An inversion method for joint observation of wind gusts by HY-2B satellite remote sensors
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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。Abstract: There are few researches on offshore gusts at home and abroad, and most of them focus on gust prediction and application research. There is no systematic discussion on the acquisition technology of wind gust data. Based on the backscattering coefficient observed by HY-2B satellite radar altimeter and the brightness temperature information observed by correction microwave radiometer, a method for retrieving gust wind speed is proposed in this paper. The gust wind speed obtained from the joint inversion of the two remote sensing sensors is verified with the National Data Buoy Center (NDBC) buoy data from 2019 to 2021. The results show that the gust wind speed root mean square error (RMSE) is 0.98 m/s and the correlation coefficient is 0.82. The RMSE of the gust wind speed obtained based on the method using a similar satellite Jason-3 is 0.96 m/s and the correlation coefficient is 0.88. Based on the observation of sea surface wind speed with HY-2B satellite radar altimeter and the synchronous observation information of correction microwave radiometer by satellite platform, the observation of sea surface wind gust is realized jointly. The comparison results of data show that the method in this paper has high observation accuracy. At the same time, this method is also applicable to domestic and foreign satellites with the same observation system. This provides a simple and reliable means of ocean remote sensing technology for the current situation of insufficient observation capacity of offshore wind gust.
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Key words:
- HY-2B satellite /
- radar altimeter /
- correction microwave radiometer /
- wind gust /
- inversion method
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表 1 Gourrion模型参数
Tab. 1 Gourrion model parameters
参数 a b σ0 –0.343 36 0.069 09 SWH 0.087 25 0.063 74 U10 0.1 0.028 44 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 12 10.404 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 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/
km1 4月4日 卫星 21:43 21.38°N,59.15°W 8.3 0.1 60 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 8.2 2 6月27日 卫星 21:43 21.38°N,59.15°W 8.6 0.1 59 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 8.7 3 7月25日 卫星 21:43 21.60°N,59.21°W 9.8 0.6 60 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 9.2 4 8月22日 卫星 21:43 21.3°N,59.14°W 5.7 0.9 60 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 7.6 5 9月19日 卫星 21:44 21.45°N,59.18°W 8.7 1.3 59 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 10.0 6 12月12日 卫星 21:44 21.49°N,59.21°W 9.5 0.2 61 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 9.7 7 12月26日 卫星 21:44 21.5°N,59.21°W 10.9 1.4 61 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 9.5 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/
km1 1月9日 卫星 21:44 21.42°N,59.23°W 9.3 0.3 61 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 9.6 2 2月6日 卫星 21:44 21.51°N,59.21°W 11.6 1.0 61 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 10.6 3 4月16日 卫星 21:44 21.62°N,59.23°W 7.7 0.3 60 41044 21:40 21.58°N,58.63°W 8.0 4 5月28日 卫星 21:45 21.56°N,59.20°W 6.2 0.3 59 41044 21:50 21.58°N,58.63°W 6.5 5 7月23日 卫星 21:45 21.62°N,59.23°W 11.4 0.5 58 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 10.9 6 9月3日 卫星 21:44 21.62°N,59.23°W 6.7 0.4 58 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 7.1 7 9月17日 卫星 21:44 21.45°N,59.18°W 12.2 0 59 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 12.2 8 10月1日 卫星 21:44 21.58°N,59.22°W 10.0 1.2 61 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 8.8 9 10月15日 卫星 21:44 21.62°N,59.23°W 6.1 0.3 59 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 6.4 10 11月12日 卫星 21:44 21.51°N,59.19°W 10.3 0.2 58 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 10.1 11 12月24日 卫星 21:44 21.62°N,59.23°W 14.4 0.8 58 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 13.6 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/
km1 2月4日 卫星 21:46 21.56°N,59.21°W 6.0 1.5 60 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 7.5 2 2月18日 卫星 21:44 21.47°N,59.19°W 10.2 1.3 59 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 11.5 3 3月18日 卫星 21:44 21.47°N,59.19°W 8.1 1.5 60 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 9.6 4 5月13日 卫星 21:44 21.60°N,59.21°W 8.3 0.3 60 41044 21:40 21.59°N,58.63°W 8.6 5 6月24日 卫星 21:46 21.59°N,59.21°W 6.2 0.5 60 41044 21:50 21.59°N,58.63°W 5.7 6 6月10日 卫星 21:46 21.61°N,59.21°W 7.7 0.6 60 41044 21:50 21.59°N,58.63°W 7.1 7 7月8日 卫星 21:46 21.60°N,59.21°W 10.0 0.4 60 41044 21:50 21.59°N,58.63°W 9.6 8 8月19日 卫星 21:46 21.59°N,59.21°W 11.4 0.3 61 41044 21:50 21.59°N,58.63°W 11.7 9 9月2日 卫星 21:46 21.59°N,59.21°W 6.3 0.8 60 41044 21:50 21.59°N,58.63°W 7.1 10 9月16日 卫星 21:47 21.59°N,59.21°W 8.2 0.5 58 41044 21:50 21.59°N,58.63°W 7.7 11 12月9日 卫星 21:47 21.59°N,59.21°W 9.6 0.2 60 41044 21:50 21.59°N,58.63°W 9.8 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/
km1 4月21日 卫星 16:31 23.54°N,153.47°W 10.4 1.4 33 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 11.8 2 6月2日 卫星 16:31 23.51°N,153.48°W 9.9 0.4 32 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 9.6 3 6月16日 卫星 16:31 23.50°N,153.45°W 9.0 1.7 34 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 10.7 4 6月30日 卫星 16:31 23.34°N,153.53°W 9.1 1.5 34 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 10.6 5 8月25日 卫星 16:31 23.53°N, 153.48° W 10.3 0.8 32 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 9.5 6 9月8日 卫星 16:31 23.50°N,153.49°W 9.5 0.3 32 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 9.8 7 9月22日 卫星 16:31 23.52°N,153.49°W 11.9 0.3 32 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 11.6 8 11月3日 卫星 16:32 23.53°N,153.49°W 8.2 0.1 32 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 8.3 9 12月1日 卫星 16:31 23.55°N,153.49°W 9.1 1.6 31 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 10.7 10 12月15日 卫星 16:31 23.54°N,153.49°W 8.1 1.8 31 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 9.9 11 12月29日 卫星 16:31 23.53°N,153.47°W 9.0 0.9 32 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 9.9 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/
km1 1月12日 卫星 16:31 23.57°N,153.49°W 17.1 1.9 30 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 15.2 2 2月23日 卫星 16:31 23.54°N,153.49°W 8.5 1.4 31 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 9.9 3 3月22日 卫星 16:31 23.53°N,153.48°W 9.9 0.1 32 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 9.4 4 5月3日 卫星 16:31 23.45°N,153.49°W 9.0 1.7 32 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 7.3 5 5月17日 卫星 16:33 23.55°N,153.47°W 8.8 0.1 33 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 8.9 6 6月14日 卫星 16:33 23.54°N,153.47°W 7.9 0.2 33 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 8.1 7 7月12日 卫星 16:33 23.50°N,153.48°W 8.6 1.1 32 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 9.7 8 7月26日 卫星 16:33 23.50°N,153.48°W 16.6 1.9 32 51000 16:40 23.528°N,153.792°W 14.7 9 8月9日 卫星 16:31 23.55°N,153.47°W 10.5 0.7 33 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 9.8 10 8月23日 卫星 16:31 23.55°N,153.48°W 7.5 0.4 32 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 7.1 11 9月6日 卫星 16:31 23.51°N,153.49°W 10.0 0.8 31 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 9.2 12 9月20日 卫星 16:31 23.52°N,153.49°W 8.8 0.7 31 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 8.1 13 10月18日 卫星 16:31 23.55°N,53.48°W 10.2 0.5 33 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 10.7 14 11月15日 卫星 16:31 23.56°N,153.47°W 6.5 0.5 32 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 7.0 15 11月29日 卫星 16:31 23.52°N,153.48°W 9.9 0.3 32 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 10.2 16 12月27日 卫星 16:31 23.54°N,153.47°W 14.4 0.8 33 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 13.6 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/
km1 1月24日 卫星 16:31 23.54°N,153.47°W 12.7 0.6 32 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 13.3 2 2月26日 卫星 16:31 23.53°N,153.49°W 11.3 0.1 31 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 11.4 3 3月7日 卫星 16:34 23.6°N,153.47°W 10.6 2.1 34 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 12.7 4 3月21日 卫星 16:31 23.55°N,153.49°W 10.9 0.4 31 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 11.3 5 5月2日 卫星 16:31 23.52°N,153.48°W 9.5 0.3 32 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 9.8 6 5月16日 卫星 16:31 23.50°N, 153.48° W 10.7 0.5 32 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 10.2 7 7月11日 卫星 16:35 23.55°N,153.47°W 8.4 0.7 32 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 9.1 8 7月25日 卫星 16:35 23.51°N,153.50°W 10.9 2.1 30 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 8.8 9 8月22日 卫星 16:35 23.6°N,153.5°W 13.9 2.1 36 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 11.8 10 9月5日 卫星 16:35 23.55°N,153.47°W 8.2 0.7 33 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 7.5 11 9月19日 卫星 16:35 23.56°N,153.44°W 9.6 0.6 36 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 9.0 12 10月3日 卫星 16:35 23.56°N,153.44°W 9.0 0.6 36 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 8.4 13 11月28日 卫星 16:35 23.55°N,153.47°W 14.0 1.4 33 51000 16:30 23.528°N,153.792°W 12.6 14 12月12日 卫星 16:31 23.53°N,153.48°W 10.1 0.6 32 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 9.5 15 12月26日 卫星 16:31 23.53°N,153.48°W 12.5 1.4 32 51000 16:50 23.528°N,153.792°W 11.1 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 1 2016年4月15日 卫星 11:11 27.22°N,70.72°W 6.9 1.0 79 41047 10:50 27.46°N,71.47°W 7.9 2 2016年4月25日 卫星 09:10 27.20°N,70.71°W 10.5 1.5 80 41047 08:50 27.46°N,71.47°W 9.0 3 2016年6月4日 卫星 01:04 27.24°N,70.68°W 5.9 0.4 82 41047 01:10 27.46°N,71.47°W 5.5 4 2016年6月23日 卫星 21:01 27.22°N,70.70°W 5.4 0.1 81 41047 21:00 27.46°N,71.47°W 5.5 5 2016年7月23日 卫星 14:57 27.22°N,70.71°W 4.6 0 80 41047 15:00 27.46°N,71.47°W 4.6 6 2016年9月1日 卫星 06:51 27.26°N,71.69°W 7.9 1.1 80 41047 07:00 27.46°N,71.47°W 6.8 7 2016年10月1日 卫星 00:46 27.20°N,70.70°W 8.7 0.3 81 41047 00:50 27.46°N,71.47°W 9.0 8 2016年10月10日 卫星 22:45 27.21°N,70.71°W 15.2 0.2 80 41047 22:50 27.46°N,71.47°W 15.0 9 2016年10月20日 卫星 20:43 27.21°N,70.71°W 12.8 0.6 80 41047 20:50 27.46°N,71.47°W 12.2 10 2016年10月30日 卫星 18:42 27.22°N,70.71°W 8.7 1.1 80 41047 18:50 27.46°N,71.47°W 9.8 11 2016年11月29日 卫星 12:38 27.24°N,70.69°W 9.6 0.4 81 41047 12:50 27.46°N,71.47°W 9.2 12 2016年12月19日 卫星 08:35 27.21°N,70.70°W 8.7 0.5 81 41047 08:40 27.46°N,71.47°W 9.2 13 2017年4月7日 卫星 10:18 27.21°N,70.70°W 10.9 0.1 81 41047 10:20 27.46°N,71.47°W 10.8 14 2017年5月17日 卫星 04:14 27.22°N,70.70°W 6.6 1.5 81 41047 04:20 27.46°N,71.47°W 5.1 15 2017年10月2日 卫星 21:52 27.21°N,70.71°W 12.4 0.7 80 41047 22:00 27.46°N,71.47°W 13.1 16 2017年10月22日 卫星 17:49 27.21°N,70.71°W 10.7 0.7 80 41047 17:50 27.46°N,71.47°W 10.0 17 2017年11月1日 卫星 15:47 27.21°N,70.71°W 9.5 0.6 80 41047 15:50 27.46°N,71.47°W 10.1 18 2017年11月11日 卫星 13:46 27.24°N,70.69°W 10.1 1.3 81 41047 13:50 27.46°N,71.47°W 11.4 19 2017年11月21日 卫星 11:45 27.23°N,70.70°W 13.5 0.9 80 41047 11:50 27.46°N,71.47°W 14.4 20 2017年12月1日 卫星 09:43 27.23°N,70.70°W 9.2 1.2 80 41047 09:50 27.46°N,71.47°W 8.0 21 2017年12月11日 卫星 07:42 27.22°N,70.70°W 12.6 2.4 81 41047 07:40 27.46°N,71.47°W 10.2 22 2018年1月10日 卫星 01:37 27.28°N,70.67°W 13.5 1.7 81 41047 01:50 27.46°N,71.47°W 11.8 23 2018年2月28日 卫星 15:30 27.21°N,70.71°W 11.0 2.0 80 41047 15:40 27.46°N,71.47°W 13.0 24 2018年3月20日 卫星 11:27 27.22°N,70.70°W 8.3 0.1 81 41047 11:30 27.46°N,71.47°W 8.4 25 2018年4月29日 卫星 03:21 27.21°N,70.70°W 8.4 0.2 81 41047 03:30 27.46°N,71.47°W 8.2 26 2018年5月9日 卫星 01:19 27.23°N,70.69°W 10.5 1.5 81 41047 01:20 27.46°N,71.47°W 9.3 27 2018年5月18日 卫星 23:18 27.24°N,70.69°W 10.5 0.2 81 41047 23:30 27.46°N,71.47°W 10.3 28 2018年5月28日 卫星 21:17 27.22°N,70.70°W 8.9 0.4 81 41047 21:20 27.46°N,71.47°W 8.5 29 2018年7月17日 卫星 11:09 27.22°N,70.70°W 6.7 0.1 81 41047 11:20 27.46°N,71.47°W 6.8 30 2018年7月27日 卫星 09:08 27.27°N,70.68°W 5.8 0.3 81 41047 09:20 27.46°N,71.47°W 5.5 31 2018年11月13日 卫星 10:51 27.21°N,70.71°W 10.0 0.2 80 41047 11:00 27.46°N,71.47°W 9.8 32 2018年11月23日 卫星 08:50 27.28°N,70.67°W 12.2 0.7 80 41047 09:00 27.46°N,71.47°W 12.9 33 2018年12月3日 卫星 06:48 27.27°N,70.68°W 6.8 1.2 81 41047 06:50 27.46°N,71.47°W 5.6 -
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