一種基于HY-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)的多載荷聯(lián)合海流反演算法研究

張　潔，鄒　斌，馮　倩（.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京0008；2.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京0008）

一種基于HY-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)的多載荷聯(lián)合海流反演算法研究

張潔1，2，鄒斌1，馮倩1
（1.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京100081；2.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京100081）

基于長時間序列的多載荷HY-2衛(wèi)星資料，利用OSCAR算法計算海流，不僅考慮了海面動力高度場和風(fēng)場，還加入了海表溫度梯度場，對于赤道處的處理采用正交多項式擬合的數(shù)學(xué)方法。將由動力模型算法得到的基于海洋二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的反演海流結(jié)果和OSCAR海流數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行對比驗證。結(jié)果表明在近赤道處較差，中高緯地區(qū)較好。兩種算法標(biāo)準(zhǔn)差在近赤道處達到0.30 m/s，在中高緯地區(qū)為0.05 m/s到0.10 m/s。

HY-2；OSCAR；海流；反演

1　引言

傳統(tǒng)的測量方法依賴于海上作業(yè)船艱難地進行有限的測量，既耗時，又耗人力，而且其觀測范圍也十分有限，因此實現(xiàn)海流流速與流向的準(zhǔn)確反演具有重要意義。隨著衛(wèi)星海洋遙感手段的出現(xiàn)，海流觀測在實時性以及大尺度觀測上得到重要突破。

傳統(tǒng)反演海流算法將海表流速分為兩個部分：地轉(zhuǎn)流速和Ekman流速，分別通過海面高度異常和海面風(fēng)場數(shù)據(jù)獲得地轉(zhuǎn)流速和Ekman流速，二者相加得到海表流速。地轉(zhuǎn)流通過地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系獲取，但是在赤道處，由于地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系不再適用，所以赤道處的海流反演一直是學(xué)者們研究的重點。McPhaden得出赤道β平面地轉(zhuǎn)近似（f=βy，β=2.3× 10-11m/s）通過對海面動力高度的y二階偏導(dǎo)數(shù)計算近赤道區(qū)域的地轉(zhuǎn)流流速和觀測數(shù)據(jù)能夠較好的吻合［1］。1989年P(guān)icaut等研究表明觀測噪音對地轉(zhuǎn)的微小偏移都會對近赤道區(qū)域結(jié)果產(chǎn)生很大影響，為了減小這個影響，加入一個修正項O（y2）來平滑結(jié)果［2］。1997年，Meurs等在15 m處Ekman流速和表面風(fēng)應(yīng)力之間構(gòu)建了兩個參數(shù)的回歸模型［3］。2002年，Bonjean在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上，加入溫度梯度對表層海流產(chǎn)生的斜壓流，反演得到海流，該種算法即為OSCAR海流算法［4］。HY-2衛(wèi)星是中國海洋動力環(huán)境探測系列衛(wèi)星的首顆衛(wèi)星，其上配置了雷達高度計、微波散射計、微波輻射計、校正輻射計4種微波遙感器，能同時提供該算法所需的所有數(shù)據(jù)。本文基于海洋二號（HY-2）數(shù)據(jù)驗證了OCSAR算法應(yīng)用，為今后基于OSCAR算法利用HY-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演海流打下了基礎(chǔ)。

2　數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

2.1海面動力高度數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

研究所需高度計數(shù)據(jù)由國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心提供，海面高度二級數(shù)據(jù)產(chǎn)品為已經(jīng)過海陸標(biāo)識和質(zhì)量控制后的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。采用Evensen等［5］提出的海面動力高度網(wǎng)格化選點范圍設(shè)置，赤道到15°N和15°S，沿經(jīng)線向為250 km，緯線圈方向50+；緯度高于15°N和15°S的，沿經(jīng)線方向與緯線圈方向都為

2.2海面風(fēng)場數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

研究采用由國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心生產(chǎn)的海面風(fēng)場二級產(chǎn)品數(shù)據(jù)。利用月平均散射計數(shù)據(jù)中混頻的公式，用經(jīng)緯度直接代替距離得到權(quán)重函數(shù)，同樣具有高斯特性，峰值在零附近，并且距離峰值越遠權(quán)重下降越快，確保遠處數(shù)據(jù)點對網(wǎng)格值的較小權(quán)重影響，防止插值過度平滑［6］。

2.3海表溫度場數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

從remote sensing systems網(wǎng)站下載AMSR-2輻射計的海表溫度數(shù)據(jù)（ftp.remss.com），采用反距離權(quán)重進行網(wǎng)格化，方法同海面動力高度網(wǎng)格化。

3　OSCAR算法

大尺度時間平均的表層海流的動量平衡取決于科氏力、壓力梯度和風(fēng)應(yīng)力，因此為了準(zhǔn)確反演海流流速不應(yīng)只考慮上述的地轉(zhuǎn)流和風(fēng)生流，還要加入海表溫度梯度產(chǎn)生的斜壓流［4］。由塊體公式計算得到風(fēng)應(yīng)力，其中拖曳系數(shù)的設(shè)定采用Large等［7］提出的計算方案。采用Santiago-Mandujano等的經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷玫綔u動粘性系數(shù)A［8］。

3.1垂直切變

垂直切力的方程為：

3.3海表流速

從海洋表面（z=0）處到z=h（h＜H）處，海流流速平均值為-U→。

上式結(jié)合經(jīng)典熱成風(fēng)方程［9］fU˙=i?θ轉(zhuǎn)化為：

將h→0得到海表流速U→0表達式：

3.4近赤道處海表流速

赤道處，由于f=0，用正交多項式回歸法進行近似處理。赤道處（ys，yn）用β平面變化將式（5）轉(zhuǎn)化為：

選擇yn=-ys=8°，M≈0.75×Ny，Ny是緯度數(shù)。緯度數(shù)取決于原始數(shù)據(jù)網(wǎng)格化尺度，OSCAR為1°，所以緯度數(shù)為12。

4　結(jié)果對比

4.1 OSCAR數(shù)據(jù)獲取

將反演得到的海流產(chǎn)品和OSCAR海流產(chǎn)品進行對比驗證。OSCAR反演海流產(chǎn)品可以從OSCAR官網(wǎng)（http://www.oscar.noaa.gov）下載，提供5 d平均、月平均和長時間序列平均，空間分辨率1°×1°。原始數(shù)據(jù)包括SSH、W和SST。本文主要采用1°網(wǎng)格化未濾波數(shù)據(jù)，經(jīng)緯度設(shè)定為90°N，90°S，0°E，360°E。時間取2013年7月6—10日。

4.2對比驗證

將實驗采用算法得到的海流流速u、v分量與OSCAR海流產(chǎn)品流速的u、v分量對比得到相對誤差圖（見圖1）。其中u、v分量分別表示海流流速的東分量和北分量。u為正值表示從西指向東方向，v為正值表示從南指向北方向。由圖1看出，除去相對誤差較大的點，整體相對誤差差異維持在正負(fù)0.1之間。

由于赤道處海流流速差異很大，我們將赤道處單獨分析，分析地區(qū)設(shè)定為20°N—20°S。采用對比統(tǒng)計量中的偏差進行評估（見圖2）。發(fā)現(xiàn)偏差的絕對值大體上呈現(xiàn)隨著緯度減小而增加的趨勢，其中海流流速u分量的差異較v分量更大，反映了算法隨著緯度的增加對流速模擬的能力越差。

按緯度計算標(biāo)準(zhǔn)差（見圖3），發(fā)現(xiàn)當(dāng)緯度大于10°時，u速度和v速度的標(biāo)準(zhǔn)差處于0.05—0.15 m/s之間，這些差異來源于插值的不確定性和原始數(shù)據(jù)的誤差。赤道處的u速度和v速度的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸增大到0.30 m/s，這可能是由于赤道處的實際海流變化較中高緯大，插值方法的選擇可能會過度平滑。

圖1　海流流速的相對誤差

圖2　近赤道處海流流速u、v分量的偏差

圖3　海流流速的u、v標(biāo)準(zhǔn)差

5　總結(jié)和討論

本文完成了對基于HY-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)的多載荷聯(lián)合海流反演算法的初步研究。在本文基礎(chǔ)上，海表流速數(shù)據(jù)處理技術(shù)尤其是提高赤道處海表流速精度還有待進一步深入的研究，對HY-2高度計數(shù)據(jù)、散射計數(shù)據(jù)和海表溫度數(shù)據(jù)的篩選和網(wǎng)格化方法需要改進，在本文中只考慮了空間加權(quán)法，沒有考慮時間的影響。本文實驗結(jié)果在赤道處海流反演差異較大，由于高度計近岸數(shù)據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定，可考慮加入數(shù)值模式進行聯(lián)合反演，同時在HY-2號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上融合其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)，填補空白區(qū)域。

［1］McPhaden，M.J.Continuously stratified models of the steady-state equatorial ocean［J］.Journal of Physical Oceanography，1981，11（3）:337-354.

［2］Picaut，J.，Hayes，S.P.，McPhaden，M.J.Use of the geostrophic approximation to estimate time-varying zonal currents at the equator［J］.Journal of Geophysical Research:Oceans（1978-2012），1989，94（C3）:3228-3236.

［3］Van Meurs，P.，Niiler，P.P.Temporal Variability of the Large-Scale Geostrophic Surface Velocity in the Northeast Pacific*［J］.Journal of physical oceanography，1997，27（10）:2288-2297.

［4］Bonjean F，Lagerloef G S E.Diagnostic model and analysis of the surface currents in the tropical Pacific Ocean［J］.Journal of Physical Oceanography，2002，32（10）:2938-2954.

［5］Evensen，G.，Van Leeuwen，P.J.Assimilation of Geosat altimeter data for the Agulhas current using the ensemble Kalman filter with a quasigeostrophic model［J］.Monthly Weather Review，1996，124（1）:85-96.

［6］劉宇昕.星載微波散射計數(shù)據(jù)和數(shù)值模式產(chǎn)品海面風(fēng)場混合分析研究［D］.北京:國家海洋環(huán)境預(yù)報研究中心，2013.

［7］Large W G，Pond S.Sensible and latent heat flux measurements over the ocean［J］.Journal of Physical Oceanography，1982，12（5）: 464-482.

［8］.Santiago-Mandujano，F(xiàn).，F(xiàn)iring，E.Mixed-layer shear generated by wind stress in the central equatorial Pacific［J］.Journal of physical oceanography，1990，20（10）:1576-1582.

［9］梁昆淼.數(shù)學(xué)物理方法［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1990.

An algorithm study of sea current retrieval based on multiple sensor data onboard HY-2 satellite

ZHANG Jie1，2，ZOU Bin1，F(xiàn)ENG Qian1
（1.National Satellite Ocean Application Service，Beijing 100081 China；2.National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081 China）

Based on the long time series of multiple sensor data onboard HY-2 satellite，the ocean current is calculated using the OSCAR algorithm.The sea surface height field，sea surface wind filed and sea surface temperature gradient field are considered in the OSCAR algorithm.The orthogonal polynomial method is adopted under calculating the current at the equator.The inversion current results from OSCAR algorithm based on HY-2 satellite data are compared with the current data product from OSCAR.The results show that the former data is better in the mid-high latitude，while worse near the equator than the latter data.The standard deviations are 0.30 m/s near the equator and are 0.05 m/s to 0.10 m/s in mid-high latitude.

HY-2；OSCAR；current；retrieval

P731.21

A

1003-0239（2016）04-0053-05

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.04.007

2015-06-25

國家科技支撐計劃課題（2013BAD13B01）；國家發(fā)改委高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項目（［2012］2083）；國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項（201105032，201305032）。

張潔（1990-），女，助理工程師，碩士，主要從事海洋遙感研究。E-mail：915114492@qq.com