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Assimilation of Ocean Surface Wind Data by the hy-2b Satellite in GRAPES: Impacts on Analyses and Forecasts

Advances in Atmospheric Sciences 2023年第1期40卷 44-61页

作者： Jincheng WANG Xingwei JIANG Xueshun SHEN Youguang ZHANG Xiaomin WAN Wei HAN Dan WANG CMA Earth System Modeling and Prediction Center China Meteorological AdministrationBeijing 100081China National Meteorology Center China Meteorological AdministrationBeijing 100081China Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Guangzhou) Guangzhou 511458China National Satellite Ocean Application Service Beijing 100081China

The ocean surface wind(OSW)data retrieved from microwave scatterometers have high spatial accuracy and represent the only wind data assimilated by global numerical models on the ocean surface,thus playing an important role in improving the forecast skills of global medium-range weather prediction *** improve the forecast skills of the Global/Regional Assimilation and Prediction System Global Forecast System(GRAPES_GFS),the hy-2b OSW data is assimilated into the GRAPES_GFS four-dimensional variational assimilation(4DVAR)***,the impacts of the hy-2b OSW data assimilation on the analyses and forecasts of GRAPES_GFS are analyzed based on one-month assimilation cycle *** results show that after assimilating the hy-2b OSW data,the analysis errors of the wind fields in the lower-middle troposphere(1000-600 hPa)of the tropics and the southern hemisphere(SH)are significantly reduced by an average rate of about 5%.The impacts of the hy-2b OSW data assimilation on the analysis fields of wind,geopotential height,and temperature are not solely limited to the boundary layer but also extend throughout the entire troposphere after about two days of cycling ***,assimilating the hy-2b OSW data can significantly improve the forecast skill of wind,geopotential height,and temperature in the troposphere of the tropics and SH.

关键词： hy-2b ocean surface wind 4DVAR GRAPES-GFS medium-range weather forecast

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Preliminary calibration results of the hy-2b altimeter’s SSH at China’s Wanshan calibration site

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Acta Oceanologica Sinica 2021年第5期40卷 129-140页

作者： Chuntao Chen Jianhua Zhu Chaofei Ma Mingsen Lin Longhao Yan Xiaoqi Huang Wanlin Zhai bo Mu Yongjun Jia School of Ocean Yantai UniversityYantai 264005China National Ocean Technology Center Ministry of Natural ResourcesTianjin 300112China National Satellite Ocean Application Service Ministry of Natural ResourcesBeijing 100081China

Satellite altimeter needs to be calibrated to evaluate the accuracy of sea surface height *** dedicated altimeter calibration field needs to establish a special calibration strategy and needs to evaluate its calibration *** paper describes absolute calibration of hy-2 b altimeter SSH using the GPS calibration method at the newly Wanshan calibration site,located in the Wanshan Islands,*** are two hy-2 b altimeter passes across the Wanshan calibration *** No.362 is descending and the ground track passes the east of Dan’gan *** No.375 is ascending and crosses the Zhiwan *** GPS data processing strategy of Wanshan calibration site was established and the accuracy of GPS calibration method of Wanshan calibration site was ***,the processing strategies of the hy-2 b altimeter for the Wanshan calibration site were established,and a dedicated geoid model data were used to benefit the calibration *** time-averaged hy-2 b altimeter bias was approximately 2.12 cm with a standard deviation of 2.08 *** performance of the hy-2 b correction microwave radiometer was also evaluated in terms of the wet troposphere path delay and showed a mean difference-0.2 cm with a 1.4 cm standard deviation with respect to the in situ GPS radiosonde.

关键词： calibration hy-2b altimeter Wanshan calibration site GPS buoy

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基于珠海万山定标场沿岸验潮仪的hy-2b雷达高度计定标研究

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海洋学报 2021年第6期43卷 139-144页

作者：张宇飞蒋兴伟马超飞国家卫星海洋应用中心北京100081

随着我国海洋二号b卫星(hy-2b)于2018年10月发射成功,国家卫星海洋应用中心于珠海万山进行了hy-2b的在轨测试。试验利用沿岸验潮仪,在珠海万山直湾岛hy-2b过境轨道375的星下点附近进行了由2018年11月3日至12月12日的验潮仪定标试验。在... 详细信息

随着我国海洋二号b卫星(hy-2b)于2018年10月发射成功,国家卫星海洋应用中心于珠海万山进行了hy-2b的在轨测试。试验利用沿岸验潮仪,在珠海万山直湾岛hy-2b过境轨道375的星下点附近进行了由2018年11月3日至12月12日的验潮仪定标试验。在试验期间,hy-2b共重访定标场星下点3次,定标结果表明:3个周期的hy-2b雷达高度计测量海面高度定标结果良好,定标参数分别为(3.06±3.48)cm、(2.85±1.03)cm、−7.41 cm;定标参数在前3个周期存在一定漂移,需要后续的定标工作以确定漂移原因。

关键词： hy-2b 万山定标场验潮仪绝对定标

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hy-2b扫描微波辐射计海温产品在典型区域的精度验证和分析

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海洋通报 2022年第5期41卷 510-518页

作者：周武王士帅林明森南方海洋科学与工程广东省实验室(广州) 广东广州511458 自然资源部空间海洋遥感与应用重点实验室北京100081 国家卫星海洋应用中心北京100081 航天宏图信息技术股份有限公司北京100195 中国海洋大学山东青岛266100

“海洋二号b”卫星(hy-2b)于2018年10月25日发射,是我国第二颗海洋动力环境探测卫星,其上搭载有包括扫描微波辐射计(SMR)在内的多个载荷,海表面温度(SST)是SMR的主要产品之一。本文分别利用NOAA提供的i Quam实测海温数据、CORIOLIS卫星W... 详细信息

“海洋二号b”卫星(hy-2b)于2018年10月25日发射,是我国第二颗海洋动力环境探测卫星,其上搭载有包括扫描微波辐射计(SMR)在内的多个载荷,海表面温度(SST)是SMR的主要产品之一。本文分别利用NOAA提供的i Quam实测海温数据、CORIOLIS卫星WindSat反演的海温遥感产品、NCEP模式海温数据,在两个典型区域,对2020年1月1日至12月31日期间的hy-2b/SMR海温产品进行了验证,其中hy-2b/SMR与iQuam实测海温的bias为0.004℃,RMSE约为0.65℃,CORR高于0.95。通过进一步分析,由区域A的分析结果总结了hy-2b/SMR海温产品精度随纬度变化的规律及其原因,同时,由区域b的分析结果计算出陆地、岛礁以及RFI对海温总体反演精度的影响约为0.1℃。

关键词：海表温度 hy-2b 扫描微波辐射计海温评估

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自主hy-2b卫星北极地区风场及有效波高产品交叉验证分析

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遥感技术与应用 2023年第1期38卷 227-238页

作者：刘力铖付东洋邹巨洪徐广珺王焕张相泽广东海洋大学电子与信息工程学院广东湛江534088 国家卫星海洋应用中心北京100081

hy-2b卫星海面风场及有效波高产品在北极地区的交叉验证是实现相关产品在高纬地区推广应用的重要前提,是检验我国自主海洋动力系列卫星产品质量及应用范围的重要环节。利用2018年发射的hy-2b卫星获取的风场和有效波高数据,开展了自主海... 详细信息

hy-2b卫星海面风场及有效波高产品在北极地区的交叉验证是实现相关产品在高纬地区推广应用的重要前提,是检验我国自主海洋动力系列卫星产品质量及应用范围的重要环节。利用2018年发射的hy-2b卫星获取的风场和有效波高数据,开展了自主海洋动力卫星与国际同类卫星产品在北极地区的交叉验证分析。近两年的观测数据表明:①hy-2b卫星与MetOp-A卫星风速风向均具有高度的一致性,数据质量稳定,精度高。风速及风向相关系数分别达0.97和0.99,均方根误差分别低于1.03 m/s和12.28°。②hy-2b卫星与Jason-3卫星有效波高数据在北极地区给定时空范围内匹配对较少,但数据的一致性及精度均较高,二者相关性达0.99,均方根误差为0.28 m。③自主hy-2b卫星风场和有效波高产品与国际同类卫星产品在北极地区均具有高度的一致性,达到业务化运行的精度要求,相关产品可满足于北极等高纬地区海面风场和有效波高的推广应用。

关键词：北极 hy-2b 海面风场有效波高交叉验证

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自主hy-2b卫星北极海域数据交叉验证及宽刈幅有效波高场估算

自主HY-2B卫星北极海域数据交叉验证及宽刈幅有效波高场估算

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作者：刘力铖广东海洋大学

学位级别：硕士

海洋大约占据地球表面积的百分之七十一,是人类赖以生存的重要资源库和人类交通的重要载体。而利用海洋、开发海洋和保护海洋需要了解海洋、认知海洋,因此,如何能够高效率、高精度地观测海洋,尤其是快速地大尺度地了解海表温度、海面风... 详细信息

海洋大约占据地球表面积的百分之七十一,是人类赖以生存的重要资源库和人类交通的重要载体。而利用海洋、开发海洋和保护海洋需要了解海洋、认知海洋,因此,如何能够高效率、高精度地观测海洋,尤其是快速地大尺度地了解海表温度、海面风场、海面波高等海洋动力参数信息,对于认知海洋、开发海洋及保护海洋具有重要现实意义。北极地区是当前国际社会合作与竞争的“新疆域”,是各国争夺战略资源、开拓发展空间的重要阵地,随着全球变暖和北极增暖放大效应的日益凸显,北极海冰进一步加速融化,北极航道的贯通成为可能,这对全球航运格局的转变具有重要战略意义和现实需求。因此,北极战略地位日趋重要,开展对北极地区海洋动力环境的业务化观测已成为迫切需要。卫星遥感技术是全球海面风场和有效波高观测的重要手段之一,其具备高精度、全天时、全天候的全球探测能力。卫星上搭载的微波散射计和雷达高度计两种载荷,可以同时测量卫星轨道的宽刈幅海面矢量风场数据以及星下点的海面高度数据,实现了广阔海域、时空同步的海面动力参数监测。我国于2018年10月成功发射hy-2b卫星。经国内学者验证,hy-2b卫星散射计风场产品在全球范围与近海海域的精度与稳定性较好,高度计数据在全球范围的精度和稳定性亦较佳,但是在北极等高纬度地区的数据精度与稳定性还较少被关注。同时,受卫星高度计的工作方式限制,其在卫星轨道较为密集的北极地区覆盖度仍非常受限,如何利用全域覆盖的风场产品拓展有效波高产品在北极地区的有效覆盖范围,是业内一直关注的科学问题。针对上述问题,本研究以我国hy-2b卫星散射计、高度计数据作为主要研究对象,以北极附近高纬度海域作为研究区域,利用星星交叉验证方法,分别与Met Op-A卫星散射计、Jason-3卫星高度计对比分析了海面风场产品和有效波高产品之间的相关性和偏差情况,检验了自主海洋卫星在北极地区的有效精度。同时利用散射计风速数据和高度计有效波高数据建立模型训练数据集,并构建通过散射计风速数据估算宽刈幅有效波高场的拟合模型、SVR机器学习模型和bP神经网络模型。研究主要结论如下:(1)基于2019-2020两年的自主hy-2b卫星与MetOp-A卫星风场数据交叉验证分析表明,自主hy-2b卫星与Met Op-A卫星风场产品在北极地区的风速和风向均方根误差分别在1.03 m/s以下和12.28°以下,相关系数分别在0.99和0.95以上;自主hy-2b卫星与Jason-3卫星有效波高数据均方根误差在0.41 m以下,相关系数在0.99以上。(2)与国际同类卫星产品相比,自主hy-2b卫星风场和有效波高产品在北极地区具有良好的一致性和稳定性,均达到业务化运行的精度要求,相关产品可满足于北极等高纬地区海面风场和有效波高的推广应用。(3)利用2020年的自主hy-2b卫星散射计风速数据、高度计有效波高数据,建立了25km区域最邻近风速数据集和区域平均风速数据集,构建了基于拟合模型、SVR支持向量回归模型和bP神经网络模型的宽刈幅海面有效波高场的估算模型。(4)分析表明,基于25km区域平均风速数据集所建立的bP神经网络模型在不同季节的估算结果与ERA-5再分析海面有效波高场更具良好的一致性,总体的均方根误差为0.82m,相关系数达0.84,基于25km区域平均风速数据集构建的bP神经网络模型更适用于北极海域宽刈幅有效波高场的估算。

关键词：北极 hy-2b 交叉验证海面风场有效波高区域平均风速

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基于现场观测的hy-2b高度计定标方法研究

基于现场观测的HY-2B高度计定标方法研究

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作者：张宇飞国家海洋环境预报中心

学位级别：硕士

星载雷达高度计从提出至发展至今已经经过了50余年,其现已成为了进行海洋研究与气候变化研究的重要工具(星载雷达高度计为本论文的主要讨论对象,后简称为高度计)。通过卫星探测海面动力参数是大范围获得海洋数据的重要方式,而高度计是... 详细信息

星载雷达高度计从提出至发展至今已经经过了50余年,其现已成为了进行海洋研究与气候变化研究的重要工具(星载雷达高度计为本论文的主要讨论对象,后简称为高度计)。通过卫星探测海面动力参数是大范围获得海洋数据的重要方式,而高度计是星载微波传感器中较为成熟的一种。高度计通过测量海面高度、有效波高、后向散射,可同时大范围地获取流、浪、潮、海面风速等重要的海面动力参数,这些动力参数可以应用于海洋防灾减灾,海洋资源开发与全球气候变化研究等诸多领域。高度计作为一个高精密的主动式微波雷达,其在对海面高度、有效波高、后向散射的观测过程中会受到诸如仪器误差、轨道误差、对流层延迟误差、电离层误差、海况误差与地球物理误差等影响,如果没有严格的误差修正与定标,将会严重影响高度计的测高精度。只有修正这些影响因素才能更好地进行高度计定标,获得更准确的定标参数。随着高度计精度需求的不断提升,各国不断依据高度计的定标需求建成了业务化高度计定标场。我国海洋二号b卫星(后简称为hy-2b)于2018年10月发射,我国也随之于珠海万山进行了hy-2b的高度计定标试验,初步进行了hy-2b高度计的定标检验工作,同时为将来万山定标场的长期业务化运行打下了基础。高度计的海面高度绝对定标是一项复杂的过程。本论文首先以高度计与定标场的历史与发展出发,简要介绍了目前国际上的四个业务化定标场与目前珠海万山定标场的现状。详细讨论了高度计的测高原理与各项高度计测距影响因素。然后以此为切入点针对hy-2b的高度计定标进行了深入研究,包括依据万山定标场观测数据进行的绝对定标与依据Jason-3观测结果进行的星星交叉定标,在交叉定标中详细对比了各项影响因素间的差别,为hy-2b的现场绝对定标业务化运行提供了一定的技术支撑。本论文的具体研究工作及创新点如下:1)目前针对hy-2b进行的绝对定标试验较少,本论文在万山定标场进行绝对定标试验,试验基于GPS基站与沿岸验潮仪,在珠海万山直湾岛hy-2b过境375的星下点附近进行了由2018年11月3日至2018年12月12日的验潮仪定标试验,共布放了三个沿岸验潮仪,其中两个用于测量海面高度。在此期间hy-2b共重访定标场星下点三次,此三次的定标结果表明:两个验潮仪定标结果相同,但三个周期分别获得的hy-2b定标参数存在一定漂移,三次过境的定标参数分别为-0.31±0.14m,-0.27±0.04m,-0.27±0.001m。定标试验在hy-2b在轨测试时进行,后续需要开展长期的业务化定标工作以获取更稳定的定标参数。2)除沿岸验潮仪外,本论文还使用了2018年11月12日直接于珠海万山定标场星下点处投放的GPS浮标进行定标。本次定标结果表明:依据GPS浮标定标结果与同一时间依据沿岸验潮仪浮标的定标结果相差较大,约为-0.08±0.20m。由于GPS浮标试验数据较少,仅为一个周期的一条轨道,且与验潮仪升轨不同,GPS浮标测量为降轨,因此结果与验潮仪的结果有较大差异。本文中对hy-2b的升降轨误差校正项对比也证实hy-2b升降轨数据存在较大差异。目前依据GPS浮标获得更加精确的hy-2b定标参数仍需要GPS浮标长期业务化运行的数据支持。3)本论文对hy-2b与Jason-3在现场观测定标试验时间段2018年11月至2018年12月中Jason-3的四个重访周期内的星星交叉点进行了交叉定标,定标结果表明:(1)hy-2b与Jason-3测高结果接近,总体交叉定标参数为0.025m。(2)除海面高度外,本论文对hy-2b与Jason-3的二级产品获得的测距误差校正项进行了对比,对比结果显示误差校正项中误差最大为使用双频高度计的电离层延迟误差,均方根误差为0.045。总体hy-2b与Jason-3测高结果相差不大,hy-2b的测高结果与国际成熟高度计的测高水平接近。

关键词： hy-2b 现场观测珠海万山定标场绝对定标测距误差校正

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基于深度学习的hy-2b微波散射计海面风场反演研究

基于深度学习的HY-2B微波散射计海面风场反演研究

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作者：夏雪宁广州大学

学位级别：硕士

海面风场在海上天气预警、自然灾害监测和航海等方面起着至关重要的作用,是研究海气相互作用和海上风暴潮必不可少的物理参数。hy-2b是我国第二颗业务化海洋动力环境卫星,其上搭载了Ku波段散射计,能够全天候、全天时对全球海洋表面风场... 详细信息

海面风场在海上天气预警、自然灾害监测和航海等方面起着至关重要的作用,是研究海气相互作用和海上风暴潮必不可少的物理参数。hy-2b是我国第二颗业务化海洋动力环境卫星,其上搭载了Ku波段散射计,能够全天候、全天时对全球海洋表面风场进行观测,其风场产品被广泛应用于天气预报与气候变化研究。当前被人们普遍接受的风场反演方法多是基于地球物理模式函数的点对点的方法,计算复杂且需要模糊解去除,同时没有考虑海面风场的连续性。为提高hy-2b散射计的风场反演精度,本文使用hy-2b散射计的L2A级数据,基于深度学习的方法建立合适且有效的模型,以提高其风场产品在数值预报和灾害监测等领域中的应用能力。从风场的空间连续性特征出发,本文使用2021年4月至6月的hy-2b散射计的L2A级数据和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的再分析风场数据,针对整个风速区间(0～20m/s),建立了基于卷积神经网络的海面风速反演模型(CNN-SPD)和基于ResNet残差网络的海面风速反演模型(Resnet-SPD),两种模型可以对特定大小的连续风场区域进行风速的同时反演。使用测试集对两种深度学习模型与传统的最大似然法(MLE)进行比较,在测试集中,CNN-SPD的偏差均值(ME)为-0.0071m/s,绝对偏差均值(MAE)为0.4703m/s,均方根误差(RMSE)为0.5872m/s;Resnet-SPD的ME为-0.0449m/s,MAE为0.4766m/s,RMSE为0.5951m/s;MLE方法的ME为0.0798m/s,MAE为0.6352m/s,RMSE为0.7937m/s。两种模型的风速反演精度均优于MLE方法,具有良好的泛化能力。利用不同风速范围的区域检验三种方法对不同风速的反演能力,结果表明,与标准MLE方法相比,两种深度学习模型对不同风速的反演效果均有提升,特别是CNN-SPD模型,RMSE比传统方法提高了0.2065m/s,同时降低了对低风速和高风速区域的反演误差。利用CNN-SPD和Resnet-SPD反演得到的风速与原始数据集,分别建立了基于卷积神经网络的海面风向反演模型(CNN-DIR)和基于ResNet残差网络的海面风向反演模型(Resnet-DIR)。训练和测试结果表明,两种模型均能很好的对风向进行反演。在测试集中,CNN-DIR模型的ME为2.2778°,MAE为7.5725°,RMSE为9.7144°;Resnet-DIR模型的ME为2.1089°,MAE为6.5661°,RMSE为8.4365°;MLE方法的RMSE为10.074°,ME为2.3929°,MAE为7.8755°。两种深度学习模型的风向反演精度均优于传统方法,尤其是风速处于3～15m/s时。最后,比较三种方法在不同风向区域的反演精度,以检验模型对不同风向的反演能力。结果表明,与传统方法相比,深度学习模型的反演风向与ECMWF风向的偏差明显更小,尤其是Resnet-DIR模型,RMSE比传统方法提高了1.6375°,模型稳定性更好,证明了两种模型具有对不同风向的反演能力。在风场反演中,充分考虑相邻观测点之间的空间相关性和连续性,采用多点同时反演的方式,解决了传统风场反演方法中的模糊解问题。通过上述反演方法,建立了基于CNN和ResNet的风速和风向反演模型,有效提高了hy-2b散射计的风场反演精度,证明了ResNet残差网络可以应用于微波散射计海面风场反演,为改进海面风场反演效果提供了一个新的研究思路。

关键词：海面风场反演 hy-2b CNN ResNet

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基于hy-2b波形特征的北极海冰分类算法

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海洋技术学报 2021年第1期40卷 17-27页

作者：朱艺洵张晰孟俊敏山东科技大学测绘与空间信息学院山东青岛266590 自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061

海冰类型识别对进行全球气候研究至关重要,利用高度计进行北极海冰监测是目前研究的热点。本文通过利用2019年12月和2020年3月的hy-2b高度计数据,探索了国产卫星高度计在海冰类型识别中的可用性,提取了hy-2b的波形功率最大值、脉冲峰值(... 详细信息

海冰类型识别对进行全球气候研究至关重要,利用高度计进行北极海冰监测是目前研究的热点。本文通过利用2019年12月和2020年3月的hy-2b高度计数据,探索了国产卫星高度计在海冰类型识别中的可用性,提取了hy-2b的波形功率最大值、脉冲峰值(Pulse Peakiness,PP)、前缘宽度(Leading Edge Width,LEW)和后向散射系数(Sigma0)4个波形特征,分析了hy-2b卫星高度计精确识别薄一年冰(Thin First-year ice,TFYI)、一年冰(First-year ice,FYI)、多年冰(Multi-year ice,MYI)、冰间水道(LEAD)和开阔水域(Open Water,OW)的能力。通过与俄罗斯北极和南极研究所(Arctic and Antarctic Research Institute,AARI)冰况图产品和MODIS冰间水道产品对比发现,综合PP、LEW及Sigma0和K最近邻法(K-Nearest Neighbor,KNN),平均最高海冰分类精度可达到91.96%。

关键词： hy-2b 高度计海冰分类波形特征北极

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利用海洋2b卫星数据反演南极海冰表面积雪厚度

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测绘地理信息 2024年第6期49卷 64-68页

作者：肖泽辉季青庞小平闫忠男武汉大学中国南极测绘研究中心自然资源部极地测绘重点实验室

海冰及其表面积雪厚度是大气和海洋间的能量循环和物质平衡的重要因子，是对气候环境变化的敏感指示器。本文尝试利用国产海洋2b卫星（hy-2b）数据开展南极海冰表面积雪厚度遥感反演的研究。结果表明：基于2018年11月至2019年1月我国第3... 详细信息

海冰及其表面积雪厚度是大气和海洋间的能量循环和物质平衡的重要因子，是对气候环境变化的敏感指示器。本文尝试利用国产海洋2b卫星（hy-2b）数据开展南极海冰表面积雪厚度遥感反演的研究。结果表明：基于2018年11月至2019年1月我国第35次南极科学考察“雪龙船”走航观测的积雪厚度数据，Comiso03积雪厚度遥感反演模型相对于Markus98模型和Shen22模型反演的南极海冰表面积雪厚度精度最好，时空平均偏差为-1.88 cm。基于搭载在hy-2b上的扫描微波辐射计（scanning microwave radiometer,SMR）所反演的南极海冰表面积雪厚度与基于搭载在地球水环境变动监测卫星（Global Change Observation Mission1st-Water,GCOM-W1）上的先进微波扫描辐射计（the advanced microwave scanning radiometer-2, AMSR-2）发布的积雪厚度产品（Comiso03模型）具有较好的一致性，两者间的差异主要发生在消融期，在空间分布上的差异主要集中在南极印度洋扇区和西太平洋扇区。利用hy-2b SMR数据反演南极海冰表面积雪厚度的研究可为应用国产海洋卫星系列数据开展长时序南极海冰及其表面积雪的变化研究提供重要的数据和技术支撑。

关键词：积雪厚度海冰 hy-2b 被动微波遥感南极

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