Novel Approach to Wind Retrieval from Sentinel-1 SAR in Tropical Cyclones

The strong winds in tropical cyclones (TCs) are commonly retrieved from cross-polarized SAR images using a geophysical model function (GMF). However, the accuracy of wind retrieval in cross-polarization is significantly reduced at the edges of sub-swaths. In this study, a novel approach to TC wind retrieval from VV polarized SAR images is proposed based on using the azimuthal cutoff wavelength to represent the effect of velocity bunching. A total of 12 dual-polarized (VV and VH) Sentinel-1 (S-1) images acquired in the interferometric wide (IW) mode were used, five of which were collocated with measurements taken by the Stepped-Frequency Microwave Radiometer (SFMR) on board an NOAA aircraft. The SAR-based azimuthal cutoff wavelengths were found to be linearly related to the SFMR wind speeds. Based on this finding, an empirical GMF for TC wind speed retrieval from VV S-1 images was constructed. The inversion results from seven images using this approach were validated against the wind products from the Advanced Scatterometer and the European Center for Medium-Range Weather Forecasts. The RMSE of the wind speed was 2.15 m s-1 and the correlation coefficient (COR) was 0.83 at wind speeds of less than 25 m s-1, while the RMSE was 2.66 m s-1 and the COR was 0.97 when compared with wind retrieval using the VH-polarized GMF S1IW.NR at wind speeds greater than 25 m s-1. The proposed algorithm performs well and has two advantages: (1) it is not subject to the saturation problem of the VV backscattering signal and (2) the discontinuity of the retrieval results obtained using VH GMF at the edges of sub-swaths is improved. Les vents forts dans les cyclones tropicaux (TC) sont generalement recuperes a partir d'images RSO en polarisation croisee a l'aide d'une fonction d'un modele geophysique (GMF). Cependant, la precision de l'extraction du vent en polarisation croisee est considerablement reduite sur les bords des fauchees. Dans cette etude, une nouvelle approche d'extraction du vent TC a partir d'images SAR en polarisation VV est proposee basee sur l'utilisation de la longueur d'onde de coupure azimutale pour representer l'effet du regroupement de vitesse. Au total, 12 images Sentinel-1 (S-1) a double polarisation (VV et VH) acquises en mode interferometrique large (IW) ont ete utilisees, dont cinq ont ete colocalisees avec des mesures prises par le radiometre a micro-ondes a frequence echelonnee (SFMR) a bord d'un avion de la NOAA. Les longueurs d'onde de coupure azimutales basees sur le RSO se sont averees lineairement liees aux vitesses du vent SFMR. Sur la base de cette decouverte, un GMF empirique pour l'extraction de la vitesse du vent TC a partir d'images S-1 VV a ete construit. Les resultats d'inversion de sept images utilisant cette approche ont ete valides par rapport aux produits eoliens du diffusometre avance et ceux du Centre europeen pour les previsions meteorologiques a moyen terme. Le RMSE de la vitesse du vent etait de 2.15 m s-1 et le coefficient de correlation (COR) etait de 0.83 a des vitesses de vent inferieures a 25 m s-1, tandis que le RMSE etait de 2.66 m s-1 et le COR etait de 0.97 par rapport a la recuperation du vent a l'aide du GMF en polarisation VH S1IW.NR a des vitesses de vent superieures a 25 m s-1. L'algorithme propose fonctionne bien et presente deux avantages : (1) il n'est pas soumis au probleme de saturation du signal en bande VV et (2) la discontinuite des resultats de recuperation obtenus en utilisant le GMF en bande VH sur les bords des fauchees est reduite.