Ku波段卫星散射计风场反演中地球物理模式函数的改进研究

The sea surface temperature (SST) effects on the oceanic normalized radar cross section (NRCS) are pronounced for Ku-band scatterometers, but rather negligible for C-band scatterometers. All existing Ku-band geophysical model functions (GMFs) that used in scatterometer wind retrievals do not include the SST factor, thus the biases of retrieved winds are highly correlated with the SST. Based on a theoretical radar backscatter model and a number of satellite scatterometer data, this project will quantitatively investigate the dependence of Ku-band scatterometer measurements on SST, then add the SST-dependent item to the existing NSCAT-4 GMF. In addition, the dependence of NRCS on wind speed will also be improved for establishing a more accurate NSCAT-5 GMF. The NSCAT-5 GMF will be applicable to all Ku-band scatterometer wind retrievals. The results of this project will significantly improve the quality of winds retrieved from Ku-band scatterometers, reduce the systematic differences of wind products among scatterometers, and also improve the combined use of multiple satellite scatterometer wind products.

海表温度对Ku波段散射计测量海面雷达后向散射截面(NRCS)的影响十分显著，而对C波段的影响可以忽略不计。目前用于Ku波段卫星散射计风场反演的地球物理模式函数(GMF)均未包含海表温度因子，导致反演风场存在较大的系统性偏差。本项目将综合使用理论模型和卫星数据，定量研究Ku波段NRCS随海表温度变化的关系，对现有NSCAT-4 GMF补充海表温度因子项，并进一步改进GMF中NRCS随入射角和风速变化的关系，最终建立包含海表温度因子且能够适用于所有Ku波段卫星散射计风场反演的NSCAT-5 GMF。研究结果将显著提高Ku波段卫星散射计反演风场的质量，减小不同卫星散射计反演风场之间的系统性差异，也将为联合使用多个卫星散射计风场数据奠定基础。

星载微波散射计通过测量海面雷达后向散射系数（NRCS）反演海面风场，是目前获取全球海面风场观测资料最主要、最有效的手段。我国主要发展了Ku波段散射计，而欧洲发展C波段散射计。研究表明Ku波段散射计测量海面NRCS受到海表温度（SST）影响显著，并且有必要构建普适性且包含SST因子的地球物理模式函数（GMF）。随着在轨运行散射计数量增加，国内外卫星散射计反演风场之间的一致性成为了亟待解决的关键科学问题，本项目研究成果对解决该科学问题具有重要贡献：.1）提出了HY-2系列卫星散射计NRCS数据交叉定标方法，实现了NRCS观测值交叉定标精度优于0.1 dB。高精度定标后的海面NRCS数据为后续构建GMF，以及进行海面风场反演提供了支撑。.2）改进了GMF中后向散射系数对风速的依赖关系、对风向的依赖关系、对入射角的依赖关系和对海表温度的依赖关系。本项目通过改进现有Ku波段NSCAT-4 GMF中后向散射系数对海面风速和风向的依赖关系，以及增加海表温度（SST）因子项，构建了适用于HY-2卫星微波散射计海面风场反演的NSCAT-5.HY-2 GMF。研究结果表明，相比NSCAT-4 GMF，采用NSCAT-5.HY-2 GMF反演得到的HY-2散射计海面风速与ASCAT散射计风速的一致性提高了约11%，特别是风速反演误差不再依赖于SST变化、不再呈现显著经向分布特点。.3）基于理论模型仿真结果，得到了海表温度影响随入射角变化的关系，从而构建了具有普适性且带海表温度因子的地球物理模式函数（NSCAT-5 GMF）。然而，这部分工作缺少卫星数据的验证，有待进一步研究。未来期待CFOSAT和FY-3E卫星散射计NRCS数据定标质量的改进和完善。.本项目研发的地球物理模式函数可以减小了C和Ku波段散射计反演风场的系统性差异，为构建散射计海面风场气候数据集提供了必要支撑。研究结果被国内国际专家认可，被国内外卫星散射计风场反演算法采纳。需要说明的是，本项目构建散射计海面风场反演模型主要适用于常规海况（风速<25m/s），而星载微波散射计在高海况和强降雨天气条件下的遥感机理、反演模型等有关研究将成为新的关键科学问题。