高分三號衛(wèi)星在臺風(fēng)監(jiān)測中的應(yīng)用

林明森 袁新哲 劉建強 葉小敏 張慶君 趙良波 安大偉 彭勇釗

(1國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心,北京 100081)(2北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

(3國家氣象衛(wèi)星中心,北京 100081)(4中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,北京 100094)

高分三號衛(wèi)星在臺風(fēng)監(jiān)測中的應(yīng)用

林明森1袁新哲1劉建強1葉小敏1張慶君2趙良波2安大偉3彭勇釗4

(1國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心,北京 100081)(2北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

(3國家氣象衛(wèi)星中心,北京 100081)(4中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,北京 100094)

高分三號(GF-3)衛(wèi)星具有的全天時、全天候、多模式觀測能力,既能夠采用寬幅成像模式獲取臺風(fēng)風(fēng)場、臺風(fēng)路徑的信息,也能夠采用高分辨率模式在極端氣候條件下對臺風(fēng)登陸區(qū)域進行精細(xì)觀測,可以為臺風(fēng)監(jiān)測、預(yù)報及臺風(fēng)災(zāi)害評估提供有效數(shù)據(jù)支撐。文章介紹了2017年7月以來,國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心首次利用高分三號衛(wèi)星對中國附近海域臺風(fēng)進行監(jiān)測情況。論述了臺風(fēng)監(jiān)測流程及臺風(fēng)監(jiān)測專題產(chǎn)品生產(chǎn)方法,可為今后雷達衛(wèi)星臺風(fēng)監(jiān)測提供參考。

高分三號衛(wèi)星;合成孔徑雷達;臺風(fēng)監(jiān)測

1 引言

我國是世界上遭受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一,特別是進入2017年以來,我國沿海臺風(fēng)頻發(fā),截至2017年9月底,已生成有編號臺風(fēng)19個,對沿海人民生命財產(chǎn)與經(jīng)濟發(fā)展造成了嚴(yán)重影響。針對汛期海上臺風(fēng)頻發(fā)的嚴(yán)峻形勢,國家海洋局專門部署了海洋衛(wèi)星汛期保障工作安排。其中,作為高分三號(GF-3)衛(wèi)星牽頭主用戶,國家海洋衛(wèi)星應(yīng)用中心聯(lián)合國家氣象衛(wèi)星中心、中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心和北京空間飛行器總體設(shè)計部等衛(wèi)星使用與研制單位,組建了GF-3衛(wèi)星臺風(fēng)監(jiān)測工作組。基于不同單位特點與優(yōu)勢,分工協(xié)作,首次開展了GF-3衛(wèi)星海上臺風(fēng)監(jiān)測工作。本文對GF-3衛(wèi)星臺風(fēng)監(jiān)測工作流程、數(shù)據(jù)處理方法等主要內(nèi)容進行了介紹。

2 GF-3衛(wèi)星臺風(fēng)監(jiān)測主要優(yōu)勢

GF-3衛(wèi)星作為海陸兼顧的C頻段多極化SAR衛(wèi)星,在成像模式、圖像質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)等方面重點考慮了包括臺風(fēng)在內(nèi)的典型海洋要素的觀測需求[1]。具體到臺風(fēng)監(jiān)測,GF-3衛(wèi)星具有如下優(yōu)勢。

(1)相對于散射計、輻射計、光學(xué)成像儀等能夠監(jiān)測臺風(fēng)的星載遙感載荷,GF-3衛(wèi)星用于寬幅成像的掃描模式能夠獲取50～500 m的臺風(fēng)觀測圖像,基于這些觀測圖像能夠反演得到千米級的高分辨率臺風(fēng)監(jiān)測產(chǎn)品(以散射計衛(wèi)星為例,風(fēng)場產(chǎn)品分辨率一般為25 km)。并且能夠?qū)ε_風(fēng)眼精細(xì)觀測,在臺風(fēng)路徑精細(xì)預(yù)報特別是預(yù)測臺風(fēng)登陸區(qū)域應(yīng)用上具有優(yōu)勢。

(2)GF-3衛(wèi)星具有的全天時、全天候、多模式數(shù)據(jù)獲取能力,可以在極端氣象條件下,獲取臺風(fēng)登陸區(qū)域米級的高分辨率、多極化圖像。結(jié)合臺風(fēng)登陸區(qū)域的歷史觀測數(shù)據(jù),能夠為臺風(fēng)登陸區(qū)域受損情況評估提供參考依據(jù)。

(3)臺風(fēng)往往伴隨著強降水,是引發(fā)滑坡泥石流、城市內(nèi)澇的重要因素。而C頻段SAR圖像中包含強降水信息,能夠用于提取強降水信息[2]。

3 臺風(fēng)監(jiān)測流程

臺風(fēng)監(jiān)測工作組在對GF-3衛(wèi)星特點與臺風(fēng)監(jiān)測能力進行充分分析的基礎(chǔ)上,制定了如圖1所示的臺風(fēng)監(jiān)測工作流程。

1)監(jiān)測工作啟動

國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心根據(jù)海上臺風(fēng)預(yù)報,發(fā)起臺風(fēng)監(jiān)測。并根據(jù)每日臺風(fēng)發(fā)展態(tài)勢,決定衛(wèi)星采用常規(guī)觀測模式或應(yīng)急觀測模式。

2)臺風(fēng)路徑預(yù)測

在臺風(fēng)壽命期間,其強度、路徑與傳播速度會多次改變。由國家衛(wèi)星氣象應(yīng)用中心根據(jù)風(fēng)云衛(wèi)星全球連續(xù)觀測資料,負(fù)責(zé)在每日衛(wèi)星觀測計劃制作前8～24 h,提供臺風(fēng)路徑預(yù)測信息,為GF-3衛(wèi)星制定臺風(fēng)觀測計劃提供地理位置參考。圖2為2018年8月監(jiān)測第5號臺風(fēng)“奧鹿”期間,國家衛(wèi)星氣象應(yīng)用中心提供的臺風(fēng)預(yù)測路徑示意圖。

3)衛(wèi)星觀測軌道分析

中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心根據(jù)臺風(fēng)路徑與位置預(yù)測信息,負(fù)責(zé)提供衛(wèi)星可觀測軌道分析與不同成像模式對臺風(fēng)預(yù)測位置覆蓋情況分析。圖3為2017年8月4日臺風(fēng)“奧鹿”預(yù)測位置全球觀測模式與寬幅掃描模式覆蓋分析情況示意圖。

4)SAR成像模式與雷達工作參數(shù)選擇

由國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心依據(jù)中國資源衛(wèi)星中心分析結(jié)果,確定衛(wèi)星成像模式與工作參數(shù)。

(1)成像模式:對于臺風(fēng)觀測,考慮臺風(fēng)中心區(qū)域范圍、臺風(fēng)傳播速度、臺風(fēng)路徑預(yù)測精度等因素,主要采用寬幅成像模式進行海上臺風(fēng)觀測,即3種掃描成像模式:窄幅掃描、寬幅掃描和全球觀測模式。預(yù)測時間越接近衛(wèi)星觀測時間,并且臺風(fēng)預(yù)測位置越靠近成像刈幅中心,可選擇掃描模式中分辨率較高、幅寬較小的成像模式;反之,則選取分辨率較低、幅寬較大的成像模式。

對于臺風(fēng)登陸區(qū),主要采用高分辨率與全極化成像模式:超精細(xì)條帶、精細(xì)條帶1和全極化條帶成像模式。臺風(fēng)監(jiān)測主要成像模式參數(shù)見表1。

表1 GF-3衛(wèi)星臺風(fēng)監(jiān)測主要成像模式Table 1 GF-3 satellite imaging mode used in monitoring typhoon

(2)手動增益控制(MGC)參數(shù)設(shè)置:MGC是影響雷達觀測效果的重要參數(shù),主要的作用是調(diào)整海面回波強度落在雷達接收機范圍內(nèi)。相對于平時海面,臺風(fēng)區(qū)域海面更為粗糙,海面強度回波高于平時海面回波強度,因此臺風(fēng)觀測時應(yīng)調(diào)整MGC參數(shù)適當(dāng)降低雷達增益。

(3)極化方式:3種掃描成像模式都為雙極化工作方式,即一次成像能夠獲取垂直發(fā)射垂直接收/垂直發(fā)射水平接收(VV/VH)、水平發(fā)射水平接收/水平發(fā)射垂直接收(HH/HV)兩種極化組合中的一種。由于高風(fēng)速同極化VV、HH數(shù)據(jù)容易飽和,一般反演實際主要采用交叉極化數(shù)據(jù)。而VH/HV極化差別不大,因此兩種極化組合都可選。

5)觀測指令制作與上注

成像模式和雷達工作參數(shù)確定后,由中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心制作觀測指令,并發(fā)送至相關(guān)單位將指令上注衛(wèi)星。

6)數(shù)據(jù)接收、處理與數(shù)據(jù)產(chǎn)品分發(fā)

衛(wèi)星數(shù)據(jù)由高分地面接收網(wǎng)站接收后,傳輸至中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,由其完成處理后推送至國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心及其他衛(wèi)星主用戶服務(wù)器。

7)臺風(fēng)監(jiān)測產(chǎn)品處理與分發(fā)

國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心接收數(shù)據(jù)后,生成臺風(fēng)監(jiān)測產(chǎn)品,與數(shù)據(jù)產(chǎn)品等一起向海洋其他用戶分發(fā)。

對于監(jiān)測工作中涉及衛(wèi)星、載荷以及處理等問題,由衛(wèi)星研制單位北京空間飛行器總體設(shè)計部負(fù)責(zé)技術(shù)協(xié)調(diào)。

4 臺風(fēng)監(jiān)測產(chǎn)品處理

利用同極化SAR圖像進行海面風(fēng)速反演,一般利用地球物理模式函數(shù)進行。地球物理模式函數(shù)的風(fēng)向輸入可來源于外部風(fēng)向信息(如實測風(fēng)場、數(shù)值預(yù)報風(fēng)場或散射計遙感風(fēng)場等)或者SAR圖像的風(fēng)向信息(如風(fēng)條紋信息和近岸背山風(fēng)等)。

但是高風(fēng)速條件下,同極化SAR圖像雷達后向散射截面容易趨于飽和[3],而相同條件下交叉極化SAR達到飽和上限較高,現(xiàn)有研究表明,C頻段SAR交叉極化風(fēng)速反演的上限為55 m/s[4]。因此,采用的臺風(fēng)風(fēng)場反演方法是:利用臺風(fēng)SAR圖像自身特征確定海面風(fēng)向;然后視風(fēng)速情況,利用同極化的后向散射系數(shù)和C頻段的地球物理模式函數(shù)(CMOD5)或者交叉極化的后向散射系數(shù)的高風(fēng)速經(jīng)驗關(guān)系計算獲得。具體步驟流程如下。

(1)首先進行SAR數(shù)據(jù)后向散射系數(shù)計算和定位等預(yù)處理。

(2)從SAR資料的輔助文件中,提取SAR各觀測像素的雷達波入射角、方位角等信息(作為地球物理模式函數(shù)的輸入);利用臺風(fēng)的SAR圖像上的風(fēng)條紋、背山風(fēng)條紋(近岸SAR數(shù)據(jù))、降雨與海面風(fēng)作用的圖像特性等綜合信息,提取臺風(fēng)的精確風(fēng)向[2]。

(3)對于風(fēng)速小于約30 m/s的情況,將風(fēng)向作為地球物理模式函數(shù)CMOD5的輸入[5],利用VV極化SAR后向散射系數(shù)和海面風(fēng)速的關(guān)系反演,獲得臺風(fēng)區(qū)域的海面風(fēng)速(對于HH極化的SAR,利用極化比函數(shù)將HH極化的后向散射系數(shù)轉(zhuǎn)換為VV極化條件下的后向散射系數(shù)[6]);對于高風(fēng)速情況,利用海面風(fēng)速和交叉極化的SAR后向散射系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系[7],計算臺風(fēng)的海面風(fēng)速。

圖4為基于GF-3衛(wèi)星1級產(chǎn)品進行臺風(fēng)風(fēng)場反演的處理流程。圖5為2017年8月23日臺風(fēng)“天鴿”圖像及其臺風(fēng)監(jiān)測產(chǎn)品。

5 臺風(fēng)監(jiān)測情況

2017年7月底,工作組首先開展臺風(fēng)“奧鹿”與臺風(fēng)“納沙”的觀測工作,并于2017年7月29日至2017年8月4日分別成功獲取了臺風(fēng)“奧鹿”與臺風(fēng)“納沙”的GF-3衛(wèi)星首批觀測圖像(見圖6),并進行了臺風(fēng)監(jiān)測產(chǎn)品制作與數(shù)據(jù)產(chǎn)品分發(fā)工作。通過上述工作,驗證了臺風(fēng)監(jiān)測工作流程的有效性,并為后續(xù)監(jiān)測工作積累了經(jīng)驗。此后,工作組又陸續(xù)對今年登陸我國的最強臺風(fēng)“天鴿”及其登陸區(qū)域、2017年9月14日至9月16日期間海上“雙臺風(fēng)”——“泰利”和“杜蘇芮”等進行了成功監(jiān)測。

截至2017年9月18日,共監(jiān)測有編號臺風(fēng)6個,共獲取臺風(fēng)及登陸區(qū)域觀測數(shù)據(jù)30余景,包含臺風(fēng)眼的典型臺風(fēng)觀測圖像8景(見表2),并制作了相應(yīng)的臺風(fēng)監(jiān)測產(chǎn)品,向相關(guān)單位進行了快速產(chǎn)品分發(fā)。為汛期臺風(fēng)監(jiān)測、SAR臺風(fēng)遙感科學(xué)研究提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

表2 獲取的GF-3衛(wèi)星典型臺風(fēng)觀測數(shù)據(jù)Table 2 Typical typhoon images obtained by GF-3 satellite

6 結(jié)束語

本文介紹了國家海洋局首次利用GF-3衛(wèi)星在2017年臺風(fēng)汛期保障期間的臺風(fēng)監(jiān)測工作情況。從臺風(fēng)監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取能力、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量及臺風(fēng)監(jiān)測產(chǎn)品精度等方面,表明了GF-3衛(wèi)星在臺風(fēng)監(jiān)測中的應(yīng)用能力與潛力。由于GF-3衛(wèi)星是我國首顆C頻段SAR科研試驗衛(wèi)星,目前只有1顆衛(wèi)星在軌,衛(wèi)星觀測的時間分辨率與數(shù)據(jù)獲取的時效性還需要提高;其次,2017年3月剛完成衛(wèi)星在軌測試,我國沿海地區(qū)GF-3衛(wèi)星高分辨率觀測數(shù)據(jù)尚在積累階段,用于臺風(fēng)登陸區(qū)域災(zāi)情對比分析的歷史數(shù)據(jù)不足。

目前,我國正在開展首批SAR業(yè)務(wù)衛(wèi)星——1 m分辨率C頻段SAR衛(wèi)星的研制工作。作為GF-3衛(wèi)星的后續(xù)業(yè)務(wù)衛(wèi)星,2顆1 m分辨率C頻段SAR衛(wèi)星將與GF-3衛(wèi)星組網(wǎng)運行,并對可用于臺風(fēng)監(jiān)測的掃描模式進行了優(yōu)化,因此,衛(wèi)星觀測的時間分辨率與臺風(fēng)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量將進一步提高。可以預(yù)見隨著GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用深入開展,以及1 m分辨率C頻段SAR衛(wèi)星發(fā)射,GF-3衛(wèi)星將在業(yè)務(wù)化臺風(fēng)監(jiān)測中發(fā)揮更重要的作用。

References)

[1]張慶君．高分三號衛(wèi)星總體設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)[J]．測繪學(xué)報,2017,46(3):269-277 Zhang Qingjun．System design and key technologies of GF-3 satellite[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica Aerospace China,2017,46(3):269-277(in Chinese)

[2]葉小敏．海上降雨微波散射機理及其在合成孔徑雷達海洋探測中的應(yīng)用研究[D]．青島:中國海洋大學(xué),2017 Ye Xiaomin．Study of the microwave scattering mechanism of oceanic rainfall and its applications on ocean observationgs by synthetic aperture radar[D]．Qingdao:Ocean University of China,2017(in Chinese)

[3]Stoffelen A,Anderson D．Scatterometer data interpretation estimation and validation of the CMOD4[J]．Journal of Geophysical Research Oceanics,1997,102:5767-5780

[4]Zhang B,Perrie W．Cross-polarized synthetic aperture radar:a new potential technique for hurricanes[M]．Bulletin of the American Meteorologic Society,2012,93:5316-5341

[5]Hersbach H．Comparison of C-band scatterometer CMOD5．N equivalent neutral winds with ECMWF[J]．Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2010,27:721-736

[6]Yang X F,Li X F,Zheng Q A,et al．Comparison of ocean-surface winds retrieved from QuikSCAT scatterometer and Radarsat-1 SAR in offshore waters of the U．S．west coast[J]．IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2011,8:163-167

[7]Vachon P W,Wolfe J．C-band cross-polarization wind speed retrieval[J]．IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2011,3:456-459

Application of GF-3 Satellite Monitoring Typhoon

LIN Mingsen1YUAN Xinzhe1LIU Jianqiang1YE Xiaomin1ZHANG Qingjun2ZHAO Liangbo2AN Dawei3PENG Yongzhao4
(1 National Satellite Ocean Application Service,Beijing 100081,China)
(2 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)
(3 National Satellite Meteorological Centre,Beijing 100081,China)
(4 China Center for Resources Satellite Data and Application,Beijing 100094,China)

GF-3 satellite can not only obtain typhoon wind field and path information using wide swath imaging mode,but also can observe typhoon landed area using high resolution imaging model in extreme weather conditions,for it is made with all-time all-weather,multiple mode observing ability．Therefore GF-3 satellite can provide effective data for monitoring,forecasting and assessing typhoon．A work is first presented in this paper,that GF-3 satellite is used to monitor typhoon by the National Satellite Ocean Application Service(NSOAS)since July 2017．The workflow of this work and processing method of typhoon wind field products is also described,which can provide reference for the future monitoring typhoon through radar satellites．

GF-3 satellite;SAR;monitoring typhoon

P714

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.027

2017-10-26;

2017-11-20

高分專項GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)仿真技術(shù)(12-Y10A15-9001-15/16)

林明森,男,博士生導(dǎo)師,研究員,研究方向為衛(wèi)星海洋遙感。Email:mslin＠m(xù)ail．nsoas．org．cn。

(編輯:李多)