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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

张有广,蒋城飞,贾永君,等. HY-2B卫星载荷联合观测海面阵风的一种反演方法[J]. 海洋学报,2022,44(11):133–143 doi: 10.12284/hyxb2022131
引用本文: 张有广,蒋城飞,贾永君,等. HY-2B卫星载荷联合观测海面阵风的一种反演方法[J]. 海洋学报,2022,44(11):133–143 doi: 10.12284/hyxb2022131
Zhang Youguang,Jiang Chengfei,Jia Yongjun, et al. An inversion method for joint observation of wind gusts by HY-2B satellite remote sensors[J]. Haiyang Xuebao,2022, 44(11):133–143 doi: 10.12284/hyxb2022131
Citation: Zhang Youguang,Jiang Chengfei,Jia Yongjun, et al. An inversion method for joint observation of wind gusts by HY-2B satellite remote sensors[J]. Haiyang Xuebao,2022, 44(11):133–143 doi: 10.12284/hyxb2022131

HY-2B卫星载荷联合观测海面阵风的一种反演方法

doi: 10.12284/hyxb2022131
基金项目: 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0302)
详细信息
    作者简介:

    张有广(1971-),男,山东省济南市人,研究员,从事海洋微波遥感研究。E-mail:zhangyouguang@mail.nsoas.org.cn

    通讯作者:

    蒋城飞(1990-),男,博士,主要从事海洋微波遥感研究。E-mail:jcf@mail.nsoas.org.cn

  • 中图分类号: P714+.1;P715.6

An inversion method for joint observation of wind gusts by HY-2B satellite remote sensors

  • 摘要: 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。本文利用HY-2B卫星雷达高度计观测的后向散射系数,结合校正微波辐射计观测的亮度温度信息,提出联合反演阵风风速的方法。两个遥感载荷联合反演得到的阵风风速与2019–2021年美国国家浮标数据中心(NDBC)浮标数据进行真实性检验,结果显示:阵风风速均方根误差(RMSE)为0.98 m/s,相关系数为0.82;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。本文在HY-2B卫星雷达高度计海面风速观测的基础上,纳入同一卫星平台校正微波辐射计的同步观测信息联合实现了海面阵风的观测,数据的比对结果证明文中方法具有较高的观测精度。同时,该方法对于具有相同观测体制的国内外卫星也适用。
  • 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

    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

    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

    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

    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)

    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

    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

    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  1  Gourrion模型参数

    Tab.  1  Gourrion model parameters

    参数ab
    σ0–0.343 360.069 09
    SWH0.087 250.063 74
    U100.10.028 44
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    表  2  Gourrion模型参数

    Tab.  2  Gourrion model parameters

    参数矩阵元素
    ${ \overline {{\boldsymbol{W}}_{x}} }$–33.950 62–11.033 94
    –3.934 28–0.058 34
    $ {\overline {{\boldsymbol{W}}_{y}} }$0.540 1210.404 81
    ${ \overline {{\boldsymbol{B}}_{x}} }$18.063 78–0.372 28
    ${ \overline {{\boldsymbol{B}}_{y}} }$–2.283 87
    ${ {\boldsymbol{P} } }$$ { { {a} }_{\sigma^0} + b_{\sigma^0}\sigma ^0}$aSWH + bSWHSWH
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    表  3  HY-2B卫星与41044浮标2019年数据比对结果

    Tab.  3  Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 41044 in 2019

    序号日期观测源时间观测位置阵风
    风速/
    (m·s−1)
    绝对
    误差/
    (m·s−1)
    观测点
    距离/
    km
    14月4日卫星21:4321.38°N,59.15°W8.30.160
    4104421:4021.59°N,58.63°W8.2
    26月27日卫星21:4321.38°N,59.15°W8.60.159
    4104421:4021.59°N,58.63°W8.7
    37月25日卫星21:4321.60°N,59.21°W9.80.660
    4104421:4021.59°N,58.63°W9.2
    48月22日卫星21:4321.3°N,59.14°W5.70.960
    4104421:4021.59°N,58.63°W7.6
    59月19日卫星21:4421.45°N,59.18°W8.71.359
    4104421:4021.59°N,58.63°W10.0
    612月12日卫星21:4421.49°N,59.21°W9.50.261
    4104421:4021.59°N,58.63°W9.7
    712月26日卫星21:4421.5°N,59.21°W10.91.461
    4104421:4021.59°N,58.63°W9.5
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    表  4  HY-2B卫星与41044浮标2020年数据比对结果

    Tab.  4  Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 41044 in 2020

    序号日期观测源时间观测位置阵风
    风速/
    (m·s−1)
    绝对
    误差/
    (m·s−1)
    观测点
    距离/
    km
    11月9日卫星21:4421.42°N,59.23°W9.30.361
    4104421:4021.59°N,58.63°W9.6
    22月6日卫星21:4421.51°N,59.21°W11.61.061
    4104421:4021.59°N,58.63°W10.6
    34月16日卫星21:4421.62°N,59.23°W7.70.360
    4104421:4021.58°N,58.63°W8.0
    45月28日卫星21:4521.56°N,59.20°W6.20.359
    4104421:5021.58°N,58.63°W6.5
    57月23日卫星21:4521.62°N,59.23°W11.40.558
    4104421:4021.59°N,58.63°W10.9
    69月3日卫星21:4421.62°N,59.23°W6.70.458
    4104421:4021.59°N,58.63°W7.1
    79月17日卫星21:4421.45°N,59.18°W12.2059
    4104421:4021.59°N,58.63°W12.2
    810月1日卫星21:4421.58°N,59.22°W10.01.261
    4104421:4021.59°N,58.63°W8.8
    910月15日卫星21:4421.62°N,59.23°W6.10.359
    4104421:4021.59°N,58.63°W6.4
    1011月12日卫星21:4421.51°N,59.19°W10.30.258
    4104421:4021.59°N,58.63°W10.1
    1112月24日卫星21:4421.62°N,59.23°W14.40.858
    4104421:4021.59°N,58.63°W13.6
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    表  5  HY-2B卫星与41044浮标2021年数据比对结果

    Tab.  5  Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 41044 in 2021

    序号日期观测源时间观测位置阵风
    风速/
    (m·s−1)
    绝对
    误差/
    (m·s−1)
    观测点
    距离/
    km
    12月4日卫星21:4621.56°N,59.21°W6.01.560
    4104421:4021.59°N,58.63°W7.5
    22月18日卫星21:4421.47°N,59.19°W10.21.359
    4104421:4021.59°N,58.63°W11.5
    33月18日卫星21:4421.47°N,59.19°W8.11.560
    4104421:4021.59°N,58.63°W9.6
    45月13日卫星21:4421.60°N,59.21°W8.30.360
    4104421:4021.59°N,58.63°W8.6
    56月24日卫星21:4621.59°N,59.21°W6.20.560
    4104421:5021.59°N,58.63°W5.7
    66月10日卫星21:4621.61°N,59.21°W7.70.660
    4104421:5021.59°N,58.63°W7.1
    77月8日卫星21:4621.60°N,59.21°W10.00.460
    4104421:5021.59°N,58.63°W9.6
    88月19日卫星21:4621.59°N,59.21°W11.40.361
    4104421:5021.59°N,58.63°W11.7
    99月2日卫星21:4621.59°N,59.21°W6.30.860
    4104421:5021.59°N,58.63°W7.1
    109月16日卫星21:4721.59°N,59.21°W8.20.558
    4104421:5021.59°N,58.63°W7.7
    1112月9日卫星21:4721.59°N,59.21°W9.60.260
    4104421:5021.59°N,58.63°W9.8
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    表  6  HY-2B卫星与51000浮标2019年数据比对结果

    Tab.  6  Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 51000 in 2019

    序号日期观测源时间观测位置阵风
    风速/
    (m·s−1)
    绝对
    误差/
    (m·s−1)
    观测点
    距离/
    km
    14月21日卫星16:3123.54°N,153.47°W10.41.433
    5100016:5023.528°N,153.792°W11.8
    26月2日卫星16:3123.51°N,153.48°W9.90.432
    5100016:5023.528°N,153.792°W9.6
    36月16日卫星16:3123.50°N,153.45°W9.01.734
    5100016:5023.528°N,153.792°W10.7
    46月30日卫星16:3123.34°N,153.53°W9.11.534
    5100016:5023.528°N,153.792°W10.6
    58月25日卫星16:3123.53°N, 153.48° W10.30.832
    5100016:5023.528°N,153.792°W9.5
    69月8日卫星16:3123.50°N,153.49°W9.50.332
    5100016:5023.528°N,153.792°W9.8
    79月22日卫星16:3123.52°N,153.49°W11.90.332
    5100016:5023.528°N,153.792°W11.6
    811月3日卫星16:3223.53°N,153.49°W8.20.132
    5100016:5023.528°N,153.792°W8.3
    912月1日卫星16:3123.55°N,153.49°W9.11.631
    5100016:5023.528°N,153.792°W10.7
    1012月15日卫星16:3123.54°N,153.49°W8.11.831
    5100016:5023.528°N,153.792°W9.9
    1112月29日卫星16:3123.53°N,153.47°W9.00.932
    5100016:5023.528°N,153.792°W9.9
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    表  7  HY-2B卫星与51000浮标2020年数据比对结果

    Tab.  7  Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 51000 in 2020

    序号日期观测源时间观测位置阵风
    风速/
    (m·s−1)
    绝对
    误差/
    (m·s−1)
    观测点
    距离/
    km
    11月12日卫星16:3123.57°N,153.49°W17.11.930
    5100016:5023.528°N,153.792°W15.2
    22月23日卫星16:3123.54°N,153.49°W8.51.431
    5100016:5023.528°N,153.792°W9.9
    33月22日卫星16:3123.53°N,153.48°W9.90.132
    5100016:5023.528°N,153.792°W9.4
    45月3日卫星16:3123.45°N,153.49°W9.01.732
    5100016:5023.528°N,153.792°W7.3
    55月17日卫星16:3323.55°N,153.47°W8.80.133
    5100016:3023.528°N,153.792°W8.9
    66月14日卫星16:3323.54°N,153.47°W7.90.233
    5100016:3023.528°N,153.792°W8.1
    77月12日卫星16:3323.50°N,153.48°W8.61.132
    5100016:3023.528°N,153.792°W9.7
    87月26日卫星16:3323.50°N,153.48°W16.61.932
    5100016:4023.528°N,153.792°W14.7
    98月9日卫星16:3123.55°N,153.47°W10.50.733
    5100016:3023.528°N,153.792°W9.8
    108月23日卫星16:3123.55°N,153.48°W7.50.432
    5100016:3023.528°N,153.792°W7.1
    119月6日卫星16:3123.51°N,153.49°W10.00.831
    5100016:3023.528°N,153.792°W9.2
    129月20日卫星16:3123.52°N,153.49°W8.80.731
    5100016:3023.528°N,153.792°W8.1
    1310月18日卫星16:3123.55°N,53.48°W10.20.533
    5100016:3023.528°N,153.792°W10.7
    1411月15日卫星16:3123.56°N,153.47°W6.50.532
    5100016:3023.528°N,153.792°W7.0
    1511月29日卫星16:3123.52°N,153.48°W9.90.332
    5100016:3023.528°N,153.792°W10.2
    1612月27日卫星16:3123.54°N,153.47°W14.40.833
    5100016:3023.528°N,153.792°W13.6
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    表  8  HY-2B卫星与51000浮标2021年数据比对结果

    Tab.  8  Comparison results between HY-2B satellite and Buoy 51000 in 2021

    序号日期观测源时间观测位置阵风
    风速/
    (m·s−1)
    绝对
    误差/
    (m·s−1)
    观测点
    距离/
    km
    11月24日卫星16:3123.54°N,153.47°W12.70.632
    5100016:3023.528°N,153.792°W13.3
    22月26日卫星16:3123.53°N,153.49°W11.30.131
    5100016:3023.528°N,153.792°W11.4
    33月7日卫星16:3423.6°N,153.47°W10.62.134
    5100016:3023.528°N,153.792°W12.7
    43月21日卫星16:3123.55°N,153.49°W10.90.431
    5100016:3023.528°N,153.792°W11.3
    55月2日卫星16:3123.52°N,153.48°W9.50.332
    5100016:3023.528°N,153.792°W9.8
    65月16日卫星16:3123.50°N, 153.48° W10.70.532
    5100016:3023.528°N,153.792°W10.2
    77月11日卫星16:3523.55°N,153.47°W8.40.732
    5100016:3023.528°N,153.792°W9.1
    87月25日卫星16:3523.51°N,153.50°W10.92.130
    5100016:3023.528°N,153.792°W8.8
    98月22日卫星16:3523.6°N,153.5°W13.92.136
    5100016:3023.528°N,153.792°W11.8
    109月5日卫星16:3523.55°N,153.47°W8.20.733
    5100016:3023.528°N,153.792°W7.5
    119月19日卫星16:3523.56°N,153.44°W9.60.636
    5100016:3023.528°N,153.792°W9.0
    1210月3日卫星16:3523.56°N,153.44°W9.00.636
    5100016:3023.528°N,153.792°W8.4
    1311月28日卫星16:3523.55°N,153.47°W14.01.433
    5100016:3023.528°N,153.792°W12.6
    1412月12日卫星16:3123.53°N,153.48°W10.10.632
    5100016:5023.528°N,153.792°W9.5
    1512月26日卫星16:3123.53°N,153.48°W12.51.432
    5100016:5023.528°N,153.792°W11.1
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    表  9  Jason-3 卫星与41047浮标数据比对结果

    Tab.  9  Comparison results between Jason-3 satellite and Buoy 41047

    序号日期观测源时间观测位置阵风风速/(m·s−1)绝对误差/(m·s−1)观测点距离/km
    12016年4月15日卫星11:1127.22°N,70.72°W6.91.079
    4104710:5027.46°N,71.47°W7.9
    22016年4月25日卫星09:1027.20°N,70.71°W10.51.580
    4104708:5027.46°N,71.47°W9.0
    32016年6月4日卫星01:0427.24°N,70.68°W5.90.482
    4104701:1027.46°N,71.47°W5.5
    42016年6月23日卫星21:0127.22°N,70.70°W5.40.181
    4104721:0027.46°N,71.47°W5.5
    52016年7月23日卫星14:5727.22°N,70.71°W4.6080
    4104715:0027.46°N,71.47°W4.6
    62016年9月1日卫星06:5127.26°N,71.69°W7.91.180
    4104707:0027.46°N,71.47°W6.8
    72016年10月1日卫星00:4627.20°N,70.70°W8.70.381
    4104700:5027.46°N,71.47°W9.0
    82016年10月10日卫星22:4527.21°N,70.71°W15.20.280
    4104722:5027.46°N,71.47°W15.0
    92016年10月20日卫星20:4327.21°N,70.71°W12.80.680
    4104720:5027.46°N,71.47°W12.2
    102016年10月30日卫星18:4227.22°N,70.71°W8.71.180
    4104718:5027.46°N,71.47°W9.8
    112016年11月29日卫星12:3827.24°N,70.69°W9.60.481
    4104712:5027.46°N,71.47°W9.2
    122016年12月19日卫星08:3527.21°N,70.70°W8.70.581
    4104708:4027.46°N,71.47°W9.2
    132017年4月7日卫星10:1827.21°N,70.70°W10.90.181
    4104710:2027.46°N,71.47°W10.8
    142017年5月17日卫星04:1427.22°N,70.70°W6.61.581
    4104704:2027.46°N,71.47°W5.1
    152017年10月2日卫星21:5227.21°N,70.71°W12.40.780
    4104722:0027.46°N,71.47°W13.1
    162017年10月22日卫星17:4927.21°N,70.71°W10.70.780
    4104717:5027.46°N,71.47°W10.0
    172017年11月1日卫星15:4727.21°N,70.71°W9.50.680
    4104715:5027.46°N,71.47°W10.1
    182017年11月11日卫星13:4627.24°N,70.69°W10.11.381
    4104713:5027.46°N,71.47°W11.4
    192017年11月21日卫星11:4527.23°N,70.70°W13.50.980
    4104711:5027.46°N,71.47°W14.4
    202017年12月1日卫星09:4327.23°N,70.70°W9.21.280
    4104709:5027.46°N,71.47°W8.0
    212017年12月11日卫星07:4227.22°N,70.70°W12.62.481
    4104707:4027.46°N,71.47°W10.2
    222018年1月10日卫星01:3727.28°N,70.67°W13.51.781
    4104701:5027.46°N,71.47°W11.8
    232018年2月28日卫星15:3027.21°N,70.71°W11.02.080
    4104715:4027.46°N,71.47°W13.0
    242018年3月20日卫星11:2727.22°N,70.70°W8.30.181
    4104711:3027.46°N,71.47°W8.4
    252018年4月29日卫星03:2127.21°N,70.70°W8.40.281
    4104703:3027.46°N,71.47°W8.2
    262018年5月9日卫星01:1927.23°N,70.69°W10.51.581
    4104701:2027.46°N,71.47°W9.3
    272018年5月18日卫星23:1827.24°N,70.69°W10.50.281
    4104723:3027.46°N,71.47°W10.3
    282018年5月28日卫星21:1727.22°N,70.70°W8.90.481
    4104721:2027.46°N,71.47°W8.5
    292018年7月17日卫星11:0927.22°N,70.70°W6.70.181
    4104711:2027.46°N,71.47°W6.8
    302018年7月27日卫星09:0827.27°N,70.68°W5.80.381
    4104709:2027.46°N,71.47°W5.5
    312018年11月13日卫星10:5127.21°N,70.71°W10.00.280
    4104711:0027.46°N,71.47°W9.8
    322018年11月23日卫星08:5027.28°N,70.67°W12.20.780
    4104709:0027.46°N,71.47°W12.9
    332018年12月3日卫星06:4827.27°N,70.68°W6.81.281
    4104706:5027.46°N,71.47°W5.6
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-02-15
  • 修回日期:  2022-05-25
  • 网络出版日期:  2022-07-29
  • 刊出日期:  2022-11-03

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