姜祝輝，黃思訓，郭洪濤，赫英明，尹志泉

（1.解放軍理工大學 氣象學院，江蘇 南京 211101；2.玉泉二中，黑龍江 哈爾濱 150322）

Vandemark-Chapron算法與Young算法聯合反演Jason-1雷達高度計海面風速方法研究

姜祝輝1，黃思訓1，郭洪濤1，赫英明1，尹志泉2

（1.解放軍理工大學 氣象學院，江蘇 南京 211101；2.玉泉二中，黑龍江 哈爾濱 150322）

針對現行業(yè)務運行的雷達高度計風速反演算法只考慮0～20 m/s的缺陷，提出了VC算法（Vandemark-Chapron Algorithm）與Young算法聯合反演高度計海面風速的方法，通過對Jason-1資料的統計試驗，確定了后向散射截面臨界點，當高度計后向散射截面大于等于該臨界點時采用VC算法反演風速，反之采用Young算法反演風速，統計試驗亦校準了Young算法因儀器參數不同而引起的觀測偏差。選取了Jason-1高度計經過珊珊臺風中心的一個個例進行試驗。試驗結果表明，單純使用VC算法使得反演結果嚴重偏低，校準后的Young算法進行20～40 m/s風速反演能夠有效的提高反演精度。分析過程中進一步證實了利用Young算法反演20～40 m/s風速的有效性。

高度計; 風速反演; 校準

地球上70%以上的面積由海洋覆蓋，擁有豐富的資源，開發(fā)和利用海洋對未來人類可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。海面風場作為海洋探測領域的一個重要參數，對氣象及海洋預報起著重要作用。傳統的探測設備，如浮標、測量船、驗潮站等的測量存在數據稀疏、重復周期較長、費用高等缺陷，限制了針對海面風場的深入研究[1]。衛(wèi)星高度計作為一種主動式微波探測器，具有獨特的全天候、長時間歷程、觀測面積大、觀測精度高、時間準同步、信息量大等特點。衛(wèi)星高度計以海面作為遙測靶，從其回波中可得到后向散射截面、有效波高等信息，從而可以反演海面風速[2,3]。

從20世紀70年代至今，已經發(fā)展了眾多雷達高度計反演海面風速的算法，其反演精度不斷提高。由于現場觀測資料的空間分辨率低，且20 m/s以上的現場觀測資料很難獲得，所以絕大部分高度計反演風速算法的適用范圍為0～20 m/s[4]，而Young[5]通過高度計資料與模式預報的結果資料進行對比分析，得出了20～40 m/s的風速反演算法，此后趙棟梁等[6]經試驗證實了Young算法的可靠性。

現今Topex/Poseidon，ERS-1，ERS-2等高度計的業(yè)務運行算法是MCW算法（Modified Chelton and Wentz Wind Speed Model Function）[7]，而Jason-1等高度計的業(yè)務運行算法是Gourrion提出的VC算法（Vandemark-Chapron Algorithm）[8]。這兩種算法的適用范圍均是0～20 m/s。用現行的業(yè)務運行算法顯然很難準確得到臺風等極端惡劣天氣系統中的海面風速信息。將現行的業(yè)務運行算法與Young算法相結合進行風速反演是一個很好的途徑。Quilfen[9]、楊樂等[10]在這方面做了初步工作。然而其中依舊存在一些值得深入研究的問題。Young算法針對Geosat雷達高度計而建立，簡單的直接聯合兩種方法反演風速必將引入誤差，所以將0～20 m/s的風速反演算法與20～40 m/s風速反演算法相結合來反演海面風速時需要進行校準。本文針對該問題，提出了將0～20 m/s的風速反演算法與20～40 m/s風速反演算法相結合來反演Jason-1雷達高度計海面風速的方法，詳細論述了對Young算法的校準方法。通過對Jason-1資料的統計試驗，確定了后向散射截面臨界點，當高度計后向散射截面大于等于該臨界點時采用VC算法反演風速，反之采用Young算法反演風速，統計試驗亦校準了Young算法因儀器參數不同而引起的觀測偏差。最后通過Jason-1高度計經過珊珊臺風中心的一個個例試驗驗證了本文方法的有效性。

1 反演算法

因方法和數據量的不同，從1981年至今已發(fā)展了很多雷達高度計的風速反演算法。相比之下計算穩(wěn)定、精度較高且應用廣泛的反演算法有MCW算法和VC算法[11]。由于MCW算法僅是建立后向散射截面與風速的復雜數學模型來反演海面風速，VC算法考慮了波浪狀態(tài)對風速反演的影響，其均方根誤差比MCW算法降低了10%～15%，所以本文僅以VC算法為例展開分析試驗。本文高度計資料以Jason-1資料為例。

Gourrion[8]等對全球的高度計和散射計在軌道交叉點測量的風速研究發(fā)現：以前廣泛認同的海面風場對大尺度的重力波沒有影響的結論值得商榷，也就是說海面風場對大尺度重力波存在影響。該影響雖然比對小的毛細重力波的影響要小些，但依舊需要將其考慮到高度計風速反演算法中去。通過進一步試驗證明高度計測風的誤差和測得的有效波高之間存在相關關系。Gourrion通過比較1996年和1997年的Topex/Poseidon和Nscat（散射計）的大量同步測量數據（96 436個）通過神經網絡的方法得到VC算法。該算法的具體表達形式為

其中輸入參數為后向散射截面σKou(dB)和有效波高Hs(m)，輸出雷達高度計海面10 m風速V（m/s），其他參數均為常數，詳見文獻[8]。

VC算法的適用范圍為0～20 m/s，強熱帶風暴，臺風等極端惡劣天氣條件下的風速常常會高于20 m/s，針對這種情況Young[5]于1993年對比模式輸出的結果與高度計后向散射截面之間的關系得出了針對Geosat雷達高度計，適用于20～40 m/s的Young風速反演算法

2 校準方法

考慮到VC算法在模式建立階段已經將浮標數據與后向散射截面在0～20 m/s的風速區(qū)間內建立起誤差小于2 m/s的映射關系，可假定VC算法在20 m/s附近反演精度可信。本文統計了Jason-1的Cycle172（2006年9月6日18時59分到2006年9月16日16時57分）中利用VC算法得出的所有在19.5～20.5 m/s的風速及其相應的有效波高及后向散射截面如圖1所示。從圖中可見，當風速在20 m/s附近時，后向散射截面絕大部分在10～10.5 dB之間，而有效波高則在5～10 m之間。其中后向散射截面很多低于10 dB，相應的有效波高高于10 m/s，這是由考慮到VC算法在模式建立階段已經將浮標數據與后向散射截面在0～20 m/s的風速區(qū)間內建立起誤差考慮到Young算法只是后向散射截面的線性函數，本文在20 m/s時僅考慮后向散射截面的值。對圖1中后向散射截面做算術平均得出20 m/s對應的后向散射截面值為σc=10.231 3 dB。結合2種算法適用范圍可以取σc為后向散射截面分界值，當時，利用VC算法反演風速，當時，利用Young算法反演風速。

圖 1 Jason-1風速在19.5-20.5 m/s的風速、后向散射截面與有效波高統計分布Fig.1 Distribution of wind speed, backscatter cross section and significant wave height when the Jason-1 wind speed is between 19.5-20.5 m/s

Topex/Poseidon與Jason-1這2種高度計飛行高度及工作頻率都相同，存在2.26 dB的系統偏移，Young算法是針對Geosat雷達高度計建立風速反演算法，而Geosat雷達高度計與Jason-1工作頻率稍有偏移（Geosat為13.5 GHz，Jason-1為13.6 GHz），飛行高度差別很大（Geosat為800 km，Jason-1為1 300 km），所以有必要對Young算法在Jason-1上應用進行修正。根據Young算法可以得出20 m/s相應的后向散射截面值為8.125 dB，而VC算法在風速20 m/s時，后向散射截面的統計值經上面的討論為10.231 3 dB，兩者進行比較，得出偏移量2.108 dB。這樣，Young算法應用到Jason-1的風速反演需訂正為

圖 2 經校準的VC算法曲線與Young算法曲線Fig.2 Graph of calibrated VC algorithm and Young algorithm

3 個例試驗

本文選取高度計 Jason-1的Cycle172 Pass203（2006年9月16日3時14分UTC）資料，當Jason-1經過珊珊臺風時，珊珊臺風的基本數據如表1所列。臺風中心緯度為20.6°N ，經度為124.7°E，最大風速為45 m/s。Jason-1高度計的軌跡如圖3所示，該高度計剛好通過珊珊臺風。其中實線圓圈為10級風圈，虛線圓圈為7級風圈。

表 1 珊珊臺風數據Tab.1 Typhoon Shanshan information

高度計軌跡上風速、有效波高及后向散射截面如圖4所示。橫坐標為選取的高度計軌跡所經過的緯度范圍16-25°N。圖4a中實線為利用VC算法得出的高度計反演風速曲線，虛線為當時，通過Young算法反演得到的20 m/s以上的風速曲線。可以看出通過VC算法反演20 m/s以上的風速時，其反演值比Young算法反演值低，而Young算法反演風速的最大值為46.5 m/s，與中國臺風網提供的最大值45 m/s（如表1所列）僅存在1.5 m/s的誤差。圖4b為Ku波段有效波高，圖4c為Ku波段后向散射截面。從圖中可以看出，圖4a中風速在16°N到17.6°N附近僅為8 m/s，隨后震蕩上升，直至20.2°N附近達到風速最大值46.5 m/s，隨后風速急劇下降，到20.6°N為一風速極小值，大約10 m/s，之后風速攀升至28 m/s，再緩慢下降到7 m/s，這是一個很明顯的臺風風場剖面圖，在20.6°N為一風速達到極小值，相應的有效波高亦為極小，而后向散射系數為一極大值，此處就是高度計所經過的姍姍臺風中心位置。由于高度計資料與實測資料在高風速區(qū)匹配較少，致使算法在高風速區(qū)的不穩(wěn)定，陳戈等[4]指出風速的均方根誤差隨著風速增大而急劇增大，風速在25 m/s左右時，均方根誤差在2.5 m/s左右，這可能是風速、有效波高和后向散射系數在臺風區(qū)震蕩劇烈的原因。

圖 3 高度計軌跡及珊珊臺風風圈示意[10]Fig.3 Altimeter track and Typhoon Shanshan wind circle

圖 4 高度計軌跡上風速、有效波高及后向散射截面Fig.4 Wind speed, backscatter cross section and significant wave height along altimeter track

4 結 論

現行業(yè)務運行的算法只考慮0～20 m/s的風速情況，難以準確獲取極端惡劣天氣如臺風等情況下的風速，本文提出了VC算法與Young算法相結合反演高度計海面風速的方法。通過對Jason-1資料的統計試驗，確定了后向散射截面臨界點，當高度計后向散射截面大于等于該臨界點時采用VC算法反演風速，反之采用Young算法反演風速，統計試驗亦校準了Young算法因儀器參數不同而引起的觀測偏差。選取了Jason-1高度計經過珊珊臺風中心的一個個例進行試驗。試驗結果表明，對于Jason-1雷達高度計單純使用VC算法會使得反演結果嚴重偏低，利用校準后的Young算法進行20～40 m/s的風速反演能夠有效的提高反演精度。分析過程中進一步證實了利用Young算法反演20～40 m/s的風速的有效性。本文方法可應用到我國即將發(fā)射的海洋二號衛(wèi)星的高度計風速反演業(yè)務應用算法中。

致謝：本文研究過程中得到南京理工大學楊樂博士的大力幫助，在此表示誠摯的謝意。

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Research on the combination of Vandemark-Chapron algorithm and Young algorithm to retrieve the altimeter sea surface wind speed

JIANG Zhu-hui1, HUANG Si-xun1, GUO Hong-tao1, HE Ying-ming1, YIN Zhi-quan2

(1.Institute of Meteorology, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China; 2.Physics Team, Yuquan Second Middle School, Haerbin 150322, China)

Considering the deficiency of the current radar altimeter wind speed retrieval algorithm, VC algorithm (Vandemark-Chapron Algorithm) combined with Young algorithm is proposed to retrieve the altimeter sea surface wind speed.A critical point of the backscattering cross section is proposed through statistical experiment, if the altimeter backscattering cross section is greater or equal to the critical point then use the VC algorithm to retrieve the sea surface wind speed, otherwise use the Young algorithm.The statistical experiment also calibrates the observation bias.A case when Jason-1 altimeter is crossing the typhoon Shanshan shows that it appears a serious low wind speed bias when using the Young algorithm without calibration, and the retrieval accuracy is improved when using the calibrated Young algorithm.Analyses also prove that the Young algorithm is efficient when the wind speed is between 20 and 40m/s.

altimeter; wind speed retrieval; calibration

P732.6; P425

A

1001-6932(2011)06-0679-04

2010-10-06；

2011-03-17

國家自然科學基金（40775023）。

姜祝輝（1982－），男，博士生，主要從事海洋遙感研究。電子郵箱：jiangzhuhui@126.com。

黃思訓（1946－），男，教授，博士生導師。電子郵箱：huangsxp@yahoo.com.cn。