HY-2A卫星雷达高度计数据的全球统计评价及质量分析

自HY-2A卫星发射以来,针对HY-2A卫星雷达高度计产品的交叉定标、真实性检验及质量评估工作一直在持续开展。本文主要以HY-2A卫星高度计第44周期的IGDR产品数据为例,通过使用全球分布图、二维直方图和每日均值统计的方法完成了与Jason-2IGDR产品的比对验证,同时对主要环境校正参数及地球物理产品的数据质量稳定性进行了分析,结果显示高度计产品数据质量较稳定,此外利用HY-2A卫星升降轨交叉点海面高度差、与Jason-2卫星交叉点海面高度差以及沿轨海平面异常数据分析的方法进行了HY-2A卫星高度计观测系统的性能评估,结果显示,HY-2A卫星海面高度精度约为7.48cm,精度接近Jason-2,能满足海洋应用与科学研究的需要。     

HY-2C卫星海面高度数据的质量分析

卫星海面高度数据对于监测全球海面高度具有重要的意义,所以卫星高度数据的定标和检验变得至关重要。海洋二号C（HY-2C）卫星是继海洋二号B卫星后的第二颗业务卫星,于2020年成功发射升空。然而,目前对HY-2C卫星高度计的数据质量了解甚少,所以对HY-2C卫星的海面高度数据进行质量分析具有重要的意义。本文以同期观测的HY-2B卫星和Jason-3卫星的地球物理数据（GDR）为参考,对HY-2C卫星遥感地球物理数据（SGDR）中的海面高度数据进行质量分析。结果显示,在星星交叉定标中使用3种常见的交叉定标插值方法对HY-2C卫星的海面高度异常数据进行自交叉点分析时,HY-2C卫星海面高度异常数据质量分析的结果不同。其中使用三次样条插值方法进行质量分析的结果最优,得到海平面高度异常差的平均值为0.03 cm,标准差为6.17 cm。此外,对HY-2C卫星和HY-2B卫星互交叉点海面高度异常差异的平均值为?0.47 cm,标准差为5.32 cm;HY-2C卫星SGDR与Jason-3卫星GDR的海面高度异常数据进行互交叉点分析,得到海平面高度异常差的平均值为?0.3 cm,标准差为5.32 cm,这些数据表明HY-2C卫星的测高精度与HY-2B卫星、Jason-3卫星一致。因此HY-2C高度计产品数据质量稳定,能满足海洋应用和科学研究的需要。     

HY-2A卫星海面高度数据质量评估

对HY-2A卫星雷达高度计数据进行筛选获取有效的观测点,利用HY-2A卫星第18~23周期数据和同时在轨的Jason-2数据进行交叉点选取,对两颗卫星在交叉点海面高度异常值的差值进行统计与分析,提出了基于交叉点差值统计特征的筛除HY-2A轨道数据方法,评估了HY-2A卫星雷达高度数据质量。结果显示,HY-2A卫星18~23周期阈值筛选去除的点个数占总海洋观测点约12%,HY-2A海面高度异常与Jason-2海面高度异常的标准偏差在7.0 cm,数据精度满足设计精度要求。     

HY-2卫星雷达高度计时标偏差估算

卫星雷达高度计是海洋遥感监测的重要传感器之一,测高系统和定轨系统是高度计重要的组成部分。若两系统使用不同的系统时钟,则获得的轨道高度和卫星测距值之间可能会存在一个时标偏差,该时标偏差会降低卫星雷达高度计的海面高度测量精度。针对HY-2卫星雷达高度计的时标偏差问题,本文分析了时标偏差对测高精度的影响,介绍了一种使用自交叉点数据估算时标偏差值的方法,并基于HY-2卫星雷达高度计第21个周期数据开展了时标偏差修正实验。时标偏差修正后HY-2自交叉点的海面高度差值(也称"不符值")分布收敛程度有了明显的提高,其RMS均方根值从24.7 cm减小到了7.0 cm,HY-2与Jason-2互交叉点的不符值的RMS也从16.6 cm减小到了7.3 cm。这表明本文介绍的时标偏差修正方法可有效地提高HY-2卫星雷达高度计的测高精度。     

基于与Jason-2数据比对的Jason-3卫星高度计全球数据质量评估

Jason-3卫星高度计于2016年1月17日成功发射，2016年2月12日进入预定轨道，与Jason-2高度计同轨进入编队飞行阶段，并落后Jason-2高度计约1分20秒，两者相距约560 km。2016年9月1日，Jason-2高度计变换轨道，编队飞行阶段结束，两高度计进入平行轨道，以增加卫星高度计对地观测的空间覆盖。本研究主要开展了Jason-3高度计的数据质量的评估与检验，包括Jason-3高度计数据可用性和有效性的验证，以及Jason-3高度计和校正辐射计各参数的数据质量监测。重点开展了Jason-2与Jason-3高度计各项参数的综合比较，利用Jason-2与Jason-3高度计编队飞行阶段的数据精确评估了两高度计参数的一致性，并从全球数据角度分析了Jason-3高度计获取各参数的能力以及稳定性；通过与Jason-2互交叉点比较分析评估Jason-3高度计海面高度数据质量情况，验证Jason-3高度计数据精度。结果表明，Jason-3高度计的数据质量满足高度计测高的要求，具有与Jason-1、Jason-2、T/P等高度计相同或更高的测高精度以监测全球海平面变化，此外，Jason-3有效波高参数数据质量明显优于Jason-2高度计。     

基于验潮站资料的HY-2A测高数据质量评定

验潮站资料为评定卫星测高海面高度观测值的精度提供了有效途径。基于数据编辑准则筛选出HY-2A数据，通过引入NCEP实时大气压模型，解决了HY-2A卫星任务后期测高数据产品中部分干对流层延迟项和大气逆压校正项不可用的问题。在此基础上，将HY-2A海面高观测值与验潮站数据进行时空匹配，在选取的9个站点上进行了相关系数和标准差计算。结果表明，两者相关系数平均约为0.676 9，最优可达0.898 7，平均标准差为0.089 5 m。整体验证结果表明，HY-2A卫星测高数据质量符合设计指标，达到预期水平，为海洋重力场反演等应用研究提供了新的可靠数据源。     

HY-2A卫星高度计有效波高信息提取业务化算法

2011年8月16日我国成功发射了第一颗自主海洋动力环境卫星HY-2A,有效波高是其搭载的雷达高度计可获取的重要海洋动力环境参数之一。本文详细介绍了应用于HY-2A雷达高度计的有效波高信息提取业务化算法,该算法通过迭代最小二乘拟合方法提取有效波高信息。同时,基于HY-2A雷达高度计业务化运行获取的有效波高数据,分别与Jason-2卫星高度计有效波高和NDBC浮标海浪波高数据进行了比对分析。比较结果表明,HY-2A雷达高度计与Jason-2有效波高的标准偏差为-0.26m,RMS为0.58m;HY-2A高度计与NDBC浮标数据间的标准偏差为-0.22m,RMS为0.37m。结果证明了目前应用于HY-2A雷达高度计业务化运行中的有效波高信息提取算法的可行性。     

卫星高度计海面风速的校准与验证

为了改善不同卫星高度计海面风速数据之间的一致性,以浮标数据为基准,对国内的HY-2A和国外的T/P、GFO、Jason-1、Envisat、Jason-2、CryoSat-2共7颗卫星高度计的海面风速数据进行了分析,给出了各个卫星高度计的海面风速校准公式,并对其校准效果进行了验证。验证结果表明:各个卫星高度计的海面风速在经过校准后,与浮标海面风速差异的均值和均方根都有所降低,其中HY-2A最为显著。经过校准后所有卫星高度计的海面风速与浮标海面风速差异的均值都在±0.2m/s以内。除了HY-2A、GFO和Jason-1,其余4颗卫星高度计校准后的海面风速与浮标海面风速差异的均方根都在1.6m/s以下。由此可以得出结论,利用本文的校准公式对各个卫星高度计(特别是HY-2A卫星高度计)的海面风速进行校准,可以有效减少其与浮标海面风速之间的差异。     

基于GNSS浮标和验潮资料的HY-2A卫星高度计绝对定标

为探测我国HY-2A卫星高度计海面高测量绝对偏差及其在轨运行状态,本文利用GNSS浮标星下点同步测量和验潮资料海面高传递方法在山东千里岩和珠海担杆岛海域开展定标研究。为验证GNSS浮标定标方法的准确性,还对国外卫星Jason-2和Saral进行了定标实验。实验表明GNSS浮标绝对海面高测量精度达2 cm,对Jason-2和Saral高度计多个周期定标得到的海面高偏差均值分别为5.7 cm和-2.3 cm,与国际专门定标场的结果符合较好。2014年9月和2015年5月HY-2A卫星高度计浮标定标结果分别是-65 cm和-91 cm,因两次结果差异显著,故又利用千里岩验潮站资料对HY-2A卫星高度计第56至73周期进行了定标分析,结果证明HY-2A卫星海面高存在约-51 cm/a的漂移,置信度为95%的回归分析表明浮标和验潮定标结果符合。本文研究结果表明在我国尚无专门定标场的情况下,可利用GNSS浮标对我国高度计实施灵活、精准的在轨绝对定标,在有高度计轨迹经过验潮站的情况下可使用验潮资料结合精密大地水准面模型进行绝对定标。     

复合雷达后向散射模型与合成孔径雷达、散射计和高度计海面雷达后向散射观测的比较分析

海洋微波散射模型相比于以经验统计建立的地球物理模式函数具有不受特定微波频率限制的优势。组合布拉格散射模型和几何光学模型形成了复合雷达后向散射模型。利用南海北部气象浮标2014年海面风速风向实测值作为散射模型输入，分别比较了复合雷达后向散射模型与RADARSAT-2卫星C波段SAR、HY-2A卫星Ku波段微波散射计的海面后向散射系数，偏差分别为(?0.22±1.88) dB (SAR)、(0.33±2.71) dB (散射计VV极化）和(?1.35±2.88) dB (散射计HH极化)；以美国浮标数据中心(NDBC)浮标2011年10月1日至2014年9月30日共3年的海面风速、风向实测值作为散射模型输入，分别比较了复合雷达后向散射模型与Jason-2、HY-2A卫星Ku波段高度计海面后向散射系数，偏差分别为(1.01±1.15) dB和(1.12±1.29) dB。中等入射角和垂直入射下的卫星传感器后向散射系数观测值与复合雷达后向散射模型模拟值比较，具有不同的偏差，但具有相同的海面风速检验精度，均方根误差小于1.71 m/s。结果表明，复合雷达后向散射模型可模拟计算星载SAR、散射计和高度计观测条件下的海面雷达后向散射系数，且与CMOD5、NSCAT-2、高度计业务化海面风速反演的地球物理模式函数的计算结果具有一致性；复合雷达后向散射模型可用于微波遥感器的定标与检验、海面雷达后向散射的模拟。     

HY-2A测高数据对重力异常反演精度的影响分析

通过联合HY-2A、TP、Envisat卫星的高度计数据,分析HY-2A测高数据对中国南海重力异常影响。首先,将HY-2A和TP、Envisat数据进行对比,通过共线处理和交叉点平差前后的不符值RMS统计分析表明,HY-2A数据精度优于TP变轨后及Envisat数据精度;利用逆Venning-Meinesz公式分别计算中国南海海域(0°~23°N,103°E~120°E)15'×15'的重力异常,将反演结果与船测结果对比,HY-2A数据加入反演得到的重力异常精度在±6.13m Gal,其精度要优于没有HY-2A反演得到的结果,并分析反演重力异常与船测重力差值分布规律。结果表明,HY-2A数据对于提高海洋重力异常计算精度具有一定意义。     

联合多代卫星测高资料反演中国南海重力异常

联合HY-2A、Geosat、ERS1/2、Envisat、T/P、Jason1/2等多颗测高卫星,通过共线处理和交叉点平差削弱海面时变效应和径向轨道误差等影响,以Jason-1测高卫星作为参考,对多代测高卫星进行基准统一,消除测高数据的不一致性,基于全球EGM2008重力场模型,采用移去恢复技术和逆Vening-Meinesz公式反演中国南海(0°~23°N,103°~120°E)2'×2'重力异常,与船测重力数据比较,均方根误差为4.9m Gal。     

基于T/P 和Jason-1 高度计数据的渤黄东海潮汐信息提取

对19 a 的TOPEX/POSEIDON(以下称T/P)和Jason-1 卫星高度计测高数据进行调和分析, 得到渤黄东海海域的8 个主要分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1 和Q1)。提出一种将两类卫星高度计数据统一的方法, 消除了因两类卫星高度计校正算法等不同所导致的相互之间的偏差。变轨后的T/P与Jason-1 卫星加密了高度计对潮汐观测的空间分布。通过对交叉点处升轨与降轨的潮汐调和分析结果进行比较, 检验调和分析方法及高度计数据的可靠性; 将基于高度计数据的调和分析结果与验潮站资料进行比较, 以检验其正确性。4 个主要分潮(M2、S2、K1、O1)振幅之差的均方根介于1.0~1.8 cm, 迟角之差的均方根介于4.1°~7.8°。与已有研究结果相比, 调和分析结果的精确性有所提高。在此基础上, 综合变轨前后两类高度计测高数据的调和分析结果, 给出并分析了渤黄东海4 个主要分潮的同潮图。     

基于浮标数据的卫星雷达高度计海浪波高数据评价与校正

卫星雷达高度计是海浪有效波高（significant wave height,SWH）观测的重要手段之一,本文利用时空匹配方法对T/P、Jason-1、Envisat、Jason-2、Cryosat-2和HY-2A共6颗卫星雷达高度计SWH数据与NDBC（National Data Buoy Center,NDBC）浮标SWH数据进行对比验证,并对雷达高度计SWH数据进行校正。全部卫星雷达高度计SWH数据时间跨度为1992年9月25日到2015年9月1日,对比验证NDBC浮标共53个,包括7个大洋浮标。精度评价发现除T/P外,各卫星雷达高度计SWH的RMSE都在0.4~0.5 m之间,经过校正后,RMSE都有显著下降,下降程度最大为13.82%;对于大洋浮标,评价结果RMSE在0.20~0.28 m之间,结果明显优于全部NDBC浮标的精度评价结果;HY-2A卫星雷达高度计SWH在经过校正后数据质量与国外其他5颗卫星雷达高度计SWH数据质量差异较小。     

基于Jason-2的Saral/AltiKa高度计全球统计评估与交叉定标

利用Jason-2同期观测的GDR数据对Saral/AltiKa观测的有效波高、后向散射系数、电离层延迟、对流层延迟等参数进行对比分析,发现各参数存在不同程度的差异,并在文中对差异原因进行了讨论分析。计算了Saral/AltiKa卫星升轨与降轨间的交叉点海面高差异,结果表明,其交叉点差值为(1.22±65.00)mm,与同期Jason-2的交叉点海面高差异(0.25±58.60)mm相当,同时计算Saral/AltiKa和Jason-2之间的交叉点海面高差异进行星间交叉定标,发现存在(-58.64±66.53)mm的交叉点不符值,研究结果与国外定标场的绝对定标结果一致。     

HY-2B卫星载荷联合观测海面阵风的一种反演方法

国内外对海上阵风的研究并不多,且大多集中在阵风预报和应用研究方面,对于海洋阵风数据的获取技术未见文献系统论述。本文利用HY-2B卫星雷达高度计观测的后向散射系数,结合校正微波辐射计观测的亮度温度信息,提出联合反演阵风风速的方法。两个遥感载荷联合反演得到的阵风风速与2019–2021年美国国家浮标数据中心（NDBC）浮标数据进行真实性检验,结果显示:阵风风速均方根误差（RMSE）为0.98 m/s,相关系数为0.82;基于本方法利用国外同类卫星Jason-3得到的阵风风速与2016–2018年NDBC浮标数据的RMSE为0.96 m/s,相关系数为0.88。本文在HY-2B卫星雷达高度计海面风速观测的基础上,纳入同一卫星平台校正微波辐射计的同步观测信息联合实现了海面阵风的观测,数据的比对结果证明文中方法具有较高的观测精度。同时,该方法对于具有相同观测体制的国内外卫星也适用。     

利用南海石油平台的卫星雷达高度计定标与检验

在对南海石油平台所处的南海北部海域海底地形、平均海平面、风浪时空分布等进行分析基础上,利用南海石油平台水位计对Jason-2卫星高度计进行了测高绝对定标,定标结果为30.9 cm±7.8 cm,分析发现南海北部中尺度涡可能对定标结果产生影响;利用南海石油平台测波雷达对Jason-1高度计有效波高进行了精度检验,Jason-1高度计Ku波段和C波段有效波高测量的均方根误差分别为0.43 m和0.45 m。分析和检验结果表明,南海石油平台所处海洋环境条件、平台上装载的水位计和测波雷达均满足卫星雷达高度计定标与检验要求。南海石油平台定标场预期可用于中国海洋二号卫星和其他卫星高度计的定标与检验。     

中国近海海面高度异常资料再处理

卫星海面高度异常产品再处理的研究多集中在欧洲和美国近海,中国近海尚未有过。在产生AVISO(Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data)全球0.25°多颗卫星海面高度异常产品时,只用了1/3~1/2的部分沿轨资料,给区域海洋动力学研究造成了一定的限制。本研究尝试利用多颗卫星的所有沿轨资料及25个测潮站的观测资料,通过最优插值方法产生一份新的中国近海海面高度异常资料。新资料的空间分辨率仍为0.25°,但使用了来自3颗卫星(Jason-1、Jason-2、Cryo Sat-2)的所有沿轨资料及25个测潮站的观测资料。新资料的范围为10°S~50°N、90°~160°E。新资料与AVISO资料的对比分析表明新资料更接近沿轨海面高度异常观测,同时也更接近测潮站资料。与AVISO资料相比,新资料与沿轨海面高度异常观测的均方根误差降低了10.03%,与测潮站资料的均方根误差降低了9.6%。     

15年测高资料反演南海北部潮汐结果的分析

在调和分析的基础上，结合差比关系的运用，利用T／P和Jason-1卫星测高数据进行了南海北部潮汐状况的反演、分析。其中沿轨数据和交点数据的海面异常（SLA）样本标准差（STD）值计算表明，对于15年资料而言，潮汐分析结果已基本一致。对3年轨道改变后的T／P资料分析发现，运用差比分析的办法能使其分析精度有20％左右的提高，达到与15年资料相近的分析效果。最后文章将近岸的反演结果与实测值作了对比，得出在大多数地区（除水动力复杂区域外），沿轨数据的反演水位与实测值的误差均值小于19cm，STD值小于14cm。     

基于珠海万山定标场沿岸验潮仪的HY-2B雷达高度计定标研究

随着我国海洋二号B卫星(HY-2B)于2018年10月发射成功,国家卫星海洋应用中心于珠海万山进行了HY-2B的在轨测试。试验利用沿岸验潮仪,在珠海万山直湾岛HY-2B过境轨道375的星下点附近进行了由2018年11月3日至12月12日的验潮仪定标试验。在试验期间,HY-2B共重访定标场星下点3次,定标结果表明:3个周期的HY-2B雷达高度计测量海面高度定标结果良好,定标参数分别为(3.06±3.48) cm、(2.85±1.03) cm、?7.41 cm;定标参数在前3个周期存在一定漂移,需要后续的定标工作以确定漂移原因。