HY-2A衛(wèi)星海面高度數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

楊光，宋清濤*，蔣興偉，王兆徽

(1. 國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；2.國家海洋局空間海洋遙感與應(yīng)用研究重點實驗室，北京 100081)

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HY-2A衛(wèi)星海面高度數(shù)據(jù)質(zhì)量評估

楊光1，2，宋清濤1，2*，蔣興偉1，2，王兆徽1，2

(1. 國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；2.國家海洋局空間海洋遙感與應(yīng)用研究重點實驗室，北京 100081)

對HY-2A衛(wèi)星雷達(dá)高度計數(shù)據(jù)進行篩選獲取有效的觀測點，利用HY-2A衛(wèi)星第18～23周期數(shù)據(jù)和同時在軌的Jason-2數(shù)據(jù)進行交叉點選取，對兩顆衛(wèi)星在交叉點海面高度異常值的差值進行統(tǒng)計與分析，提出了基于交叉點差值統(tǒng)計特征的篩除HY-2A軌道數(shù)據(jù)方法，評估了HY-2A衛(wèi)星雷達(dá)高度數(shù)據(jù)質(zhì)量。結(jié)果顯示，HY-2A衛(wèi)星18～23周期閾值篩選去除的點個數(shù)占總海洋觀測點約12%，HY-2A海面高度異常與Jason-2海面高度異常的標(biāo)準(zhǔn)偏差在7.0 cm，數(shù)據(jù)精度滿足設(shè)計精度要求。

HY-2A；雷達(dá)高度計；海面高度；HY-2A質(zhì)量評估

1 引言

2011年8月，中國成功發(fā)射了海洋二號(HY-2A)衛(wèi)星。除了有效載荷掃描微波輻射計和微波散射計，HY-2A衛(wèi)星還攜帶了雙頻雷達(dá)高度計、精密定軌系統(tǒng)和校正微波輻射計[1]。HY-2A衛(wèi)星的主要目標(biāo)是觀測海洋動力環(huán)境要素[2—3]，其中，海面高度場的監(jiān)測是HY-2A衛(wèi)星的重要目標(biāo)。

海面高度衛(wèi)星觀測對于物理海洋學(xué)研究有重要意義，可以提供全球的海洋環(huán)流信息[2]，網(wǎng)格化的海面高度異常(sea level anomaly， SLA)數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于海洋物理過程的分析、模式數(shù)據(jù)的比對[4]以及模式同化過程[5]等研究中。

對HY-2A衛(wèi)星海面高度數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評估是HY-2A衛(wèi)星海面高度數(shù)據(jù)應(yīng)用前的必要環(huán)節(jié)。當(dāng)兩顆衛(wèi)星高度計同時在軌時，可以利用更為精確的高度計海面高度數(shù)據(jù)作為參考，評估另一顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)質(zhì)量。Le Traon等[6]利用更為可靠的Topex/Poseidon(T/P)高度計對ERS-1的數(shù)據(jù)進行了質(zhì)量評估，同時，F(xiàn)augere等和Ablain等分別使用Envisat與Jason-2[7]，Jason-1與Jason-2[8]也進行了交叉評估工作。使用高精度雷達(dá)高度計數(shù)據(jù)進行交叉評估是對新載荷數(shù)據(jù)質(zhì)量評估的一個重要方法。

T/P、Jason-1、Jason-2是一系列高精度、進行了交叉定標(biāo)的高度計衛(wèi)星，長時間序列的海洋觀測可以提供低頻率、大尺度的海洋信號，可以作為其他高度計衛(wèi)星任務(wù)的參照。本文利用與HY-2A衛(wèi)星同時在軌的Jason-2衛(wèi)星海面高度數(shù)據(jù)，計算二者海面高度異常的全球交叉點差值，剔除HY-2A衛(wèi)星海面高度數(shù)據(jù)中的異常軌，對于HY-2A衛(wèi)星海面高度數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行評估。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)選擇與相關(guān)參數(shù)

選擇了HY-2A衛(wèi)星第18～23周期約84天(2012年5月26日至2012年8月18日)IGDR數(shù)據(jù)及對應(yīng)時間段的Jason-2 GDR-d數(shù)據(jù)(143～152周期)，對于HY-2A衛(wèi)星海面高度進行全球數(shù)據(jù)質(zhì)量的評估。本文使用的HY-2A衛(wèi)星沿軌海面高度IGDR數(shù)據(jù)由國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心(NSOAS)提供，使所用的Jason-2 GDR-d沿軌海面高度數(shù)據(jù)從法國海洋數(shù)據(jù)存檔處理中心AVISO獲得。

2.2 海面高度異常計算

海面高度異常為海面高度到大地水準(zhǔn)面的距離，由于還沒有可靠的、足夠分辨率的大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)，一般使用多年平均的海面高度觀測作為代替[9]：

SLA=altitude-(range_ku+∑corrections)-MSS，

(1)

式中，altitude為參考橢球面到衛(wèi)星的距離，range_ku為Ku波段1 Hz回波計算得到的海面到衛(wèi)星的距離。MSS為平均海面高度，對于Jason系列高度計，經(jīng)過重復(fù)軌道分析[10]，利用多年觀測平均的海面高度(SSH)作為參考值。由于HY-2A衛(wèi)星沒有長時間序列的觀測數(shù)據(jù)，無法進行重復(fù)軌道分析，HY-2A衛(wèi)星平均海面高度使用的是CLS01模型結(jié)果。∑corrections為雷達(dá)高度計計算海面高度過程中所有的校正項之和，校正項如表1所示。在HY-2A衛(wèi)星第18～23周期時間段內(nèi)，HY-2A衛(wèi)星自帶的微波輻射計進行的濕大氣校正(rad_wet_tropo_corr)數(shù)據(jù)有不穩(wěn)定的情況，每個周期中都有多軌的微波輻射計濕大氣校正值不可用，所以在本文研究中使用了模式的濕大氣校正(model_wet_tropo_corr)代替。

2.3 數(shù)據(jù)篩選

HY-2A衛(wèi)星雷達(dá)高度計在測量海面高度過程中，由于面臨不同的區(qū)域環(huán)境，不同的天氣狀態(tài)，經(jīng)歷不同的儀器狀態(tài)等因素的影響，許多數(shù)據(jù)點是不可靠的，甚至是錯誤的。通過標(biāo)識篩選和閾值篩選將不可信的數(shù)據(jù)點進行去除，標(biāo)識篩選與閾值篩選的具體條件[11]見附錄表A1和A2。

閾值篩選過程，對于參數(shù)值不在閾值范圍內(nèi)的點認(rèn)為該點觀測不可信[11]，從而對不可信觀測數(shù)據(jù)進行篩除，不參與進一步的分析。如圖1所示，HY-2A衛(wèi)星雷達(dá)高度計每個周期海洋中被篩選點的個數(shù)占海洋點的總個數(shù)的比例穩(wěn)定在12%左右，表明在本文所分析的高度計數(shù)據(jù)中，HY-2A雷達(dá)高度計觀測總體穩(wěn)定可靠。其中，海面距離有效點個數(shù)的閾值篩選掉的點個數(shù)占海洋觀測點總個數(shù)的比例約為5%，是占比最大的單個閾值篩選項。

表1 HY-2A雷達(dá)高度計海面高度校正項

2.4 交叉點選取

交叉點是指兩星衛(wèi)星在一定時間間隔內(nèi)，對于某空間區(qū)域進行重復(fù)觀測的位置。由于雷達(dá)高度計的采樣特性，其重復(fù)觀測位置為其星下點軌跡的交叉點處。合理地計算和選擇交叉點，是進行星-星交叉評估的基礎(chǔ)[12]。

首先，對于HY-2A衛(wèi)星和Jason-2衛(wèi)星每一軌的星下點軌跡做3次樣條插值，由于各軌中的星下點軌跡變化是連續(xù)而平滑的，這使得可以有效地使用3次樣條將軌道較好的表示出來。然后，利用兩個衛(wèi)星每一軌星下點軌跡的插值結(jié)果，選取相同位置點即初步交叉點，記錄兩顆衛(wèi)星過初步交叉點時間，分別選取以初步交叉點時間為中心的10 s窗口。對于各對應(yīng)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)點用最小二乘法擬合3次樣條函數(shù)，計算實測點海面高度異常與擬合曲線的殘差均方根，并將殘差均方值大于9 cm的窗口篩選去除掉[13]。最后，利用兩顆衛(wèi)星對應(yīng)窗口的擬合數(shù)據(jù)，計算得到精確的交叉點。

3 HY-2A衛(wèi)星海面高度異常軌去除

交叉點差值是HY-2A衛(wèi)星與Jason-2衛(wèi)星在交叉點空間位置的差值，即HY-2A衛(wèi)星交叉點處海面高度異常值減去Jason-2衛(wèi)星交叉點處海面高度異常值(以下簡稱為HY2-J2)。HY-2A和Jason-2衛(wèi)星在交叉點的觀測時間不同，考慮到海面動力過程，本文選取了HY-2A衛(wèi)星與Jason-2衛(wèi)星過交叉點的時間間隔為5 d以內(nèi)的交叉點[6]。

圖1 HY-2A雷達(dá)高度計18～23周期各參數(shù)閾值篩選點占海洋總觀測點的比例Fig.1 Percentage of editorial threshold criteria points of all ocean points in HY-2 radar altimeter cycle 18-23

圖2 HY-2A衛(wèi)星18～23周期內(nèi)各軌HY2-J2均值分布Fig.2 HY2-J2 each pass mean value in HY-2A radar altimeter cycle 18-23a.18周期，b.19周期，c.20周期，d.21周期，e.22周期，f.23周期a.18 cycle， b.19 cycle， c.20 cycle， d.21 cycle， e.22 cycle， f.23 cycle

圖3 HY-2A衛(wèi)星18～23周期內(nèi)各軌HY2-J2標(biāo)準(zhǔn)差分布Fig.3 HY2-J2 each pass standard deviation in HY-2A radar altimeter cycle 18-23a.18周期，b.19周期，c.20周期，d.21周期，e.22周期，f.23周期a.18 cycle，b.19 cycle，c.20 cycle，d.21 cycle，e.22 cycle，f.23 cycle

HY-2A衛(wèi)星每一軌都存在多個與Jason-2衛(wèi)星的交叉點，平均每一軌的交叉點個數(shù)為35個，對于每一軌的HY2-J2進行統(tǒng)計，計算其均值與標(biāo)準(zhǔn)差。

如圖2所示，HY-2A衛(wèi)星18～23周期都存在有部分軌的HY2-J2均值明顯異常，顯著偏離平均值。對單軌數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)這些交叉點差值(HY2-J2)有異常的軌確實存在整軌偏離正常海面高度沿軌變化的情況。本文在數(shù)據(jù)處理過程中，將沿軌HY2-J2均值落在3倍標(biāo)準(zhǔn)差(3σ)之外的軌確定為異常軌，整軌的數(shù)據(jù)認(rèn)為不可靠觀測。

由于第22周期356～386等軌、第23周期1～50等軌HY2-J2的統(tǒng)計值極大幅度表現(xiàn)出異常，本文調(diào)整了圖2、圖3中e、f中縱坐標(biāo)的變化，從而表現(xiàn)出22、23周期第軌HY2-J2的均值、標(biāo)準(zhǔn)差的變化規(guī)律，如果剔除了這些極大的異常軌之外，其他軌HY2-J2的均值與標(biāo)準(zhǔn)差將表現(xiàn)出與18～21周期類似的變化規(guī)律。

在本文研究的HY-2A高度計數(shù)據(jù)中，如圖3所示，每一周期都存在HY2-J2標(biāo)準(zhǔn)差明顯異常的軌道觀測，其標(biāo)準(zhǔn)差顯著偏離正常值，說明該軌觀測與Jason-2相比出現(xiàn)劇烈的波動。

另外，HY-2A衛(wèi)星第20周期17軌HY2-J2的標(biāo)準(zhǔn)差為31.45 cm，如圖3c紅色矩形框所示，顯著偏離其他軌的均值。其沿軌的海面高度異常存在劇烈波動(圖4)，SLA非連續(xù)的劇烈波動不符合海面連續(xù)性變化特征，并非是由于海洋現(xiàn)象的變化造成的，而是數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。正是由于沿軌海面高度數(shù)據(jù)的非正常的劇烈變化，使得該軌的HY2-J2同樣劇烈的出現(xiàn)異常波動，其標(biāo)準(zhǔn)差顯著偏大。將每軌HY2-J2的標(biāo)準(zhǔn)差大于15 cm的軌確定為異常軌，認(rèn)為整軌為不可靠觀測。

圖4 HY-2A第20周期17軌沿軌海面高度異常Fig.4 Along pass SLA in pass 17 in HY-2A cycle 20

通過上述方法，依據(jù)HY2-J2的均值或標(biāo)準(zhǔn)差異常來確定不可信的軌道，其HY2-J2不參與進一步的質(zhì)量評估過程。值得指出的是，在HY-2A雷達(dá)高度計數(shù)據(jù)的其他應(yīng)用中，這些軌的沿軌海面高度數(shù)據(jù)同樣應(yīng)該被認(rèn)為不可信，不應(yīng)該被使用。

4 結(jié)果

去除異常軌之后，統(tǒng)計各周期的HY2-J2落在3倍的標(biāo)準(zhǔn)差(3σ)內(nèi)的交叉點(有效交叉點)。根據(jù)所選周期內(nèi)的有效交叉點上的HY-2A和Jason-2海面高度觀測數(shù)據(jù)對HY-2A雷達(dá)高度計數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評估。其中，HY2-J2的標(biāo)準(zhǔn)差為HY-2A衛(wèi)星與Jason-2之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差，HY2-J2的均值為HY-2A衛(wèi)星與Jason-2之間的相對偏差。

如表2所示，HY-2A衛(wèi)星與Jason-2之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差相對穩(wěn)定，平均值為7.0 cm，ERS-1與T/P之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為16 cm[6]。HY-2A衛(wèi)星海面高度與Jason-2數(shù)據(jù)一致性較好，數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

表2 HY-2A衛(wèi)星各周期相與Jason-2的標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對偏差

5 結(jié)論

HY-2A衛(wèi)星數(shù)據(jù)18～23周期閾值篩選掉的觀測點個數(shù)占總海洋觀測點約12%，每個周期都有部分軌的數(shù)據(jù)異常，在使用過程中需要根據(jù)HY-2A衛(wèi)星與Jason-2交叉點差值的統(tǒng)計，將這些異常的數(shù)據(jù)去除掉。在18～23周期內(nèi)，HY-2A衛(wèi)星海面高度與Jason-2表現(xiàn)出良好的一致性，標(biāo)準(zhǔn)偏差平均為7.0 cm，能夠滿足HY-2A衛(wèi)星測高的精度要求，可以為相關(guān)的科學(xué)研究提供可信的數(shù)據(jù)源。本文同時發(fā)現(xiàn)，HY-2A雷達(dá)高度計IDGR與Jason-2高度計GDR-d之間存在比較穩(wěn)定的相對偏差，在18～23周期內(nèi)平均相對偏差為39.60 cm。初步分析結(jié)果表明該偏差為系統(tǒng)偏差，在HY-2A海面高度數(shù)據(jù)使用和后續(xù)處理中可以進行訂正消除。

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附錄

Preliminary assessment of the quality of HY-2A satellite sea surface height data

Yang Guang1，2，Song Qingtao1，2，Jiang Xinwei1，2，3，Wang Zhaohui1，2

(1.NationalSatelliteOceanApplicationService，Beijing100081，China; 2.KeyLaboratoryofOceanSpaceRemoteSensingandApplication，StateOceanicAdministration，Beijing100081，China)

The HY-2A radar altimeter effective measurements of the sea surface height (SSH) were selected using the IGDR editorial criteria. The crossover points of HY-2A satellite SSH data from cycle 18 to 23 and Jason-2 data within 5 days were determined. The erroneous measurement orbits were removed based on crossover statistics of HY-2A and Jason-2. The quality of the HY-2A SSH data is evaluated using statistics of crossover difference analysis. The cross calibration results show that the number of HY-2A data points removed by the editorial criteria is about 12% of the total HY-2A SSH observations. It is found in this study the standard deviation of SSH between HY-2A satellite and Jason-2 is 7.0 cm for the HY-2A cycles used in this study， and the accuracy of SSH measurements of HY-2A meets the requirements of sensor design．

HY-2A; radar altimeter; sea surface height; HY-2A quality assessment

表A1 HY-2A衛(wèi)星標(biāo)識篩選條件

2015-05-16；

2015-09-05。

基金面上項目(41276019)；海洋公益性行業(yè)科研專項(201305032)；廣東省科技計劃項目(20BB020200013)。

楊光(1990—)，男，江蘇省鹽城市人，研究方向為衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)融合。

宋清濤(1971—)，男，遼寧省丹東市人，研究員，研究方向為海洋遙感與邊界層物理。E-mail:qsong@mail.nsoas.org.cn

P715.6

A

0253-4193(2016)11-0090-07

楊光，宋清濤，蔣興偉，等. HY-2A衛(wèi)星海面高度數(shù)據(jù)質(zhì)量評估[J]. 海洋學(xué)報， 2016， 38(11):90-96， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.008

Yang Guang， Song Qingtao， Jiang Xingwei， et al. Preliminary assessment of the quality of HY-2A satellite sea surface height data[J]. Haiyang Xuebao， 2016， 38(11):90-96， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.008