端恶劣天气如台风等情况下的风速，本文提出了VC算法与Young算法相结合反演高度计海面风速的方法。通过对Jason-1资料的统计试验，确定了后向散射截面临界点，当高度计后向散射截面大于等于该临界点时采用VC算法反演风速，反之采用Young算法反演风速，统计试验亦校准了Young算法因仪器参数不同而引起的观测偏差。选取了Jason-1高度计经过珊珊台风中心的一个个例进行试验。试验结果表明，对于Jason-1雷达高度计单纯使用VC算法会使得反演结果严重偏低，利用校准后的Young算法进行20～40 m/s的风速反演能够有效的提高反演精度。分析过程中进一步证实了利用Young算法反演20～40 m/s的风速的有效性。本文方法可应用到我国即将发射的海洋二号卫星的高度计风速反演业务应用算法中。

致谢：本文研究过程中得到南京理工大学杨乐博士的大力帮助，在此表示诚挚的谢意。

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[11]姜祝辉, 黄思训, 杜华栋, 等.利用变分结合正则化方法对高度计风速资料调整海面风场的研究 [J].物理学报, 2010, 59(12): 8968-8977.

Research on the combination of Vandemark-Chapron algorithm and Young algorithm to retrieve the altimeter sea surface wind speed

JIANG Zhu-hui1, HUANG Si-xun1, GUO Hong-tao1, HE Ying-ming1, YIN Zhi-quan2

(1.Institute of Meteorology, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China; 2.Physics Team, Yuquan Second Middle School, Haerbin 150322, China)

Considering the deficiency of the current radar altimeter wind speed retrieval algorithm, VC algorithm (Vandemark-Chapron Algorithm) combined with Young algorithm is proposed to retrieve the altimeter sea surface wind speed.A critical point of the backscattering cross section is proposed through statistical experiment, if the altimeter backscattering cross section is greater or equal to the critical point then use the VC algorithm to retrieve the sea surface wind speed, otherwise use the Young algorithm.The statistical experiment also calibrates the observation bias.A case when Jason-1 altimeter is crossing the typhoon Shanshan shows that it appears a serious low wind speed bias when using the Young algorithm without calibration, and the retrieval accuracy is improved when using the calibrated Young algorithm.Analyses also prove that the Young algorithm is efficient when the wind speed is between 20 and 40m/s.

altimeter; wind speed retrieval; calibration

P732.6; P425

A

1001-6932(2011)06-0679-04

2010-10-06；

2011-03-17

国家自然科学基金（40775023）。

姜祝辉（1982－），男，博士生，主要从事海洋遥感研究。电子邮箱：jiangzhuhui@126.com。

黄思训（1946－），男，教授，博士生导师。电子邮箱：huangsxp@yahoo.com.cn。