台风监测遥感在海上丝绸之路的应用
    来源:  时间:2018/09/19


    海上丝绸之路自秦汉时期开通以来,一直是中国与外国贸易往来和文化交流的海上大通道,推动了沿线各国的共同发展。海洋经济一直以来都是我国国民经济的重要组成部分,当前海洋经济在国民经济中比重已近10%。目前,沿海地区集聚了我国40%以上的人口,海上各类开发活动日益增多。到2020年,中国海洋生产总值占GDP比重预计将达到12.44%;到2030年,占比将进一步上升至15.49%。
        中国着眼于与东盟建立战略伙伴十周年这一新的历史起点,为进一步深化中国与东盟的合作,提出“21世纪海上丝绸之路”的战略构想。随着21世纪海上丝绸之路的逐步落地,海洋开发的广度、强度与深度不断加大,沿海地区人口、财产、工业聚集特征愈加强烈。沿路主要区域的南海、西北太平洋、印度洋等区域是台风和热带气旋等强灾害天气频发的区域,气候变化引起的海洋自然灾害强度与影响范围也在逐年加大。海洋沿岸灾害主要是台风和由台风带来的风暴潮,占沿海海洋自然灾害的90%以上。所以,通过遥感手段增强对台风的监测,将为21世纪海上丝绸之路的顺利实施起到关键的作用。
        由航天宏图、河海大学和国防科技大学联合组成的研究小组,近年来一直致力于通过微波遥感监测技术进行台风等极端恶劣天气情况下海面风场的信息提取研究。采用微波遥感技术是因为微波可以穿透云层,而光学和红外波段由于云的影响,无法观测到台风过境期间的海面情况。越来越多的微波卫星被用于海洋的观测,目前国内外在轨的海洋卫星里面有超半数以上搭载的是微波遥感器。
        研究组主要通过被动遥感微波遥感技术进行台风风场的提取研究。被动微波遥感器本身不发射电磁波,只接收地球或者大气的辐射带来能量。可以根据探测要求选择不同的频率进行遥感,因为被动微波遥感器接收到的是物体本身的辐射特性,在不同的频率对不同的要素敏感性是不一样的。比如L和P波段对海水的盐度变化比较敏感,C波段对海温比较敏感,X波段主要是对海温和海面粗糙度的参数较强敏感性。再高的频率一般是大气或者海面粗糙度比较敏感。被动微波遥感在海洋观测领域起到越来越重要的作用。被动微波遥感器测量的信号来自于大气的上行辐射、经过海面反射的宇宙背景和大气下行辐射、以及海洋本身自己的辐射经过大气的衰减到达卫星入瞳处的信息,信号的组成多而复杂。


    台风示意图

    研究小组利用1987年~2017年30年的遥感融合风场,分析了我国的南海区域以及印度洋区域“大风天”(风速超过15米/秒以上)的增长率,了解到在大部分海区“大风天”数平均每年增长1-2天,30年间增加了近2个月。“大风天”的增长率随季节变化,南海是冬季和春季大风天增长较多,赤道印度洋和北印度洋区域是夏季较多。这些年“大风天”数的增加,对海上丝绸之路的航行产生了较不利影响。台湾海域“大风天”平均风速超过20米/秒,对海上作业活动带来非常大的危险。另外,强风不仅仅在海面上会产生一些非常明显的影响,较强的台风会影响到水下200米的深度,已经影响到了水下潜航器活动的深度。


    大风天增长速率

    目前典型的台风风场产品有以下几种:
        一、基于光学或红外遥感器的云迹风,它是通过云的移动间接的提取在云层高度的风场。    
        二、SAR遥感风场,其优势在于分辨率比较高,目前可以做到500米空间分辨率,但是需要数值模式或者其他辅助的风向作为输入,才能提取SAR风速参数。SAR的空间分辨率比较高,但是刈幅较小,远小于台风近千公里的尺度,很难通过SAR来捕捉完整的台风影响较强的区域。
        三、散射计风场。散射计是主动的微波遥感器,它的刈幅比较宽,可以达到接近两千公里,同时可以提取风速和风向信息,主要是利用海面粗糙度的一些信号来提取台风的风场信息。但是散射计需要至少两次以上的观测才能同时把风向信号提取出来。
        四、美国的RSS公司提供的全天候的产品。
        五、美国NOAA的机载C波段多频的辐射计风速产品,但是它的缺点在于只有在飞机航行路线一条窄带台风的信息,不能提供整个台风场的信息。
        六、HWind再分析产品,是目前国外用的比较多的台风的风场产品。它是融合了下投式探空仪仪、探空气球、现场观测资料、数值模拟的资料形成的再分析产品。
        在常规情况下,微波辐射计通常不提供台风强降水情况下的风场产品,主要是因为台风等强恶劣天气,它大气的组份是比较复杂,有可能有冰晶、强降水等等。这些大气的组份在微波辐射信号中的影响很难剔除。
        研究小组开发了一种新的台风等恶劣天气条件下极高风速的反演算法。
    在台风这种极端天气的情况下,非常适合微波辐射计进行被动遥感,因为遥感的提取风速的原理就是通过海面粗糙度进行提取。风速越大,海浪破碎的越多海面的泡沫也会越多。研究小组根据理论模型得到不同频率情况下的海面泡沫的发射率,一般在37G赫兹的时候,有0.1cm厚的泡沫发射率可以接近1,也就是黑体发射率。在1.4G赫兹2厘米的泡沫就能产生黑体的效应。

    研究组还观察到雷达在台风的时候会出现信号饱和的问题。随着风速的增加,海面泡沫的覆盖率是增加的。泡沫的发射率接近1,覆盖率越高,泡沫的辐射能量越强,微波辐射接收也就越强。根据能量守恒,反射率与辐射率之和是1。泡沫的辐射率越高,反射率也就越低,雷达接收的反射率的信号就会减弱,这是雷达测量台风会出现信号饱和的其中一个原因。
    研究小组选取了西太平洋的十几个飓风对算法做了验证。之所以选取西太平洋是因为西太平洋区域有较多数据可以进行验证。研究小组提出的新参数,没有降低随风速变化的响应,但显著降低了台风强降雨的影响。下图是研究小组反演的台风的结果示例。反演的台风结构与再分析结果比较接近,整体反演精度较高。


    台风反演结果比较

    研究小组还对2015年登陆我国的超强台风尼伯特的风场进行了反演和分析。台风尼伯特是近50年来登陆我国的最强的台风,它的极值风速达到了70米/秒。
       研究小组还对全极化微波辐射计对风向的反演做了研究。电磁波第三和第四Stokes参数(T3和 T4)在台风等恶劣天气情况下,仍然有较强的风向信号。这个特点可以被用于台风风向的反演。


    第三和第四Stokes参数(T3和 T4)随风向的变化


       
        反演的台风风向

    研究小组近年来针对微波辐射计台风等极端恶劣天气风场的监测和研究,大大提升了对台风等恶劣气海面风场监测的精度。被动微波遥感对恶劣天气海面风场的监测,具有三个优点:1、反演精度高;2、风速信号不饱和;3、可以同时反演风速和风向信息。但因地面足印的分辨率不高,需要增加载荷天线尺寸等手段来提高分辨率。研究小组计划将台风风场反演结果应用到台风的动力预报模式当中,为海洋的防灾减灾提供帮助。
        气候经济学之父尼古拉斯·斯特恩(Nicholas Stern)曾说过:“气候变化所造成的成本和风险,包括对基础设施的破坏,供水的不足,食物匮乏等等,每年将至少相当于全球GDP(生产总值)的5%。如果从更广义的角度考虑这些风险和影响,则破坏程度将相当于全球GDP的20%甚至更多。” 21世纪海上丝绸之路是中国与东盟之间开拓新的合作领域、深化互利合作的战略契合点,是推动沿线各国商业贸易繁荣发展的黄金路线。因此,沿线气候变化研究以及恶劣天气的监测、预报、预警,能够大大减少海洋灾害造成的经济损失,并为灾害后的评估和重建提供有效的技术手段。