微波散射计获取海面风场针对降水影响的质量控制方法

1.本发明属于卫星遥感，海洋遥感和气象技术领域，尤其涉及微波散射计获取海面风场针对降水影响的质量控制方法。


背景技术：

2.为达到质量要求所采取的作业技术和活动称为质量控制。这就是说，质量控制是为了通过监视质量形成过程，消除质量环上所有阶段引起不合格或不满意效果的因素。以达到质量要求，获取经济效益，而采用的各种质量作业技术和活动。
3.星载微波遥感中，能获取高质量海面风场的传感器是微波散射计；世界各国的微波散射计已提供了40年的海面风场信息。在风场反演过程中，将对风单元风场的状态是否接近反演使用的经验模型表示的情况进行标识，从而确保测量风场与真实风场的接近程度，即质量控制的过程。目前微波散射计的海面风场质量控制过程，通常使用表示观测与反演所需的地球物理模型函数(gmf)之间的欧氏距离差的总和的质量控制因子mle的数值，通过定量分析不同数值对应的风场场景或者风场的统计特性确定阈值，并以阈值标识反演数值接近真实风场的风单元。由于该类标识对风场偏离模型的变化敏感，这类方法在降水条件下能起到一定作用，但质量控制的方法中，尚无专门针对降水影响、且充分考虑降水对风场的影响在观测中具体表现的方法。然而针对海面的统计表明，使用常规方法海面降水存在对ku波段微波散射计数据的影响达到了5％，而对全球降水任务(gpm)的统计表明，降水存在的概率约为7％，但ku波段微波散射计工作波长为3厘米左右，对降水具有一定的“免疫”，因此常规的质量控制方法，存在过多剔除数据的现象。为获得更有效的数据，针对降水影响的质量控制方法研究十分必要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了微波散射计获取海面风场针对降水影响的质量控制方法。
5.为了实现上述目的，本发明提出了一种微波散射计获取海面风场针对降水影响的质量控制方法，所述方法包括：
6.步骤1)根据风单元内的微波散射计观测数据计算最大似然估计残差参数mle，根据反演的风场和风场反演过程中生成的二维变分去模糊再分析风场计算得到二维变分去模糊风速目标函数因子joss数值；
7.步骤2)将风单元与已有遥感降水产品进行时空匹配，计算风单元对应的降水量数值；
8.步骤3)针对微波散射计观测刈幅边缘、中心和其他位置这三类风单元的mle和joss数值，并结合对应的降水量数值，分别确定每类风单元的mle阈值和joss阈值；
9.步骤4)根据每类风单元的mle阈值和joss阈值，对微波散射计观测数据进行标注，确定降水未影响的风单元；
10.步骤5)从降水未影响的风单元中选取具有时空匹配浮标风场的风单元，判断风场风速与浮标差异是否大于业务运行要求，判断为是，转至步骤3)进一步调整对应类别风单元的mle阈值和joss阈值；否则转至步骤6)；
11.步骤6)输出每个类别满足质量控制的mle阈值和joss阈值；
12.步骤7)基于满足质量控制的mle阈值和joss阈值，对降水影响的风单元进行标识。
13.作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：
14.根据风单元内的微波散射计测量的回波后向散射系数nrcs，通过地球物理模型函数的经验模型gmf实现nrcs到海面风场的映射，由nrcs与地球物理模型函数的欧氏距离和计算得到最大似然估计残差参数mle；
15.通过反演的风单元中的二维变分去模糊再分析风速与反演风速数值求差，得到二维变分去模糊风速目标函数因子joss数值。
16.作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：
17.对微波散射计观测数据进行反演，将风单元与已有遥感降水产品进行时空匹配，对配准获得的降水产品，求取降水产品单元与常规反演流程中确定的风单元海面网格的几何关系，确定落入某个风单元的降水产品单元的面积，对落入某个风单元的降水产品数值使用求取的几何面积占比作为权值，计算风单元对应的降水量数值。
18.作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：
19.求取不同二维变分去模糊再分析风速时mle随降水变化的分布，确定降水量少的mle阈值数值；求取不同二维变分去模糊再分析风速时joss随降水变化的分布，确定降水量少的joss阈值数值；将同时满足mle阈值和joss阈值的风单元标记为质量接受，其余标记为质量剔除。作为上述方法的一种改进，所述步骤5)的具有时空匹配浮标风场的风单元具体包括：
20.在空间匹配上，选取位置接近风单元中心经纬度的浮标，在时间上对浮标观测的风场数据，以散射计风单元观测时间为基准，进行正负15分钟之间数值的平均获得风场。
21.作为上述方法的一种改进，将首次进行步骤3)得到的joss阈值用于为短临预报提供观测信息支持。
22.与现有技术相比，本发明的优势在于：
23.本发明的基础对降水影响的质量控制更具针对性，两种阈值联合使用，更有效地实现了降水影响的质量控制，对ku波段星载微波散射计的实验表明，本发明的方法中，为常规应用提供风场产品进行联合质量控制标识降水影响的数据为4％，为短临预报提供数据进行质量控制剔除的数据为3％。
附图说明
24.图1是本发明微波散射计获取海面风场针对降水影响的质量控制方法流程图；
25.图2是进行降水影响标识的质量控制的微波散射计风场反演流程图；
26.图3是非天底和边缘风单元的结果。
具体实施方式
27.本发明提出微波散射计获取海面风场针对降水影响的质量控制方法，联合使用表
示微波散射计观测与地球物理模型函数模型之间的距离差异的度量和降水与风场空间尺度差异的表征数值来标识降水影响的风单元，填补质量控制流程中的空白。
28.本发明提出一种联合使用表示微波散射计观测与地球物理模型函数模型之间的距离差异和降水与风场空间尺度差异的表征数值标识降水影响的风单元的质量控制方法，对降水影响的微波散射计风场反演单元(风单元)，进行标识。标识结果将对风场的后续应用提供重要参考；同时提供降水存在的风单元标识，为短临预报提供观测信息支持。
29.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
30.实施例1
31.微波散射计观测风生海面的回波后向散射系数(nrcs)，并通过地球物理模型函数(gmf)的经验模型实现nrcs到海面风场的映射。风场反演的最小单元为“风单元”，风单元中不同方位角的nrcs提供了风向的信息，风速则通过nrcs的强度确定。某个风单元中的nrcs对风速和风向的未知数信息将提供多余观测。通常，使用基于贝叶斯理论的最大似然法进行风场估计，而最优解通常也对应了风单元中nrcs集合到gmf确定几何面的欧氏距离和小值。这个距离通常称为最大似然参数(mle)。在风向最优估计的二维变分去模糊(2dvar)过程中，还将产生由数值预报风场作为背景风场的分析风场，该风场的风速本质是观测确定的风场经过了较大空间尺度的背景风场低通滤波的结果。
32.在研发过程中发现，降水对于海面风场具有不同的时间和空间尺度，通常比风单元具有更小的空间尺度，比风场具有更快变化的特性。降水或者降水云存在的风单元中，nrcs受其影响时，将具有较大的mle数值和较高的风速估计值。另外，在降水存在条件下，由于降水的小尺度噪声特性，将使得观测风场偏离在分析风场，表征在数值上较为明显，该差异称为(二维变分)风速目标函数因子(joss)。该数值能对mle误判的降水影响进行修正；也能独立进行更比mle更松弛的降水影响标识。基于此原理，本发明提出一种联合使用表示微波散射计观测与地球物理模型函数模型之间的距离差异mle数值和降水与风场空间尺度差异的表征：joss数值标识降水影响的风单元的质量控制方法，对降水影响的微波散射计的风场反演单元(风单元)，进行标识，具体实施方法如图1所示：
33.1)首先，在风场反演常规过程中，对风单元内的微波散射计观测nrcs计算mle和joss的数值。其中mle数值通过风单元中的nrcs与gmf的欧氏距离和获得；joss通过反演的风单元中的二维变分去模糊再分析风速与反演风速数值求差获得。
34.2)对大量观测数据进行反演，将风单元与已有遥感降水产品进行时空匹配，对配准获得的降水产品，求取降水产品单元与常规反演流程中确定的风单元海面网格的几何关系，确定落入某个风单元的降水产品单元的面积，对落入某个风单元的降水产品数值使用求取的几何面积占比作为权值，计算风单元对应的降水量数值。
35.3)获取上述大量观测数据对应的浮标观测风场产品，对浮标产品进行时空累积平均。在空间匹配上，选取位置接近风单元中心经纬度的浮标，在时间上对浮标观测的风场数据，以散射计风单元观测时间为基准，进行正负15分钟之间数值的平均获得风场。
36.4)由于研究表明mle和joss在数值上与降水量相关性很强，根据降水量数值、风单元的mle、joss数值，分别进行真实性检验。具体地，分别求取不同在分析风速时mle随降水变化的分布，确定降水量少的mle阈值数值；之后对mle阈值进行判断后，在降水剔除的数据集合，使用类似方法确定joss阈值，其中以joss的分布图为例在附图2所示。确定joss的阈
值公式；将阈值确定的白线以上的风单元标记为质量接受，其余标记为质量剔除。
37.5)上述过程针对微波散射计观测刈幅边缘、中心和其他位置这三类风单元分别进行，确定不同的阈值和阈值公式。
38.6)确定初步阈值后，在微波散射计常规风场反演结束后的数据(不进行降水产品匹配)使用上述mle和joss的阈值，确定降水未影响的风单元，并对降水影响的风单元进行标识。
39.7)对降水标识为未受影响的风单元中，选取具有时空匹配浮标风场的风单元，进行比较，根据在风场风速与浮标差异大于业务需要精度，例如风速2m/s,风向20度，的风单元数量，当数量大于3％时，收紧上述joss阈值；重复上一步和这一步，至数量小于3％。由于已有的针对mle的质量控制方法使用比4)和5)中降水影响的风单元剔除数量更多，本步骤可行。
40.完成上述步骤后，在常规风场反演流程中，重复6)和7)得到的阈值剔除的风单元进行标识，作为常规应用中降水影响的风单元；对首次进行6)得到的joss阈值直接风单元降水影响标识，作为短临预报中降水影响的风单元。
41.如图3所示，是采用本发明的方法进行降水影响标识的质量控制的微波散射计风场反演流程。
42.本发明的创新点：
43.1)以二维变分去模糊再分析风速和观测风速差异量作为降水和风场时空差异的定量度量的方法；
44.2)使用对降水产品几何加权的方法确定风单元对应降水量的方法；
45.3)使用1)的度量结合观测后向散射系数与反演经验模型的欧氏距离差异量(最大似然估计残差参数)，根据2)得到的降水信息，进行阈值确定，实现联合质量控制的方法。
46.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。