JASON-2卫星高度计波高数据同化对中国渤黄海海浪数值预报影响研究

利用原国家海洋局北海分局浮标所测有效波高数据对Jason-2卫星高度计所测有效波高数据进行验证,采用50km空间窗和0.5h时间窗,得到219个时空配准点。对配准结果进行统计分析表明,Jason-2卫星高度计测得有效波高与浮标测量结果存在-0.277m的偏差,均方根误差为0.372m。利用最小二乘回归(OLR)对Jason-2有效波高数据进行校正可使其均方根误差下降至0.247m,减少34.5%。基于第三代海浪模式WAVEWATCH III对Jason-2有效波高数据进行最优插值同化试验,其中背景误差相关函数取为指数形式,相关距离尺度选为500km。与浮标观测数据比较表明,同化后模式有效波高均方根误差比未同化时减少11.56%,,能够有效地改善模式精度。以此为初始场进行为期3d的数值预报实验。与未同化实验相比,卫星高度计有效波高数据同化对模式0～72 h预报有不同程度的改善,改善程度随预报时间的增加而降低。     

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。     

基于Jason-2为真值的HY-2高度计海况偏差估计参数模型改进及应用研究

本文基于HY-2高度计与Jason-2高度计时空匹配数据集,将匹配点Jason-2的海况偏差视为真值、HY-2的有效波高和风速为变量,利用最小二乘法建立海况偏差估计六参数模型。将所建模型应用于HY-2第70、71cycle数据,结果表明:改进后的海况偏差估计参数模型优于传统海况偏差估计参数模型,能够有效提高HY-2的海况偏差估计精度。     

基于漂流浮标的南大洋卫星高度计有效波高研究

随着技术的进步和数据处理方法的完善,经过修正的卫星高度计数据已获得普遍认可。但在南大洋缺少波浪现场数据,卫星高度计在极端恶劣气候条件下获得数据的准确度仍受到一定程度的质疑。中国于2020年第36次南极考察中,在南大洋布放了一套感应耦合漂流浮标,可提供可靠的南大洋现场波浪数据。本文利用该漂流浮标2020年1月27日至9月29日共246天的有效波高数据与7颗卫星的高度计资料进行对比,研究了空间窗口的选取对卫星高度计与浮标数据比较的影响。选定了30 min、160 km的时空窗口,对两种波高数据进行了对比,两者具有较高的一致性,但存在一定的差异。最终得出了经过其他海域现场波浪数据修正的卫星高度计资料,不一定能准确刻画南大洋有效波高特征,需要更多的现场资料进行再次修正的结论。     

雷达高度计海况偏差估计神经网络模型研究

本文基于Jason-2高度计数据,在12个不同季节的cycle数据中组合1~6个cycle的有效波高、风速和海况偏差为训练集,选取Jason-2的另外3个不同季节的cycle数据集为测试集。经检验分析,确定3个cycle对应的BP神经网络模型。将该模型应用于HY-2高度计海况偏差的估计,通过海况偏差与有效波高及风速的拟合优度、解释方差和残差对比分析,结果表明:神经网络BP模型可以有效应用于HY-2的海况偏差估计并明显优于传统海况偏差参数模型。     

基于核函数NPSSB模型的HY-2A卫星雷达高度计海况偏差研究

利用机器学习的方法,对14个周期HY-2A卫星高度计数据:风速、有效波高和海面高度差值进行训练,探究海况偏差和风速、有效波高之间的关系,创建海况偏差核函数非参数模型(NPSSB),并与参数模型中具有代表性的BM3、BM4模型进行对比。研究表明:(1)核函数NPSSB模型能够很好的反映SSB与U、SWH之间的关系,SSB与U呈二次函数关系,SSB与SWH呈反比例函数关系;(2)核函数NPSSB模型对SSB的模拟能力与训练数据集相关,数据量越多,模拟能力越好;(3)核函数NPSSB模型与BM3、BM4模型都存在0^-0.03 m的差值,随着风速和有效波高的增加,差值的绝对值越大。     

HY-2B卫星散射计海面风场产品质量分析 *

星载微波散射计是获取全球海面风场信息的主要手段, HY-2B卫星散射计的成功发射为全球海面风场数据获取的持续性提供了重要保障。本文利用欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)再分析风场数据、热带大气海洋观测计划(Tropical Atmosphere Ocean Array, TAO)和美国国家数据浮标中心(National Data Buoy Center, NDBC)浮标获取的海面风矢量实测数据, 对HY-2B散射计海面风场数据产品的质量进行统计分析。分析表明, HY-2B风场与ECMWF再分析风场对比, 在4~24m·s^-1风速区间内, 风速和风向均方根误差(root mean square error, RMSE)分别为1.58m·s^-1和15.34°; 与位于开阔海域的TAO浮标数据对比, 风速、风向RMSE分别为1.03m·s^-1和14.98°, 可见HY-2B风场能较好地满足业务化应用的精度要求(风速优于2m·s^-1, 风向优于20°)。与主要位于近海海域的NDBC浮标对比, HY-2B风场的风速、风向RMSE分别为1.60m·s^-1和19.14°, 说明HY-2B散射计同时具备了对近海海域风场的良好观测能力。本文还发现HY-2B风场质量会随风速、地面交轨位置等变化, 为用户更好地使用HY-2B风场产品提供参考。     

改进的高度计海况偏差估计参数模型研究

本文基于JASON-2雷达高度计共144个周期的8 640万个数据,按照距离加权平均法对其进行共线处理。采用直接估计的方法得到海况偏差(SSB),以此为真值,利用最小二乘法,对有效波高(SWH)和风速(U)的32种参数模型进行拟合并筛选,获得最优海况偏差估计参数模型。将最优参数模型应用于中国HY-2高度计,并与HY-2采用的传统SSB估计参数模型结果比较。结果表明:改进后的SSB估计参数模型有效,优于传统SSB参数模型。     

卫星散射计与海面平台所测的风场数据比较

基于南海北部海面PY30-1石油平台气象站测风仪2011年7月19日—2012年9月17日实测的风场数据,分别开展了对卫星搭载的ASCAT和HY-2散射计所测风场数据的比较研究,分析散射计的测风能力(选取的时空窗口为30 min和25 km)。结果表明:在南海北部海域,ASCAT 散射计所测风速和PY30-1石油平台气象站观测风速的均方根误差为2.53 m/s,风向偏差较大,均方根误差为47.87°;HY-2散射计所测风速和PY30-1石油平台气象站观测风速的均方根误差为3.41 m/s,风向的均方根误差为58.66°。分别按低、中和高风速的不同条件将ASCAT和HY-2散射计所测的风场数据与PY30-1石油平台气象站观测的风场数据加以比较可知,ASCAT和HY-2散射计都具有较好的测风能力, 前者所测风速与PY30-1石油平台气象站测风仪观测风速的均方根误差稍小于后者。在150 min和15 km的时空窗口下,ASCAT与HY-2散射计所测风速的均方根误差为0.72 m/s,风向的均方根误差为8.50°。     

基于ASCAT微波散射计风场与NCEP再分析风场的全球海洋表面混合风场

通过星下点的计算得出ASCAT散射计、HY-2散射计单独观测以及双星结合观测的全球覆盖率,分析了中国南海海域双星结合观测对采样率的提升。同时详细介绍了利用NCEP风场、星载微波散射计风场,用时空加权分析法结合构建混合风场的具体程序,构建的混合风场时空分辨率达到6 h、0.25°,时间序列2012年1月1日—2012年3月31日,并且用实际浮标观测数据进行了检验,得到构建的混合风场与观测数据比较一致的结果。     

The validation of HY-2 altimetermeasurements of a significant wave height based on buoy data

HY-2 has been launched by China on August 16, 2011 which assembles multi-microwave remote sensing payloads in a body and has the ability of monitoring ocean dynamic environments. The HY-2 satellite data need to be calibrated and validated before being put into use. Based on the in-situ buoys from the Nation- al Data Buoy Center （NDBC）, Ku-band significant wave heights （SWH, hs） of HY-2 altimeter are validated. Eleven months of HY-2 altimeter Level 2 products data are chose from October 1, 2011 to August 29, 2012. Using NDBC 60 buoys yield 902 collocations for HY-2 by adopting collocation criteria of 30 min for tempo- ral window and 50 km for a spatial window. An overall RMS difference of the SWH between HY-2 and buoy data is 0.297 m. A correlation coefficient between these is 0.964. An ordinary least squares （OLS） regression is performed with the buoy data as an independent variable and the altimeter data as a dependent vari- able. The regression equation of hs is hs （HY-2）=0.891 × hs （NDBC）＋0.022. In addition, 2016 collocations are matched with temporal window of 30 rain at the crossing points of HY-2 and Jason-2 orbits. RMS difference of Ku-band SWH between the two data sets is 0.452 m.     

基于现场观测数据的HY-2A卫星有效波高校正研究

Significant wave height(SWH) can be computed from the returning waveform of radar altimeter, this parameter is only raw estimates if it does not calibrate. But accurate calibration is important for all applications, especially for climate studies. HY-2a altimeter has been operational since April 2012 and its products are available to the scientific community. In this work, SWH data from HY-2A altimeters are calibrated against in situ buoy data from the National Data Buoy Center(NDBC), Distinguished from previous calibration studies which generally regarded buoy data as "truth", the work of calibration for HY-2A altimeter wave data against in situ buoys was applied a more sophisticated statistical technique—the total least squares(TLS) method which can take into account errors in both variables. We present calibration results for HY-2A radar altimeter measurement of wave height against NDBC buoys. In addition, cross-calibration for HY-2A and Jason-2 wave data are talked over and the result is given.     

中国HY-2卫星雷达高度计有效波高真实性检验

Chinese Haiyang-2(HY-2) satellite is the first Chinese marine dynamic environment satellite. The dual-frequency(Ku and C band) radar altimeter onboard HY-2 has been working effective to provide operational significant wave height(SWH) for more than three years(October 1, 2011 to present).We validated along-track Ku-band SWH data of HY-2 satellite against National Data Buoy Center(NDBC) in-situ measurements over a time period of three years from October 1, 2011 to September 30, 2014, the root mean square error(RMSE) and mean bias of HY-2SWH is 0.38 m and(–0.13±0.35) m, respectively. We also did cross validation against Jason-2 altimeter SWH data,the RMSE and the mean bias is 0.36 m and(–0.22±0.28) m, respectively. In order to compare the statistical results between HY-2 and Jason-2 satellite SWH data, we validated the Jason-2 satellite radar altimeter along-track Ku-band SWH data against NDBC measurements using the same method. The results demonstrate the validation method in this study is scientific and the RMSE and mean bias of Jason-2 SWH data is 0.26 m and(0.00±0.26) m,respectively. We also validated both HY-2 and Jason-2 SWH data every month, the mean bias of Jason-2 SWH data almost equaled to zero all the time, while the mean bias of HY-2 SWH data was no less than –0.31 m before April2013 and dropped to zero after that time. These results indicate that the statistical results for HY-2 altimeter SWH are reliable and HY-2 altimeter along-track SWH data were steady and of high quality in the last three years. The results also indicate that HY-2 SWH data have greatly been improved and have the same accuracy with Jason-2SWH data after April, 2013. SWH data provided by HY-2 satellite radar altimeter are useful and acceptable for ocean operational applications.     

基于雷达高度计增益自动控制数据的风速反演算法研究

基于Jason-1卫星雷达高度计与NDBC(National Data Buoy Center)浮标的时空匹配数据集,利用BP(Back Propagation)神经网络方法建立了基于后向散射系数σ₀与有效波高(Significant Wave Height,SWH,)的双参数(σ₀-H_sw)风速反演模型,并探讨利用AGC(Automatic Gain Control)来代替σ₀对风速反演的可行性进行研究。结果表明,所建立的σ₀-SWH风速反演均方根优于0.3 m/s(风速范围为0.5~20 m/s); AGC-SWH模型反演精度偏低(1.3 m/s),但在星星交叉定标的基础上,模型精度提高了0.9 m/s。这个研究工作尤其是交叉定标基础上的AGC-SWH模型反演流程对"HY-2"海面风速反演有一定的借鉴意义。     

波浪骑士数据在高度计有效波高检验中的再处理

以2011年10～11月南海现场试验得到的9次波浪骑士测量数据,进行波浪骑士再处理与默认计算结果比对。比对结果表明两者平均误差为0.16m,均方根误差为0.32m,分析产生误差的原因在于波浪骑士默认计算有效波高时间段的中心与卫星过境时间不统一和未进行数据质量控制。研究表明在卫星高度计有效波高产品检验中,波浪骑士测量的有效波高需要进行再处理,以达到减少卫星高度计有效波高检验误差的目的。     

利用TOPEX卫星高度计资料分析东中国海的风、浪场特征

利用TOPEX卫星高度计和日本气象厅浮标观测资料,对东中国海的有效波高和风速进行比较,分析了卫星高度计资料的有效性。利用有效波高和风速的3种概率密度函数分布,结合TOPEX卫星高度计资料,并采用最大似然方法对统计分布参数进行估计,结果表明,有效波高的对数-正态概率密度分布与观测资料的直方图在有效波高的整个范围内符合较好,风速的直方图与Weibul概率密度分布符合较好。同时,分析了有效波高大于4 m的巨浪在东中国海的时空分布特征,表明巨浪多出现在冬、秋两季,平均有效波高最大值出现在夏季,且主要分布在东中国海东南部。     

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。     

Assessment of SARAL/AltiKa Wave Height Measurements Relative to Buoy,Jason-2, and Cryosat-2 Data

SARAL/AltiKa GDR-T are analyzed to assess the quality of the significant wave height (SWH) measurements. SARAL along-track SWH plots reveal cases of erroneous data, more or less isolated, not detected by the quality flags. The anomalies are often correlated with strong attenuation of the Ka-band backscatter coefficient, sensitive to clouds and rain. A quality test based on the 1 Hz standard deviation is proposed to detect such anomalies. From buoy comparison, it is shown that SARAL SWH is more accurate than Jason-2, particularly at low SWH, and globally does not require any correction. Results are better with open ocean than with coastal buoys. The scatter and the number of outliers are much larger for coastal buoys. SARAL is then compared with Jason-2 and Cryosat-2. The altimeter data are extracted from the global altimeter SWH Ifremer data base, including specific corrections to calibrate the various altimeters. The comparison confirms the high quality of SARAL SWH. The 1 Hz standard deviation is much less than for Jason-2 and Cryosat-2, particularly at low SWH. Furthermore, results show that the corrections applied to Jason-2 and to Cryosat-2, in the data base, are efficient, improving the global agreement between the three altimeters.