ERS-2 SAR反演海洋风矢量的研究

SAR(Synthetic Aperture Radar)反演海洋风矢量是当今微波遥感领域非常有意义的前沿课题. 本文首先介绍了星载SAR估算海面风向、风速的基本原理和三种主流反演算法，接着给出反演的流程图以及重要步骤. 然后，以2002年5月7日香港地区ERS-2 SAR海洋图像为例，对经典的SWDA (SAR Wind Direction Algorithm)－谱分析方法加以改进，求得具有180°模糊度的风向，并用香港天文台气象浮标实测数据消除了风向不确定性. 最后，利用CMOD4 GMF（Geophysical Model Function，地球物理模式函数）计算得到海面上10m高的风速. 与气象浮标站实测资料相比，利用ERS-2 SAR图像获取的海面风向、风速的精度均较高. 这一结果表明：如果对SAR预先进行ADC(Analog to Digital Converter)改正以及精确校准，结合改进的SWDA和CMOD4，可以获得高精度的风矢量.     

基于星载SAR数据的台风参数估计及风场构建

传统的星载SAR数据海面风场反演方法是利用海面风场与雷达后向散射系数之间的经验关系即CMOD5模式函数求解海面风场.但在台风条件下,由于降雨对雷达信号的影响及高风速条件下CMOD5模式函数的停滞效应,海面风场的反演精度迅速下降.针对降雨对雷达信号的影响,本文基于星载SAR卫星平台未搭载降雨测量载荷的特点,将多时次的静止气象卫星红外云图用于推导台风云系的运动矢量,并由该运动矢量及非同步观测降雨数据估算星载SAR数据过境时的降雨强度.最后,利用订正模型和降雨强度数据进行降雨订正.针对高风速条件下CMOD5模式函数的停滞效应,本文基于台风的SAR图像特征和改进的HOLLAND台风模型,提出了台风参数估计及风场构建方案.首先,利用基于小波分析的风向提取算法提取台风风场的海面风向信息,并通过地球物理模式函数和风向信息反演海面风速.然后,根据台风眼的SAR图像特征计算台风中心位置和最大风速半径,并将其代入改进的HOLLAND台风模型.最后,利用中低风速数据通过最小二乘法拟合台风中心气压和最大风速,并将台风风向、中心位置、最大风速半径、中心气压和最大风速等参量代入改进的HOLLAND模型构建台风海面风场.为了验证方案的精度,选择台风"艾利"、"卡努"和"奥菲利娅"的星载SAR数据进行试验,并利用美国联合台风预警中心和飓风研究中心的最佳路径数据和风场数据进行精度检验.结果表明,本文利用星载SAR数据估算的台风中心位置、中心气压、最大风速与最佳路径数据基本一致,构建的海面风场精度较高,其中,海面风速的均方差为1.4 m s-1,风向的均方差为2.1°,为台风监测提供了新的技术途径.     

合成孔径雷达风场反演变分方案评估

利用合成孔径雷达获取高空间分辨率的海面风场,对于研究沿岸海域大气海洋过程具有重要意义.应用CMOD地球物理模型直接反演风速受先验风向误差影响较大,30°的风向误差可导致高达40％的风速误差.变分方法考虑了雷达观测值及背景风场的不确定性,能够较好地降低先验风向对反演风速的影响.但不同的观测误差或地球物理模型选择会形成不同的变分方案,使得反演风场存在差异.本文基于Sentinel-1合成孔径雷达数据及NDBC浮标数据,对不同变分方案进行了系统评估.试验结果表明,当观测误差选取常值0.1 dB、地球物理模型选取CMOD7时,反演风速均方根误差为1.11 m·s-1,总体最小;但在特定风速区间内,其他变分方案能获得相对更好的反演精度;各变分方案反演风速精度均显著高于背景风速及CMOD直接反演风速精度,但反演风向相对背景风向没有明显改善.试验结果可为变分方法在不同应用需求下的选择提供参考依据.     

一种用于微波辐射计遥感海表面盐度和温度的反演算法

海面的微波辐射除了与海表面温度和盐度有关外, 还受海面风的影响. 海面风的观测误差严重地影响了海表面温度和盐度的遥感精度. 通过研究海面风因子对海表面辐射影响, 建立了海面风(包括风速和风向)与海表面的微波亮温T以及风导致的亮温修正量DT之间的关系; 在此基础上, 提出了利用微波辐射计的单卫星、多角度观测数据反演海表面盐度和温度的算法. 在这个算法中, 风对海表面辐射影响已经被剔除, 风速和风向不再是反演算法的输入参数. 因此, 该算法不受制于海面风速和风向的影响导致的误差. 这样, 为利用单卫星、多角度微波辐射计遥感海表面盐度和温度提供了一个新途径.     

利用全极化微波辐射计资料反演台风境内海面风场

作为一种新兴的被动遥感技术,全极化微波辐射计不仅可以提供海面风速产品,还可以提供海面风向产品.以往利用全极化微波辐射计观测亮温进行海面风场反演仅在晴空条件下进行,本文通过对观测亮温结合台风区域海面风场的分布特征进行分析,验证了全极化微波辐射计具有在台风等恶劣天气条件下进行海面风场观测的能力.基于敏感性分析实验,确定使用6.8 GHz和10.7 GHz等低频通道组合可进行台风区域内海面风场反演.其中,海面风速反演使用基于统计的多元线性回归算法,同时对海面温度、大气水汽含量、云中液态水含量及降水强度等物理量进行反演计算,为海面风向反演做准备.海面风向反演使用物理统计法进行,借鉴散射计风向反演使用的最大似然估计法.通过在全极化辐射传输前向模型中加入降水对大气透过率的影响、设计第三和第四Stokes通道亮温环境影响修正函数,在实现台风区域内海面风向反演的同时减小了反演误差.通过对“云娜”台风境内海面风场进行数值计算,验证了本文反演算法的可行性,并对反演误差的空间分布特征进行了分析.将2004年各台风过程的海面风场反演结果与散射计风场产品进行对比,海面风速和海面风向反演的均方根误差分别为1.64 m·s^-1和18.02°.     

FFIM用于机载大气激光雷达 ABCT反演的可行性研究

Fernald前向积分法能否用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数的反演一直是一个有争议的课题.本文利用青岛机载大气探测激光雷达实测数据、国外机载大气探测激光雷达实测数据和机载大气探测激光雷达模拟数据,对Fernald前向积分法应用于不同高度的机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演的误差进行了定量分析,分析结果表明:飞机的飞行高度在3.5 km左右,标定值存在20%的误差时,离地面2 km的高度范围内反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差在12%以内,但在标定点附近相对误差可达20%;飞机飞行高度在7 km左右,当标定值存在100%的误差时,反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差大都在10%~15%之间,标定值存在400%的误差时,反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差大部分在15%~50%之间.本文从理论上对Fernald前向积分法应用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演出现负值的原因进行了探讨.研究表明:Fernald前向积分法能够较准确地反演出中高空探测(4.5 km以上)机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数,但应用于低空探测(4.5 km以下)机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演时,反演误差较大甚至反演结果会出现负值.     

SAR浅海水下地形遥感探测技术综述

SAR已成为浅海水下地形探测的重要技术手段之一.与传统浅海水下地形探测技术相比,SAR浅海水下地形遥感探测技术具有明显的经济效益.该水深探测技术通过对浅海水下地形SAR图像仿真模型的反演求解,从SAR图像中提取水下地形信息.本文回顾了SAR浅海水下地形遥感探测技术的不同数值模型和应用实例,并针对目前SAR浅海水下地形遥感探测技术存在的问题和今后研究方向进行了探讨和总结.     

星载SAR遥感图像反演海洋大气边界层高度

本研究将边界层相似理论与对流理论应用到具有海洋大气边界层(Marine Atmospheric Boundary Layer, MABL)对流特征的星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)遥感图像,探讨了星载SAR遥感图像描述海气应力作用下水平扰动尺度变化的潜在可能性.针对具有三维对流涡旋Cell和二维水平滚轴涡旋Roll特征的星载SAR遥感图像,反演了中国海海域MABL高度,并与同步实验获取的MABL高度结果进行对比.结果表明,利用具有对流特征的星载SAR遥感图像反演MABL高度是可行的,展示了以高分辨率、大面积观测为特点的星载SAR遥感图像探测MABL的广阔前景.     

超高层建筑周围风场特性实测研究

为探究超高层建筑周围风场特性,以天津高银117大厦为例,通过DZZ2型采集系统进行现场实测,对该大厦周围的平均风速、脉动风速、湍流强度、湍流积分尺度、Von Karman谱等风场特性进行分析。结果表明:顺风向及横风向脉动风速变化规律不服从标准高斯分布;顺风向及横风向湍流强度与平均风速呈负相关,且其变化程度与平均风速范围有关;顺风向及横风向湍流积分尺度均随平均风速的增加而增大;Von Karman谱对低频范围内超高层周围风场特性描述较为准确。     

台湾浅滩浅海水深SAR遥感探测实例研究

本文基于浅海地形SAR遥感成像机理,提出星载SAR图像浅海水深遥感探测新技术.利用该遥感探测新技术与浅海地形SAR遥感图像,在台湾浅滩海域进行了浅海水深SAR遥感探测实例研究.SAR遥感探测水深值与实测水深值的比较结果显示,SAR遥感探测水深值的均方根误差达到2.5 m,误差小于10%.表明SAR具有探测浅海水深的能力,本文提出的浅海水深SAR遥感探测技术是收敛与可行的.     

1987-2017年间南极点大气风温垂直结构及趋势变化特征

本文基于1987—2017年南极点的无线电探空数据,研究了地面至30 km海拔高度的气温、风向和风速的垂直分布及变化趋势.多年平均的逐月数据表明,气温在各高度上均具有显著的季节变化,南半球夏季（冬季）对流层低层温度最高达-25℃（最低达-60℃）,分别出现于1月（7月）地面以上约500 m（近地面）.近30年来,年平均地面气温呈0.3℃/10a的增加趋势,增温趋势总体上随高度增加而减缓,至对流层上层的气温变化趋势为负,约为-0.25℃/10a.对于对流层整层平均气温,秋季上升趋势在四季中最为明显,达0.55℃/10a,而年平均气温的趋势约为0.3℃/10a.近地面全年盛行东北风,风速大多在2~10 m·s^-1范围内;对流层的低层（高层）为西北风（西南风）,在海拔6~9 km处,对流层急流可达25 m·s^-1;而平流层低层（高层）为南风（东南风）,最大风速可超过30 m·s^-1.风速和温度梯度变化特征在地面至10 km（10~30 km）高度段表现为负相关（正相关）.近30年近地面呈现北风增加东风减少的趋势,而高空南风减少,东风和北风增多.对流层整层平均风速显示,各季节平均风速均呈增加趋势,并且与温度类似,秋季的增加趋势最显著,达0.59 m·s^-1/10a,而春季趋势最为平缓,仅0.05 m·s^-1/10a.对流层整层年平均风速的线性趋势为0.24 m·s^-1/10a,地面年平均风速呈0.05 m·s^-1/10a的增加趋势.     

北冰洋及其邻近海域极昼期间大气边界层结构特征试验研究

1年7-月中国"雪龙"号破冰船首航北极科学考察期间,利用TMT(系留式气象塔)大气边界层探测系统,对北冰洋及其邻近海域不同下垫面进行较长时间的连续多次观测. 观测到的大气边界层廓线,其中包括比湿廓线的多层、逆湿结构(逆湿强度最强为0.7g/(10m·kg));风向、风速廓线的切变结构(风向切变为1.1°/m,风速切变为0.11(m·s^-1)/m. 特别是持续数日、厚达几百米、其平均逆温强度有时高达1.4℃/10m的逆温结构,这种北冰洋海域特有的大气边界层结构,与地球气候系统中其他圈层的大气边界层结构有明显差别. 据此,提出了对该海域大气-海冰-海洋间动量、感热和潜热等湍流通量垂直交换以及热量平衡等有重要影响的大气逆温的屏障过程. 这为研究北极地区对全球气候影响、模拟北极地区现代气候和未来气候等提供一条新的思路. 此外,文中还给出该海域不同下垫面稳定大气边界层的高度.     

海水速度差异对中深层偏移成像的影响分析

本文针对深水环境下中深层偏移成像质量差的问题,考虑海水速度变化对中深层偏移成像质量的影响,从在大水深中加入深海声道模型入手,分析在偏移成像当中海水速度的不同选取对水平层状介质、倾斜层介质以及较复杂介质模型偏移成像质量的影响,通过在同一模型上改变海水速度进行成像,分析中深层成像效果可以得出:在大水深反射资料数据处理当中应该考虑真实的海水速度进行成像处理,否则会由于海水速度的选取不当而造成偏移成像层位的空间位置和中深层层位几何形态的变化.     

结合实地观测和STEREO/HI图像观测分析2010年CME事件

本文使用了基于单颗STEREO卫星日球层成像仪(Heliospheric Imager,HI)图像的固定Φ角拟合法(Fixed-Φ,FΦ)和调和均值拟合法(Harmonic-mean,HM),结合STEREO和ACE卫星的太阳风实地观测数据,深入分析了2010年15个日冕物质抛射(CME)事件,对比讨论了这两种方法在提取CME参数如太阳赤道平面的主传播方向、传播速度的效果,其中FΦ拟合法假设CME是固定方向传播的小质点,HM拟合法假设CME为具有球形前沿的通量绳结构,结果发现:(1)使用HM拟合法分析得到的CME主传播方向与太阳-实地观测点的夹角平均值是9.5°,小于FΦ拟合法的19.7°;(2)HM拟合法分析的预计到达时间与实测ICME起始时间的平均误差和最大误差分别为0.282天和0.805天,明显小于FΦ拟合法.本文也使用结合STEREO两颗卫星HI图像的直接三角法(Direct-triangulation,DT)和球面切线法(Tangent-to-a-sphere,TS),深入分析了5个朝向地球的CME事件,其中,DT和FΦ拟合法的假设相同,TS和HM拟合法的假设相同,结果发现:(1)这两种方法分析的CME主传播方向与日地连线的夹角最大值分别是13.2°和21.1°,明显小于单颗卫星观测的20.7°和27.5°;(2)其中4个CME事件使用方法得到的线性拟合加速度不超过0.4 m·s^-2,这说明CME在主传播方向上的速度变化在1AU内不超过100 km·s^-1;(3)使用TS方法得到的预计到达时间与实测ICME起始时间的绝对误差最小,平均值和最大值分别是2.3 h和5.8 h.可见,利用HI图像提取CME传播参数时,加入CME前沿结构假设和结合多角度观测都能够有效地减小拟合误差.     

超导重力仪检测2011年日本东北Mw9.0级地震前的重力扰动信号

对大地震前的扰动现象的研究有助于认识地震孕育的动力学过程,震前重力扰动已成为关注的热点之一. 对大地震前的扰动现象的研究有助于认识地震孕育的动力学过程,震前重力扰动已成为关注的热点之一. 为检验日本M_w9.0级地震是否存在震前扰动现象,本研究利用全球超导重力仪记录到的地震前后7天内20组秒采样数据进行分析. 经潮汐、大气改正等处理去除仪器的漂移及残余潮汐效应,得到非潮汐重力变化曲线.结果表明大部分振幅大于30×10^-8 m·s^-2的曲线反映了全球M_w≥6级地震引起的高频波动信号,其中11组数据在3月9日M_w7.3级前震之前出现了扰动现象.震前扰动可分解为三个频段,其中,低于0.1 Hz和高于0.18 Hz的分量分别反映了地震波动信号及非构造信息,中间频段(0.118~0.18 Hz)信号能够较大程度地压制地震波动信号、并同时保留异常扰动信息.它的振幅在3月7日10时之前基本保持约1×10^-8 m·s^-2,之后开始逐渐增大,到3月9日7.3级前震前后达到最大,此后振荡衰减,振幅保持约(5~10)×10^-8 m·s^-2,直至主震发生.中间频段信号的变化特征与主震前的应力迁移过程以及实验记录到的地震成核过程有许多相似之处;不过,震前重力异常是否与主震前的应力加速积累有关,仍待进一步研究.     

三门湾沿海声层析潮流观测实验

2009年9月6日至9日在三门湾进行了沿海声层析(Coastal Acoustic Tomography,CAT)潮流观测实验.实验由7台沿海声层析仪组网进行,并分别由渔船定点抛锚于7个站位.实验期间,还进行了定点ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)观测.通过建立逆模式对声传播时间差进行解析,引入权重因子,用L-curve法确定阻尼因子的最佳值,继而根据阻尼最小二乘法得到流速的最佳解.根据逆模式得到的流速分布可知该海区的潮流以半日潮(M2)为主,M2潮流椭圆呈东南-西北走向,潮流基本都是顺着水道,即涨潮为西北流向,退潮为东南流向.西北向与东南向最大流速分别为1.03m·s-1和1.09m·s-1.实验期间该区域的余流是从湾外流入湾内,平均流速约为0.05m·s-1.CAT与定点ADCP流速的东分量和北分量的均方差均小于0.18m·s-1.这样大面积的潮流和余流水平分布的同步观测,用传统观测手段很难实现.通过以上结果可以得出,沿海声层析技术可以作为一种新的测流方法对强潮海区进行大面积潮流观测,可在我国沿海的海洋环境监测等方面发挥重要作用.     

利用超声尾波观测1.5 m长岩石断层黏滑实验的波速变化

在实验室内利用超声尾波观测大尺度(1.5 m)岩石断层的黏滑过程.利用基于尾波干涉的观测方法,我们获得了高达10~(-6)的相对波速变化的观测精度,这相当于~10 kPa的应力变化.利用高精度的测量,我们获取两种不同加载速率下(1μm·s~(-1),10μm·s~(-1))黏滑过程三个阶段(恢复、加载和滑动)基于波速变化的特征量.我们更进一步获取了断层失稳阶段波速变化的时空演化过程.最后讨论了该观测方法需要改进的地方.以上研究结果表明作为一种对现有实验观测手段的有益补充,利用超声尾波观测实验室大尺度岩石断层的动力学过程是可行的.     

扫描式F-P干涉仪在MERINO观测中的热层风结果与分析

MERINO是沿120°E/60°W子午圈的全球联网观测项目,热层中性风是其中一个十分重要的观测参数.本文介绍了武汉大学扫描式F-P干涉仪(SFPI)及其在MERINO第一轮观测中的结果,并与同站点的流星雷达在98 km高度上的测风数据进行了验证,分析表明两台设备的吻合性很好,SFPI风速测量的误差分别为8 m·s^-1(557.7 nm)和7.8 m·s^-1 (630.0 nm).本文对地基扫描式FPI的误差做了详细分析,结果表明在FPI仪器设计之初,就需要考虑标准具通光孔径D和成像物镜焦距f的合理组合,在目前CCD和标准具规格的限制下,增加f会提高测风精度,但会牺牲通光量,可通过设置CCD为Binning读出模式来提高灵敏度.在FPI进行风场观测时,要对设备工作的环境温度进行控制,特别是控制标准具的温度漂移.FPI的测风精度可以理论推导,但实际测风误差还与反演算法、元器件的加工和安装精度有关,国际通用的误差评价方法是用统计偏差来表示.