HY-2衛星微波散射計反演風矢量產品真實性檢驗方法研究

穆 博，林明森，彭海龍，宋清濤，周 武

（國家衛星海洋應用中心，北京 100081）

HY-2衛星微波散射計反演風矢量產品真實性檢驗方法研究

穆 博，林明森，彭海龍，宋清濤，周 武

（國家衛星海洋應用中心，北京 100081）

海洋二號(HY-2)衛星微波散射計主要用于測量海表面的風速和風向，為了確保地面應用系統業務化處理軟件生產產品的質量，必須對其生產產品進行真實性檢驗，為數據產品的定量化應用提供依據。本文基于NCEP分析資料數據，對HY-2衛星微波散射計反演風矢量產品進行了真實性檢驗，檢驗結果表明：采用NCEP分析數據，除了可以給出HY-2衛星微波散射計反演風矢量產品的整體精度評價之外，還可以用于快速分析與圓錐掃描筆形波束體制相關及測量機理的精度特性分析，輔助分析識別儀器在軌測量性能的短期異常。

微波散射計；反演風矢量；真實性檢驗

1 前言

海面風場數據對于海氣相互作用和海洋動力學等研究是非常重要的。基于船舶和浮標的常規海面風場測量方式往往都是空間上零星分布的，且在全球海洋的觀測分布點非常少。目前，星載微波散射計是可以有效測量海面風速和風向的一種衛星傳感器，它能夠全天候地獲得覆蓋全球的、高分辨率的、高頻次的和長周期的海面風場觀測資料，已經廣泛應用于海洋預報和相關科研應用領域。

第二，企業組織信息安全的相關培訓。企業可請信息安全方面的專家對財務人員進行培訓，使財務人員了解惡意軟件在計算機之間傳播的方式，掌握對于財務數據進行加密等方法，防止違規操作人員對數據進行篡改或利用假冒賬號進行非正常交易。

星載微波散射計是間接測量海面風矢量的。它直接測量的是海表面的雷達后向散射能量，依據雷達方程獲得海表面的后向散射系數；然后通過對海面同一面元進行多方位向的后向散射系數測量，結合地球物理模式函數反演出海表面的風速和風向。一般0.2 dB的定標偏差會導致風速的反演誤差大約是0.25 m/s[1]。為了獲得散射計反演風矢量產品精度，保障風矢量產品的定量化應用，必須對其產品質量進行真實性檢驗。

此輪談判充分發揮了基本醫療保險集團購買功能，明顯提高了醫保用藥保障水平，降低了患者用藥負擔，控制了醫保基金支出，實現了參保人、醫保、企業“三贏”的目標。現在患者已逐步能買到降價后的抗癌藥。

我國于2011年8月發射了首顆海洋動力環境衛星——HY-2衛星，其上搭載了國內首顆星載微波散射計。本文采用National Centers for Environmental Prediction（NCEP）的一種最終分析資料數據，實現了HY-2衛星微波散射計反演風矢量產品的真實性檢驗，獲得了反演產品的整體精度評價，該方法可以快速有效地給出與星載微波散射計波束體制及測量機理相關的精度特性評價，完成HY-2衛星散射計反演風矢量產品精度的全面評價，輔助進行儀器在軌測量性能的異常識別。

[6] 宗世海、劉文輝：《印尼華文教育政策的歷史演變及其走向預測》，《暨南大學華文學院學報》2007年第3期，第3頁。

4）整體風速范圍的精度檢驗。目前，星載微波散射計無法實現海面全風速范圍的有效風矢量測量。因此，只能針對散射計的有效測量范圍，對其有效反演風矢量進行整體精度檢驗，給出散射計反演風矢量的精度。SeaWinds散射計測量海面風矢量的研制指標要求是3～30 m/s，而HY-2衛星微波散射計測量風矢量范圍的研制指標要求是2 ～ 24 m/s[2]。

2 數據簡介

2.1 HY-2衛星數據

很多施工單位在進行施工時只關注施工的效率和施工質量，往往不注重對施工安全的管理，施工安全意識薄弱，一是對安全檢查防護投入的資金力度不夠，沒有配備專門的施工安全管理人員，安全責任制也流于形式化，所以導致在腳手架使用中隱藏著許多的安全隱患，一旦有所疏忽，就會導致安全事故，在這種情況下，施工人員對自身的保護意識也比較差，這是導致事故發生的重要原因之一。

2.2 海面風場數據

海面風場數據采用NCEP的FNL（Final）全球分析資料數據，FNL分析資料由NCEP的全球資料同化系統（GDAS）生產，每天在世界時0時、6時、12時和18時分別生產一次數據；每個時刻生產數據采用經緯網格劃分，水平分辨率為1°×1°（全球共361×181個格點）。

由于FNL資料的海表面風速是海面高度10 m處的真風速，而微波散射計反演的風速產品是假定中性大氣層結條件下的海面10 m高度處風速[2]。因此，在本文數據處理中，采用Liu和Tang的方法[3]，將匹配的FNL資料的海面風速轉換為了海面10 m高度處的中性穩定風速(equivalent neutral wind speed)。該模型需要輸入海面的氣象參數數據和海面溫度數據，在實際計算中，氣象輔助參數同樣從NCEP的FNL全球分析資料數據中獲取，插值方法與海面風矢量的插值方法相同。

3 檢驗方法

3.1 檢驗內容

由于HY-2衛星掃描微波輻射計的觀測刈幅約為1500 km，而散射計的觀測刈幅約為1700 km，因此，為了確保檢驗結果不受降雨的影響，剔除了散射計刈幅邊緣位置觀測的所有數據。

式（1）中，wdNCEP為NCEP分析資料的測量風向；wdscat為HY-2衛星微波散射計的反演風向。但是，在風向散點分布圖繪制中，為了顯示原始的風向分布特點，并沒有對風向進行式（1）的轉換。

圖1 HY-2衛星微波散射計觀測幾何示意圖Fig.1 The HY-2 scatterometer measurement geometry

在散射計內波束刈幅范圍內，同一觀測單元可以獲得內外波束前視和后視的觀測各一次，共得到四次不同方位向觀測。在內波束邊緣到外波束邊緣之間的區域，同一分辨單元只能獲得外波束的前視和后視觀測各一次，所以只能得到二次不同方位向觀測。同時，在交軌方向，不同刈幅位置之間多次方位向觀測的差異度也不一樣，這種差異化也造成了筆形圓錐掃描體制微波散射計在不同交軌方向刈幅位置反演風矢量精度的差異。一般來說，在星下點和刈幅邊緣位置反演風矢量的精度較差，而在刈幅中間位置反演風矢量的精度最高。如果測量精度不符合這一特性，則說明圓錐掃描筆形波束體制散射計反演風矢量的精度存在異常，而該異常很可能由筆形波束天線掃描關節造成不同方位向的測量精度存在差異引起。HY-2衛星微波散射計根據其面元分辨率和觀測刈幅寬度，沿交軌方向從左至右依次劃分了76個分辨面元，需要對其不同交軌方向刈幅觀測位置的風矢量產品精度進行檢驗。

2）不同風速條件下反演風矢量的精度評價。微波散射計直接測量的是海表面的后向散射系數，且海面后向散射系數是隨著風速的增大而增大的。在低風速條件下，由于海表面近似呈現鏡面狀態，其后向散射的能量非常小，造成星載微波散射計的測量信噪比很低，測量精度顯著下降，進而造成散射計在低風速條件下反演風矢量的精度降低。目前，國內外微波散射計反演風速范圍的研制指標要求都大于2 m/s。隨著風速的增大，海面后向散射系數隨風速增大的變化率也越來越小，逐漸趨于飽和[5～7]，這也正是目前國內外星載微波散射計都只能有效反演小于30 m/s風速的原因。因此，需要結合散射計的測量機理，實現HY-2衛星微波散射計在不同風速條件下反演風矢量的精度特性評價。

3）模糊去除能力的精度評價。在散射計風矢量反演過程中，由于測量數據的噪聲污染、模式函數的誤差等因素，往往存在多個風速風向組合，使得反演目標函數取得最優值，這些可能的風速、風向組合統稱為風矢量模糊解，從多個模糊解中尋找最優解的過程稱為模糊去除。目前，散射計風場反演中使用比較多的模糊去除算法主要有SeaWinds散射計風場反演用到的中值濾波方法[8]，以及圓中數濾波方法[9，10]。模糊去除精度對微波散射計最終反演風矢量產品精度至關重要，因此，需要評價散射計反演風矢量的模糊去除精度。

這個題需要這樣理解的，這兩種病毒差別很大。雖然流行性腹瀉病毒（其原料感染劑量為10）在飼料中更具傳染性，但其感染性更易喪失。而非洲豬瘟病毒有很強的耐受性，可在很廣的溫度和pH值范圍內存活。病毒可在糞便中存活11天、帶骨肉中存活150天。因其耐受性在各種環境條件下的廣泛傳染性和穩定性使得非洲豬瘟病毒特別容易發生飼料源傳播。

(一)社會熱點事件。由于某一事件成為人們關注的社會熱點，因而人們制造出許多與之相關的詞語并在網絡交流中廣泛運用。如：

3.2 數據處理流程

在散射計降雨條件觀測數據的剔除過程中，依據散射計的觀測時間和地理位置，匹配空間閾值50 km和時間閾值30 min以內的所有掃描微波輻射計觀測云中液態水含量參數數據，如果存在一個云中液態水含量參數大于等于0.1 kg/m2，即認為散射計在該面元的觀測條件為降雨[11]。

通過空間和時間的三維線性插值，將FNL資料數據線性插值到散射計測量的時間及其地理位置，實現FNL資料數據與散射計觀測數據之間的地理時空匹配，獲得散射計測量位置時刻的海面風矢量和氣象輔助數據[12]。采用Liu和Tang的方法，校正NCEP模型風速。最后，統計計算匹配風速風向數據對的偏差、RMS、相關系數等，實現HY-2衛星微波散射計在不同交軌方向刈幅位置、不同風速條件、模糊去除和整體風矢量的精度特性進行分析，完成散射計反演風矢量的真實性檢驗。檢驗數據處理流程圖如圖2所示。

圖2 HY-2衛星微波散射計反演風矢量真實性檢驗數據處理流程圖Fig.2 The validation data processing flow for the retrieved wind vector of the HY-2 scatterometer

從圖3可以看出，對于交軌方向的不同刈幅觀測位置，風速風向都是在刈幅中間位置反演風矢量的精度最高，在星下點和刈幅邊緣位置反演風矢量的精度稍差，這與理論上筆形圓錐掃描波束體制微波散射計造成交軌方向不同刈幅觀測位置風矢量反演精度的特性一致。

1）不同交軌方向刈幅位置反演風矢量的精度評價。HY-2衛星微波散射計采用筆形波束圓錐掃描體制，工作頻率為13.256 GHz（Ku波段），具有兩個筆形極化波束，內波束是HH（H為水平極化）極化，入射角為41.2°；外波束是VV要（V為垂直極化）極化，入射角為48.4°；通過天線的圓錐掃描和衛星平臺的運動，實現對海面同一觀測單元的多方位向觀測和全球覆蓋觀測[2，4]。圖1描繪了HY-2衛星微波散射計的觀測幾何示意圖。

4 結果與分析

對于星載微波散射計反演風矢量產品的真實性檢驗，除了需要評估風速風向產品的整體精度之外，還需要結合微波散射計采用的波束體制特點，獲得與波束體制及測量機理相關的測量精度特性。針對HY-2衛星微波散射計，風矢量產品真實性檢驗的內容包括：不同交軌方向刈幅位置反演風矢量的精度評價、不同風速條件下反演風矢量的精度評價、模糊解去除能力的精度評價及整體風矢量精度評價，詳細描述如下。

4.1 不同刈幅觀測位置反演風矢量精度分析

HY-2衛星微波散射計采用筆形圓錐掃描波束體制，沿交軌方向從左至右依次劃分為1到76個風矢量觀測刈幅位置單元，刈幅位置標識參數為wvc_index。為了檢驗其反演風矢量的精度是否依賴于散射計觀測交軌方向的刈幅位置，本文按照從左至右、且每兩個連續風矢量觀測刈幅位置單元劃分為一個統計區間的方式，得到36個交軌方向刈幅位置的散射計反演風速風向的檢驗結果，如圖3所示。

本文中采用的HY-2衛星微波散射計風矢量數據采用的是國家衛星海洋應用中心公開分發的L2B級產品數據，該風矢量產品經由NSCAT-2模式函數反演得到，數據空間分辨率約為25 km。同時，為了消除降雨條件觀測數據對檢驗結果的影響，基于搭載于HY-2衛星上的掃描微波輻射計觀測大氣產品數據，實現散射計在降雨條件下觀測數據的剔除。微波散射計和掃描微波輻射計的數據時間范圍都為2012年1月。

由于風向的圓周性，在進行散射計和NCEP測量風向之間的均方根誤差（RMS）、偏差（bias）、相關系數（corr）等統計分析計算時，0°和360°之間的斷點會引起風向的統計結果偏離實際真實情況。例如：對于風向350°和10°的觀測值，直接相減的數值差異為340°，而實際只相差20°。因此，在進行風向的統計分析計算時，必須對風向進行轉換，轉換公式如式（1）所示：

4.2 不同風速條件反演風矢量精度分析

由于散射計的測量機理原因，造成散射計在不同風速條件下的反演風矢量精度是不同的。依據NCEP風速，將匹配數據劃分為1 m/s的檢驗區間，各個風速區間范圍的檢驗結果如圖4所示。

圖3 交軌方向不同刈幅觀測位置反演風矢量偏差（NCEP-scat）的檢驗結果Fig.3 Dependence of wind vector residual(NCEP-scat)on the location of the wind vector cells

從圖4可以看出，HY-2衛星微波散射計在地風速條件下的反演風速風向的精度最差，在中等風速條件下的精度最高，在高風速條件下的精度有所下降。這一特性與SeaWinds散射計反演風矢量隨不同風速條件的精度變化特性一致[13]。

圖4 不同風速條件下反演風矢量誤差（NCEP-scat）的檢驗結果Fig.4 Dependence of wind vector residual(NCEP-scat)on the NCEP wind speed

4.3 模糊去除精度分析

利用微波散射計測量后向散射系數反演風矢量時，一般會出現不超過4個的模糊解，模糊去除指的是從多個模糊解中找出風矢量的唯一解。模糊去除精度定義為最接近NCEP風向的匹配數據占總匹配數據的百分比，在本文中即統計風向偏差小于90°的數據個數占總數據量的百分比。依據NCEP風速，計算得到各個風速區間段的模糊去除質量檢驗結果，如圖5所示。

圖5 模糊去除精度的檢驗結果Fig.5 The skill of the ambiguity removal plotted against the NCEP wind speed

從圖5可以看出，HY-2衛星微波散射計在低風速條件下的模糊去除精度很差，與理論上低風速條件下的測量精度較差是相對應的；在大于3 m/s的風速條件下，模糊去除的精度都在90%以上，且當風速大于4 m/s時，模糊去除的精度接近100%。這一特性與SeaWinds散射計隨不同風速條件下的模糊去除的精度特性一致，其在風速小于1 m/s條件下的模糊去除精度同樣約為60%[13]。

4.4 整體精度檢驗

HY-2衛星微波散射計測量風速范圍的設計指標為2～24 m/s，因此，風場檢驗整體精度的風速范圍同樣設置為2～24 m/s。同時，為了避免風矢量模糊解選擇異常對精度評價結果的影響，剔除了散射計反演風矢量模糊解選擇異常的數據，即NCEP風向和散射計反演風向兩者之差大于90°的數據[13，14]，得到HY-2衛星微波散射計反演風矢量整體精度的檢驗結果如圖6所示。

5 結語

本文利用NCEP模式數據，實現了HY-2衛星微波散射計反演風矢量產品的真實性檢驗，采用一個月的數據，就獲得了散射計在交軌方向不同刈幅觀測位置、不同風速條件、模糊去除精度的檢驗結果，且其精度變化特性與理論特性非常一致。國際上研究學者通常都認為現場浮標測量風矢量具有非常高的精度，而NCEP模式風場數據的精度相對較差，因此，造成采用NCEP模式數據檢驗得到散射計反演風矢量RMS數值較差。但是，相比高精度現場浮標測量的檢驗，本文檢驗方法可以在短期內獲得大量的匹配數據，NCEP單月可以獲得約2×107個匹配樣本數據，而即使采用全球浮標觀測網，假設全球可用浮標約1000個，一個月也只能獲得約6×104個匹配數據，較少的樣本數，將很難獲得清晰的交軌方向不同刈幅觀測位置、不同風速條件及模糊去除精度的檢驗，不利于識別可能出現的測量性能異常。因此，本文檢驗方法不僅可以實現星載微波散射計反演風矢量整體精度的檢驗，還可以快速實現星載微波散射計反演風矢量產品的全面檢驗，有助于識別可能出現的異常現象。

2008年6月，國務院發布了第二批國家級非物質文化遺產名錄，評書名列其中。某種意義上，這也是評書生存困境的折射。

圖6 散射計反演風矢量的整體精度檢驗結果Fig.6 The HY-2 scatterometer wind vectors precision validated by NCEP wind data

致謝

NCEP的FNL分析資料數據由RDA，NCAR（http：//rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/）提供，特表謝忱。

[1]Stofflen A.A simple method for calibration of a scatterometer over the ocean[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，1999，16(2)：275-281.

[2]蔣興偉，林明森，宋清濤.海洋二號衛星主被動微波遙感探測技術研究[J].中國工程科學，2013，15(7)：4-11.

[3]Liu W T，Tang W Q.Equivalent neutral wind[R].CA：California Institute of Technology，1996.

[4]王小寧，劉麗霞，陳文新.海洋二號衛星微波散射計系統設計與應用[J].中國工程科學，2013，15(7)：33-38.

[5]劉良明.衛星海洋遙感導論[M].武漢：武漢大學出版社，2005.

[6]蔣興偉，林明森，劉建強，等.海洋遙感導論[M].北京：海洋出版社，2008：246-265.

[7]Ulaby F T，Moore R K，Fung A K.Microwave Remote Sensing—Vol.II：Radar Remote Sensing and Surface Scattering and Emission Theory[M].Boston：Addison-Wesley Publishing Company：1982：747-766.

[8]Freilich M H.SeaWind salgorithm theoretical basis document[R].ATBD-SWS-01.Greenbelt，M D：NASA Goddard Space Flight Center，2000.

[9]Stoffelen A，Anderson D L T.Scatterometer data interpretation：Estimation and validation of the transfer function CMOD4[J].Journal of Geophysical Research，1997，102：5767-5780.

[10]解學通，方 裕，陳克海，等.一種新的Sea Winds散射計海面風場反演方法[J].高技術通訊，2005(15)：98-104.

[11]Mears C A，Smith D K，Wentz F J.Comparison of special sensor microwave imager and buoy-measured wind speeds from 1987 to 1997[J].Journal of Geophysical Research，2001，106(C6)：11719-11729.

[12]Chelton D B，Freilich M H.Scattero meter-based assessment of 10 m wind analyses from the operational ECMWF and NCEP numerical weather prediction models[J].Monthly Weather Review，2005，133：409-429.

[13]Ebuchi N，Graber H，Caruso M J.Evaluation of wind vectors observed by QuikSCAT/SeaWindsusing ocean buoy data[J].Journal of Atmosphere Oceanic Technology，2002，19：2049-2062.

[14]Freilich M H，Dunbar R S.The accuracy of the NSCAT 1 vector winds comparisons with national data buoy center buoys[J].Journal of Geophysical Research，1999，104(C5)：11231-11246.

Validation of wind vectors retrieved by the HY-2 microwave scattero meter using NCEP model data

Mu Bo，Lin Mingsen，Peng Hailong，Song Qingtao，Zhou Wu

（National Satellite Oceanic Application Center Service，Beijing 100081，China）

The microwave scattero meter on board HY-2 Satellite mainly makes measurements of surface wind vectors over the global oceans.In order to ensure that the quality of wind vectors produced by ground application system software，the product must be validated to provide the basis for the quantitative application of the data product.This paper performs the validation of wind vectorsretrieved by HY-2 scatterometer using national centers for environmental prediction(NCEP)model data.The validation result suggests that the validationmethod cangive the precision of the overall wind vectors，and also can be used to analyze the precision characteristics relating with thescanningpencil-beam system and the scatterometer measurement mechanism.Meanwhile the validation can aid to identify the short-term anomaly ofin-orbit measuring performance.

microwave scatterometer；windvectors inversion；validation

TP732.1；P714.2

A

1009-1742（2014）06-0039-07

2014-04-11

自然科學基金項目（41276019）；公益項目（201305032）；航天關鍵技術預先研究項目“中法海洋衛星算法研究與應用預研”；國家高技術研究發展計劃（863計劃）（2013AA09A505）；HY-2衛星激光觀測精密定軌技術（201105032）

穆 博，1985年出生，男，陜西西安市人，助理研究員，主要從事海洋微波遙感器輻射定標及真實性檢驗工作；E-mail：mubo@mail.nsoas.gov.cn