HY-2B 卫星载荷联合观测海面阵风的一种反演方法

张有广，蒋城飞，贾永君，马小峰

( 1. 南方海洋科学与工程广东省实验室（广州），广东 广州 511485；2. 国家卫星海洋应用中心，北京 100081)

1 引言

海上阵风是海面的瞬时极大风速。在海洋工程结构设计中，尤其是上层建筑结构必须要考虑阵风的作用[1]。阵风特性研究也是大风预报和服务的基础[2]。胡波等[3]利用2006–2012 年的NCEP/NCAR 再分析数据、舟山群岛68 个自动站的小时极大风速数据，通过定义大气环流形势相似指数和地面风场相似指数，建立一种阵风经验统计降尺度映射预报模型。魏晓琳等[4]利用深圳沿海站点的风速观测资料，按季风及热带气旋两种类型探讨了阵风和阵风系数的统计特征。周福等[2]基于2011–2013 年浙江省自动气象站逐日逐10 min 测风资料，分析了浙江省陆地和近海海面冷空气、热带气旋和强对流大风的阵风系数特征，认为模糊聚类可帮助提高模型阵风系数预报能力。Giglio 等[5]认为上层海洋过程在海气耦合中起着关键作用，在短时间尺度和长时间尺度上都有变化。当日平均风较弱时，阵风调节海地表水混合到更深处的速度。阵风比白天的风强得多。即使在一维过程模型中使用随机阵风，但不使用日风作为输入，也可以得到与观测值比较好的日温度估计值。胡波等[3]利用2006–2016 年冬、春季浙江4 个海岛气象站10 m大风观测资料和ERA-interim 资料，采用高斯过程回归方法建立阵风概率预报模型，并进行试报，大部分站点阵风预报的50%概率区间上下界跨度约为2.5 m/s,75 %概率区间跨度约为4.5 m/s[3]。万夫敬等[6]利用上海台风研究所移动观测车获取的“莫拉克”台风登陆过程中超声风、温等观测资料对地面阵风特性进行了诊断分析。

综上所述，国内外对海上阵风的研究并不多，且大多集中在阵风预报和应用方面，对于海洋阵风数据的获取技术未见文献系统论述。我国的海洋动力环境卫星（HY-2B）于2018 年投入在轨业务运行，已经具备全球海面风速等海洋动力环境信息的业务化获取能力[7]。利用HY-2B 卫星上的雷达高度计获取海面的风速信息是其主要功能之一。迄今研究学者已提出大约20 种的雷达高度计风速反演算法，其中比较著名的包括文献中提出的仅依赖于Ku 波段后向散射系数单参数经验算法[8–12]。Gourrion 等[13]通过对TOPEX/Poseidon 高度计测量的有效波高和标准化雷达后向散射截面资料与NSCAT 风速数据进行时空匹配处理, 得到同步数据集，利用人工神经网络方法试验得到反演海面风速的两参数算法（即将后向散射系数和有效波高都作为输入的参数）。目前，HY-2B 卫星雷达高度计就是采用这种方法获取全球海面风速信息。

综上所述，国内外对海上阵风的研究并不多，且大多集中在阵风预报和应用研究方面，对于海洋阵风数据的获取技术未见文献系统论述。同时，现有的卫星雷达高度计获取的只是海面风速的信息，也未提供海面阵风风速的观测。本文将在HY-2B 卫星雷达高度计海面风速观测的基础上，纳入被动遥感观测的校正微波辐射计的同步观测信息，补偿雷达高度计的风速观测能力，实现两个遥感载荷联合的海面阵风观测，为阵风风速的观测提供一种可靠的卫星遥感信息获取手段。

2 卫星观测及相关数据源

2.1 雷达高度计及观测数据

雷达高度计是海洋动力环境卫星上的主动微波遥感载荷。它向海面垂直发射脉冲，通过接收返回脉冲的信号进行信息的获取。在返回的脉冲信号波形中，波形的幅度与海面后向散射特性具有相关性，利用这种相关关系可以建立海面风速与后向散射系数的算法模型，进而实现风速信息的获取[14]。HY-2B 卫星雷达高度计有Ku 和C 两个频段，都可以进行有效波高和风速的观测，在卫星二级标准数据产品中包含了Ku 和C 频段的后向散射系数、海面风速、有效波高和海面高度等海洋动力环境信息。图1 为文中所用的后向散射系数沿轨道分布示意图，数据的沿轨空间分辨率为7 km，1 s 一个观测数据点，每个观测数据的空间足印为1.9 km。Jason-3 卫星由美国和法国联合研制，Jason-3 卫星雷达高度计与HY-2B 卫星雷达高度计属于相同工作体制的遥感器，技术指标也基本一致[15]。

图1 HY-2B 卫星雷达高度计观测的海面后向散射系数示意图Fig. 1 Backscattering coefficient observed by HY-2B satellite radar altimeter

2.2 校正辐射计及观测数据

校正辐射计是海洋动力环境卫星上专门为雷达高度计配备的用于大气湿对流层路径延迟校正的被动微波遥感载荷。HY-2B 卫星校正辐射计有18.7 GHz（T18）、23.8 GHz（T23）和37 GHz（T37） 3 个亮度温度观测通道，这3 个通道分别对海面风速、大气水汽和云液态水含量信息敏感，进而可以建立相应的反演算法[16]。校正辐射计各通道的亮度温度观测数据已经融合到雷达高度计的二级标准数据产品中，数据的采样间隔也是1 s，空间分辨率为24 km。Jason-3 卫星校正辐射计有18.7 GHz（T18）、23.8 GHz（T23）和34 GHz（T37） 3 个亮度温度观测通道，技术指标基本与HY-2B 校正辐射计一致[15]。文中所用的HY-2B 卫星校正辐射计T18数据的沿轨分布示意图，如图2 所示。

图2 HY-2B 卫星校正微波辐射计18.7 GHz 通道观测亮度温度示意图Fig. 2 Brightness temperature of 18.7 GHz channel of HY-2B satellite correction radiometer

2.3 美国国家浮标数据中心观测数据

美国国家浮标数据中心（NDBC）持续提供高质量的海洋环境观测，以支持对天气、气候、海洋和海岸变化的理解和预测。NDBC 全球浮标观测体系中有1 000 多个各类浮标，用来获取海洋和大气的多种现场观测数据。其中，浮标获取的风速信息有海面风速和阵风风速等。海面风速是NDBC 浮标在8 min 内的平均风速（m/s），陆地站在2 min 内的平均风速（m/s），每小时报告一次；阵风风速是在8 min 或2 min 内测得的峰值5 s 或8 s 阵风风速（m/s）。本文研究中选取了距离HY-2B 卫星星下点观测距离最近的2 个浮标点的观测数据进行定量评估，分别是41044 和51000浮标，时段是2019–2021 年。选取了距离Jason-3 卫星星下点观测距离最近的浮标41047 进行研究方法的适用性评估，数据时段是2016–2018 年。图3 为截取自NDBC 的浮标位置示意图，浮标51000、41044和41047（图中红圈内）分别位于美国东部太平洋和西部大西洋开阔海域，卫星数据不受陆地污染，利用数据的比对和分析。

图3 美国国家浮标数据中心浮标位置示意图Fig. 3 National data buoy center buoy position

3 研究方法

3.1 现有海面风速反演方法

HY-2B 卫星雷达高度计风速反演算法中利用了Gourrion 等[13]提出的双参数模型，即

根据上述方法，HY-2B 卫星雷达高度计可以实现全球海面风速的观测（图4），在非降雨条件下，20 m/s风速以内的观测精度优于2 m/s[17]。

图4 HY-2B 卫星雷达高度计观测海面风速示意图Fig. 4 Sea surface wind speed observed by HY-2B satellite radar altimeter

3.2 海面阵风风速反演方法

为了研究海面风速和阵风之间的关系，本文选取了距离HY-2B 卫星星下点观测距离最近的2 个ND-BC 浮标的观测数据，分别是41044 和51000 浮标；选取的浮标观测数据时段是2019–2021 年。51000和41044 浮标分别位于美国东部太平洋和西部大西洋开阔海域，卫星数据不受陆地污染，利于数据的比对和分析。经过数据筛选，有70 对数据点满足时间1 h，空间距离100 km 以内的数据匹配条件，相应的HY-2B 卫星雷达高度计获取的海面风速（W0）与NDBC 浮标的海面风速（wb）和阵风风速（wg）比对结果，如图5 和图6 所示。

图5 HY-2B 卫星的海面风速（W0）和NDBC 浮标观测到的对应海面风速（wb）及阵风风速（wg）Fig. 5 HY-2B satellite sea surface wind speed (W0) and the corresponding sea surface wind speed (wb) and wind gusts (wg)observed by NDBC buoy

图6 HY-2B 卫星的海面风速（W0）与NDBC 浮标风速（wb）以及阵风风速（wg）之间的绝对误差Fig. 6 Absolute error between HY-2B satellite wind speed(W0) and NDBC buoy wind speed (wb) and wind gusts (wg)

表1 Gourrion 模型参数Table 1 Gourrion model parameters

表2 Gourrion 模型参数Table 2 Gourrion model parameters

这里以浮标41044 在2021 年10 月1 日和浮标51000 在2021 年10 月3 日的卫星观测为例，在图7和图8 中展示了卫星观测海面风速W0和阵风风速WG的变化。由图7 和图8 可以看出，本文方法（图中红线）明显提升了HY-2B 卫星海面风速（图中蓝线）观测的量值。

图7 浮标41044 附近的HY-2B 卫星观测海面风速（W0）和阵风风速（WG）Fig. 7 Wind speed (W0) and wind gust (WG) observed by HY-2B satellite near Buoy 41044

图8 浮标51000 附近的HY-2B 卫星观测海面风速（W0）和阵风风速（WG）Fig. 8 Wind speed (W0) and wind gust (WG) observed by HY-2B satellite near Buoy 51000

4 数据验证与讨论

4.1 HY-2B 卫星数据与浮标的比对和评价

为了对本文方法进行定量化评估，将NDBC 浮标观测的海面风速和阵风风速纳入进行真实性检验。通过数据匹配共找到70 对数据，具体的比对信息见图9 至图11 和表3 至表8。数据比对结果中除了3 次阵风观测的绝对误差为2.1 m/s，其他数据观测绝对误差均优于2.0 m/s。按照式（6）计算的均方根误差（RMSE）为0.98 m/s，卫星和浮标数据的相关性0.82。

图9 HY-2B 卫星获取的阵风风速（WG）与NDBC 浮标观测到的阵风风速（wg）Fig. 9 HY-2B satellite observed wind gust (WG) and wind gusts (wg) observed by NDBC buoy

图10 HY-2B 卫星与2019–2021 年浮标阵风数据比对散点图Fig. 10 Scatter diagram of comparison between HY-2B satellite wind gust and buoy wind gust from 2019 to 2021

图11 卫星的风速和阵风风速与浮标观测结果之间的绝对误差Fig. 11 Absolute error between satellite wind speed and gust wind speed and buoy observations

表3 HY-2B 卫星与41044 浮标2019 年数据比对结果Table 3 Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 41044 in 2019

表4 HY-2B 卫星与41044 浮标2020 年数据比对结果Table 4 Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 41044 in 2020

续表4

表5 HY-2B 卫星与41044 浮标2021 年数据比对结果Table 5 Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 41044 in 2021

表7 HY-2B 卫星与51000 浮标2020 年数据比对结果Table 7 Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 51000 in 2020

续表7

续表8

表8 HY-2B 卫星与51000 浮标2021 年数据比对结果Table 8 Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 51000 in 2021

式中，m为比对数据点数；wg为浮标阵风风速；WG为卫星观测阵风风速。

如图11 所示，卫星观测海面风速W0与浮标阵风风速wg绝对误差最大可达4.2 m/s；卫星观测阵风速WG与浮标阵风风速wg绝对误差均在2.1 m/s 以内，绝大部分观测优于1.5 m/s。这表明文中方法具备可靠的阵风风速观测能力。

4.2 本文方法在同类卫星中的适用性评价

本文为了进一步检验反演方法，并评估方法在同类卫星上的适用性。这里将本文方法应用到Jason-3卫星上，反演的阵风风速与NDBC 的浮标41047 进行比对评估。浮标41047 位于北大西洋北部的北美海盆开阔海域（图3）。数据比对的时段为2016–2018 年，表9 和图12 为数据的比对结果，在33 个匹配数据点中，只有1 个数据点绝对误差为2.4 m/s，其他观测均达到或优于2 m/s，RMSE 为0.96 m/s，相关系数为0.88。数据比对验证表明：本文方法对于同类卫星也适用，也具备高精度的观测能力。

图12 2016-2018 年Jason-3 卫星与浮标阵风的对比散点图Fig. 12 Scatter diagram of comparison between Jason-3 satellite and buoy wind gust from 2016 to 2018

表9 Jason-3 卫星与41047 浮标数据比对结果Table 9 Comparison results between Jason-3 satellite and Buoy 41047

续表9

5 结论

海上阵风是对海上工程和海上安全必不可少的海洋环境信息，但缺乏相关的有效观测手段。本文针对海上阵风遥感观测开展研究，提出利用HY-2B 卫星雷达高度计观测的后向散射系数，结合同步校正微波辐射计观测的亮度温度信息联合反演阵风风速的方法。该方法是在卫星现有海面风速观测基础上，利用同步观测的校正辐射计提供的18.7 GHz 通道的亮度温度信息，来对雷达高度计对海面风速的观测进行补偿，进而具备阵风的观测能力。为了定量化评估文中方法的可靠性，采用两个遥感载荷联合反演得到的阵风风速与2019–2021 年NDBC 浮标数据进行真实性检验，结果显示：阵风风速RMSE 为0.98 m/s，相关系数为0.82。为了检验文中方法在同类卫星上的适用性，基于本方法利用国外同类卫星Jason-3 得到的阵风风速与2016–2018 年NDBC 浮标数据的RMSE为0.96 m/s，相关系数为0.88。通过数据比对和分析，采用雷达高度计和校正辐射计联合观测海上阵风风速是可行的，并具备较高的观测精度。同时，该方法对于具有相同观测体制的国内外卫星也适用。本文的研究可为海上阵风卫星遥感观测提供一种简单易行且可靠的技术手段。

致谢：感谢NDBC 网站提供的浮标阵风数据（https://www.ndbc.noaa.gov/）；感谢AVISO 提供的Jason-3 卫星雷达高度计数据（https://aviso.altimetry.fr/en/data.html）。