SMAP测量海洋风暴风速的能力

论文总字数：23087字

目 录

引言………………………………………………………………………4

一、SMAP L波段辐射计简介……………………………………………6

二、地球物理模型函数（GMF）与风速反演…………………………6

三、对比对象——散射计………………………………………………8

四、高风速下的SMAP…………………………………………………9

4.1 可行性…………………………………………………………………………………9

4.2 主要误差来源…………………………………………………………………………9

五、验证：SMAP和SFMR之间的比较………………………………10

4.1 可行性…………………………………………………………………………………10

4.2 SFMR仪器……………………………………………………………………………10

4.3 验证台风帕特里夏……………………………………………………………………11

4.4 SMAP参与的其他工作………………………………………………………………14

六、降雨对SMAP的影响……………………………………………15

七、结论和展望…………………………………………………………16

参考文献………………………………………………………………18

SMAP测量风暴中的海洋表面风的能力

杨锐

，China

Abstract：Accurate measurement of ocean vector winds is of great significance for improving ocean weather forecasting and marine numerical simulation. They are of great value for understanding the formation of cyclones and the prediction of tropical storms. Buoy surveys, navigation surveys or in-situ surveys of airplanes are easy to implement and have been used for scientific research for decades. However, these technologies can only measure part of the vast ocean. If we only observe in situ, measurements and predictions in remote areas, especially extreme weather, are very inaccurate. The L-band low frequency sensor has good weatherproof characteristics. It can maintain high sensitivity in storms and heavy rain and ensure the accuracy of the measurement. This instrument will be a good way to make up for aircraft measurement gaps in remote area.

Key words：SMAP；Measure of oceansurface winds in storms；Prediction of tropical storms

引言

美国东部时间2015年1月31日上午9点22分（当地时间6点22分），一枚美国联合发射同盟（ULA）的德尔塔II（7320－10C）型运载火箭从加利福尼亚州范登堡空军基地SLC－2W工位发射升空，将美国国家航空航天局（NASA）的土壤水份主被动探测卫星（SMAP）以及其它多颗小卫星送入了预定轨道。

NASA的土壤水份主被动探测卫星将生成地球土壤水含量测绘图。在三年的任务期内，轨道上的SMAP会反复测量地球表面，使科学家们可以研究世界各地土壤中水的分布及其在水循环中的作用。NASA设想获得的数据可以改善天气预报，而伴随对地球气候的研究，将有助于农业、资源管理和应急响应。

20世纪80年代后期引入连续卫星监测海面风场，为准确的全球天气预报提供了非常需要的全球视角和补救措施（Bourassa et al。2010）。两种主要类型的卫星传感器用于检索海洋表面风速信息：微波辐射计和散射仪。微波辐射计是被动仪器，用于测量可以从中导出风速的粗糙海面的辐射（Wentz 1983,1997; Wentz等1986; Meissner和Wentz 2012; Zabolotskikh等2015）。散射计是主动传感器，用于测量取决于风速和方向的微波雷达信号的反向散射（Jones et al.1977,1982; Stoffelen and Anderson 1997; Wentz和Smith 1999; Ricciardulli和Wentz 2015）。随着全球日常覆盖范围的扩大，这些基于空间的风速测量数据被纳入数值天气预报（NWP）模型（Isaksen and Stoffelen 2000; Von Ahn et al.2006; Chelton et al.2006），显着提高了预测技能。其中包括美国海军多通道极化辐射计WindSat（6.8-37 GHz，4.4-0.8厘米; Gaiser等2004年），日本航天局（JAXA）Ad- （AMSR2; 7-89GHz，4.3-0.3cm; Imaoka等人2010），欧洲航天局高级散射计（ASCAT; C波段，5.2GHz，5.8cm; Figa-Saldaña等人2002; Verspeek等2010）和国际空间站上的国家航空和航天局（NASA）快速散射计（RapidScat）（Ku波段，13.4 GHz，2.2厘米;误差于2016年8月结束; http：// winds.jpl.nasa.gov / missions / RapidScat /）。所有这些传感器都可以在大约20-50公里的空间分辨率下测量风速。当通过浮标或航空器测量进行验证时，卫星测量提供的风速精度约为1.0 m s-1（Verspeek et al。2010; Meissner et al。2011; Ricciardulli and Wentz 2015; Wentz 2015）。

虽然这些传感器可以在0-30 m s-1范围内提供准确一致的风速测量，但仪器的灵敏度和传感器在极端风速下的可靠性仍在调查中。比较麻烦的是极少有可靠的现场观测资料可供比较。此外，暴雨中的风的测量由于影响辐射计的雨的存在而变得复杂（Wentz和Spencer 1998; Hilburn和Wentz 2008; Meissner和Wentz 2009）以及散射计（Stiles和Yueh 2002; Tournadre和Quilfen 2003; Draper和Long 2004; Hilburn等，2006; Weissman和Bourassa 2008; Portabella等，2012）。这些因素对高风速检索算法的开发和验证提出了挑战。目前，热带气旋中最可靠的测量数据是使用下投式探空仪（Hock和Franklin 1999; Franklin et al。2003）或飞机安装的阶梯式频率微波辐射计（SFMR; Jones et al。 1981; Uhlhorn和Black 2003; Uhlhorn等2007; Klotz和Uhlhorn 2014）。

最近在风暴测风方面的进展是由较低频率（L波段，1.41 GHz，21.4 cm）的无源传感器提供的，这些传感器在很大程度上不受降雨影响，即使在非常高的风速下也能提供极好的风速灵敏度。这种能力是由Reul等人首先完成的。 （2012年），以欧洲航天局的土壤水分和海洋盐度（SMOS）观测资料（Kerr等人，2010年），使用43公里的分辨率的电波探测器。在他们的研究中，Reul等人（2012）发现，在L波段，大风速（大于25 m s-1）风致亮度温度随风速近似线性增加。这项第一项工作最近已扩展到包括2010年至2015年间全球SMOS截获的风暴集合，并使用改进的风速检索算法（Reul et al。2016）。 SMOS地面风速对SFMR和其他源的估值显示均方根（RMS）误差约为5 m s-1。这些结果证实，被动L波段传感器可能非常适合于从太空观测海洋风暴力（25 m s-1以上），并填补了未被航空器测量覆盖的偏远地区的差距。

NASA土壤湿度主动被动（SMAP）任务（Entekhabi et al。2010，2014）于2015年1月29日启动，自2015年4月起提供科学数据。SMAP被设计为被动（辐射计）和主动（散射计）L波段传感器来测量土壤湿度并提供冻融状态的信息。 不幸的是，雷达发射器在2015年7月初失败，此后只剩下辐射计。 虽然SMAP设计用于陆地表面的水文应用，但它具有优异的海洋表面盐度以及风暴中对的海风测量能力（Meissner和Wentz 2016a，b）。

一、SMAP L波段辐射计简介

SMAP质量944千克，装有三块太阳能电池板（可产生1.45千瓦的电力），采用主动和被动遥感技术通过雷达回波和微波辐射来测度地表水含量。该航天器仪器组件中的有源部分包括一部L波段合成孔径雷达（SAR），而载荷的被动元件包括一台辐射计，这些仪器需要与SMAP发射后展开的一具6米网状天线协同工作。

合成孔径雷达负责发射信号并分析回波信号，通过反射量来确定土壤中的水含量。该仪器的成像分辨率为1至3千米，但它回传的数据不如辐射计的精确。辐射计通过研究地表微波辐射来产生数据，虽然更精确一些，但分辨率比雷达要低很多（40千米）。项目科学家们希望结合使用两种仪器的数据生成分辨率在10千米的测绘图。SMAP上的雷达载荷质量为49千克，辐射计载荷质量为30千克。

土壤湿度主被动探测任务由NASA的喷气推进实验室（JPL）实施，他们构建了航天器，而载荷辐射计则由NASA的戈达德空间飞行中心所开发。

与SMAP一并发射的还有一批小卫星，它们组成了NASA教育发射纳米卫星（ELaNa）项目下的ELaNa－X任务，ELaNa－X包括ExoCube、火鸟II（FIREBIRD-II）、GRIFEX，由连接于德尔它II火箭上面级的三个PPODs（多皮卫星轨道部署器）部署。

SMAP仪器以平均海拔685公里的极地8天重复或钻头飞行。它执行圆锥360°扫描，并映射出宽度约为1000公里的连续带。当地时间上升和下降的赤道交叉点分别为当地时间1800和0600。 SMAP辐射计的分辨率约为40公里。

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