留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于双频降雨雷达数据的海面阵风计算方法研究

池淏 张有广 林静

池淏,张有广,林静. 基于双频降雨雷达数据的海面阵风计算方法研究[J]. 海洋学报,2025,47(6):1–9 doi: 10.12284/hyxb2025067
引用本文: 池淏,张有广,林静. 基于双频降雨雷达数据的海面阵风计算方法研究[J]. 海洋学报,2025,47(6):1–9 doi: 10.12284/hyxb2025067
Chi Hao,Zhang Youguang,Lin Jing. Research of sea surface gust calculation method based on dual-frequency precipitation radar data[J]. Haiyang Xuebao,2025, 47(6):1–9 doi: 10.12284/hyxb2025067
Citation: Chi Hao,Zhang Youguang,Lin Jing. Research of sea surface gust calculation method based on dual-frequency precipitation radar data[J]. Haiyang Xuebao,2025, 47(6):1–9 doi: 10.12284/hyxb2025067

基于双频降雨雷达数据的海面阵风计算方法研究

doi: 10.12284/hyxb2025067
基金项目: 国家重点研发计划新型海洋观测资料同化技术支撑项目(2021YFC3101502)。
详细信息
    作者简介:

    池淏(2000—),男,甘肃省天水市人,主要从事海面风场研究。E-mail:2313400008@hhu.edu.cn

    通讯作者:

    张有广(1971—),男,研究员,主要从事海洋微波遥感研究。E-mail: zhangyouguang@mail.nsoas.org.cn

Research of sea surface gust calculation method based on dual-frequency precipitation radar data

  • 摘要: 海面阵风对海洋资源利用、海洋研究以及海上运输与工程安全具有重要意义。但目前观测手段有限,海面阵风数据缺失严重。林静等基于HY-2B雷达高度计C、Ku波段后向散射系数的差值对海面风速进行修正,计算得到星下点的阵风风速,但观测范围较小。本文在此基础上,选用观测原理与雷达高度计相似的全球降雨观测计划(GPM)搭载的双频降雨雷达(DPR),利用其Ku、Ka波段后向散射系数的差值,并以ERA5海面风速作为观测值,对海面风速进行修正计算,得到阵风风速,以扩展观测范围并提高观测效率。结果表明:计算得到的阵风风速与ERA5阵风风速对比,相关系数(R)为0.96,均方根误差(RMSE)为1.79 m/s,平均偏差(Bias)为0.73 m/s,标准差(Std)为1.64 m/s;与同时期的NDBC浮标数据对比,R为0.91,RMSE为1.50 m/s,Bias为−0.15 m/s,Std为1.50 m/s,说明降雨雷达反演的阵风可靠性较好。进一步使用NDBC浮标海面风速代替ERA5海面风速后,R提高至0.95,RMSE降低至1.10 m/s,Bias为−0.07 m/s,Std为1.50 m/s,反演结果得到提高,说明精确的海面风速对阵风计算结果有较好的影响。
  • 图  1  Ku波段后向散射系数示意图

    Fig.  1  Schematic diagram of Ku band backscattering coefficient

    图  2  Ka波段后向散射系数示意图

    Fig.  2  Schematic diagram of Ka band backscattering coefficient

    图  3  NDBC浮标位置示意图

    Fig.  3  Schematic diagram of the position of the NDBC buoy

    图  4  2020年6月1日海面风速示意图

    Fig.  4  Schematic diagram of sea surface wind speed on June 1, 2020

    图  5  2020年6月1日海面阵风示意图

    Fig.  5  Schematic diagram of sea gusts speed on June 1, 2020

    图  6  反演阵风结果与NDBC浮标阵风数据散点分析

    Fig.  6  Scatter analysis of retrieved gust results and NDBC buoy gust data

    图  7  替换海面风速后的阵风反演结果与NDBC浮标阵风数据散点分析

    Fig.  7  Scatter analysis of gust retrieval results after replacing sea surface wind speed with NDBC buoy data

    表  1  ERA5与NDBC浮标匹配分析结果和浮标位置信息

    Tab.  1  Matching analysis results of ERA5 and NDBC buoy and specific information of buoys

    NDBC
    浮标站点
    纬度 经度 距离/
    km
    匹配对
    数量
    ERA5与浮标
    海面风速
    ERA5与浮标
    阵风风速
    R RMSE/
    (m·s−1)
    R RMSE/
    (m·s−1)
    41002 31.76°N 74.94°W 6.15 2155 0.81 1.94 0.81 2.19
    41040 14.54°N 53.14°W 12.92 2197 0.82 1.34 0.81 1.51
    41044 21.58°N 58.63°W 15.39 2146 0.73 1.74 0.76 1.82
    41048 31.83°N 69.57°W 11.33 2134 0.90 1.07 0.87 1.46
    42001 25.93°N 89.66°W 12.04 2052 0.91 1.30 0.90 1.59
    44011 41.09°N 66.56°W 11.57 1200 0.69 2.28 0.73 2.49
    46005 46.14°N 131.09°W 13.77 2150 0.75 2.15 0.78 2.26
    46066 52.77°N 155.01°W 1.78 2060 0.82 1.96 0.85 2.16
    46080 57.91°N 150.13°W 12.32 1979 0.85 1.84 0.86 2.10
    51001 24.48°N 162.03°W 5.05 2153 0.74 1.66 0.78 1.68
    下载: 导出CSV

    表  2  2020年6−8月阵风风速反演结果表

    Tab.  2  Gust wind speed retrieval results from June to August 2020

    时间 匹配对数量 R RMSE/
    (m·s−1)
    Bias/
    (m·s−1)
    Std/
    (m·s−1)
    2020年6月 1933334 0.96 1.79 0.73 1.64
    2020年7月 2071620 0.96 1.77 0.70 1.63
    2020年8月 1529099 0.96 1.81 0.76 1.64
    2020年6月至2020年8月 5534053 0.96 1.79 0.73 1.64
    下载: 导出CSV
  • [1] 徐霈霈. 不同分辨率风场强迫对海洋水动力模拟的影响分析[D]. 天津: 天津科技大学, 2015.

    Xu Peipei. Analysis of different resolutions of wind forcing on sea hydrodynamic simulation[D]. Tianjin: Tianjin University of Science and Technology, 2015.
    [2] 全国科学技术名词审定委员会. 大气科学名词[J]. 中国科技术语, 2009, 11(2): 16−18.

    China National Committee for Terminology in Science and Technology. Chinese scientific terms of atmospheric science[J]. China Terminology, 2009, 11(2): 16−18.
    [3] Wang Ke, Lü Xinyu, Huang Jing, et al. Influence of topography and the underlying surface of the Bohai Sea on wind and gust forecasts[J]. Earth and Space Science, 2023, 10(1): e2022EA002705. doi: 10.1029/2022EA002705
    [4] 吕艺影, 牛海林, 郝囝, 等. 基于ERA5再分析资料的余姚地区阵风预报模型探究[J]. 气象科学, 2021, 41(4): 551−560. doi: 10.12306/2020jms.0063

    Lü Yiying, Niu Hailin, Hao Jian, et al. Analysis of wind gust forecast model in Yuyao based on the reanalysis data ERA5[J]. Journal of the Meteorological Sciences, 2021, 41(4): 551−560 doi: 10.12306/2020jms.0063
    [5] 胡海川, 代刊. 我国近海阵风预报研究[J]. 气象, 2024, 50(6): 711−722.

    Hu Haichuan, Dai Kan. Research on gust forecasting in China’s offshore[J]. Meteorological Monthly, 2024, 50(6): 711−722.
    [6] 胡波, 俞燎霓, 滕代高. 高斯过程回归方法在浙江沿海海岛冬春季阵风预报中的应用试验[J]. 热带气象学报, 2019, 35(6): 767−779.

    Hu Bo, Yu Liaoni, Teng Daigao. Application of Gaussian process regression method to gust forecasting in winter and spring in Zhejiang Coastal Islands[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2019, 35(6): 767−779.
    [7] Brasseur O. Development and application of a physical approach to estimating wind gusts[J]. Monthly Weather Review, 2001, 129(1): 5−25. doi: 10.1175/1520-0493(2001)129<0005:DAAOAP>2.0.CO;2
    [8] 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.

    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.
    [9] 林静, 张有广. 基于双频段雷达高度计数据的海面阵风反演研究[J]. 海洋学报, 2024, 46(4): 133−142.

    Lin Jing, Zhang Youguang. Research of sea surface gust inversion by dual band radar altimeter data[J]. Haiyang Xuebao, 2024, 46(4): 133−142.
    [10] Skofronick-Jackson G, Petersen W A, Berg W, et al. The Global Precipitation Measurement (GPM) mission for science and society[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2017, 98(8): 1679−1695. doi: 10.1175/BAMS-D-15-00306.1
    [11] 余占猷. 利用DPR和GMI探测结果对东亚降水云的个例分析研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2016.

    Yu Zhanyou. Case Study of precipitation clouds over the east Asia based on DPR and GMI measurements[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2016.
    [12] 尹红刚, 吴琼, 谷松岩, 等. 风云三号(03)批降水测量卫星探测能力及应用[J]. 气象科技进展, 2016, 6(3): 55−61.

    Yin Honggang, Wu Qiong, Gu Songyan, et al. Analysis of rainfall measurement power in the FY-3(03) rain measurement satellite[J]. Advances in Meteorological Science and Technology, 2016, 6(3): 55−61.
    [13] Panfilova M, Karaev V. Wind speed retrieval algorithm using Ku-band radar onboard GPM satellite[J]. Remote Sensing, 2021, 13(22): 4565. doi: 10.3390/rs13224565
    [14] Hersbach H, Bell B, Berrisford P, et al. The ERA5 global reanalysis[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2020, 146(730): 1999−2049. doi: 10.1002/qj.3803
    [15] 张淑静, 吕聪俐, 马敏. 国内外海上多功能浮标发展探讨[J]. 中国海事, 2019(9): 47−51.

    Zhang Shujing, Lü Congli, Ma Min. Discussion on the development of domestic and overseas marine multifunction buoy[J]. China Maritime Safety, 2019(9): 47−51.
    [16] Hsu S A, Meindl E A, Gilhousen D B. Determining the power-law wind-profile exponent under near-neutral stability conditions at sea[J]. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 1994, 33(6): 757−765. doi: 10.1175/1520-0450(1994)033<0757:DTPLWP>2.0.CO;2
    [17] Hwang C, Kao E C, Parsons B. Global derivation of marine gravity anomalies from Seasat, Geosat, ERS-1 and TOPEX/POSEIDON altimeter data[J]. Geophysical Journal International, 1998, 134(2): 449−459. doi: 10.1111/j.1365-246X.1998.tb07139.x
    [18] Gower J F R. Intercalibration of wave and wind data from TOPEX/POSEIDON and moored buoys off the west coast of Canada[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1996, 101(C2): 3817−3829. doi: 10.1029/95JC03281
    [19] 刘花, 王静, 齐义泉, 等. 南海北部近岸海域Jason-1卫星高度计与浮标观测结果的对比分析[J]. 热带海洋学报, 2013, 32(5): 15−22. doi: 10.3969/j.issn.1009-5470.2013.05.003

    Liu Hua, Wang Jing, Qi Yiquan, et al. Comparison of Jason-1 satellite altimeter and buoy measurements in the coastal water of the northern South China Sea[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2013, 32(5): 15−22. doi: 10.3969/j.issn.1009-5470.2013.05.003
    [20] 黎鹏. 星载波谱仪海面风场反演研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2019.

    Li Peng. The study on spaceborne spectrometer for sea surface wind field retrieval[D]. Wuhan: Huazhong University of Science & Technology, 2019.
    [21] 陈戈. 卫星高度计反演海面风速—模式函数与应用实例[J]. 遥感学报, 1999, 3(4): 305−311, 325

    Chen Ge. On retrieving sea surface wind speed from satellite altimeters: model functions and an application case[J]. Journal of Remote Sensing, 1999, 3(4): 305−311, 325
  • 加载中
图(7) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  21
  • HTML全文浏览量:  7
  • PDF下载量:  1
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2025-01-22
  • 修回日期:  2025-05-09
  • 网络出版日期:  2025-06-03

目录

    /

    返回文章
    返回