CN105955934B - 一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速的方法 - Google Patents

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Abstract

一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速的方法，包括：选择六个频率通道；采用线性加权形式对海面风速进行反演；经过反演推导出不同卫星对应的海面风速补偿值；确定海面风速反演阈值，并根据雨标志的值确定是否结束海面风速反演；再计算得到海面风速。本方法能够克服传统微波辐射计海面风速难以反演大风区海面风速问题，能够适合我国风云卫星微波辐射计海面风速反演，反演风速范围0～45m/s；本方法还具有定义简单明确、计算量小以及且收敛速度较快的特点。实际应用中，反演精度高达10％：即风速10m/s时精度1m/s，风速40m/s时精度4m/s，具有广阔的适应性。

Description

一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速的方法
技术领域
本发明涉及一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速的方法，属于大气产品反演算法技术领域。
背景技术
Laurence N.Connor和Paul S.Chang采用TRMM卫星上含有10.7Ghz通道的TMI辐射计，反演海面风速具有良好效果(精度达到1.4m/s)，但是由于TRMM卫星中低纬度轨道的设置，难以实现全球海面风速的提取，限制了全球的广泛应用。我国的FY3卫星是太阳同步轨道卫星，能够开展全球观测服务。但是由于仪器的指标差异性，国际上成熟的线性加权算法难以适用于我国的微波辐射计系统，同时国际上采用微波辐射计反演海面风速难以得到降水区的海面风速，难以实现全天候的海面风速反演。
LAURENCE N C，CHANG P S.Ocean surface wind retrievals using the TRMMmicrowave imager[J].IEEE Trans Geoscience Remote Sensing，2000，38(4)：2009-2016该文献详细论述了微波辐射计在海面风速反演方面的内容，反演风速范围0～15m/s，但是该文献难以解决大风区由于浪花的白沫效应导致微波辐射计能量饱和，难以反演大风的问题，
因此，在微波辐射计反演海面风速的应用方面，需要提出一种更好的风场反演方法。
发明内容
本发明的目的是进一步提高反演全天候海面大风的精度及反演风速范围，提出了一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速的方法。
本发明一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速的方法，具体步骤为：
步骤一、选择六个频率通道；
其中，六个频率通道分别为：10GHz垂直极化通道、10GHz水平极化通道、19GHz垂直极化通道、21GHz垂直极化通道、37GHz垂直极化通道、37GHz水平极化通道；
步骤一中的六个频率通道也可以选择为10GHz、19GHz和37GHz频率附近的其他频率值的频率通道；
步骤二、采用线性加权形式对海面风速进行反演；
其中，所述的线性加权形式表达式如下式(1)：
其中，WS是海面风速，单位是米/秒；Ci为第i个频率通道的系数，下标i的范围为1到6；C0是常数；TB(10V)为对应10GHz垂直极化通道的亮温，TB(10H)为对应10GHz水平极化通道的亮温，TB(19V)为对应19GHz垂直极化通道的亮温，TB(21V)为对应21GHz垂直极化通道的亮温，TB(37V)为对应37GHz垂直极化通道的亮温，TB(37H)为对应37GHz水平极化通道的亮温，上述各频率通道亮温的单位是开尔文，K；ΔW是海面风速补偿值，单位是米/秒；
具体的，采用线性加权形式对海面风速进行反演步骤如下：
步骤2.1)组建新反演方程模型；
具体为：针对步骤一选择的不同频率通道的频率，建立下表1中不同类型仪器对应的公式(1)中的不同参数值；
其中，表1中的MWRI对应中国风云三号卫星微波成像仪，TMI对应欧洲TRMM卫星搭载的TMI对应欧洲TRMM卫星搭载的微波辐射计；
其中，V的含义为垂直极化通道，H的含义为水平极化通道；
根据表1中的灵敏度NEDT以及定标精度TK的数据以及影响系数的关系，可分析出在10GHz、19GHz和37GHz频率附近的参数具有如下特征：
1.)对于灵敏度NEDT，通道越灵敏，即该频率由灵敏度导致的系数权重就越大；
2.)对于定标精度TK，精度越高，即该频率由定标精度导致的系数权重就越大；
步骤2.2)对公式(1)中的系数C0到C6基于通道频率f、灵敏度NEDT、定标精度TK的阈值进行调整，
其中，步骤2.2)中所述的调整过程如下公式(2)到(8)：
C’0＝C0 (2)
其中，fT10V代表TMI辐射计10GHz垂直极化通道频率，fM10V代表MWRI辐射计10GHz垂直极化通道频率，NEDTT10V代表TMI辐射计10GHz垂直极化通道灵敏度，NEDTM10V代表MWRI辐射计10GHz垂直极化通道灵敏度，TKT10V代表TMI辐射计10GHz垂直极化通道定标精度，TKM10V代表MWRI辐射计10GHz垂直极化通道定标精度，fT10H代表TMI辐射计10GHz水平极化通道频率，fM10H代表MWRI辐射计10GHz水平极化通道频率，NEDTT10H代表TMI辐射计10GHz水平极化通道灵敏度，NEDTM10H代表MWRI辐射计10GHz水平极化通道灵敏度，TKT10H代表TMI辐射计10GHz水平极化通道定标精度，TKM10H代表MWRI辐射计10GHz水平极化通道定标精度，fT19V代表TMI辐射计19GHz垂直极化通道频率，fM19V代表MWRI辐射计19GHz垂直极化通道频率，NEDTT19V代表TMI辐射计19GHz垂直极化极化通道灵敏度，NEDTM19V代表MWRI辐射计19GHz垂直极化通道灵敏度，TKT19V代表TMI辐射计19GHz垂直极化通道定标精度，TKM19V代表MWRI辐射计19GHz垂直极化通道定标精度，fT21V代表TMI辐射计21GHz垂直极化通道频率，fM21V代表MWRI辐射计21GHz垂直极化通道频率，NEDTT21V代表TMI辐射计21垂直极化通道灵敏度，NEDTM21V代表MWRI辐射计21GHz垂直极化通道灵敏度，TKT21V代表TMI辐射计21GHz垂直极化通道定标精度，TKM21V代表MWRI辐射计21GHz垂直极化通道定标精度，fT37V代表TMI辐射计37GHz垂直极化通道频率，fM37V代表MWRI辐射计37GHz垂直极化通道频率，NEDTT37V代表TMI辐射计37GHz垂直极化极化通道灵敏度，NEDTM37V代表MWRI辐射计37GHz垂直极化通道灵敏度，TKT37V代表TMI辐射计37GHz垂直极化通道定标精度，TKM37V代表MWRI辐射计37GHz垂直极化通道定标精度，fT37H代表TMI辐射计37GHz水平极化通道频率，fM37H代表MWRI辐射计37GHz水平极化通道频率，NEDTT37H代表TMI辐射计37水平极化极化通道灵敏度，NEDTM37H代表MWRI辐射计37GHz水平极化通道灵敏度，TKT37H代表TMI辐射计37GHz水平极化通道定标精度，TKM37H代表MWRI辐射计37GHz水平极化通道定标精度；
步骤2.3)根据公式(2)到公式(8)的阈值调整得到每个对应新系数C’0到C’6的有限回归范围即新系数取值范围如下：
C”0∈[C0-|C0-C’0|，C0+|C0-C’0|] (9)
C”1∈[C1-|C1-C’1|，C1+|C1-C’1|] (10)
C”2∈[C2-|C2-C’2|，C2+|C2-C’2|] (11)
C”3∈[C3-|C3-C’3|，C3+|C3-C’3|] (12)
C”4∈[C4-|C4-C’4|，C4+|C4-C’4|] (13)
C”5∈[C5-|C5-C’5|，C5+|C5-C’5|] (14)
C”6∈[C6-|C6-C’6|，C6+|C6-C’6|] (15)
其中，C”i分别代表代表6个通道更新后系数的取值范围，下标i的范围为0到6；|Ci-C’i|表示Ci与C’i差的绝对值，下标i的范围为0到6；
步骤2.4)根据公式(2)到公式(8)得出更新后的模型；应用更新后的模型计算海面风速WS，同时代入浮标风速真值WS’，然后两者相减得到ΔW，优化(2)到(8)的系数，找到ΔW最小值，如果通过则向下求系数平均值，得到新的系数，如果未通过，则返回初始状态迭代循环计算；
其中，所述的更新后的模型表达如下(16)式：
WS＝C’0+C’1TB(10V)+C’2TB(10H)+C’3TB(19V)+C’4TB(21V)+C’5TB(37V)+C’6TB(37H) (16)
其中，C’i代表6个通道各自通道对应的系数，下标i的范围为1到6；C’0为常数；TB(10V)为10GHz垂直极化通道的亮温，TB(10H)为10GHz水平极化通道的亮温，TB(19V)为19GHz垂直极化通道的亮温，TB(21V)为21GHz垂直极化通道的亮温，TB(37V)为37GHz垂直极化通道的亮温，TB(37H)为37GHz水平极化通道的亮温；
步骤2.6)设置步骤一中六个频率的各个系数；
其中，步骤2.6)所述系数如下表2所示：
表2更新参数后的模型系数值
；
步骤三、经过反演推导出不同卫星对应的公式(1)中的海面风速补偿值ΔW；
其中，针对FY3B卫星，算出ΔW＝0.47；针对FY3C卫星，算出ΔW＝4.48；
步骤四、确定海面风速反演阈值，并根据雨标志的值判断是否结束海面风速反演；
具体来说，
4.1)当雨标志为0时开展海面风速反演，海面风速反演结束后，跳至步骤五；
4.2)否则，当雨标志为1时放弃海面风速反演，跳至步骤五；
步骤五、由公式(16)得到海面风速WS；
至此，从步骤一到步骤五完成了一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速的方法。
有益效果
本发明一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速的方法，与国际上TRMM卫星反演海面风速相比，具有如下
有益效果：
1.能够克服传统微波辐射计海面风速难以反演大风区海面风速问题，能够适合我国风云卫星微波辐射计海面风速反演，反演风速范围0～45m/s；
2.该方法定义简单明确，计算量小，且收敛速度较快，反演精度高达10％：即风速10m/s时精度1m/s，风速40m/s时精度4m/s，具有广阔的通用性和普适性。
附图说明
图1是本发明一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速的方法的流程图；
图2是本发明一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速的方法及实施例1的海面风速样图；
图3是本发明一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速的方法及实施例1的海面风速精度散点图；
图4是本发明一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速的方法及实施例1的各通道对海面风速影响权重图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1
我们采用中国气象局FY-3B/C卫星上的微波成像仪MWRI，该仪器通道为10.65GHz、18.7GHz、23.8GHz、36.5GHz和89GHz，具有丰富的通道设置，不仅带有与SSM/I类似的高频通道，还含有能够穿透大气条件的10.7GHz通道，同时FY-3B/C卫星是极地轨道业务卫星，使得该仪器具备提取全球海面风速的能力。我们首先基于TMI的海面风速反演经验模型，在FY-3B/C卫星载荷回归分析样本量较小的情况下，分析FY-3B/C卫星微波成像仪(MWRI)和TMI的通道差异，分析差异对通道接收量温的影响，设置新模型系数回归分析的有限范围，各通道范围的设置包含了通道差异的信息和特征，应用有限域的回归方法，并得到了适用于MWRI的风速反演经验模型，得到了较好结果，并给出全球海面风速反演示意图。
其中，图1是本发明一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速方法及本实施例的流程图；该流程图是海面风速算法数学过程，首先根据公式(9)到(15)约束的系数回归范围，应用更新后的模型计算海面风速WS，同时代入浮标风速真值WS’，然后两者相减得到ΔW，优化(2)到(8)的系数，找到ΔW最小值，如果通过则向下求系数平均值，得到新的系数，如果未通过，则返回初始状态迭代循环计算。
图2是本发明一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速方法及本实施例的海面风速样图；该图是本发明最终全球海面风速产品样例图，灰色表示陆地，该产品仅仅在海洋区域有效，每一条带表示卫星飞行的轨道观测范围，左下角是色标，表示风速范围从0～45m/s，右下角表示中国气象局图标和国家卫星气象中心图标，中间下部白色表示海冰，黑色表示无数据，图3是本发明一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速方法及本实施例的海面风速精度散点图；该图左图是风云三号B星海面风速产品精度图(散点图)，横坐标表示浮标风速真值，纵坐标表示反演的海面风速。该图右图是风云三号C星海面风速产品精度图(散点图)，横坐标表示浮标风速真值，纵坐标表示反演的海面风速。图中Bias表示偏差，RMS表示标准差，NUM表示数据量。
图4是本发明一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速方法实施例1的各通道对海面风速影响权重图；该图左图表示各个通道亮温误差对风速精度的影响偏差，横坐标表示亮温偏差，纵坐标表示海风误差均值，不同的线形表示不同的通道，该图右图表示各个通道亮温误差对风速精度的影响标准差，横坐标表示亮温偏差，纵坐标表示海风误差标准差，不同的线形表示不同的通道。
验证了模型的准确性和实用性，为我国开展星载微波辐射计测量全球海面风速提供了新思路。
实施例2
本实施例采用本发明所提的方法，基于微波辐射计反演海面风速，该方法的具体步骤如发明主体中步骤一到步骤五所述。除此以外，还进行强风反演算法，如下：
在强风条件下，海面的浪花出现破碎情况，即白沫效应，使得微波辐射计接收的能量呈现饱和现象，因此普通反演海面风速的算法难以实现大风速的反演，而本方法基于利用多通道对海浪白沫呈现不同的饱和现象这一特征，开展大风速信息的反演，取得了成功，该算法可以反演0～45m/s的风速。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、选择六个频率通道；
步骤一中的六个频率通道分别为：10GHz垂直极化通道、10GHz水平极化通道、19GHz垂直极化通道、21GHz水平极化通道、37GHz垂直极化通道、37GHz水平极化通道；
步骤二、采用线性加权形式对海面风速进行反演；
步骤二中所述的线性加权形式表达式如下式(1)：
其中，WS是海面风速，单位是米/秒；Ci为第i个频率通道的系数，下标i的范围为1到6，C0是常数；TB(10V)为对应10GHz垂直极化通道的亮温，TB(10H)为对应10GHz水平极化通道的亮温，TB(19V)为对应19GHz垂直极化通道的亮温，TB(21V)为对应21GHz垂直极化通道的亮温，TB(37V)为对应37GHz垂直极化通道的亮温，TB(37H)为对应37GHz水平极化通道的亮温，上述各频率通道亮温的单位是开尔文，K；ΔW是海面风速补偿值，单位是米/秒；
步骤二中采用线性加权形式对海面风速进行反演，具体步骤如下：
步骤2.1)组建新反演方程模型；
步骤2.2)对公式(1)中的系数C0到C6基于通道频率f、灵敏度NEDT、定标精度TK的阈值进行调整，
其中，步骤2.2)中所述的调整如下公式(2)到(8)：
C’0＝C0 (2)
其中，fT10V代表TMI辐射计10GHz垂直极化通道频率，fM10V代表MWRI辐射计10GHz垂直极化通道频率，NEDTT10V代表TMI辐射计10GHz垂直极化通道灵敏度，NEDTM10V代表MWRI辐射计10GHz垂直极化通道灵敏度，TKT10V代表TMI辐射计10GHz垂直极化通道定标精度，TKM10V代表MWRI辐射计10GHz垂直极化通道定标精度，fT10H代表TMI辐射计10GHz水平极化通道频率，fM10H代表MWRI辐射计10GHz水平极化通道频率，NEDTT10H代表TMI辐射计10GHz水平极化通道灵敏度，NEDTM10H代表MWRI辐射计10GHz水平极化通道灵敏度，TKT10H代表TMI辐射计10GHz水平极化通道定标精度，TKM10H代表MWRI辐射计10GHz水平极化通道定标精度，fT19V代表TMI辐射计19GHz垂直极化通道频率，fM19V代表MWRI辐射计19GHz垂直极化通道频率，NEDTT19V代表TMI辐射计19GHz垂直极化极化通道灵敏度，NEDTM19V代表MWRI辐射计19GHz垂直极化通道灵敏度，TKT19V代表TMI辐射计19GHz垂直极化通道定标精度，TKM19V代表MWRI辐射计19GHz垂直极化通道定标精度，fT21V代表TMI辐射计21GHz垂直极化通道频率，fM21V代表MWRI辐射计21GHz垂直极化通道频率，NEDTT21V代表TMI辐射计21垂直极化通道灵敏度，NEDTM21V代表MWRI辐射计21GHz垂直极化通道灵敏度，TKT21V代表TMI辐射计21GHz垂直极化通道定标精度，TKM21V代表MWRI辐射计21GHz垂直极化通道定标精度，fT37V代表TMI辐射计37GHz垂直极化通道频率，fM37V代表MWRI辐射计37GHz垂直极化通道频率，NEDTT37V代表TMI辐射计37GHz垂直极化极化通道灵敏度，NEDTM37V代表MWRI辐射计37GHz垂直极化通道灵敏度，TKT37V代表TMI辐射计37GHz垂直极化通道定标精度，TKM37V代表MWRI辐射计37GHz垂直极化通道定标精度，fT37H代表TMI辐射计37GHz水平极化通道频率，fM37H代表MWRI辐射计37GHz水平极化通道频率，NEDTT37H代表TMI辐射计37水平极化极化通道灵敏度，NEDTM37H代表MWRI辐射计37GHz水平极化通道灵敏度，TKT37H代表TMI辐射计37GHz水平极化通道定标精度，TKM37H代表MWRI辐射计37GHz水平极化通道定标精度；
步骤2.3)根据公式(2)到公式(8)的阈值调整得到每个对应新系数C’0到C’6的有限回归范围，即新系数取值范围如下：
C”0∈[C0-|C0-C’0|，C0+|C0-C’0|] (9)
C”1∈[C1-|C1-C’1|，C1+|C1-C’1|] (10)
C”2∈[C2-|C2-C’2|，C2+|C2-C’2|] (11)
C”3∈[C3-|C3-C’3|，C3+|C3-C’3|] (12)
C”4∈[C4-|C4-C’4|，C4+|C4-C’4|] (13)
C”5∈[C5-|C5-C’5|，C5+|C5-C’5|] (14)
C”6∈[C6-|C6-C’6|，C6+|C6-C’6|] (15)
其中，C”i分别代表6个通道更新后系数的取值范围，下标i的范围为1到6；|Ci-C’i|表示Ci与C’i差的绝对值，下标i的范围为0到6；
步骤2.4)应用更新后的模型计算海面风速WS，同时代入浮标风速真值WS’，然后两者相减得到ΔW，优化公式(2)到(8)的系数，找到ΔW最小值，如果通过则向下求系数平均值，得到新的系数，如果未通过，则返回初始状态迭代循环计算；
其中，所述的更新后的模型表达如下(16)式：
WS＝C’0+C’1TB(10V)+C’2TB(10H)+C’3TB(19V)+C’4TB(21V)+C’5TB(37V)+C’6TB(37H) (16)
其中，C’i代表6个通道各自通道对应的系数，下标i的范围为1到6；C’0为常数；TB(10V)为10GHz垂直极化通道的亮温，TB(10H)为10GHz水平极化通道的亮温，TB(19V)为19GHz垂直极化通道的亮温，TB(21V)为21GHz垂直极化通道的亮温，TB(37V)为37GHz垂直极化通道的亮温，TB(37H)为37GHz水平极化通道的亮温；
步骤2.5)设置步骤一中六个频率通道的各个系数；
其中，步骤2.5)所述系数如下表2所示：
表2 更新参数后的模型系数值
步骤三、经过反演推导出不同卫星对应的海面风速补偿值；
步骤四、确定海面风速反演阈值，并根据雨标志的值判断是否放弃海面风速反演；
步骤五、计算海面风速。
2.如权利要求1所述的一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速的方法，其特征还在于：
步骤2.1)具体为：针对步骤一选择的不同频率通道的频率，建立下表1中不同类型仪器对应的公式(1)中的不同参数值；
其中，表1中的MWRI对应中国风云三号卫星微波成像仪，TMI对应欧洲TRMM卫星搭载的微波辐射计；
其中，V的含义为垂直极化通道，H的含义为水平极化通道；
根据表1中的灵敏度NEDT以及定标精度TK的数据以及影响系数的关系，可分析出在10GHz、19GHz和37GHz频率附近的参数具有如下特征：
1.)对于灵敏度NEDT，通道越灵敏，即该频率由灵敏度导致的系数权重就越大；
2.)对于定标精度TK，精度越高，即该频率由定标精度导致的系数权重就越大。
3.如权利要求1所述的一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速的方法，其特征在于：步骤三所述的经过反演推导出不同卫星对应的海面风速补偿值ΔW；
具体的，针对FY3B卫星，算出ΔW＝0.47；针对FY3C卫星，算出ΔW＝4.48。
4.如权利要求1所述的一种多个频率探测通道的线性加权求海面风速的方法，其特征还在于：
步骤四中确定海面风速反演阈值，并根据雨标志的值判断是否放弃海面风速反演，具体为：
4.1)当雨标志为0时开展海面风速反演，海面风速反演结束后，跳至步骤五；
4.2)否则，当雨标志为1时放弃海面风速反演，跳至步骤五；
步骤五中计算海面风速具体通过公式(16)计算得到海面风速WS。
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