论文总字数：17038字

摘 要

气旋全球导航卫星系统（Cyclone Global Navigation Satellite System，CYGNSS）是用于监测热带飓风的地球科学冒险级任务。该任务基于全球导航卫星系统的反射测量技术（Global Navigation Satellite System-Reflectometry ，GNSS-R）。本文对飓风、CYGNSS的结构原理和技术优势以及GNSS-R海洋遥感技术进行了介绍，并将CYGNSS卫星观测台风“山竹”风速数据与ASCAT、WindSat、SMAP卫星的风速数据进行比较，研究CYGNSS跟踪观测飓风的性能，分析了CYGNSS卫星在跟踪飓风轨迹和预测飓风强度上的优势和不足。从结果上看，在风眼附近CYGNSS观测到的风速变化趋势与ASCAT，WindSat和SMAP的表现相似，但低估了飓风的风速。

关键词：飓风 CYGNSS 风速 GNSS-R

Research on sea surface hurricane detection based on CYGNSS satellite

Abstract

The Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS) is an earth science adventure mission for detecting tropical hurricanes. It is based on the Global Navigation Satellite System-Reflectometry (GNSS-R). In this paper ,it introduced hurricane, the structural principle and technical advantages of CYGNSS and GNSS-R ocean remote sensing technology. What’s more, typhoon "mangosteen" wind speed data of the CYGNSS satellite observation is compared with the wind speed data of ASCAT, WindSat and SMAP satellites,it is order to study the performance of CYGNSS. The advantages and disadvantages of CYGNSS satellites in tracking hurricane trajectories and predicting hurricane intensity are proposed. From the results, the trend of wind speed observed by CYGNSS near the wind eye is similar to that of ASCAT, WindSat and SMAP, but it seems to underestimate the intensity of the hurricane.

Key Words: Hurricanes；CYGNSS；Wind Speed；GNSS-R

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 飓风 1

1.1.2气旋全球导航卫星系统（CYGNSS） 3

1.2 国内外研究现状 3

1.3 本文研究内容 4

第二章 GNSS-R基本原理与CYGNSS卫星 6

2.1 GPS原理 6

2.2 GNSS-R海洋遥感原理 6

2.3 CYGNSS卫星 7

2.3.1 CYGNSS卫星数据结构 8

2.3.2 CYGNSS卫星工作原理与技术优势 10

第三章 CYGNSS海面飓风探测研究 13

3.1卫星数据 13

3.1.1 ASCAT、SMAP、WindSat卫星数据结构 13

3.1.2 卫星数据提取及分类 14

3.2 CYGNSS探测飓风方法 16

3.3 实验结果 17

3.3.1 CYGNSS 观测飓风眼的移动 17

3.3.2 比较ASCAT卫星与CYGNSS卫星的反演风速 19

3.3.3 比较WindSat卫星与CYGNSS卫星的反演风速 21

3.3.4 比较SMAP卫星与CYGNSS卫星的反演风速 23

3.4 分析与讨论 25

第四章 总结与展望 26

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 飓风

（1）定义

飓风，顾名思义就是风速很大的风。要想称为飓风需要满足以下两个条件：第一，最大风速需要至少达到32.7 m/s，12级风以上；第二，位于大西洋或北太平洋地区的热带气旋。飓风和台风在本质上没有实质性的区别，只是形成的地区不同，位于北大西洋或东太平洋称为飓风，位于北太平洋西部称为台风。

图1-1 2005年美国卡特里娜飓风

（2）形成原因

飓风形成的主要因素有两个，一个是科里奥利力（地球自转），另一个是温暖的海水。温暖的海水使得海面上形成了低气压区域，而低气压区域的中心与周围的大气形成了压力差，为热带气旋的形成提供了原动力。由于受到压力差的影响，使得大气从气压高的地区向气压低的地区移动，在移动的过程中又受到了科里奥利力的干预而发生轨迹偏移，形成了旋转的热带气流。这些气流在北半球沿着逆时针方向旋转，在南半球则沿着顺时针方向旋转，低气压中心在旋转气流的作用下能保持很长时间。

（3）危害

飓风在移动的过程中往往伴随着暴雨、洪水，使人们的生命财产受到了严重威胁，对于民生、经济、农业生产来说也是一种极大的冲击。它是一种影响范围广、持续时间长、破坏性大的自然灾害。有史以来，受到飓风灾害的例子数不胜数。例如：美国德克萨斯州在1900年9月发生的飓风，这场飓风造成的死亡人数大约在8000到12000人之间，是美国历史上伤亡人数最多的一次。同时，飓风带来洪水还淹没了德克萨斯州加尔维斯顿城的12的街区，造成了严重的经济损失。在1928年9月，飓风袭击了佛罗里达州奥基乔比湖，该飓风在对波多黎哥造成严重破坏后登陆棕榈滩附近的奥基乔比湖，因为气象预报未能向人们公布准确的预报，飓风摧毁了一条防洪堤引发的洪水造成了1836人死亡，其中大部分的人都是被洪水淹死的，还有2018年9月对中国广东、广西、海南等地区造成了严重危害的台风“山竹”，造成了近300万人受灾，5人死亡，1人失踪，这场台风还造成了近3500间房屋一般损坏，800余间房屋严重损坏，1200余间房屋倒塌，农作物受灾面积达到了174.4千公顷，其中未收成的3.3千公顷，直接经济损失达到了52亿元^[3]。飓风对人类的生命财产造成了严重的威胁，为了降低飓风的危害，对飓风的演变以及强度进行跟踪和预测就显得尤为重要。

（4）观测手段

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