本發(fā)明屬于海洋工程，尤其涉及一種海浪波譜儀天底點(diǎn)風(fēng)速反演方法。

背景技術(shù)：

1、海洋風(fēng)場(chǎng)信息是海洋動(dòng)力學(xué)和氣象學(xué)中的重要研究內(nèi)容之一，對(duì)全球氣候變化預(yù)測(cè)、海洋災(zāi)害預(yù)警及海洋資源開發(fā)等具有重要意義。風(fēng)速的精準(zhǔn)測(cè)量對(duì)于海洋研究、船舶航行、氣象預(yù)報(bào)和軍事活動(dòng)等都至關(guān)重要。傳統(tǒng)的獲取海面風(fēng)場(chǎng)的方法包括觀測(cè)站觀測(cè)、船舶觀測(cè)以及浮標(biāo)觀測(cè)等，這些觀測(cè)方法雖然有著較高的準(zhǔn)確性，但有著空間覆蓋率低、分布不均勻、測(cè)量周期長及重復(fù)性差等缺點(diǎn)。而海洋遙感衛(wèi)星觀測(cè)可以在短時(shí)間內(nèi)獲取大空間尺度的海面風(fēng)場(chǎng)信息，提供全球的海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的缺陷，成為獲取全球海面風(fēng)場(chǎng)的主要手段之一。

2、海洋衛(wèi)星cfosat（china?france?oceanography?satellite）搭載的海浪波譜儀swim是世界上第一顆用來專門測(cè)量二維海浪譜的儀器。海浪波譜儀swim（surface?wavesinvestigation?and?monitoring）是一個(gè)工作在ku波段的多波束真實(shí)孔徑雷達(dá)，具有6個(gè)不同入射角的探測(cè)波束，其波束中心入射角分別為0°、2°、4°、6°、8°、10°。除0°波束外，其余波束則采用旋轉(zhuǎn)掃描的工作模式，能夠得到不同入射角下不同方向的海面后向散射系數(shù)。海面后向散射系數(shù)是反演海面風(fēng)場(chǎng)的關(guān)鍵參數(shù)，由于海面短尺度波的均方斜率與海面風(fēng)速高度相關(guān)，后向散射系數(shù)與海面風(fēng)速大小之間存在一種非線性的反比關(guān)系。但是根據(jù)單一的后向散射系數(shù)所計(jì)算出的海面風(fēng)速大小于真實(shí)的風(fēng)速大小之間存在誤差，該誤差產(chǎn)生的原因是海面中長尺度的波動(dòng)造成的。這些中長尺度的海面波動(dòng)不受局地海面的影響，但是會(huì)使海面短尺度波發(fā)生一定程度的傾斜進(jìn)而導(dǎo)致衛(wèi)星觀測(cè)的后向散射系數(shù)發(fā)生變化。

3、因此增加海面有效波高與后向散射系數(shù)協(xié)同反演海面風(fēng)速是目前一種流行的高度計(jì)風(fēng)速反演方法，但僅依靠有效波高并不能精細(xì)刻畫海面不同尺度的波動(dòng),?有效波高只是高度計(jì)風(fēng)速反演中考慮海浪影響的一個(gè)有局限性的代替參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種海浪波譜儀天底點(diǎn)風(fēng)速反演方法。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種海浪波譜儀天底點(diǎn)風(fēng)速反演方法，具體包括如下步驟：

3、步驟1：讀取swim?l2級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)中用于天底點(diǎn)海面風(fēng)速反演的參數(shù)；包括：表面類型標(biāo)識(shí)，天底點(diǎn)降雨標(biāo)識(shí)，天底點(diǎn)box索引，天底點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后向散射系數(shù)，天底點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后向散射系數(shù)標(biāo)識(shí)，nrcs廓線的線性擬合系數(shù)，海浪波譜數(shù)，一維海浪譜，觀測(cè)范圍內(nèi)陸地表面占比和觀測(cè)范圍內(nèi)海冰表面占比；

4、步驟2：對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，保留有效數(shù)據(jù)；

5、步驟3：基于天底點(diǎn)box索引將天底點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后向散射系數(shù)與其所在的box對(duì)應(yīng)；

6、步驟4：根據(jù)nrcs廓線的線性擬合系數(shù)計(jì)算平均海面均方斜率；

7、步驟5：根據(jù)一維海浪譜，計(jì)算譜能級(jí)；

8、步驟6：對(duì)天底點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后向散射系數(shù)，該天底點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后向散射系數(shù)所在box的平均海面均方斜率以及該天底點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后向散射系數(shù)所在box的譜能級(jí)進(jìn)行歸一化處理；基于歸一化處理后的數(shù)據(jù)計(jì)算天底點(diǎn)海面風(fēng)速。

9、進(jìn)一步的，所述步驟2具體為：根據(jù)表面類型標(biāo)識(shí)、天底點(diǎn)降雨標(biāo)識(shí)、天底點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后向散射系數(shù)和海浪譜產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，去除非海洋表面數(shù)據(jù)和質(zhì)量低于預(yù)設(shè)值的數(shù)據(jù),所述海浪譜產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)識(shí)包括觀測(cè)范圍內(nèi)陸地表面占比和觀測(cè)范圍內(nèi)海冰表面占比。

10、進(jìn)一步的，所述步驟4采用如下方法計(jì)算：

11、步驟4.1：計(jì)算沿雷達(dá)觀測(cè)方向的海面均方斜率：

12、；

13、其中，b表示nrcs廓線的線性擬合系數(shù)中的斜率，e表示指數(shù)；

14、步驟4.2：對(duì)每個(gè)box在天底點(diǎn)軌道一側(cè)中所有雷達(dá)觀測(cè)方向的海面均方斜率進(jìn)行平均計(jì)算，將計(jì)算得到的平均值作為box一側(cè)的平均海面均方斜率，再計(jì)算box在軌道兩側(cè)的平均海面均方斜率的平均值，得到box對(duì)應(yīng)的平均海面均方斜率。

15、進(jìn)一步的，所述步驟5采用如下方法：先將一維海浪譜中的斜率譜轉(zhuǎn)化為高度譜，再根據(jù)深水波頻散關(guān)系將高度譜轉(zhuǎn)換為頻率譜f(f)，基于頻率譜根據(jù)如下公式計(jì)算box在天底點(diǎn)軌道一側(cè)的譜能級(jí)e：

16、；

17、其中，j表示一維海浪譜的第j個(gè)譜密度值，f表示頻率，表示波譜儀一維海浪譜第15至第32個(gè)譜密度探測(cè)頻率負(fù)4次方的平均值，表示波譜儀一維海浪譜第15至第32個(gè)譜密度平均值，和的表達(dá)式如下所示：

18、；

19、；

20、計(jì)算box在天底點(diǎn)軌道兩側(cè)的譜能級(jí)的均值。

21、進(jìn)一步的，根據(jù)如下公式將斜率譜s(k)轉(zhuǎn)化為高度譜f(k)：

22、；

23、其中，k表示頻率對(duì)應(yīng)的波數(shù)；

24、根據(jù)如下公式將波數(shù)k轉(zhuǎn)換成頻率f：

25、；

26、根據(jù)如下公式將高度譜轉(zhuǎn)換為頻率譜：

27、；

28、其中，表示重力加速度。

29、進(jìn)一步的，步驟6按照如下公式進(jìn)行歸一化處理：

30、；

31、其中，表示歸一化處理后的天底點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后向散射系數(shù)，表示初始的天底點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后向散射系數(shù)值，表示歸一化處理后的平均海面均方斜率，表示歸一化處理后的譜能級(jí)。

32、進(jìn)一步的，步驟6按照如下公式計(jì)算天底點(diǎn)海面風(fēng)速：

33、；

34、其中，為中間變量矩陣，表達(dá)式如下所示：

35、；

36、其中，表示權(quán)重矩陣，表示中間變量矩陣，為偏置矩陣，；和的表達(dá)式如下所示：

37、；

38、；

39、其中，表示權(quán)重矩陣，表示偏置矩陣，表示輸入矩陣，,和的表達(dá)式如下所示：

40、；

41、；

42、；

43、其中，表示歸一化處理后的天底點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后向散射系數(shù)，表示歸一化處理后的平均海面均方斜率，表示歸一化處理后的譜能級(jí)。

44、有益效果：本發(fā)明用海浪譜和海面均方斜率代替有效波高進(jìn)行天底點(diǎn)海面風(fēng)速反演能進(jìn)一步提高計(jì)算精度，本發(fā)明方法充分利用了swim?的觀測(cè)數(shù)據(jù)，增加了swim?產(chǎn)品可應(yīng)用的范圍；本發(fā)明所計(jì)算出的高精度的高分辨率天底點(diǎn)風(fēng)速可用于校正和補(bǔ)充海洋衛(wèi)星散射計(jì)的風(fēng)場(chǎng)信息，能為研究氣候變化提供了更精確的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)；未來新的風(fēng)浪衛(wèi)星可以使用該方法計(jì)算出高精度的天底點(diǎn)海面風(fēng)速。

技術(shù)特征：

1.一種海浪波譜儀天底點(diǎn)風(fēng)速反演方法，其特征在于，具體包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海浪波譜儀天底點(diǎn)風(fēng)速反演方法，其特征在于，所述步驟2具體為：根據(jù)表面類型標(biāo)識(shí)、天底點(diǎn)降雨標(biāo)識(shí)、天底點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后向散射系數(shù)和海浪譜產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，去除非海洋表面數(shù)據(jù)和質(zhì)量低于預(yù)設(shè)值的數(shù)據(jù),所述海浪譜產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)識(shí)包括觀測(cè)范圍內(nèi)陸地表面占比和觀測(cè)范圍內(nèi)海冰表面占比。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海浪波譜儀天底點(diǎn)風(fēng)速反演方法，其特征在于，所述步驟4采用如下方法計(jì)算：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海浪波譜儀天底點(diǎn)風(fēng)速反演方法，其特征在于，所述步驟5采用如下方法：先將一維海浪譜中的斜率譜轉(zhuǎn)化為高度譜，再根據(jù)深水波頻散關(guān)系將高度譜轉(zhuǎn)換為頻率譜f(f)，基于頻率譜根據(jù)如下公式計(jì)算box在天底點(diǎn)軌道一側(cè)的譜能級(jí)e：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種海浪波譜儀天底點(diǎn)風(fēng)速反演方法，其特征在于，根據(jù)如下公式將斜率譜s(k)轉(zhuǎn)化為高度譜f(k)：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海浪波譜儀天底點(diǎn)風(fēng)速反演方法，其特征在于，步驟6按照如下公式進(jìn)行歸一化處理：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海浪波譜儀天底點(diǎn)風(fēng)速反演方法，其特征在于，步驟6按照如下公式計(jì)算天底點(diǎn)海面風(fēng)速：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種海浪波譜儀天底點(diǎn)風(fēng)速反演方法，具體為：步驟1：讀取SWIM?L2級(jí)產(chǎn)品數(shù)據(jù)中用于天底點(diǎn)海面風(fēng)速反演的參數(shù)；步驟2：對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，保留有效數(shù)據(jù)；步驟3：基于天底點(diǎn)box索引將天底點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后向散射系數(shù)與其所在的box對(duì)應(yīng)；步驟4：根據(jù)NRCS廓線的線性擬合系數(shù)計(jì)算平均海面均方斜率；步驟5：根據(jù)一維海浪譜，計(jì)算譜能級(jí)；步驟6：對(duì)天底點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后向散射系數(shù)，該天底點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后向散射系數(shù)所在box的平均海面均方斜率以及該天底點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化后向散射系數(shù)所在box的譜能級(jí)進(jìn)行歸一化處理；基于歸一化處理后的數(shù)據(jù)計(jì)算天底點(diǎn)海面風(fēng)速。本發(fā)明能進(jìn)一步提高計(jì)算精度。

技術(shù)研發(fā)人員：李秀仲,胡暐平,謝航
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京信息工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2