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业务化运行的星载微波散射计能为中低风速(<20m/s)和无雨区域提供准确的海面风矢量数据,但对于伴随有高风速和强降雨的热带气旋区域,其提供的海面风矢量数据并不准确。因为目前还没有适用于高风速和强降雨情况、可业务化运行的散射计风场反演模型。而提高散射计在热带气旋区域的测风准确度,能为热带气旋的强度、范围、移动路径提供更准确的预报和预警,进而减少热带气旋(尤其是飓风/台风)造成的巨大损失。因此研究适用于高风速和强降雨情况的散射计风场反演模型,是最近十多年来,散射计测风研究的热点。本论文利用机载微波散射计在飓风实地试验中采集的高空间分辨率数据,分析高风速和降雨对不同波段(C/Ku)、不同极化(VV/HH)微波散射计测量海洋表面风场的影响,研究适用于热带气旋区域用于散射计测风的风场反演模型。
高风速对散射计测风影响的结论为:(1)海面NRCS随风速增长而饱和的现象,在C/Ku波段的两种不同极化(VV/HH)、入射角30°~50°时,都会出现。当海面风速增长至大约50m/s,海面NRCS会达到峰值。且高入射角时海面NRCS较低入射角时不容易出现饱和。海面NRCS的饱和现象说明当风速达到50m/s左右时,用散射计难以反演出海洋表面风矢量。但风速小于45m/s左右(依具体的波段、极化、入射角而定),散射计仍有测量海洋表面风矢量的能力。只是相对于中低风速(<20m/s),高风速(>20m/s)时为得到相同的风速反演精度,散射计需要更高的测量精度,因为高风速时海面NRCS对风速增长的响应能力减弱。另外,饱和现象也出现于海面NRCS在方位向的各向异性上,这对高风速时准确反演海面风向造成了影响。(2)对于C和Ku波段,高风速区域(20~40m/s)水平极化的风久量反演精度比垂直极化的要高,并且高入射角的风矢量反演精度要高于低入射角的情况。在本论文利用的波段、极化、入射角的组合中,Ku波段HH极化在入射角49.0。时的海面风矢量反演精度最高,C波段HH极化在入射角50.0。时次之。
降雨对散射计测风影响的结论为:(1)降雨对C波段散射计测风的影响小。但在高风速和强降雨时,降雨仍会使C波段散射计测量的海面风速偏低。(2)降雨对Ku波段散射计测风的影响很大。风速低于10m/s,降雨的影响以雨滴冲击海面导致海面粗糙度增大的效应为主。且随着雨速的增加,降雨有使散射计的测量风速增加的趋势。高风速(>20m/s)时,降雨影响以对雷达波的衰减作用为主,有使散射计测量的风速偏低的趋势。当雨速一定时,降雨在高风速时引起的风速估计误差更大。中等风速时(10~20m/s),降雨对Ku波段的风速反演产生的影响较小。此时降雨的衰减效应被降雨冲击海面的效应所平衡。(3)降雨对Ku波段海面NRCS的方位向各向差异特性影响大,造成相应的海面风向反演困难;对C波段海面NRCS的方位向各向差异特性影响小,相应的风向反演影响也小。
在分析高风速时散射计测量的海面NRCS对风速响应特性的基础上,本论文利用飓风实地实验中采集的散射计测量数据,建立了不同波段(C/Ku波段)、不同极化(VV/HH极化),对应四个不同入射角(约30、35、40、50度)的高风速地球物理模型,相应的风速范围为12~60m/s,为高风无雨的热带气旋区域散射计测风提供了风场反演模型。
在飓风测量数据处理中,根据海面NRCS在高风速时的饱和现象,提出了一种利用高风区域的海面后向散射测量数据,对散射计进行绝对定标的新方法。这种方法高效且不需要精确的风速测量值。