天基高分辨率GNSS-R海面风场反演方法与应用研究

Sea surface wind (SSW) is the primary driving force of ocean circulation, and has a great impact on global and regional climate. The GNSS-R based SSW retrieving method using L-band forward scattering model, which is different from traditional method, has the potential to work in all-weather conditions and high wind speed cases. This program intended to study the sea surface wind retrieving method using space-based Global Navigation Satellite System Reflection (GNSS-R) signal. Based on the signals from Global Positioning System (GPS) and BeiDou-2 (BD-2), the GNSS-R forward scattering coefficient image generating method is studied. The adaption of GNSS-R sea surface forward scattering model and wave spectrum model is analyzed using numerical simulation. To improve the retrieving precision of SSW in high wind speed cases, we study the effect of sea foam and introduce a correction term. Finally, a high resolution SSW retrieving method based on GNSS-R forward scattering coefficient image adapted to broad-band wind speed is proposed. The research will broaden the application of BD-2 satellite, and provide an approach to global SSW real time monitoring as well as early warning of typhoons or tropical cyclones.

海面风场作为海洋环流的主要驱动力影响全球和地区气候变化，具有重要的研究价值。基于导航卫星反射 (GNSS-R) 信号的风场反演方法，采用不同于传统的L波段前向散射模型，具有全天候高海况风场探测潜力，应用前景广阔。本研究基于GPS、BD-2等导航卫星反射信号，开展高分辨率GNSS-R前向散射系数成像方法研究；结合仿真分析手段，对GNSS-R海面前向散射模型和海浪谱开展适用性研究；针对高海况情况引入泡沫对前向散射的影响，提高高风速条件下海面风场反演精度；最终建立不同海况条件下基于GNSS-R前向散射系数图像的高分辨率海面风场反演模型。本项目可拓展北斗二代导航卫星应用领域，为全球海面风场实时监测、台风及热带气旋预警提供新型遥感监测手段。

海面风场作为海洋环流的主要驱动力影响全球和地区气候变化，具有重要的研究价值。基于导航卫星反射 (GNSS-R) 信号的风场反演方法，采用不同于传统的L波段前向散射模型，具有全天候高海况风场探测潜力，应用前景广阔。本研究基于GPS、BD-2等导航卫星反射信号，结合仿真分析手段，对GNSS-R海面前向散射模型和海浪谱开展适用性研究，在一维时延波形反演方法中使用Elfouhaily海浪谱进行海面粗糙度的计算获得更高的反演精度；利用改进后的BRCS方程对尼斯飓风数据进行处理，利用三种能够反映海面粗糙度的图像特征参数建立了BRCS与风速间的多项式线性关系模型；一维时延理论波形匹配方法的风速反演结果进行了对比，在不同风速条件下结果均优于一维时延波形法。对TechDemoSat-1实验卫星数据的多普勒时延图像进行分析，与微波辐射计（Advanced Scatterometry，ASCAT）风场反演产品时空匹配后建立地球物理模式函数，海面风场反演精度为2.04 m/s，基本达到业务化应用要求。通过机载和卫星平台数据处理分析得到，目前一维时延波形匹配法在中低海况特别是风速低于10 m/s时，反演精度较高，且计算速度较经验模型法有优势；但在高海况条件下，经验模型法具有较高的反演精度，后续需继续针对不同传感器采集数据进行图像特征分析，以便获得更具有普适性的海面风场反演模型。本项目可拓展北斗二代导航卫星应用领域，为全球海面风场实时监测、台风及热带气旋预警提供新型遥感监测手段。