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。     

北极海域海面风场和海浪遥感观测能力分析

卫星遥感是开展北极海域海面风场和海浪分布特征与变化规律研究的重要手段。本文基于在轨多源卫星遥感数据，从遥感观测空间覆盖、时间覆盖和多源卫星遥感数据融合等方面开展北极海域海面风场与海浪遥感观测能力分析，研究主要结果为:基于ASCAT和HY-2A散射计可实现北极海域海面风场遥感观测，通过多星联合观测可获取北极海域时空分辨率优于12 h和0.1°的海面风场遥感融合数据；基于HY-2A、CryoSat-2、SARAL和Sentinel-3高度计可实现北极海域海浪遥感观测，同样通过多星联合观测可获取北极海域时空分辨率优于1 d和0.25°的海浪有效波高遥感融合数据；基于2016年北极海面风场和海浪遥感融合数据，分析得出北极海域海面风场和海浪在2月处于极大值，然后逐渐减小，7月最小，随后开始逐渐增大。本研究表明，基于多源散射计和高度计遥感观测可实现北极海域海面风场和海浪的高时空分辨率遥感业务化监测。     

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。     

HY-2A卫星雷达高度计海面高度测量分析与评估

HY-2A卫星是我国首颗自主海洋动力环境卫星，已连续运行6年多。卫星上搭载的主载荷雷达高度计能够实现全天候、全天时全球海面高度、有效波高和海面风速的观测，这些观测数据已经广泛用于海洋防灾减灾、资源开发和海上安全等领域。为了全面了解HY-2A卫星雷达高度计多年来的整体观测性能，本文选取了2012年10月26日至2017年8月27日间的全部观测数据IGDR产品进行综合评价。通过自交叉和与Jason-2互交叉两种手段对HY-2A卫星雷达高度计测高能力进行评估。计算HY-2A升降轨自交叉点的测高不符值，发现HY-2A卫星雷达高度计在近全球海域内、升降轨高度异常差小于30cm的限制条件下，平均绝对高度误差为5.81cm，高度异常标准差为7.76cm；限制观测区域为南北纬60°范围内、海面高度异常升降轨交叉点处的差小于10cm的情况下，平均绝对误差可达3.95cm，海面高度异常标准差达4.76cm。通过和Jason-2卫星的互交叉，发现在南北纬66°范围内，交叉点高度异常差小于30cm的情况下，HY-2A和Jason-2的海面高度异常平均绝对误差为5.86cm，标准差为7.52cm，如果在该海域内将海面高度异常差限制在10cm内，平均绝对误差和标准差分别达到4.19cm和4.98cm。HY-2A卫星雷达高度计已经达到国际同类卫星雷达高度计测高水平，可以满足海洋科学研究、海洋环流反演等的需求。     

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-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。     

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。     

基于近30 a多源卫星高度计数据的东中国海潮汐信息提取

我国HY-2B卫星已成功运行3 a多,本文首次将HY-2B测高数据用于计算潮汐。将HY-2B与相同时间段的Jason-3在东中国海分别进行潮汐信息提取,验证了其结果的一致性。建立了基于10颗国内外卫星高度计(TOPEX/Poseidon、Jason-1、Jason-2、Jason-3、ENVISAT、ERS-1、ERS-2、Sentinel-3A、Sentinel-3B、HY-2B)数据的时间序列,得到东中国海近30 a时间序列的较高空间分辨率网格化海面高度。利用该数据提取了东中国海12个分潮(O₁、K₁、Q₁、P₁、M₂、S₂、N₂、K₂、S_A、S_Sa、M_m、M_f)的潮汐调和常数,并将4个主要分潮M₂、S₂、K₁、O₁的调和常数与验潮站进行对比,均方根误差分别为6.74 cm、3.98 cm、2.37 cm、1.81 cm,总体均方根误差为8.32 cm;同时,采用除HY-2B之外的剩余9颗国外卫星高度计数据和TPXO9潮汐模型结果分别与验潮站对比,结果显示,加入HY-2B后的10颗卫星高度计反演潮汐结果准确度最高,与不使用HY-2B卫星数据相比,全日潮有较大改善,K₁和O₁向量均方根误差分别降低19.93%和17.35%,4个主要分潮总体均方根误差降低3.5%。此外,通过与FVCOM模式结果对比分析,4个主要分潮的调和常数与模式结果的总体均方根误差为8.86 cm。另一方面,空间分辨率也有所提高,达到了0.1°×0.1°。最后,给出了4个主要分潮同潮图。在潮差较大的朝鲜半岛西侧,加入HY-2B后的同潮图可显示出2.1 m的M₂等振幅线与0.75 m的S₂等振幅线,与该海域实际观测结果一致,说明HY-2B在近海潮汐信息提取中有相当重要的作用。     

基于卫星测高的南海中尺度涡统计特征研究

采用卫星测高数据SLA,通过对相同时间内不同卫星的数据以及同一卫星不同时间段的数据处理结果进行分析,来探讨卫星的识别能力和南海中尺度涡的时空分布规律。通过分析ENVISAT和Jason-2高度计2009年数据资料所识别出的eddy可以得出,在时间上,南海中尺度涡具有季节分布特征,即冬、夏季的中尺度涡具有明显的典型的分布特征,而春、秋季节的冷暖涡数量相差不大,具有过渡特征;在空间上,南海eddy多分布在越南东南部以及14°N~18°N,111°E~113°E海域。通过分析ENVISAT、Jason-2和j1n(Jason-1 on its new orbit)的3颗卫星融合数据,与单颗卫星相比,发现融合数据具有更强的识别能力,可以监测出更多的涡流。     

HY-2卫星高度计波高资料在集合最优插值同化中的应用研究——以台风“Lipee”为例

基于海浪模式SWAN（Simulating Waves Nearshore）,以台风“Lipee”为例,开展了集合最优插值（EnOI）同化HY-2卫星高度计有效波高（SWH）资料的台风浪数值预报影响研究。结果表明,利用HY-2卫星高度计波高资料结合EnOI方法进行同化,可有效改善海浪初始场质量,同化对绝对误差的改进可达15%,均方根误差改进14%。同化对预报误差、均方根误差都有一定程度的改进,其中在0~24 h预报时效内的改进最为明显,绝对误差可改进12%,均方根误差改进13%。研究结果不仅可为海洋预报、同化提供参考,而且可为进一步加强HY-2卫星高度计资料的应用提供技术支持。     

基于HY-2卫星高度计机载校飞数据的有效波高信息提取及初步分析

利用HY-2卫星雷达高度计校飞数据,开展了有效波高信息提取及精度比对研究。首先对其进行波形筛选、1s平均和去噪,然后基于Hayne海面回波模型进行波形拟合,提取出波高均方根并得到有效波高,并与浮标和同轨迹的Jason-1卫星高度计有效波高进行了比较。结果表明,本次校飞其高度计测波精度存在系统偏差,初步分析可能是其数据未经仪器校正等原因导致。     

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HY-2 卫星观测分析南海风浪关系

海面有效波高(H1/3)是表征海浪的重要参数,随着卫星遥感技术的发展,雷达高度计已成为获取海面有效波高的重要手段,但也只能对卫星星下点轨迹处进行有效观测,远无法满足大范围应用的需求.本研究结合2013年10月HY-2雷达高度计观测的海面有效波高和微波散射计观测的海面风场资料,分别对高、低风速下风浪数据进行拟合,建立了适用于0~40 m/s风速范围内的南海海域风浪关系模型,经模型比对和结果验证,结果表明,基于HY-2卫星数据分析建立的南海海域风浪关系模型是可信的,特别是低风速的风浪模型与实测数据建立的风浪模型具有很好的一致性;根据建立的风浪关系模型,从卫星散射计大面观测的海面风场出发,能推算出风浪条件下海面有效波高的大面信息,数据覆盖远高于卫星高度计的星下点观测,能为分析和预报海浪、风暴潮灾害提供大范围的海面有效波高信息.     

HY-2B扫描微波辐射计海温产品在典型区域的精度验证和分析

“海洋二号B”卫星（HY-2B）于2018年10月25日发射,是我国第二颗海洋动力环境探测卫星,其上搭载有包括扫描微波辐射计（SMR）在内的多个载荷,海表面温度（SST）是SMR的主要产品之一。本文分别利用NOAA提供的iQuam实测海温数据、CORIOLIS卫星WINDSAT反演的海温遥感产品、NCEP模式海温数据,在两个典型区域,对2020年1月1日至2020年12月31日期间的HY-2B/SMR海温产品进行了验证,其中HY-2B/SMR与iQuam实测海温的Bias为0.004℃,RMSE为0.65℃左右,CORR高于0.95。通过进一步分析,由区域A的分析结果揭示出HY-2B/SMR海温产品精度随纬度变化的规律及其原因,同时,由区域B的分析结果揭示出陆地、岛礁以及RFI对海温总体反演精度的影响约为0.1℃。     

HY-2卫星近海面风场资料融合及在海上天气系统分析中的应用

运用LAPS数据融合分析系统,探讨将HY-2卫星海面风场(SSW)资料进行融合处理,提供规范化的区域再分析资料。经过多步资料预处理后将数据输入LAPS系统,并分析验证融合效果,获得HY-2卫星融合数据。结果表明,HY-2卫星的SSW数据的LAPS融合,需采用LAPS地面分析模块,才能有效地将数据输入LAPS系统。对HY-2卫星海面风场反演数据经过异常值剔除、卫星扫描网格处理、卫星数据平滑滤波等几项预处理,可以修订卫星数据固有偏差和滤除卫星精细化扫描携带的噪音,更恰当地显示卫星对近海面风场的精细化描述。交叉验证显示,预处理后的资料能有效保留原始资料中的重要的精细化数据信息。卫星SSW数据的区域LAPS融合产品改善了卫星扫描区的空间覆盖率在时空上的多变性,提供了可进行物理量诊断计算的经纬度网格区域场,满足了专业分析和研究对资料的要求。融合后的卫星SSW数据场在用于对海上台风、海上副高、近海面辐合中心等系统的分析和诊断中,对各系统中的中尺度结构时空特征给出了更为具体和定量化的描述。     

全球海洋大气柱水汽含量遥感融合数据产品生成

本研究利用国际在轨SSMIS、WindSat、AMSR-E、ASMR2和国产HY-2A微波辐射计多源遥感大气柱水汽含量观测数据,基于最优插值算法,生成了2003－2015年的全球海洋每日0.25°高分辨率大气柱水汽含量多源遥感融合产品,以及2012－2015年未使用HY-2A微波辐射计数据的全球海洋每日0.25°遥感融合产品。利用无线电探空仪水汽含量观测数据,对生成的全部全球海洋大气柱水汽含量融合产品进行精度检验,结果表明,总体上,13年间均方根误差和标准差优于3 mm,平均偏差优于0.6 mm,平均绝对偏差优于2 mm,相关系数优于0.98;使用HY-2A微波辐射计数据产品会使融合结果的精度出现微小的降低;AMSR2和HY-2A微波辐射计数据的联合使用对于替代AMSR-E数据具有积极意义。     

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。