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ENVISAT卫星ASAR波模式数据海浪反演算法研究

李晓明  
【摘要】: 欧空局卫星计划中设置的SAR波模式数据,与所有宽刈幅图像数据不同,是一种常开通数据,从中可以获取高时空分辨率和全球覆盖的海浪参数。ERS和ENVISAT波模式SAR数据对于全球海浪数值预报、海洋灾害预报、海气相互作用研究和全球气候变化研究无疑是十分重要的。事实上欧洲中期天气预报中心(ECMWF)已经把SAR波模式数据同化入海浪数值预报业务化运行。 本文主要利用ENVISAT和ERS卫星ASAR/SAR波模式数据,深入研究了海浪方向谱和海浪参数的反演算法。 利用2006年12月至2007年2月三个月获得的全球ASAR波模式数据及其时空匹配的浮标数据和模式结果,对非线性反演算法PARSA和准线性反演算法WVW进行印证比较。PARSA非线性反演算法是广泛应用的MPI模式的扩展和改进,需要提供第一猜测谱和SAR多视交叉谱作为输入。WVW准线性反演算法是欧空局采用的ASAR波模式二级产品海浪谱的算法,该算法的优点是不需要第一猜测谱,而仅需要SAR多视交叉谱作为输入。印证结果表明:PARSA反演算法可以提供完整的二维海浪方向谱,反演的有效波高与浮标结果、模式同化结果、预报结果具有较好的一致性。该算法对第一猜测谱的依赖性较强,限制SAR对海浪的观测成为独立的数据源,但有利于反演结果应用于海浪模式的数据同化以及改善海浪高频信息。WVW算法存在相当大的问题。反演的二维海浪谱不完整,局限于长波范围;反演的有效波高存在较大负偏差;存在25%的情况该算法无法得到二维海浪谱。 由于PARSA反演算法依赖于第一猜测谱,而ESA的标准产品又存在很大误差。基于CWAVE_ERS模型,本文提出适用于ENVISAT ASAR波模式数据的经验模式CWAVE_ENV,利用该经验模式可以直接从ASAR波模式图像提取海浪参数,而且不依赖于第一猜测谱。通过1270个数据对与浮标实测结果进行比较,偏差为0.05米,均方根误差为0.72米,散射指数为24%。利用该经验模式从ASAR波模式数据反演海浪参数,与非线性反演算法结果以及高度计测量结果相当,接近浮标结果。 利用ASAR/SAR波模式数据对北太平洋和北大西洋的高纬度风暴,南太平洋的交错浪,以及印度洋的涌浪进行个例分析。重点比较ASAR/SAR波模式数据各种反演算法在复杂海况和高海况条件下的结果,发现本文提出的CWAVE ENV模式在这些海况条件下仍具有高可靠性,对海洋风暴监测和极端海况预警颇具应用价值。


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