摘要
台风是天气尺度上最强烈的海气相互作用过程，其引发的大风和暴雨过程给人民带来了巨大的生命财产损失，对台风强度进行有效估计具有重要意义。合成孔径雷达(Synthetic aperture radar，SAR)的全天时、全天候观测能力使其成为获取高分辨率海面风场数据的常用工具。本文利用具有双极化、干涉宽幅成像模式(Interferometric Wide swath，IW)和高分辨率特点的Sentinel-1卫星台风数据19幅，基于SAR风场反演原理，采用多种风向、风速反演方法进行台风风场反演研究。 本文提出了一种基于局部梯度法(local gradients，LG)的ILG-Mod风向反演方法(modified improved local gradients，ILG-Mod)，该方法在频域中进行SAR影像的平滑处理和梯度计算过程，有效避免了斑点噪声对梯度计算结果的影响，同时改变了获取主梯度方向的方法。选用ERA5 (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts fifth-generation reanalysis，ERA5)风向数据进行风向对比验证。结果表明，相比于LG方法、LG-Mod (modified local gradient，LG-Mod)方法和ILG(improved local gradients，ILG)方法，ILG-Mod方法反演的台风风向数据与验证数据拟合度最好，与ERA5风向数据对比具有较高的精度，风向偏差值(bias)、均方根误差(root mean square errors，RMSE)和相关系数(correlation coefficient，R)分别为13.20°、14.97°和0.98。 在获取高精度台风风向后，利用风速反演模型H14E、S1IW.NR (Sentinel-1 IW mode wind retrieval model after noise removal, S1IW.NR)和代价函数方法(H14E+CMOD5.n、S1IW.NR+CMOD5.n)反演台风风速，选用SMAP (Soil Moisture Active and Passive mission，SMAP)风速数据进行风速对比验证。结果表明，在10-25 m/s的中低风速范围内，代价函数方法对于H14E模型和S1IW.NR模型具有风速改善作用，而且H14E模型和H14E+CMOD5.n方法的风速误差整体上小于S1IW.NR模型和S1IW.NR+CMOD5.n方法的误差;当风速大于25 m/s时，代价函数方法没有明显作用，且S1IW.NR模型和S1IW.NR+CMOD5.n方法的风速误差更小。 对2017年飓风玛利亚和2021年台风舒力基的风场反演结果表明，ILG-Mod方法反演的风向与ERA5风向的均方根误差分别为11.45°和11.80°，表现出较高的精度;S1IW.NR模型和S1IW.NR+CMOD5.n方法反演的风速结果最好，与SMAP风速平均值和最大值的差值更小。因此， ILG-Mod方法适合于台风风向反演，代价函数方法可以有效改善交叉极化风速反演中低风速范围内风速结果。
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