合成孔径雷达在热带气旋监测中的十年进展：从风场结构到海气相互作用

《Remote Sensing of Environment》：Fostering tropical cyclone research and applications with Synthetic Aperture Radar

　　本文综述了2014-2024年间多平台合成孔径雷达（SAR）在热带气旋（TC）监测领域的应用进展。研究人员系统梳理了Sentinel-1、Radarsat-2和RCM等SAR星座的观测数据，开发了高分辨率海面风场反演算法（如C-2PO和CyclObs），构建了包含TC结构参数（Vmax、Rmax、R34/50/64）的数据库。研究表明SAR数据显著提升了TC强度与结构分析的准确性，为JTWC、JMA等预报中心提供了关键观测支持，并深化了对TC动力学（如边界层滚涡）和海洋响应（冷尾流）机制的理解。这项工作标志着SAR技术已成为TC监测不可或缺的工具。

　　

热带气旋（TC）是地球上最具破坏性的自然灾害之一，其巨大的风场和伴随的风暴潮、强降水对沿海地区构成严重威胁。准确监测和预报热带气旋的强度、路径和结构，对于防灾减灾至关重要。然而，长期以来，对热带气旋核心区域海面风场的精细观测一直是个挑战。传统的散射计和辐射计受限于空间分辨率，难以捕捉眼墙附近风场的剧烈变化和精细结构。飞机侦察虽然能提供宝贵数据，但覆盖范围有限且成本高昂，无法实现全球范围的常态化监测。这种观测数据的匮乏限制了对热带气旋内核动力学、海气相互作用以及能量收支等关键物理过程的理解，也影响了预报模型的初始场精度和预报技巧。

为了突破这一瓶颈，合成孔径雷达（SAR）技术展现出独特优势。自2014年欧空局Sentinel-1A卫星发射以来，C波段SAR星座（包括Sentinel-1A/B、Radarsat-2和加拿大雷达卫星星座RCM）为热带气旋监测带来了革命性的机遇。SAR能够提供公里级甚至更高分辨率的海面风场观测，不受云雨影响，可实现全天时、全天候工作，为揭示热带气旋的精细结构提供了前所未有的数据源。发表在《Remote Sensing of Environment》上的这篇综述性文章，系统总结了过去十年（2014-2024）间SAR在热带气旋监测领域的重大进展。研究人员汇集了来自多个SAR任务的海量数据，开发了专门针对高风速条件的地球物理模型函数（GMF），建立了名为CyclObs的标准化热带气旋SAR数据库，并深入阐述了这些数据在业务预报、科学研究（如风场结构分析、海洋响应、边界层滚涡和热带气旋动力学）等方面产生的深远影响。这项工作标志着SAR已从一种新兴的观测工具，发展成为热带气旋监测体系中不可或缺的重要组成部分。

本研究主要依托多平台SAR数据（Sentinel-1、Radarsat-2、RCM），采用基于地球物理模型函数（GMF）的海面风场反演算法（如C-2PO模型），并结合卫星高度计（如Jason系列、Sentinel-6、CFOSAT/SWIM、SWOT）、浮标（Argo、SOFAR Spotter）、飞机下投式探空仪（dropsondes）和星载微波辐射计（如SMOS、SMAP）等多源观测数据进行协同分析与验证。技术方法的核心在于利用SAR后向散射信号与海面风矢量之间的定量关系，并针对热带气旋条件下的高风速、降雨影响等进行了算法优化。

SAR对热带气旋的观测能力

SAR以其高空间分辨率（可达1公里量级）的核心优势，能够清晰描绘出热带气旋的眼墙、螺旋雨带等关键结构。研究通过对比不同SAR传感器（VV、VH极化等）的观测结果，验证了多平台SAR数据在反演热带气旋海面风场方面的一致性和可靠性。针对高风速条件下信号饱和等问题，研究发展了基于交叉极化（VH）通道的风场反演算法，显著提升了对极端风力的探测能力。基于大量观测数据构建的CyclObs数据库，极大地丰富了对全球各海域热带气旋的采样，特别是对那些缺乏飞机侦察区域（如西北太平洋、南半球）的热带气旋，提供了宝贵的风场结构信息。

业务预报中的应用

SAR数据已被美国联合台风预警中心（JTWC）、日本气象厅（JMA）、澳大利亚气象局和法国气象局（Météo-France）等全球主要热带气旋预报中心纳入业务体系。SAR提供的瞬时、高分辨率风场图像，为预报员准确确定热带气旋中心位置、估计最大持续风速（V_max）、最大风速半径（R_max）以及不同阈值（如34节、50节、64节）的风圈半径（R₃₄, R₅₀, R₆₄）提供了客观、定量的依据。与基于Dvorak技术等传统方法相比，SAR观测有效减少了强度估计的主观不确定性，尤其在热带气旋快速增强或减弱阶段，以及对于结构不对称或正在进行眼墙更替的复杂系统，SAR能提供更可靠的结构信息。研究还开发了将SAR风场信息与地球静止轨道（GEO）卫星、微波（PMW）成像仪/探测仪等数据融合的客观分析方法，弥补了SAR时间采样不足的短板，提升了六小时一次的热带气旋分析产品质量。

热带气旋风场结构

利用SAR观测，研究能够精确量化热带气旋的核心参数。研究表明，SAR观测的R_max与基于外部风圈（如R₃₄, R₅₀, R₆₄）、最大风速（V_max）和科里奥利参数（f）的统计关系具有良好的一致性。此外，通过分析SAR风场与GEO卫星红外亮温场的关系，可以建立从红外图像估算的眼区半径（R_eye）来推断R_max的方法，这有利于利用高时间分辨率的GEO数据来追踪R_max的连续变化。同样，基于微波（89 GHz）亮温数据的分析方法也能在一定程度上估算R_max。这些基于不同卫星数据的互补方法，共同增强了对热带气旋内核结构，特别是R_max这一关键参数的认识和监测能力。

热带气旋海面波浪

热带气旋强大的风应力会在海面生成极其复杂的波浪场。SAR不仅能提供风场，也能通过分析雷达图像纹理来反演有效波高（H_s）等海浪参数。研究利用SAR观测揭示了热带气旋移动导致的波浪捕获效应（trapped fetch）和共振现象，这些效应使得在气旋移动方向右侧的波浪发展更为充分，波高和周期更大。通过分析SAR图像上的波浪谱，并结合CFOSAT/SWIM、Sentinel-1波模式（Wave Mode）和浮标等观测，研究能够追踪由热带气旋产生的涌浪系统（swell）的传播路径、方向分布和衰减过程。这种对热带气旋生成波浪的精细观测和追踪，对于海洋工程、航运安全和理解海洋能量传递具有重要意义。

热带气旋引起的海洋尾流

热带气旋过境后，会在海洋表层留下显著的冷尾流（cold wake）、海面高度异常（SSHA）和盐度变化等信号。SAR提供的精确风场强迫（包括V_max, R_max，移动速度V_fm）是理解和预测海洋响应的关键。研究结合SAR风场、Argo浮标提供的海洋层结信息（如浮力频率N）和卫星高度计观测的SSHA，建立了一个标度律，能够较好地预测热带气旋引起的SSHA幅度。研究表明，精确的SAR内核风场结构信息对于解释观测到的海洋尾流变率至关重要。近年来，表面水和海洋地形（SWOT）任务提供的二维海面高度观测，与SAR风场相结合，使得能够以前所未有的细节同时分析强迫场（风场）和响应场（海面高度场），极大地深化了对热带气旋-海洋相互作用的认识。

热带气旋边界层空气-海相互作用

SAR图像上经常可见与平均风方向近似平行的条带状结构，这是热带气旋边界层（TCBL）内滚涡（roll vortex）的体现。这些滚涡在动量、热量和水汽的垂直输送中扮演着重要角色。研究结合SAR反演的海面风应力、基于SAR风场推导出的海面气压场（用于计算梯度风）以及飞机搭载的成像风和降水机载剖面雷达（IWRAP）的实测风廓线，对TCBL的平均风场和滚涡结构进行了建模和验证。研究表明，通过优化湍流涡粘扩散系数K(z)的参数化方案，基于SAR数据可以合理地再现观测到的滚涡的取向、波长和次级环流特征。这项工作揭示了SAR在探测和理解TCBL中复杂湍流相干结构方面的潜力。

热带气旋动力学

SAR提供的精细二维风场使得能够检验一些热带气旋动力学的经典理论。例如，基于角动量（M）守恒原理，可以建立流入层和流出层风场结构的联系，并估算系统的有效尺度（R₀）。对SAR获取的轴对称风廓线的分析支持了在摩擦层内，一个与拖曳系数（C_d）和风应力相关的物理量（C_d r v²）近似守恒的观点，这表明SAR风廓线蕴含着边界层内动量交换和耗散的信息。此外，通过角动量守恒约束和能量平衡方程，结合SAR观测的R_max和V_max，可以推断出边界层内埃克曼抽吸导致的上升运动显著区的范围（R₊），这为理解热带气旋的能量收支和强度变化提供了动力学视角。

本研究系统阐述了SAR在过去十年中对热带气旋科学和业务预报产生的变革性影响。通过构建高质量、高分辨率的风场数据库，SAR不仅极大提升了热带气旋强度与结构分析的客观性和准确性，为全球预报中心提供了关键支持，更重要的是，它深化了我们对热带气旋内核动力学、边界层过程、海气相互作用（包括风浪生成、海洋混合与响应）等一系列核心科学问题的理解。SAR与其他观测平台（如高度计、微波遥感器、浮标、飞机）的协同观测，以及与数值模式的结合，正在推动热带气旋研究进入一个多维度、精细化分析的新时代。展望未来，随着更多SAR卫星的发射和数据处理算法的不断进步，SAR必将在热带气旋的监测、预报、灾害评估以及气候变化背景下热带气旋活动演变的研究中发挥越来越重要的作用。