HY-2散射计微波后向散射的温度影响机理、模型、及风场反演研究

Sea surface wind is the main source of momentum to the upper ocean system. Therefore, it is of great value to obtain ocean surface wind data with high precision and high spatial and temporal resolutions both for research and applications. Satellite scatterometer provides a new method to operationally obtain the ocean surface wind. However, none of the existing geophysical model functions(GMF) used in wind vector retrieval takes the effect of the sea surface temperature into account. In the traditional GMF, the backscatter coefficient is only considered as a function of radar wavelength, incidence angle, polarization, wind speed and relative azimuth. Theory and experiments demonstrate that the sea surface temperature actually have an impact on the behavior of the microwave backscatter of the ocean surface. According to the main problem of the existing GMFs, this project will attempt to analyze the characteristic of the effect of sea surface temperature on the ocean surface backscatter, explore its mechanism and establish the new GMF with the sea surface temperature as an independent variable by using the backscatter coefficients data from HY-2 scatterometer, and wind speed, wind direction, sea surface temperature, air temperature data from ocean buoys. The corresponding wind vector retrieval algorithm with sea surface temperature as one of the input parameters will be also derived in this project. The work in this project will lay a theoretical and technological foundation for further improving the precision and stability of the wind vector retrieval using microwave scatterometer data.

海风风场是作用在海洋表层的主要动力因子，获取高精度、高时空分辨率的海面风场数据具有十分重要的科研价值和现实意义。星载散射计为获取海面风场数据提供了全新的技术手段。但现有用于风场反演的地球物理模型函数都只是考虑了后向散射系数与雷达波长、入射角、极化方式、风速和相对风向等几个关键因子之间的函数关系，而忽略温度等其它海洋环境因子的影响。然而理论和实验均表明，后向散射系数除了与几个主要影响因子有关外，还受到温度等海面环境因子的影响。 本项目针对现有模型存在的问题,利用我国海洋二号卫星微波散射计测量的后向散射系数、海上浮标测得的海面风速、风向、海面温度、以及大气温度等数据，分析海面温度对后向散射系数的影响，研究其影响机理，并在此基础上构建包含温度因子的地球物理模型函数(GMF)及相应的风场反演算法,为进一步提高海面风场反演精度和稳定性奠定理论和技术基础。

星载微波散射计为获取全球海面风场数据提供了全新的技术手段，但现有用于风场反演的地球物理模型函数都没有考虑海面温度因子的影响。实验表明，后向散射系数除了与主要影响因子有关外，还受到海面温度的影响。. 本项目以HY-2A卫星微波散射计作为主要研究对象，利用其后向散射系数测量数据和时空匹配的欧洲中期天气预报海面风场再分析数据、以及WindSat辐射计海面温度数据，构建建模数据集和验证数据集，并辅以部分QuikSCAT散射计和浮标匹配数据，分析了不同极化不同风速条件下后向散射系数随海面温度的变化规律，建立了包含温度因子的地球物理模型函数。同时，从海面与微波的相互作用机制出发，构建了海面微波后向散射的物理模型框架，并利用粘度计测量了实际海水粘度随温度和盐度的变化规律。在上述研究工作基础上，将海面温度因子纳入到风场反演过程中，建立了考虑温度因子的基于MLE目标函数的海面风场反演算法，并利用验证数据集进行反演实验验证。. 实验结果表明，包含温度因子的地球物理模型函数(SST-GMF)能够更准确地刻画后向散射系数与海面风矢量和雷达观测参数之间的定量函数关系，使得后向散射系数模型值和测量值之间的具有更小的标准差和平均绝对偏差。与NSCAT-2模型相比，SST-GMF模型在低温和高温区间均具有较小的风速反演偏差，能够有效消除温度对风场反演所产生的不良影响，具有更高的风速反演精度，从而证明了模型的正确性和有效性。. 本项目构建的SST-GMF模型可用于我国HY-2A散射计数据重处理，同时也可应用于HY-2B卫星散射计、中法海洋卫星(CFOSAT)散射计、以及高分三号卫星(GF-3)SAR数据的业务化风场反演中，为用户提供精度更高的海面风场产品数据。