基于哨兵1号的台风风场反演方法研究
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作者:于鹏 钟小菁 耿旭朴
关键词：哨兵1号;台风;合成孔径雷达;交叉极化
0引言
我国位于亚洲东部、太平洋西岸，东部和南部大陆海岸线超1.8万km，特殊的地理位置决定了我国是世界上少数几个受台风影响最严重的国家之一.1949―2019年期间，共有491个台风登陆我国，即平均每年约有7个台风在我国登陆[1]，给人民的生命安全和生产生活带来了严重的危害，由其引起的极高风速、L暴潮以及风暴巨浪是我国海岸带最主要的致灾因素[2].台风的风速是决定台风潜在破坏性的重要指标，及时并准确地掌握台风风场信息是深入研究风暴潮洪水、风暴浪和海岸侵蚀等台风灾害的基础，对灾害预警、风险评估和灾后重建等具有重要意义.
相比于传统的地面观测方法和系统，卫星遥感具备在更大空间尺度上对海表面进行近实时观测的优势，这使得基于卫星遥感的手段非常适用于对像台风这样大尺度现象的监测.光学和红外传感器是探测台风顶部云层性质的重要仪器，但由于云层的持续存在和阻挡，它们很难被用来监测台风系统在海表面风速的大小.星载合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar，SAR）是一种非常独特的工具，它具备全天时和全天候的对地观测能力.且与其他微波传感器和数值天气预报估算结果（分辨率通常约10km以上）相比，SAR具有更高的空间分辨率（风速产品可达到百米量级），可以更好地用于估计台风的风速和研究台风的内部结构，在预报台风路径方面也具备极大的潜力.
海表面的风速可以通过同极化（Vertical-Vertical或Horizontal-HorizontalPolarization，VV或HH极化）SAR图像以及经验地球物理模型函数（GeophysicalModelFunctions，GMFs）[3-6]来获取，但在高风速条件下，它们会受到信号饱和的影响，使反演结果小于实际风速[7-10].此外，如果没有预先的外部风向输入，基于同极化雷达数据的GMFs无法提供唯一的风速结果[11].近年来发射的星载C波段卫星传感器（Radarsat-2、Sentinel-1以及Gaofen-3）提供了获取来自地表交叉极化（Vertical-Horizontal或Horizontal-VerticalPolarization，VH或HV极化）雷达信号的新手段.与同极化信号相比，交叉极化雷达信号包含更多的海表面非布拉格散射的信息，这些信息与高风速条件下存在的波浪破碎现象有关[12-13].基于海表后向散射的物理模型[14]和GMFs模型[15]等的研究表明，C波段的交叉极化信号至少在观测60m/s的海表风速时也不会出现信号饱和的情况.因此，利用交叉极化SAR信号对台风风速进行反演的结果更为可靠，而且该反演方法并不像同极化信号一样需要预输入风向信息，具备在恶劣天气条件下对海表风速进行独立监测的能力.近些年来的研究提出了多种基于交叉极化SAR数据的高风速反演模型[16-22]，但缺少对各类模型之间的比较研究.
本研究使用哨兵1号（Sentinel-1，S-1）SAR遥感观测数据来研究台风的风场信息.在交叉极化雷达数据的基础上，以2020年的台风“海高斯”及“莫拉菲”为例，首先应用噪音向量和去噪方法对超宽幅模式影像内部的加性和乘性噪音进行去除.然后利用近年来开发的几种交叉极化GMFs对两个台风的风场进行估算，并与欧洲中期天气预报中心（EuropeanCentreforMedium-rangeWeatherForecasts，ECMWF）模型风场信息和基于同极化数据的哨兵1号风场产品做比较.分析和研究适合哨兵1号的台风风场反演方法.
1数据及预处理
1.1 哨兵1号SAR遥感数据
本研究所使用的SAR遥感影像由欧洲航天局（EuropeanSpaceAgency，ESA）哥白尼计划的哨兵1号任务提供，该数据是全世界首个向用户免费开放的SAR遥感影像数据，可在赤道地区提供重访周期为6d的海表面风场数据.哨兵1号任务由两颗卫星（Sentinel-1A和Sentinel-1B）组成，配备有中心频率为5.405GHz的C波段SAR传感器，可在4种特有的成像模式下工作，即：条带（stripmap，SM）、波（wave，WV）、干涉宽幅（InterferometricWide，IW）和超宽幅（ExtraWide，EW）模式.
本文所使用影像的具体信息如表1所示，台风“海高斯”于北京时间（下同）2020年8月18日18：25左右被影像1和2捕捉到，两景影像的成像模式为IW模式，空间分辨率为20m×22m.台风“莫拉菲”于2020年10月27日18：39左右被影像3和4捕捉到，两景影像的成像模式为EW模式，空间分辨率为93m×87m.
1.2 台风及最大风速数据
2007号台风“海高斯”（Higos）是2020年登陆我国的最强台风之一，也是该年登陆我国广东的最强台风.该台风于2020年8月16日在菲律宾吕宋岛以东的西北太平洋洋面生成，8月17日以热带低压的强度通过了吕宋海峡后到达中国南海，8月18日十几个小时内完成热带低压、热带风暴、强热带风暴和台风的四级连跳（图1（a）），并最终于2020年8月19日6时左右在广东省珠海市金湾区沿海登陆.“海高斯”所携带的极具破坏力的强风以及极端的降水给我国东南沿海地区带来了严重的洪涝灾害，导致了大面积的农田、房屋、公路及水利工程等受损.
2018号台风“莫拉菲”（Molave）是2020年通过我国南海的最强台风之一.该台风于2020年10月21日在西太平洋的法斯岛南部海域生成，10月25日完成热带风暴、强热带风暴及台风的三级连跳（图1（b）），此后总计在菲律宾登陆了5次，于10月26日进入中国南海，并最终于10月28日中午在越南广义省附近沿海登陆.该台风总计致使71人死亡，46人失踪，并造成超过6.6亿美元的财产损失，鉴于该台风所导致的严重自然灾害，台风委员会已将其从台风命名表中进行除名，以后将不再使用“莫拉菲”这一台风名称.
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