窦芳丽;商建;郭杨;尹红刚;谷松岩
【摘 要】在常规观测资料稀少的洋面上,利用卫星遥感海面风对数值预报模式初始场的构建、海上天气预报精度的提高等具有重要意义.对目前国内外在轨的卫星遥感海面风的各种微波传感器及产品特性做了较全面的评述,并对比了主被动方式遥感海面风产品的异同.结合近年来卫星海面风反演技术的提高,总结了卫星遥感海面风产品在数值天气预报同化、台风强度及路径预报改善和气候研究等方面的贡献,同时展望了卫星遥感海面风技术及其资料在实际应用中的限制和有待进一步研究的内容. 【期刊名称】《气象科技进展》
【年(卷),期】2017(007)004
【总页数】6页(P6-11)
【作 者】窦芳丽;商建;郭杨;尹红刚;谷松岩
【作者单位】国家卫星气象中心,北京 100081;国家卫星气象中心,北京 100081;国家卫星气象中心,北京 100081;国家卫星气象中心,北京 100081;国家卫星气象中心,北京 100081
截短侧耳素【正文语种】中 文
海面风通过驱动海洋环流，影响全球及局地气候，是重要的海洋学和气象学参数；海上极端天气系统的风场更是严重威胁海上交通、军事活动以及渔业安全的重要预报要素。过去对于海面风的观测主要依赖于岛屿台站、船舶和浮标，无法保证观测的时空连续性，不能满足海洋灾害监测预警业务、海洋动力过程、气候研究和数值模式对于海面风资料的需求，因此，利用卫星来对海面风进行观测尤为重要。极轨卫星遥感设备，尤其是微波遥感设备，以其全球覆盖、全天候观测能力，能够有效实现对全球海面风的连续准确观测。
卫星主动或被动微波仪器观测到的海面风是海面10 m高度处的等效中性稳定层结风（equivalent neutral wind）[1]，微波传感器测量海面风是基于海面的后向散射或辐射亮温，而影响海面散射和发射的海面毛细重力波同时由海面风切变和大气浮力决定，卫星接
收到的相同信号可能对应着不同的海面参考高度真实风速，因此，卫星观测到的是一种消除了大气层结状态影响的参考风，而不是真实的海面风场。 吃的真相
极轨卫星遥感海面风的微波仪器[2]按观测方式分为主动和被动仪器两类。主动仪器指雷达系统，通过发射连续或脉冲形式的电磁波，接收经过海面调制的回波信号，对后向散射系数进行反演同时获取海面风速和风向；被动仪器即微波辐射计，其频点设计在不同的大气窗区，接收到的海面亮温与风成海面粗糙度 、海温、盐度以及大气状况相关，通过多通道亮温组合反演可以消除其他环境参数的影响，获得海面风速信息[3-4]，全极化辐射计也能够对风向进行观测[5]。近三十年来，在众多卫星海面风观测任务的连续观测下，已经获取了长时间序列的全球覆盖的海面风资料，不同观测方式的微波传感器获得的海面风资料各有其特点和应用限制，多卫星平台观测的融合海面风产品，在气候分析等领域也有广泛的应用[6]。
死刑的存废
本文对国内外卫星遥感海面风的各类微波仪器和产品特性进行了较详细的介绍，从产品角度分析了主被动方式观测海面风产品的异同，进而说明主被动联合反演或融合对于海面风应用的意义。结合目前资料在应用中存在的问题，对卫星遥感海面风产品的应用及发展进行了展望。
极轨卫星微波传感器观测海面风的特点在于卫星能够进行大面积的连续观测，以满足气候及数值预报对于动态观测和长期观测的需求，微波对云和弱降雨的穿透性比较好，受大气的影响较小。星载微波散射计、辐射计、全极化辐射计、高度计和合成孔径雷达均可以对海面风进行观测。
1.1 主动微波仪器观测
当前比较成熟的能够对海面风进行业务观测的主动星载传感器包括微波散射计和高度计系统。微波散射计是能够同时测量海面风速和风向的星载雷达系统，通过精确测量海表的归一化后向散射截面（NRCS），间接测量海面附近的风速，同时在不同方向角测量风元（WVC）的后向散射确定风向。业务化运行的散射计提供的全球、全天候、高时空分辨率、高精度的海面风数据，在海洋学和气象学研究中做出了极大贡献[7]。微波高度计垂直观测星下点海面的后向散射，能提供沿轨方向高分辨率的风速产品[8]。其他海面风观测的主动仪器还包括星载合成孔径雷达等。
表1列出了过去和目前国际上的散射计观测计划，并给出了工作频率、分辨率、扫描方式以及服役时间。散射计测量海面风场的可行性于1973年被美国的S-193散射计试验首次证实，
之后美国的散射计观测计划包括美国航空航天局（NASA）Seasat-A卫星上的SASS，ADEOS-I卫星上的NSCAT，QuikSCAT卫星上的Seawinds以及国际空间站的RapidSCAT，欧洲的散射计计划包括欧空局（ESA）在ERS-1和ERS-2卫星上装载的AMI，MetOp-A和MetOp-B卫星的ASCAT。其他还包括我国国家海洋局的HY-2散射计，以及印度的OSCAT散射计等。
散射计反演风场的方法是最大似然估计（MLE）方法[9]，在整个风矢量二维空间内搜索，寻使表征误差联合概率密度的目标函数达到局部最大值的风速和风向，认为是真实解。由于逆风和顺风方向的探测获得的返回信号的差别不明显，有可能出现多个模糊风向，需要利用中数滤波或二维变分等技术对模糊解进行去除，产品处理整体流程参见图1。
目前业务中能够使用的海面风产品来自在轨运行的HY-2、ASCAT以及RapidSCAT，它们分别于当地时06:30/18:30、09:00/21:00、01:00/13:00附近经过中国区域。不同散射计观测频点、观测方式不同，给出的海面风产品也有所区别。例如HY-2和RapidSCAT散射计采用Ku频段（13.5 GHz），分辨率高，对小风的反应更敏感，但受云和降水的影响比较大，有降水的风元一般经标识后去除或做重处理，并且需要在预处理中进行大气校正。其笔形
波束圆锥旋转扫描方式能实现更宽的刈幅宽度，HY-2的刈幅宽度内波束为1300 km，外波束为1700 km。而ASCAT等欧洲研发的散射计采用C频段（5.3 GHz），对较大风速的敏感性优于Ku频段，并且对云和降水的穿透性更好，但较低的频段也导致了较差的分辨率。横扫方式相比于锥扫，刈幅宽度较窄，ASCAT单侧刈幅仅为550 km，难以对大面积区域实现覆盖。HY-2的风速反演精度约为1.6 m/s，风向反演精度约为20°，风速反演误差的特征表现为在中等风速的情况下优于低风速和高风速，风向反演误差不随交轨方向位置变化，在低风速情况下误差较大[10]。ASCAT给出的u、v分量的反演精度约为1.6 m/s[11]。
除了散射计，高度计和合成孔径雷达也能对海面风实现业务观测。目前已经发射的星载高度计包括分别装载在ERS-1/2、TOPEX/POSEIDON、Jason-1/2、ENVISAT和我国HY-2卫星上的Altimeter传感器，能提供沿轨方向的风速产品，无法提供风向信息，刈幅宽度很窄，优势在于千米级的分辨率优于散射计，Ku波段与C波段同步测量，能够显著减小降雨对风速的影响[12]。合成孔径雷达主要包括欧空局ERS-1/2上的SAR和ENVISAT上的ASAR，以及加拿大RADARSAT卫星上的SAR传感器，均为C频段。合成孔径雷达的空间分辨率能够达到几十米，但覆盖范围小，刈幅宽度在百千米级，很难满足大尺度海面风监测的需要[13]。
1.2 被动微波仪器观测
用于海面风观测的微波辐射计包括多通道扫描成像辐射计和全极化辐射计两种。平静海面的微波辐射亮温仅与海温、盐度及电磁参数有关，而真实海面由于海面风的存在表现为不同尺度波构成的粗糙表面，辐射亮温与依赖于表面风的粗糙度及白沫效益相关联，基于这个原理，通过统计海面风与辐射计接收到的亮温之间的关系可以对风速进行反演[14]。全极化辐射计不但测量微波辐射的正交极化分量，同时测量两个正交极化分量的复相关量，通过后两个Stokes参数来反演风向和去除模糊风向。
第一台多通道微波辐射计是1978年NASA发射的Seasat-A卫星上装载的SMMR，之后的星载微波辐射计包括DMSP系列卫星的SSM/I，TRMM上的TMI，Aqua上的AMSR-E，ADEOS-2上的AMSR，GCOM卫星上的AMSR-2以及我国FY-3B/C星上的MWRI，以及Coriolis上的全极化辐射计WindSat。表2给出了国际上已有微波辐射计的平台、频点设置，以及服役时间的信息。
微波辐射计反演风速的算法一般分为两大类，第一类是经验模型反演，第二类是结合辐射传输模式模拟亮温库的半经验模型反演，同时还有神经网络算法等，FY-3 WMRI海面风速
灯光王愿坚
产品的反演方法采用半经验模型反演，图2给出产品处理流程。全极化微波辐射计的反演方法是首先建立海面辐射的Stokes分量与海面风矢量之间的关系函数，再利用物理统计、牛顿法和最大似然估计方法对风速和风向进行反演[5]。
表2中列出的卫星除了DMSP系列早期已经退役的卫星和日本发射一年后即失效的ADEOS卫星之外，其他均在业务运行。不同微波辐射计的频点设置略有差异，频点差异在产品上反应为，SSM/I、TMI和MWRI等辐射计反演风速需要先做降雨判识，去除掉雨区的无效数据，如果辐射计包含低频6.9和10.7 GHz，结合新的算法能够获取全天候风速产品，减小降雨和云对产品的影响，比如，AMSR-E 6.9和10.7水平极化的两个通道能够用于估计雨区甚至台风外围风暴区的海面风速[15-16]。微波辐射计风速产品的另一个优势在于刈幅较宽，例如FY-3 MWRI的扫描刈幅为1800 km，因此更适合应用于大、中尺度系统和较长时间平均的海面风场观测。
1.3 主被动观测的比较水乡的日子
根据1.1和1.2节的分析，主动和被动微波仪器观测海面风的机理不同，仪器频点和扫描方式有差别，这些都是导致主被动观测的产品各有其特点的原因。过去的研究表明，散射计细叶楠
相对于被动辐射计风速反演精度更高[17]，SSM/I、TMI最初反演的风速与NSCAT、QuikSCAT相比存在比较大的系统偏差，一致性在海表发射率模型升级后得到了改善；ADEOS-2卫星上同时装载了散射计Seawinds和辐射计AMSR，对二者同步观测的风速交叉比对结果表明，二者反演的风速一致性较好，但在小于5 m/s的低风速区间，AMSR反演的风速明显偏小[18]。在高风速下，微波散射计测量的海面后向散射系数会出现饱和现象，即随着风速的增加，高风速下波浪破碎和白沫效应掩盖了布拉格散射信号，后向散射会趋于稳定，不再有明显增长，因此散射计对较大的风速敏感性较差，而Shibata等的研究证明微波辐射计的6.9和10.7 GHz通道对高风速（33～72 m/s）有较好的响应[16]，再加上低频对云和降雨更好的穿透能力，能够在台风区域进行应用。
利用散射计和同步观测的辐射计进行联合反演，能够结合主被动观测的优势。被动辐射计可以用来为散射计做大气校正，Hilburn等的研究表明可以利用AMSR的数据研究降雨对Seawinds雷达回波的影响，并进行降雨影响去除[19]；Wentz、Alsweiss等的研究表明，SeaWinds-AMSR联合算法反演的风矢量精度更高，能够用于风暴区域的反演[20-21]，同时AMSR能为海面风产品提供准确的降雨和海冰标识。除了主被动联合反演算法的研发，将多源卫星的主被动风产品进行融合也是应用的主要方向，NASA的物理海洋学分布式档
案中心以ECMWF的再分析资料为背景场，采用变分方法同化QuikSCAT、ADEOS、AMSR-E、TMI和SSM/I等多种卫星探测洋面风资料和传统的船舶、浮标资料，合成了一种新的交叉定标多平台海面风场资料（CCMP），在海洋和气象学中得到了广泛应用，该产品能够提供6 h一次的全球格点风场，能够填补一天内的数据空白，又能够校正不同传感器的系统偏差和定标误差[22]。
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