高分三号卫星在台风监测中的应用

林明森 袁新哲 刘建强 叶小敏 张庆君 赵良波 安大伟 彭勇钊

(1国家卫星海洋应用中心,北京 100081)(2北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

(3国家气象卫星中心,北京 100081)(4中国资源卫星应用中心,北京 100094)

高分三号卫星在台风监测中的应用

林明森1袁新哲1刘建强1叶小敏1张庆君2赵良波2安大伟3彭勇钊4

(1国家卫星海洋应用中心,北京 100081)(2北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

(3国家气象卫星中心,北京 100081)(4中国资源卫星应用中心,北京 100094)

高分三号(GF-3)卫星具有的全天时、全天候、多模式观测能力,既能够采用宽幅成像模式获取台风风场、台风路径的信息,也能够采用高分辨率模式在极端气候条件下对台风登陆区域进行精细观测,可以为台风监测、预报及台风灾害评估提供有效数据支撑。文章介绍了2017年7月以来,国家卫星海洋应用中心首次利用高分三号卫星对中国附近海域台风进行监测情况。论述了台风监测流程及台风监测专题产品生产方法,可为今后雷达卫星台风监测提供参考。

高分三号卫星;合成孔径雷达;台风监测

1 引言

我国是世界上遭受台风影响最严重的国家之一,特别是进入2017年以来,我国沿海台风频发,截至2017年9月底,已生成有编号台风19个,对沿海人民生命财产与经济发展造成了严重影响。针对汛期海上台风频发的严峻形势,国家海洋局专门部署了海洋卫星汛期保障工作安排。其中,作为高分三号(GF-3)卫星牵头主用户,国家海洋卫星应用中心联合国家气象卫星中心、中国资源卫星应用中心和北京空间飞行器总体设计部等卫星使用与研制单位,组建了GF-3卫星台风监测工作组。基于不同单位特点与优势,分工协作,首次开展了GF-3卫星海上台风监测工作。本文对GF-3卫星台风监测工作流程、数据处理方法等主要内容进行了介绍。

2 GF-3卫星台风监测主要优势

GF-3卫星作为海陆兼顾的C频段多极化SAR卫星,在成像模式、图像质量技术指标等方面重点考虑了包括台风在内的典型海洋要素的观测需求[1]。具体到台风监测,GF-3卫星具有如下优势。

(1)相对于散射计、辐射计、光学成像仪等能够监测台风的星载遥感载荷,GF-3卫星用于宽幅成像的扫描模式能够获取50～500 m的台风观测图像,基于这些观测图像能够反演得到千米级的高分辨率台风监测产品(以散射计卫星为例,风场产品分辨率一般为25 km)。并且能够对台风眼精细观测,在台风路径精细预报特别是预测台风登陆区域应用上具有优势。

(2)GF-3卫星具有的全天时、全天候、多模式数据获取能力,可以在极端气象条件下,获取台风登陆区域米级的高分辨率、多极化图像。结合台风登陆区域的历史观测数据,能够为台风登陆区域受损情况评估提供参考依据。

(3)台风往往伴随着强降水,是引发滑坡泥石流、城市内涝的重要因素。而C频段SAR图像中包含强降水信息,能够用于提取强降水信息[2]。

3 台风监测流程

台风监测工作组在对GF-3卫星特点与台风监测能力进行充分分析的基础上,制定了如图1所示的台风监测工作流程。

1)监测工作启动

国家卫星海洋应用中心根据海上台风预报,发起台风监测。并根据每日台风发展态势,决定卫星采用常规观测模式或应急观测模式。

2)台风路径预测

在台风寿命期间,其强度、路径与传播速度会多次改变。由国家卫星气象应用中心根据风云卫星全球连续观测资料,负责在每日卫星观测计划制作前8～24 h,提供台风路径预测信息,为GF-3卫星制定台风观测计划提供地理位置参考。图2为2018年8月监测第5号台风“奥鹿”期间,国家卫星气象应用中心提供的台风预测路径示意图。

3)卫星观测轨道分析

中国资源卫星应用中心根据台风路径与位置预测信息,负责提供卫星可观测轨道分析与不同成像模式对台风预测位置覆盖情况分析。图3为2017年8月4日台风“奥鹿”预测位置全球观测模式与宽幅扫描模式覆盖分析情况示意图。

4)SAR成像模式与雷达工作参数选择

由国家卫星海洋应用中心依据中国资源卫星中心分析结果,确定卫星成像模式与工作参数。

(1)成像模式:对于台风观测,考虑台风中心区域范围、台风传播速度、台风路径预测精度等因素,主要采用宽幅成像模式进行海上台风观测,即3种扫描成像模式:窄幅扫描、宽幅扫描和全球观测模式。预测时间越接近卫星观测时间,并且台风预测位置越靠近成像刈幅中心,可选择扫描模式中分辨率较高、幅宽较小的成像模式;反之,则选取分辨率较低、幅宽较大的成像模式。

对于台风登陆区,主要采用高分辨率与全极化成像模式:超精细条带、精细条带1和全极化条带成像模式。台风监测主要成像模式参数见表1。

表1 GF-3卫星台风监测主要成像模式Table 1 GF-3 satellite imaging mode used in monitoring typhoon

(2)手动增益控制(MGC)参数设置:MGC是影响雷达观测效果的重要参数,主要的作用是调整海面回波强度落在雷达接收机范围内。相对于平时海面,台风区域海面更为粗糙,海面强度回波高于平时海面回波强度,因此台风观测时应调整MGC参数适当降低雷达增益。

(3)极化方式:3种扫描成像模式都为双极化工作方式,即一次成像能够获取垂直发射垂直接收/垂直发射水平接收(VV/VH)、水平发射水平接收/水平发射垂直接收(HH/HV)两种极化组合中的一种。由于高风速同极化VV、HH数据容易饱和,一般反演实际主要采用交叉极化数据。而VH/HV极化差别不大,因此两种极化组合都可选。

5)观测指令制作与上注

成像模式和雷达工作参数确定后,由中国资源卫星应用中心制作观测指令,并发送至相关单位将指令上注卫星。

6)数据接收、处理与数据产品分发

卫星数据由高分地面接收网站接收后,传输至中国资源卫星应用中心,由其完成处理后推送至国家卫星海洋应用中心及其他卫星主用户服务器。

7)台风监测产品处理与分发

国家卫星海洋应用中心接收数据后,生成台风监测产品,与数据产品等一起向海洋其他用户分发。

对于监测工作中涉及卫星、载荷以及处理等问题,由卫星研制单位北京空间飞行器总体设计部负责技术协调。

4 台风监测产品处理

利用同极化SAR图像进行海面风速反演,一般利用地球物理模式函数进行。地球物理模式函数的风向输入可来源于外部风向信息(如实测风场、数值预报风场或散射计遥感风场等)或者SAR图像的风向信息(如风条纹信息和近岸背山风等)。

但是高风速条件下,同极化SAR图像雷达后向散射截面容易趋于饱和[3],而相同条件下交叉极化SAR达到饱和上限较高,现有研究表明,C频段SAR交叉极化风速反演的上限为55 m/s[4]。因此,采用的台风风场反演方法是:利用台风SAR图像自身特征确定海面风向;然后视风速情况,利用同极化的后向散射系数和C频段的地球物理模式函数(CMOD5)或者交叉极化的后向散射系数的高风速经验关系计算获得。具体步骤流程如下。

(1)首先进行SAR数据后向散射系数计算和定位等预处理。

(2)从SAR资料的辅助文件中,提取SAR各观测像素的雷达波入射角、方位角等信息(作为地球物理模式函数的输入);利用台风的SAR图像上的风条纹、背山风条纹(近岸SAR数据)、降雨与海面风作用的图像特性等综合信息,提取台风的精确风向[2]。

(3)对于风速小于约30 m/s的情况,将风向作为地球物理模式函数CMOD5的输入[5],利用VV极化SAR后向散射系数和海面风速的关系反演,获得台风区域的海面风速(对于HH极化的SAR,利用极化比函数将HH极化的后向散射系数转换为VV极化条件下的后向散射系数[6]);对于高风速情况,利用海面风速和交叉极化的SAR后向散射系数的经验关系[7],计算台风的海面风速。

图4为基于GF-3卫星1级产品进行台风风场反演的处理流程。图5为2017年8月23日台风“天鸽”图像及其台风监测产品。

5 台风监测情况

2017年7月底,工作组首先开展台风“奥鹿”与台风“纳沙”的观测工作,并于2017年7月29日至2017年8月4日分别成功获取了台风“奥鹿”与台风“纳沙”的GF-3卫星首批观测图像(见图6),并进行了台风监测产品制作与数据产品分发工作。通过上述工作,验证了台风监测工作流程的有效性,并为后续监测工作积累了经验。此后,工作组又陆续对今年登陆我国的最强台风“天鸽”及其登陆区域、2017年9月14日至9月16日期间海上“双台风”——“泰利”和“杜苏芮”等进行了成功监测。

截至2017年9月18日,共监测有编号台风6个,共获取台风及登陆区域观测数据30余景,包含台风眼的典型台风观测图像8景(见表2),并制作了相应的台风监测产品,向相关单位进行了快速产品分发。为汛期台风监测、SAR台风遥感科学研究提供了有效的数据支撑。

表2 获取的GF-3卫星典型台风观测数据Table 2 Typical typhoon images obtained by GF-3 satellite

6 结束语

本文介绍了国家海洋局首次利用GF-3卫星在2017年台风汛期保障期间的台风监测工作情况。从台风监测数据获取能力、观测数据质量及台风监测产品精度等方面,表明了GF-3卫星在台风监测中的应用能力与潜力。由于GF-3卫星是我国首颗C频段SAR科研试验卫星,目前只有1颗卫星在轨,卫星观测的时间分辨率与数据获取的时效性还需要提高;其次,2017年3月刚完成卫星在轨测试,我国沿海地区GF-3卫星高分辨率观测数据尚在积累阶段,用于台风登陆区域灾情对比分析的历史数据不足。

目前,我国正在开展首批SAR业务卫星——1 m分辨率C频段SAR卫星的研制工作。作为GF-3卫星的后续业务卫星,2颗1 m分辨率C频段SAR卫星将与GF-3卫星组网运行,并对可用于台风监测的扫描模式进行了优化,因此,卫星观测的时间分辨率与台风观测数据质量将进一步提高。可以预见随着GF-3卫星数据应用深入开展,以及1 m分辨率C频段SAR卫星发射,GF-3卫星将在业务化台风监测中发挥更重要的作用。

References)

[1]张庆君．高分三号卫星总体设计与关键技术[J]．测绘学报,2017,46(3):269-277 Zhang Qingjun．System design and key technologies of GF-3 satellite[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica Aerospace China,2017,46(3):269-277(in Chinese)

[2]叶小敏．海上降雨微波散射机理及其在合成孔径雷达海洋探测中的应用研究[D]．青岛:中国海洋大学,2017 Ye Xiaomin．Study of the microwave scattering mechanism of oceanic rainfall and its applications on ocean observationgs by synthetic aperture radar[D]．Qingdao:Ocean University of China,2017(in Chinese)

[3]Stoffelen A,Anderson D．Scatterometer data interpretation estimation and validation of the CMOD4[J]．Journal of Geophysical Research Oceanics,1997,102:5767-5780

[4]Zhang B,Perrie W．Cross-polarized synthetic aperture radar:a new potential technique for hurricanes[M]．Bulletin of the American Meteorologic Society,2012,93:5316-5341

[5]Hersbach H．Comparison of C-band scatterometer CMOD5．N equivalent neutral winds with ECMWF[J]．Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2010,27:721-736

[6]Yang X F,Li X F,Zheng Q A,et al．Comparison of ocean-surface winds retrieved from QuikSCAT scatterometer and Radarsat-1 SAR in offshore waters of the U．S．west coast[J]．IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2011,8:163-167

[7]Vachon P W,Wolfe J．C-band cross-polarization wind speed retrieval[J]．IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2011,3:456-459

Application of GF-3 Satellite Monitoring Typhoon

LIN Mingsen1YUAN Xinzhe1LIU Jianqiang1YE Xiaomin1ZHANG Qingjun2ZHAO Liangbo2AN Dawei3PENG Yongzhao4
(1 National Satellite Ocean Application Service,Beijing 100081,China)
(2 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)
(3 National Satellite Meteorological Centre,Beijing 100081,China)
(4 China Center for Resources Satellite Data and Application,Beijing 100094,China)

GF-3 satellite can not only obtain typhoon wind field and path information using wide swath imaging mode,but also can observe typhoon landed area using high resolution imaging model in extreme weather conditions,for it is made with all-time all-weather,multiple mode observing ability．Therefore GF-3 satellite can provide effective data for monitoring,forecasting and assessing typhoon．A work is first presented in this paper,that GF-3 satellite is used to monitor typhoon by the National Satellite Ocean Application Service(NSOAS)since July 2017．The workflow of this work and processing method of typhoon wind field products is also described,which can provide reference for the future monitoring typhoon through radar satellites．

GF-3 satellite;SAR;monitoring typhoon

P714

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.027

2017-10-26;

2017-11-20

高分专项GF-3卫星数据仿真技术(12-Y10A15-9001-15/16)

林明森,男,博士生导师,研究员,研究方向为卫星海洋遥感。Email:mslin＠mail．nsoas．org．cn。

(编辑:李多)