HY-2B衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)對(duì)流層路徑延遲精度分析?

鄭廣東，馬純永,2??，高占文，王 絢, 陳 戈,2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

隨著1991年ERS-1衛(wèi)星和1992年TOPEX/Poseidon衛(wèi)星發(fā)射升空，衛(wèi)星高度計(jì)開(kāi)始對(duì)全球海面高度、風(fēng)場(chǎng)和有效波高進(jìn)行連續(xù)、全天候的觀測(cè)，并提供大量有效觀測(cè)數(shù)據(jù)，加快了海洋學(xué)及其他地球科學(xué)的發(fā)展[1]。2011年，中國(guó)第一顆海洋環(huán)境動(dòng)力衛(wèi)星HY-2A成功發(fā)射，標(biāo)志著中國(guó)海洋學(xué)和業(yè)務(wù)海洋氣候?qū)W探測(cè)邁向新階梯[2-3]。中國(guó)HY-2A數(shù)據(jù)產(chǎn)品發(fā)布后，Zhang等[2]、Bao等[3]以及徐廣珺等[4]對(duì)Jason-2衛(wèi)星高度計(jì)進(jìn)行交叉校準(zhǔn)，評(píng)估了HY-2A高度計(jì)數(shù)據(jù)質(zhì)量及測(cè)高系統(tǒng)性能。

HY-2B衛(wèi)星是中國(guó)發(fā)射的第二顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星，于2018年作為HY-2A的后續(xù)項(xiàng)目進(jìn)入預(yù)設(shè)軌道[5-6]。該衛(wèi)星主要搭載雙頻雷達(dá)高度計(jì)(Ku和C波段)、微波散射計(jì)、微波輻射計(jì)等多個(gè)載荷，HY-2B衛(wèi)星以風(fēng)場(chǎng)、有效波高、海面高度和重力場(chǎng)作為主要觀測(cè)要素，就海面高度的觀測(cè)而言，雷達(dá)信號(hào)在發(fā)射和接收的過(guò)程中會(huì)因大氣、海況、潮汐的變化引起不同程度的衰減。HY-2B數(shù)據(jù)產(chǎn)品發(fā)布后，Wang等[5]和Jia等[6]對(duì)HY-2B地球物理數(shù)據(jù)集記錄(Geophysical data records,GDR)進(jìn)行全球質(zhì)量評(píng)價(jià)，并將關(guān)鍵參數(shù)(風(fēng)速、有效波高等)和海面高度與Jason-3進(jìn)行交叉對(duì)比。另一方面，Jiang等[8]、Yang等[9-10]以及Hito等[11]使用浮標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)分別驗(yàn)證Sentinel-3A/3B SRAL、HY-2B和SARAL/AltiKa風(fēng)速和有效波高的數(shù)據(jù)質(zhì)量。因此，交叉定標(biāo)和檢驗(yàn)是每個(gè)衛(wèi)星測(cè)高系統(tǒng)中非常重要和不可缺少的組成部分[6]。準(zhǔn)確客觀的交叉校準(zhǔn)和檢驗(yàn)不僅為用戶提供可靠的信息，而且為提高數(shù)據(jù)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性提供支持和幫助[3-10]。然而，HY-2B GDR數(shù)據(jù)自2019年發(fā)布以來(lái)，針對(duì)干對(duì)流層路徑延遲(Dry tropospheric path delay,DPD)和濕對(duì)流層路徑延遲(Wet tropospheric path delay,WPD)產(chǎn)品精度的研究較少。

因此，本研究的重點(diǎn)是對(duì)HY-2B DPD和WPD的產(chǎn)品精度進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。HY-2B DPD和WPD精度分析與評(píng)價(jià)采用兩種方法：星星交叉法和對(duì)流層獨(dú)立模型檢驗(yàn)法。星星交叉法使用Jason-3高度計(jì)與HY-2B進(jìn)行交叉，對(duì)比分析DPD和WPD的產(chǎn)品精度。對(duì)流層獨(dú)立模型檢驗(yàn)法是利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)和輻射計(jì)測(cè)量的水汽數(shù)據(jù)重處理結(jié)果分別與HY-2B、Jason-3高度計(jì)對(duì)流層路徑延遲產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，分析DPD和WPD的產(chǎn)品精度。最后，使用星星交叉法和對(duì)流層獨(dú)立模型檢驗(yàn)法對(duì)HY-2B高度計(jì)DPD和WPD產(chǎn)品精度進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

1 數(shù)據(jù)

1.1 Jason-3雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證和比較HY-2B高度計(jì)對(duì)流層路徑延遲的產(chǎn)品精度，本文選擇2019年1月1日—2020年12月31日J(rèn)ason-3 GDR產(chǎn)品數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)產(chǎn)品來(lái)源于法國(guó)國(guó)家空間研究中心(ftp://ftp-access.aviso.altimetry.fr)。選擇Jason-3數(shù)據(jù)產(chǎn)品的原因包括以下幾個(gè)方面：(1)Jason-3 GDR產(chǎn)品中包括計(jì)算海面高度所需參數(shù)，如干對(duì)流層路徑延遲、濕對(duì)流層路徑延遲等(見(jiàn)Jason-3數(shù)據(jù)產(chǎn)品用戶手冊(cè))，這些參數(shù)將與干對(duì)流層和濕對(duì)流層校正算法計(jì)算結(jié)果對(duì)比，作為HY-2B對(duì)流層路徑延遲產(chǎn)品精度的參考標(biāo)準(zhǔn)；(2)繼Jason-2之后，它在系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方面進(jìn)行了許多改進(jìn)；(3)Jason-3衛(wèi)星的地面軌道和HY-2B衛(wèi)星的地面軌道有許多交叉點(diǎn)[6]；(4)Jason-3雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)已被廣泛驗(yàn)證和校準(zhǔn)，可以獲得高精度的海表面高度。因此Jason-3數(shù)據(jù)將用于分析HY-2B DPD和WPD的產(chǎn)品精度。

1.2 HY-2B雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)

HY-2B雷達(dá)高度計(jì)的目標(biāo)是測(cè)量海面高度、有效波高和重力場(chǎng)參數(shù)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。HY-2B衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)二級(jí)產(chǎn)品包括臨時(shí)地球物理數(shù)據(jù)(Interim geophysical data records,IGDR)、遙感地球物理數(shù)據(jù)集(Sensor geophysical data records,SGDR)、GDR三種產(chǎn)品。IGDR是利用中等精度軌道星歷(Medium precision orbit ephemeride，MOE)定軌數(shù)據(jù)和波形重構(gòu)等方法得到未經(jīng)校正的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。GDR是利用精密軌道星歷(Precise orbit ephemeride，POE)定軌數(shù)據(jù)和波形重構(gòu)等方法得到的完全校正后的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。SGDR與IGDR和GDR基本一致，區(qū)別在于包含了波形數(shù)據(jù)，三種數(shù)據(jù)中都包括了有效波高、海面風(fēng)速、海面高度及用于計(jì)算海面高度所需的校正參數(shù)(見(jiàn)HY-2B衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品使用說(shuō)明)。

表1 雷達(dá)高度計(jì)的主要參數(shù)

本文選擇2019年1月1日—2020年12月31日HY-2B GDR產(chǎn)品數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品來(lái)源于國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心(https://osdds.nsoas.org.cn/)。標(biāo)準(zhǔn)的GDR數(shù)據(jù)產(chǎn)品包含完全校正后的DPD和WPD，這些參數(shù)將與Jason-3衛(wèi)星進(jìn)行交叉，分析HY-2B DPD和WPD的產(chǎn)品精度。

1.3 大氣壓強(qiáng)和水汽數(shù)據(jù)

本文使用的大氣壓強(qiáng)和水汽數(shù)據(jù)來(lái)源于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心和輻射計(jì)。大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)用于計(jì)算DPD，時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25°×0.25°。它是垂直于地球表面某一點(diǎn)上方的所有空氣重量，包括陸地、海洋和內(nèi)陸水表面大氣的壓力。輻射計(jì)為高度計(jì)提供大氣濕對(duì)流層路徑延遲校正服務(wù)。其中Jason-3先進(jìn)微波輻射計(jì)(Advanced microwave radiometer,AMR)可收集海洋反射的頻率為18.7、23.8和34.0 GHz的輻射；HY-2B校正微波輻射計(jì)(Calibration microwave radiometer,CMR)可收集海洋反射的頻率為18.7、23.8和37 GHz的輻射。

2 研究方法

2.1 干大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

對(duì)流層中干空氣對(duì)雷達(dá)信號(hào)的影響，即為干對(duì)流層路徑延遲[12]。目前干大氣校正模型有Saastamoinen模型、Davis模型[13-14]、Hopfield模型和Altshule模型[15]。針對(duì)這四種模型，Opaluwa等[16]進(jìn)行對(duì)比分析并得出Saastamoinen模型和Davis模型更可取。因此，本研究采用Saastamoinen模型來(lái)計(jì)算干對(duì)流層路徑延遲(RDPD)。

(1)

式中:φ為緯度;P0為大地水準(zhǔn)面上方高度為z的表面壓力。目前，P0可以通過(guò)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European centre for medium-range weather forecasts，ECMWF)發(fā)布的再分析數(shù)據(jù)獲得。

2.2 濕大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

對(duì)流層中云液態(tài)水和水蒸氣對(duì)雷達(dá)信號(hào)的影響，即為濕對(duì)流層路徑延遲。Chelton等[17]認(rèn)為，云液態(tài)水對(duì)雷達(dá)信號(hào)的延遲較小，可以忽略不計(jì)。因此濕對(duì)流層路徑延遲(RWPD)可以表達(dá)為：

(2)

(3)

式中：Bevis等[18]給出k2=22.1 Kmbar-1，k3=(3.729±0.012)105K2mbar-1；ρvap(z)為水蒸氣密度，Rvap為水蒸氣的比氣體常數(shù);TCWV表示從大氣層頂?shù)降厍虮砻妫瑱M截面為1 m2空氣柱中的總水汽質(zhì)量；Tvap為對(duì)流層的平均溫度，它可以通過(guò)等式(4)給出：

Tvap=50.440+0.789T0。

(4)

為了解釋?duì)WPD與Tvap的依賴性，Stum等[19]利用ECMWF溫度和濕度剖面圖推導(dǎo)出了TCWV和ΔRWPD之間的關(guān)系。因此以米為單位的ΔRWPD(負(fù)值)表達(dá)式為：

ΔRWPD=-(a0+a1TCWV+a2TCWV2+

a3TCWV3)TCWV10-2。

(5)

式中：a0=6.854 4;a1=-0.437 7;a2=0.071 4;a3=-0.003 8。目前，TCWV可以通過(guò)微波輻射計(jì)或ECMWF發(fā)布的再分析數(shù)據(jù)獲得。

2.3 數(shù)據(jù)篩選

HY-2B衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)在測(cè)量海面高度的過(guò)程中，由于受到海面大氣狀況復(fù)雜多變以及高度計(jì)自身儀器狀態(tài)的影響，有部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)為掩碼值，甚至是不正確的。通過(guò)數(shù)據(jù)閾值篩選條件和標(biāo)識(shí)篩選將海面上掩碼值和不可靠的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行剔除，具體篩選條件如表2所示。

表2 HY-2B高度計(jì)數(shù)據(jù)閾值篩選和標(biāo)識(shí)篩選條件

3 DPD和WPD產(chǎn)品精度分析

DPD和WPD產(chǎn)品精度應(yīng)為測(cè)量結(jié)果與真值的差異性。由于高度計(jì)觀測(cè)很難獲得真值進(jìn)行比較，所以本文選擇已被廣泛驗(yàn)證和校準(zhǔn)的Jason-3高度計(jì)數(shù)據(jù)作為HY-2B DPD和WPD產(chǎn)品精度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 Jason-3與HY-2B交叉分析

為了分析HY-2B衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)對(duì)流層路徑延遲的產(chǎn)品精度，本文選擇表2中的標(biāo)識(shí)和閾值篩選標(biāo)準(zhǔn)對(duì)2019年1月1日到2020年12月31日HY-2B DPD和WPD產(chǎn)品與Jason-3對(duì)應(yīng)產(chǎn)品進(jìn)行交叉分析，計(jì)算了Jason-3和HY-2B交叉點(diǎn)處DPD和WPD差異的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，即：匹配點(diǎn)數(shù)(Num)、偏差(Bias)、標(biāo)準(zhǔn)差(STD)、相關(guān)系數(shù)(R)和擬合優(yōu)度(R2)。圖1和2分別展示了時(shí)間窗口為30 min HY-2B與Jason-3高度計(jì)DPD和WPD交叉點(diǎn)的全球分布圖及差值直方圖。從圖1可以看出，DPD的R和R2分別為0.997 0和0.992 9，表明HY-2B與Jason-3高度計(jì)DPD具有非常高的一致性。HY-2B與Jason-3高度計(jì)交叉點(diǎn)處DPD差異的Bias和STD分別為0.06和0.15 cm，表明HY-2B(NCEP)與Jason-3(ECMWF)DPD差異非常小，HY-2B NCEP天氣模式的DPD具有非常高的精度。從DPD差值直方圖可以看出，DPD差異主要在-0.4～0.4 cm之間，符合正態(tài)分布，這也證明HY-2B DPD非常合理的精度。從圖2可以看出，WPD的R和R2均接近1，說(shuō)明HY-2B CMR與Jason-3 AMR測(cè)量的WPD一致性非常好。HY-2B與Jason-3交叉點(diǎn)處WPD差異的Bias和STD分別為0.46和0.61 cm，表明HY-2B CMR和Jason-3 AMR測(cè)量的WPD差異很小，HY-2B CMR測(cè)量的WPD具有非常合理的精度。從WPD差值直方圖可以看出，WPD差異大致符合正態(tài)分布，但有很少一部分交叉點(diǎn)差值達(dá)到-2.0～-1.0 cm，不符合正態(tài)分布，說(shuō)明HY-2B CMR測(cè)量WPD具有合理的精度和性能。從圖2可以看出，DPD和WPD交叉點(diǎn)的空間分布及誤差的大小分布較為均勻。這也再次證實(shí)HY-2B DPD和WPD具有合理的精度和性能。

圖1 Jason-3與HY-2B DPD交叉點(diǎn)差值空間分布

3.2 對(duì)流層獨(dú)立模型檢驗(yàn)分析

3.2.1 DPD檢驗(yàn)分析 由于DPD在陸地和海洋上是不同的，所以本文僅表示了海面上DPD平均值的全球分布。圖3(c)顯示了海洋上DPD的平均值，它是利用ECMWF大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)通過(guò)等式(1)計(jì)算得到。從圖3可以看出，當(dāng)只考慮海洋場(chǎng)時(shí)，DPD海面上校正量的絕對(duì)值約為215～236 cm，平均值約為225 cm，振幅為21 cm。在海洋上空，平均DPD主要顯示了一個(gè)緯向特征，南北緯不同,在南緯60°帶附近，由于海表面氣壓逐漸減小，DPD的絕對(duì)值也逐漸減少，DPD和海表面壓強(qiáng)呈明顯的線性關(guān)系。

針對(duì)Jason-3、HY-2B高度計(jì)DPD產(chǎn)品，采用第2.1節(jié)干大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭靥幚淼腄PD為檢驗(yàn)源，對(duì)海面干對(duì)流層路徑延遲產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析。由于兩個(gè)高度計(jì)軌道傾角和重訪周期不同，所以HY-2B與Jason-3匹配點(diǎn)數(shù)不同。對(duì)比的散點(diǎn)圖結(jié)果如圖3(a)、3(b)所示。圖3(a)、3(b)分別展示了Jason-3、HY-2B高度計(jì)與干大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭gDPD差異的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，即STD、Bias、R和R2。檢驗(yàn)結(jié)果分析如下：從圖3(a)、3(b)散點(diǎn)圖可以看出，兩個(gè)高度計(jì)對(duì)比結(jié)果的R2和R的值接近1，表明兩個(gè)高度計(jì)DPD產(chǎn)品與干大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭靥幚斫Y(jié)果一致性非常好。Jason-3的負(fù)Bias表明，高度計(jì)DPD產(chǎn)品低于干大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭靥幚斫Y(jié)果，HY-2B與Jason-3不同。相對(duì)于HY-2B，Jason-3與干大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭靥幚斫Y(jié)果差異的Bias和STD分別為0.2和0.12 cm，均小于HY-2B，說(shuō)明Jason-3 DPD產(chǎn)品精度略優(yōu)于HY-2B。相對(duì)DPD星星交叉分析結(jié)果(見(jiàn)圖1)，HY-2B和Jason-3獨(dú)立模型檢驗(yàn)結(jié)果的Bias和STD與交叉結(jié)果無(wú)明顯差異，說(shuō)明干大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮隍?yàn)證DPD的準(zhǔn)確性。綜上所述，Jason-3、HY-2B與干大氣獨(dú)立模型重處理結(jié)果一致性非常好，HY-2B DPD具有非常高的精度。

((a)Jason-3；(b)HY-2B)；(c)海面上DPD平均值全球分布。(a)Jason-3；(b)HY-2B；(c)The global distribution of DPD mean on the sea surface.)

3.2.2 WPD檢驗(yàn)分析 從全球范圍上來(lái)看，WPD絕對(duì)值數(shù)量級(jí)約為0～50 cm，年周期振幅高達(dá)20 cm[20]。圖4(c)展示了WPD海面上的平均值，它是利用ECMWF發(fā)布的水汽數(shù)據(jù)通過(guò)等式(5)計(jì)算得到。從空間尺度上來(lái)看，WPD的絕對(duì)值從高緯的幾厘米(小于6 cm)到赤道地區(qū)的大約35 cm，平均WPD場(chǎng)顯示出一種帶狀分布特征，與熱帶輻合帶相關(guān)的西太平洋、東印度洋、東太平洋以及大西洋地區(qū)的WPD值最大[12,21]。這些地區(qū)受海氣相互作用，赤道附近空氣中云、液態(tài)水和水蒸氣含量豐富，濕空氣密度大，所以WPD在赤道地區(qū)偏大，高緯地區(qū)較小[21]。

針對(duì)Jason-3 AMR和HY-2B CMR測(cè)量的濕對(duì)流層路徑延遲，采用第2.2節(jié)濕大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭靥幚淼腤PD為檢驗(yàn)源，對(duì)海面濕對(duì)流層路徑延遲進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算了Jason-3、HY-2B高度計(jì)與濕大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭gWPD差異的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，即STD、Bias、R和R2。WPD比較的散點(diǎn)圖如4(a)、4(b)所示。從圖4(a)、4(b)可以看出，兩個(gè)高度計(jì)R2和R的值接近1，表明兩個(gè)高度計(jì)測(cè)量的WPD與獨(dú)立模型重處理結(jié)果一致性非常好。Jason-3和HY-2B負(fù)Bias表明兩個(gè)高度計(jì)的WPD都略小于濕大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭靥幚斫Y(jié)果。Jason-3和HY-2B WPD產(chǎn)品與濕大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭靥幚斫Y(jié)果差異的Bias<0.2 cm，STD<0.3 cm，說(shuō)明兩個(gè)高度計(jì)AMR/CMR測(cè)量WPD非常合理的精度。Jason-3和HY-2B的STD相似，表明AMR/CMR測(cè)量的WPD具有相似的精度和性能。相對(duì)WPD星星交叉分析結(jié)果(見(jiàn)圖2)，HY-2B和Jason-3獨(dú)立模型檢驗(yàn)結(jié)果的Bias和STD均優(yōu)于交叉分析結(jié)果，說(shuō)明濕大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮隍?yàn)證WPD性能的準(zhǔn)確性。綜上所述，Jason-3和HY-2B高度計(jì)AMR/CMR測(cè)量的WPD與濕大氣檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭靥幚斫Y(jié)果一致性非常好。HY-2B CMR測(cè)量的WPD具有非常合理的精度。

((a)Jason-3；(b)HY-2B；(c)海面上WPD平均值全球分布。(a)Jason-3；(b)HY-2B;(c)The global distribution of WPD mean on the sea surface.)

4 DPD和WPD時(shí)間穩(wěn)定性分析

由于DPD無(wú)法通過(guò)星載技術(shù)獲得，所以HY-2B和Jason-3高度計(jì)通常使用ECMWF或NCEP天氣模式進(jìn)行校正。圖5(a)、5(c)分別按月份展示了HY-2B(NCEP)和Jason-3(ECMWF)與干大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭靥幚斫Y(jié)果差異的統(tǒng)計(jì)參數(shù)(Bias和STD)。從圖5(a)可以看出，Jason-3負(fù)Bias曲線平穩(wěn)，沒(méi)有隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。相對(duì)于Jason-3，HY-2B Bias在2019年9月份前后有正負(fù)之分，Bias曲線有輕微的上升趨勢(shì)，但始終小于0.1 cm。HY-2B Bias的絕對(duì)值始終大于Jason-3高度計(jì)，說(shuō)明Jason-3 DPD產(chǎn)品與干大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭靥幚斫Y(jié)果差異較小。從圖5(c)可以看出，兩個(gè)高度計(jì)DPD產(chǎn)品與干大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭靥幚斫Y(jié)果差異的STD始終小于0.2 cm，沒(méi)有隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。相對(duì)于HY-2B，Jason-3 DPD與干大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭靥幚斫Y(jié)果差異的STD始終小于HY-2B，說(shuō)明Jason-3 DPD產(chǎn)品精度略優(yōu)于HY-2B高度計(jì)。這是因?yàn)镴ason-3 ECMWF模式的空間分辨率(0.25°×0.25°)優(yōu)于HY-2B NCEP模式(2.5°×2.5°)。

圖5 高度計(jì)DPD(a, c)和WPD(b, d)與對(duì)流層檢驗(yàn)?zāi)Ｐ推詈蜆?biāo)準(zhǔn)差逐月對(duì)比結(jié)果

由于Jason-3 DPD產(chǎn)品精度高，本文將HY-2B NCEP與Jason-3 ECMWF天氣模式的DPD產(chǎn)品進(jìn)行逐月交叉分析，時(shí)間窗口為30 min。圖6(a)、6(c)按月份顯示了交叉點(diǎn)處DPD差異的Bias和STD。從圖6(a)、6(c)可以看出，干對(duì)流層路徑延遲的總月份平均Bias和STD分別為0.03和0.15 cm。與Jason-3衛(wèi)星相比，HY-2B NCEP和Jason-3 ECMWF模式交叉點(diǎn)處DPD的Bias和STD非常小。結(jié)果表明：HY-2B NCEP與Jason-3 ECMWF模式DPD產(chǎn)品之間只有很小的差異。DPD的逐月交叉分析表明，在兩年內(nèi)DPD產(chǎn)品飄移較少。兩種檢驗(yàn)方法結(jié)果一致，證實(shí)Jason-3 ECMWF和HY-2B NCEP模式DPD的準(zhǔn)確性。

HY-2B和Jason-3高度計(jì)WPD通常使用ECMWF/NCEP天氣模式和星載輻射計(jì)的方式進(jìn)行校正。輻射計(jì)作為最精確的WPD校正方法已廣泛應(yīng)用到HY-2B(CMR)和Jason-3(AMR)高度計(jì)。為了驗(yàn)證Jason-3 AMR和HY-2B CMR測(cè)量WPD精度的穩(wěn)定性，本文選擇2019—2020年GDR數(shù)據(jù)產(chǎn)品逐月分析WPD產(chǎn)品與濕大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭靥幚斫Y(jié)果差異的統(tǒng)計(jì)參數(shù)(Bias，STD)(見(jiàn)圖5(b)、5(d))。從圖5(b)可以看出，AMR/CMR測(cè)量的WPD與濕大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭gBias的絕對(duì)值始終小于0.2 cm，差異非常小。從圖5(d)可以看出，HY-2B CMR測(cè)量的WPD與濕大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭靥幚斫Y(jié)果差異的STD始終小于Jason-3 AMR。整體來(lái)說(shuō)，Jason-3 AMR和HY-2B CMR測(cè)量的WPD與濕大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭g差異的Bias和STD隨時(shí)間波動(dòng)較小，沒(méi)有變化趨勢(shì)。

此外，本文將HY-2B CMR與Jason-3 AMR測(cè)量的WPD進(jìn)行逐月交叉分析，時(shí)間窗口為30 min。圖6(b)、6(d)按月份顯示交叉點(diǎn)處WPD差異的統(tǒng)計(jì)參數(shù)(Bias、STD)。從圖6(b)、6(d)可以看出，輻射計(jì)濕對(duì)流層校正的總月份平均Bias和STD分別為-0.496和0.596 cm。與Jason-3衛(wèi)星相比，HY-2B CMR和Jason-3 AMR測(cè)量的WPD之間Bias和STD較小。結(jié)果表明：HY-2B CMR與Jason-3 AMR測(cè)量的WPD之間只有很小的差異。WPD的月統(tǒng)計(jì)分析表明，在兩年的檢驗(yàn)周期內(nèi)Bias和STD隨時(shí)間波動(dòng)較小。這表明HY-2B CMR測(cè)量WPD已達(dá)到與Jason-3 AMR的精度水平。

圖6 HY-2B DPD(a, c)和WPD(b, d)與Jason-3高度計(jì)逐月交叉偏差和標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)論與展望

HY-2B衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)自發(fā)射以來(lái)有關(guān)高度計(jì)系統(tǒng)的性能及高度計(jì)關(guān)鍵參數(shù)(風(fēng)速、有效波高、后向散射系數(shù)、海面高度)進(jìn)行了全面詳細(xì)的評(píng)價(jià)。有關(guān)測(cè)高誤差精度水平的研究較少。因此，本文通過(guò)HY-2B與Jason-3高度計(jì)交叉比較以及與對(duì)流層獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ捅容^對(duì)HY-2B高度計(jì)對(duì)流層路徑延路徑延遲的產(chǎn)品精度進(jìn)行分析。本研究得出以下結(jié)論:

(1)HY-2B和Jason-3 DPD產(chǎn)品與干大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭靥幚斫Y(jié)果差異的Bias和STD均小于0.2 cm；HY-2B與Jason-3高度計(jì)DPD產(chǎn)品交叉結(jié)果與干大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)比結(jié)果的STD無(wú)明顯差異，說(shuō)明兩個(gè)高度計(jì)DPD具有非常高的精度。

(2)相對(duì)于Jason-3 AMR，HY-2B CMR測(cè)量的WPD與濕大氣獨(dú)立檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)比結(jié)果的STD優(yōu)于Jason-3 AMR；HY-2B與Jason-3交叉點(diǎn)處WPD差異的Bias和STD均小于0.7 cm，高海況地區(qū)差異可達(dá)2.0 cm。兩種檢驗(yàn)方法結(jié)果證實(shí)HY-2B CMR與Jason-3 AMR測(cè)量的WPD具有相似的一致性和產(chǎn)品精度。

(3)WPD和DPD逐月分析結(jié)果的Bias和STD曲線相對(duì)平穩(wěn)(幅度小于0.2 cm)，無(wú)明顯的變化或飄移，說(shuō)明HY-2B CMR測(cè)量的WPD和NCEP天氣模式的DPD具有非常合理的穩(wěn)定性。

圖5和6中，對(duì)于Bias的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，Jason-3 Bias的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于HY-2B。由于本文的時(shí)間范圍為2年，無(wú)法檢測(cè)到更長(zhǎng)期偏差或漂移。因此，作者會(huì)在未來(lái)的研究中利用更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)著重分析偏差變化的規(guī)律和原因。此外,由潮汐(海洋潮汐、固體潮、負(fù)荷潮以及極潮)、海況偏差、電離層和逆大氣壓引起的測(cè)高誤差也是影響海面測(cè)高精度的關(guān)鍵。這些對(duì)于提高HY-2B高度計(jì)數(shù)據(jù)質(zhì)量具有重要意義。

致謝：感謝國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心以及AVISO為本研究提供數(shù)據(jù)支持。