风云三号双频测风雷达风场反演仿真与精度提高方法研究

【摘要】：热带气旋是影响我国的重要灾害性天气系统之一,极轨卫星平台上的微波散射计观测具有对云雨大气的穿透能力、昼夜观测和全球覆盖能力,能够为热带气旋的强度、路径预报提供更精确的海面风场数据。在中低风速和无降雨的条件下,散射计遥感获取海面风场的实际应用价值已得到广泛认同,但是,海洋灾害性天气对应的高风速和强降雨,能够对散射计的风场反演产生极大影响。散射计应用至今,绝大部分是单频测量,装载在风云三号卫星(FY-3)上的微波散射计又被称作测风雷达(WFR),能实现双波段、双极化准同步观测,将成为我国气象卫星对热带气旋内洋面风场的唯一探测手段。 本文基于大气辐射传输理论,利用雷达仿真软件分别建立Ku波段和C波段的降雨模型、云水粒子模型,利用高风速地球物理模型函数(GMF)模拟台风降水区海面的雷达回波并反演了海面10m风场,研究降雨对风场反演的影响以及FY-3双频测风雷达在热带气旋内的探测能力,旨在针对该测风雷达双波段探测的特点,对该测风雷达数据处理流程、双频反演及精度提高算法进行预研。 对模拟数据的正演分析结果显示：台风中的降雨能使反演风速偏小,风向精度降低,在高风速(30m·s-1)的情况下,可达5-20m·s-1的误差；无论对于降雨、云水粒子还是气体吸收,Ku波段相对C波段均更易受到影响；从海面随机散射物理机制分析,Ku波段和C波段对风速的敏感区间不同,高低风速区间双波段的协同反演,有助于扩大散射计探测风速的动态范围；因此与单频散射计相比,双频散射计具有提高空间分辨率、显著减小降雨影响、扩大测风动态范围的优势。 对双频反演算法的研究结果表明：双频反演的新方法能够结合Ku波段与C波段的优势：双频最大似然估计方法在分辨率上优于C单频反演,相对Ku单频反演能降低降雨对测风的衰减作用；双频分区反演方法能够防止雨衰影响,但反演精度不高,对其他同步装载仪器的依赖性较大；利用双频数据结合进行降雨率反演及降雨校正后,结合双频最大似然估计方法反演,能显著减小降雨偏差,提高风速反演精度,是提高台风降水区测风精度的有效手段。