近岸海洋风能的星载SAR遥感技术及应用研究

【摘要】：海上风电场的开发迫切需要对海上风能资源进行准确评估,传统评估方法无法获取海上高空间覆盖密度的风场资料,而利用数值模拟技术的海上风能资源评估方法,其精度和分辨率都较低。随着卫星遥感技术的发展,合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)为近海风能资源评估提供了新的技术手段。本文对星载SAR的近岸海洋风能遥感技术进行了研究。研究过程利用2005年～2011年443景ENVISAT ASAR影像反演了浙江沿海长时间序列高分辨率、高精度的海面10m高度处风场数据。基于所得到的风场数据对浙江沿海风能资源进行了评估,并对该海域的风能资源的宏观分布和微观分布特征进行了研究。 为提取浙江沿海高精度风速数据,针对研究海域,对影响ENVISAT ASAR风场反演的主要因素进行了研究,并建立了处理方法。特别是为减少浙江沿海夏季盛行的沿岸上升流对ASAR风场反演的影响,结合高分辨率数值模式风场数据提出了一种风速修正方法,修正了上升流海区被低估的风速,该方法提高了上升流海区SAR风速反演精度。 对国际上CMOD4、CMOD5和CMOD-IFR2三种常用的SAR风场反演模式以及极化率模型进行了深入研究,并根据与浮标测量风速数据的比对结果,最终选用CMOD4风场反演模式来提取浙江沿海海面风场。利用测风塔和气象浮标观测的风场数据对ENVISAT ASAR反演风场数据进行对比验证,与测风塔观测风速对比结果中均方根误差为1.42m/s,与气象浮标观测风速对比结果中均方根误差为0.89m/s。结果表明,EVISAT ASAR提取的浙江沿海风速资料具有较高精度,可作为浙江沿海风能资源评估的高精度、高分辨率风速资料。 基于所提取的浙江沿海高分辨率的风速数据对浙江沿海风能资源进行了评估,并对该海域的风能资源分布特征进行了研究,得到以下主要结论： (1)空间地理分布特征：浙江沿海风能资源极为丰富。在浙江沿海海面10m高度处年平均风速在5m/s～10m/s的范围,近岸海域50km范围内年平均风能密度达到100W/m2～300W/m2。在浙江南部海域风能资源最为丰富,其年平均风能密度最大可达500W/m2。总体来说,从近岸到远离海岸线的海域风能密度整体呈现梯度变化的趋势,由东向西呈递减趋势,浙江沿海岛屿也是其风能资源最为丰富地区之 (2)时间(季节变化)分布特征：浙江沿海风能资源在季节变化上呈现为“秋冬季大,春夏季小”。在春夏季节浙江近岸海域50km内的平均风能密度在100W/m2～200W/m2的范围,而在秋冬季节,近岸海域50km范围内的平均风能密度达到200W/m2～300W/m2。 (3)空间垂直分布特征：采用近地面层指数规律风廓线将ENVISAT ASAR反演得到的海面10m高度的风速换算到海面70m高,研究分析得到浙江沿海70m高度的风能资源更为丰富,在近岸海域的年平均风速达到6m/s～11m/s,年平均风能密度为200W/m2～800W/m2。 (4)本文基于ENVISAT ASAR影像对浙江沿海风能资源评估结果与基于浮标现场观测风速的评估结果相符较好,Weibull分布参数尺度因子A相对误差为1.59%,形状参数k相对误差为7.83%,年平均风速相对误差为4.86%,年平均风能密度相对误差为2.0%。且比NCEP-NCAR数值模拟风场资料评估结果精度较高。本文研究结果还与传统方式中对浙江沿海的风能资源评估结果相吻合。结果表明,基于ENVISAT ASAR影像可对近海海上风能资源进行空间分辨率评估,且具有较高精度。 【关键词】：合成孔径雷达 ENVISAT ASAR 海面风场 海洋风能
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P714.2
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 1 绪论14-24
• 1.1 研究背景和意义14-15
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势15-21
• 1.2.1 国内外近海风能资源评估研究进展15-17
• 1.2.2 国内外SAR风场反演研究进展17-21
• 1.2.3 国内外基于SAR的近海风能资源评估进展21
• 1.3 主要研究内容及论文组织结构21-24
• 2 海面风场SAR遥感技术24-44
• 2.1 引言24
• 2.2 海面风场SAR遥感原理24-29
• 2.2.1 SAR工作原理24-26
• 2.2.2 雷达后向散射截面26-27
• 2.2.3 SAR对海面成像机制27-28
• 2.2.4 布拉格共振散射28-29
• 2.2.5 极化的影响29
• 2.3 SAR数据产品的校准和预处理29-32
• 2.3.1 SAR遥感影像斑点噪声的抑制29-30
• 2.3.2 SAR遥感影像的辐射定标30-32
• 2.3.3 SAR遥感影像的几何校正32
• 2.4 SAR海面风场反演方法32-42
• 2.4.1 风向提取方法32-36
• 2.4.2 风速反演模型36-41
• 2.4.3 极化率模型41-42
• 2.5 小结42-44
• 3 基于SAR的海洋风能资源计算方法研究44-51
• 3.1 引言44
• 3.2 风能资源的描述方法44-45
• 3.3 风速概率分布及其参数估计法45-46
• 3.4 风能的计算方法46-47
• 3.5 近海面层风速廓线47-48
• 3.6 基于SAR的海洋风能资源计算方法48-50
• 3.7 小结50-51
• 4 研究海域和数据51-58
• 4.1 研究海域概况51-52
• 4.2 遥感数据52-56
• 4.2.1 合成孔径雷达数据52-55
• 4.2.2 可见光数据55-56
• 4.3 数值模拟风场数据56-57
• 4.4 现场观测风场数据57-58
• 5 SAR风场反演影响因素研究58-75
• 5.1 引言58
• 5.2 浙江沿海SAR风场反演影响因素研究58-64
• 5.3 浙江沿海沿岸上升流的影响与修正64-74
• 5.3.1 沿岸上升流低后向散射特征分析64-67
• 5.3.2 沿岸上升流区风速修正模型67-69
• 5.3.3 沿岸上升流区域风速修正69-74
• 5.4 小结74-75
• 6 浙江沿海SAR风场反演75-92
• 6.1 引言75
• 6.2 SAR风场反演75-85
• 6.2.1 ENVISAT ASAR数据预处理76-78
• 6.2.2 模型选取78-82
• 6.2.3 风速提取82-85
• 6.3 反演结果验证85-90
• 6.3.1 与测风塔观测风场数据对比85-87
• 6.3.2 与浮标观测风场数据对比87-89
• 6.3.3 误差分析89-90
• 6.4 小结90-92
• 7 基于SAR的浙江沿海风能评估92-118
• 7.1 引言92
• 7.2 浙江沿海气候特点92-93
• 7.3 浙江沿海风能资源宏观评估93-100
• 7.3.1 风能的地理分布93-95
• 7.3.2 风能的时间变化95-98
• 7.3.3 风能的垂直变化98-100
• 7.4 浙江沿海风能资源微观评估100-108
• 7.4.1 上海东海大桥风电场101-103
• 7.4.2 浙江苍山风电场103-105
• 7.4.3 浙江衢山岛风电场105-106
• 7.4.4 浙江慈溪风电场106-108
• 7.5 结果验证对比108-116
• 7.5.1 与QuikSCAT/NCEP的对比108-109
• 7.5.2 与NCEP-NCAR的对比109-111
• 7.5.3 与浮标数据的对比111-114
• 7.5.4 与传统方式的对比114-115
• 7.5.5 误差分析115-116
• 7.6 小结116-118
• 8 总结与展望118-121
• 8.1 全文总结118-119
• 8.2 主要创新点119-120
• 8.3 工作展望120-121
• 参考文献121-130
• 附录A：近岸海洋风能SAR遥感软件系统130-135
• 致谢135-136
• 个人简历136-137
• 发表的学术论文137

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遥感技术在西藏资源与环境调查中的应用    陈瑞保;白朝军;左爱萍;王跃峰;

对地观测与遥感技术    王卫民;

遥感技术产业化模式的探讨    廖洁麟;

遥感技术在灾害风险评估中的应用(英文)    王炜;解佳宁;路宗敏;

试论遥感技术在地籍管理中的应用    施焕军;

遥感技术在环境监测中的应用及其原理    冯凯龙;马国欣;

遥感技术在城市规划管理中的应用概述    覃茂运;

遥感技术在获取地震前兆异常的方法研究    郭翼姣;

遥感技术在区域水文地质调查中应用研究    郭庆十;

用于地震短临前兆探测的遥感技术    郭子祺;钱书清;胡桂文;

遥感技术要为解决资源问题发挥作用    记者 李晓明 吴岗

遥感技术在农业生产中的应用（上）    新疆遥感中心 夏黎

遥感技术在农业生产中的应用（下）    新疆遥感中心 夏黎

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武汉大学测绘遥感技术全方位服务北京奥运会    王怀民

遥感技术在青藏铁路建设中屡建奇功    记者 王翰林 实习生 李奇异

大力发展低空遥感技术 测绘保障国民经济建设    

努力开创遥感技术新时代    郭乐红

遥感技术：感知地球的“千里眼”    本报记者 吴月辉

基于遥感技术的区域地表蒸散估算研究    王万同

近岸海洋风能的星载SAR遥感技术及应用研究    常俊芳

水体的偏振特性研究    吕云峰

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遥感技术在云南景洪—大勐龙地区成矿预测中的应用    刘舫

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