陈亚飞, 王晓春, 刘屹岷



中国近海海面高度异常资料再处理

陈亚飞1, 2, 王晓春1, 2, 刘屹岷3

(1. 南京信息工程大学海洋科学学院, 江苏南京210044; 2.江苏省海洋环境探测工程技术研究中心, 江苏南京210044; 3. 中国科学院大气物理研究所LASG, 北京100029)

卫星海面高度异常产品再处理的研究多集中在欧洲和美国近海, 中国近海尚未有过。在产生AVISO(Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data)全球0.25°多颗卫星海面高度异常产品时, 只用了1/3~1/2的部分沿轨资料, 给区域海洋动力学研究造成了一定的限制。本研究尝试利用多颗卫星的所有沿轨资料及25个测潮站的观测资料, 通过最优插值方法产生一份新的中国近海海面高度异常资料。新资料的空间分辨率仍为0.25°, 但使用了来自3颗卫星(Jason-1、Jason-2、CryoSat-2)的所有沿轨资料及25个测潮站的观测资料。新资料的范围为10°S~50°N、90°~160°E。新资料与AVISO资料的对比分析表明新资料更接近沿轨海面高度异常观测, 同时也更接近测潮站资料。与AVISO资料相比, 新资料与沿轨海面高度异常观测的均方根误差降低了10.03%, 与测潮站资料的均方根误差降低了9.6%。

海面高度异常; 中国近海; 再处理; 高度计; AVISO(Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data); 测潮站

卫星海面高度观测在一定条件下可以分辨海洋中尺度涡旋。海面高度是反映海洋状况的重要变量之一, 其遥感观测主要是基于卫星高度计。卫星高度计是一种主动式微波遥感器, 由发射器、接收器、计时系统和数据采集系统组成。卫星高度计的原理是通过发射器向地球表面发射脉冲信号, 信号经过地球表面反射后, 由接收器接收, 并由计时系统测量出发射脉冲与接收脉冲的时间差。根据测量出的时间差, 便可得到卫星到海表面的距离。再由卫星到参考椭球的距离减去卫星到海表面的距离得到海面高度。经过多年的发展, 卫星高度计对海面高度观测的测量精度已达到厘米级别。1992年, 美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)和法国空间局国家空间研究中心(Centre National d’EtudesSpatiales, CNES)联合发射了TOPEX/POSEIDON卫星(简称T/P卫星), 其上搭载的卫星高度计测量精度达到3 cm[1]。2001年和2008年, Jason-1、Jason-2卫星相继发射升空, 作为T/P卫星的延续, Jason-1、Jason-2卫星轨道与T/P卫星完全相同。2010年, CryoSat-2卫星发射升空, 尽管其设计主要用于观测海冰状况, 但同时可对海面高度进行观测。2011年8月, 我国成功发射了第一颗海洋动力环境卫星海洋二号(HY-2A), 其上搭载的卫星高度计测量精度达到厘米级别, 可对全球海洋进行全天候高精度的观测。

卫星高度计的资料空间覆盖范围广、时空分辨率较高, 一定条件下可以较好的分辨海洋中尺度涡旋。Chelton等[2-3]通过分析AVISO(Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data)提供的不同时间序列的卫星高度计融合资料, 指出了全球海洋中尺度涡旋的分布特征及变化特点。卫星高度计观测采样有其特点, 比如T/P、Jason-1及Jason-2在沿轨方向空间采样间隔为6 km, 但轨道间距离为200~300 km,约10 d重复观测同一区域, 而CryoSat-2观测重复周期为369 d。由于卫星高度计观测的采样特点并且卫星之间采样特点的不同, 如何融合不同卫星的观测产生一个可供用户方便使用的资料产品便是一个值得研究的问题。法国的机构AVISO及DUACS (Data Unification and Altimeter Combination System)在这方面做了大量的工作。

利用卫星高度计资料对海洋中尺度涡旋的研究表明, 目前所用的卫星高度计资料精度仍需提高。虽然AVISO提供的多卫星海面高度异常融合资料提高了对海洋中尺度涡旋的分辨能力, 但仍存在一定的限制[4]。徐驰等[5]借助卫星高度计资料对海洋中尺度涡旋进行识别和追踪, 指出目前所用的卫星高度计资料尚不足以解析次中尺度的信号, 需要更高精度的卫星高度计资料。近年来利用卫星高度计资料对我国近海区域中尺度涡旋也有研究[6-8]。Wang等[6]利用多卫星融合高度计资料对南海中尺度涡的时空分布特征进行了统计分析。林宏阳等[7]利用AVISO提供的卫星高度计融合数据(Map of Sea Level Anomaly, MSLA)对南海及西北太平洋的中尺度涡旋活动进行统计分析。孙成学等[8]利用AVISO提供的融合T/P、Jason-1及ERS数据的产品揭示了冬季南海吕宋冷涡的双涡结构, 但由于卫星高度计资料无法准确地刻画涡旋形成的过程, 仍需要更加准确的资料对吕宋冷涡开展进一步的研究。

卫星高度计资料的采样特点及误差在一定程度上限制了海洋动力学问题的研究。由于多方面的原因, 比如干空气、湿空气订正项、潮汐订正项误差的增加, 卫星高度计在近岸区域的误差较大, 在近岸区域的卫星高度计资料再处理便十分必要。由欧洲及美国研究人员主导的Coastal Altimetry Workshop从2008年开始便致力于推动这方面的工作[9-10]。这些工作集中在雷达波形资料的再处理[11-12]、订正项精度的提高[13]以及针对某一海域产生更精确的海面高度异常资料集[14]。但这些研究多集中在欧洲及美国近海, 在中国近海区域尚未开展系统的工作。AVISO在2014年5月以后发布的沿轨资料便反映了这方面的研究成果。在新发布的沿轨资料中, 使用了新的平均海面高度(1993~2012年平均, MSS_CNES_ CLS2011, http: //www.aviso.fren/data/products/auxiliary- products/mss.html), 近岸区域干空气、湿空气订正算法, 对沿轨资料用Lanzcos方法进行了滤波, 并在数据统一方面也有了许多新的改进[15]。AVISO除了提供融合多颗卫星沿轨资料的全球产品外, 也开始提供区域海洋产品, 比如地中海、黑海地区的网格点海面高度异常产品。但在产生全球网格点产品时, AVISO只使用了1/3~1/2的部分沿轨资料。而针对中国近海的区域海洋产品目前还没有。本研究尝试利用AVISO最新发布的多颗卫星(Jason-1、Jason-2、CryoSat-2)所有沿轨资料及25个测潮站观测资料, 通过最优插值方法(Optimal Interpolation)产生一份新的中国近海海面高度异常资料产品。并将这一产品与AVISO资料、卫星高度计沿轨资料及测潮站资料进行了对比。本研究进行资料再处理的海域为10°S~50°N, 90°~160°E, 时间为2012年全年。本研究的方法可以很容易地用到其他时间段。

1 近海资料处理

1.1 卫星沿轨资料

本研究中所用的Jason-1、Jason-2、CryoSat-2卫星沿轨海面高度异常资料及AVISO 0.25°规则网格点海面高度异常资料产品(下文中简称为AVISO)均来自法国空间局国家空间研究中心的DUACS[15], 为第三级产品, 并非原始观测数据, 已经进行了不同卫星高度计之间的轨道误差校正, 使用了新的干空气、湿空气订正算法。本文所使用卫星高度计资料的时间范围是2012年1月1日~2012年12月31日, 空间范围是10°S~50°N, 90°~160°E。图1为本文所用3颗卫星沿轨海面高度异常资料的数量。Jason-1卫星从2001年发射以来, 到2012年已连续工作了12 a, 硬件设备开始老化, 出现资料缺失的情形越来越多。如图所示, 2012年2月17日~2012年2月28日和2012年3月4日~2012年5月7日, Jason-1卫星沿轨资料出现大范围缺失。经统计可知, 在产生2012年中国近海海面高度异常资料产品时, 平均每天使用Jason-1、Jason-2、CryoSat-2卫星沿轨海面高度异常资料点分别约为1 766, 1 669, 1 552个。

1.2 测潮站资料

本研究中尝试将测潮站资料与卫星高度计资料进行融合, 以有效地提高近海区域海面高度资料的精度。采用的测潮站资料来自夏威夷大学海平面资料中心(University of Hawaii Sea Level Center, http: // uhslc.soest.hawaii.edu), 在研究区域(10°S~50°N, 90°~160°E)内选取了49个站点的2012年逐日海面高度观测资料, 其中25站用于融合产生新产品, 其余24站用于评估新产品。

为与卫星沿轨海面高度异常资料进行融合, 我们将去掉潮汐信号的逐日海面高度观测减去2012年平均值, 得到测潮站的海面高度异常。然后利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)提供的2012年日平均海平面气压再分析资料及公式

对测潮站海面高度异常观测资料进行了海平面气压校正, 其中,=9.806 m/s2,,为该站观测气压值,为该站2012年海平面气压的平均值, 以上处理方法与Saraceno等[14]对测潮站资料处理方法类似。最后, 对订正后的逐日资料采取了11 d滑动平均以去掉周期小于11 d的噪音, 这样的处理使测潮站资料和Jason-1、Jason-2的采样频率相一致。

1.3 最优插值方法

最优插值方法是大气海洋学中常用的一种资料处理方法。在卫星高度计数据融合的研究中也得到了应用[16]。传统的最优插值方法通常用白噪声来表示测量误差。然而, 通过分析传统的最优插值方法产生的海面高度异常产品, 发现沿着卫星轨道的长空间尺度误差(long-wavelength)在传统方法中不易表示, 比如T/P卫星高度计沿轨方向长空间尺度误差的均方根达到3 cm[17]。这种误差可引起垂直于卫星轨道方向的海面高度梯度, 给地转流的计算造成一定的误差从而掩盖海洋动力学特征[18]。在进行多卫星高度计数据融合时, 沿轨资料的轨道间距离减小, 使得海面高度梯度增大, 如果沿轨的长空间尺度误差不能被有效地去除, 产生的海面高度资料产品也将有较大的误差。Le Traon等[19]提出了一种改进的最优插值方法, 该方法考虑了沿轨方向的长空间尺度误差。本研究中, 我们采用了这种最优插值方法。

对于个不规则空间、时间采样点上的海面高度异常观测

其中为观测误差协方差矩阵。为观测与估计值之间的协方差矩阵。的空间分辨率为0.25°×0.25°, 时间分辨率为1 d。

卫星海面高度异常观测之间的误差协方差用公式(4)表述, 当两个观测及来自不同轨道时

其中lw为沿轨的长空间尺度误差。

其中为两个观测点之间的距离, 单位为km;为两个观测点之间时间上的间隔, 单位为d;,及2,2,lw为常数, 在本方法中其值分别为=20 d,,2=0.017 m2,2=0.052,lw=0.12。

本研究在产生规则网格点海面高度异常产品时, 将卫星资料与测潮站资料进行了融合。如前文所述, 测潮站资料在融合前去掉了2012年全年的平均, 进行了海平面气压订正及11 d的滑动平均。在进行最优插值时, 我们假定测潮站资料的观测误差相互独立, 其误差方差与沿轨海面高度异常相一致, 取为0.017 m2。

2 最优插值产品

图2表示了2012年1月6日中国近海海面高度异常产品的计算过程。可以注意到CryoSat-2与Jason-1及Jason-2有着很不相同的采样特点, 这给卫星沿轨资料的直接使用造成了一定困难。比如在黑潮延伸区(沿36°N, 140°E以东), 3颗卫星的沿轨资料都表明, 在这一区有中尺度涡旋的活动, 海面高度异常有较大的空间变化, 但仅从每颗卫星的海面高度异常很难给出涡旋活动的全貌。利用最优插值产生的规则网格点上的海面高度异常(图2d、图2e)可以给出这一区域涡旋活动的全貌, 使用起来会更加方便。另外, 值得一提的是将测潮站资料与卫星资料融合在一起(图2e)并没有在测潮站附近产生异常值, 这说明最优插值时选取的参数在合理范围内。

d. 只包括卫星观测资料产生的0.25°×0.25°网格点上海面高度异常产品(OI-SAT); e. 融合卫星观测及测潮站资料后的产品(OI)

d. 0.25 degree SLA product (OI-SAT) when only satellite observations were used; e. SLA product (OI) generated from the merging of both satellite observations and tide gauge data

2.1 沿轨资料与AVISO、OI-SAT及OI产品比较

我们用DUACS提供的CryoSat-2、Jason-1、Jason-2卫星沿轨海面高度异常观测资料与AVISO、OI-SAT及OI产品进行了对比。比较前将0.25°规则网格点上的海面高度异常产品插值到当日的沿轨资料点上, 图3为海面高度异常产品与当日沿轨资料的均方误差。2012年全年平均, OI-SAT、OI产品在中国近海与沿轨资料的均方根误差均为3.5 cm, 而AVISO产品在中国近海与沿轨资料的均方根误差为3.9 cm, 如图3a。因而新产生的OI产品更接近沿轨资料, 将误差降低了10.3%。同时可看出, 与沿轨资料相比, OI与OI-SAT产品几乎没有差别, 这说明融合测潮站与卫星资料后, 测潮站资料的影响集中在站点附近。

图3b为产生OI产品所使用3颗卫星沿轨资料总量。由图可知1月6日~2月16日沿轨资料总量波动较大, 资料总量在2400~6000之间变动。而2月17日~2月28日、3月4日~5月7日Jason-1卫星沿轨资料缺失, 所以沿轨资料总量维持在3 000左右。5月8日~12月26日沿轨资料总量维持在5 000左右。总体来说, 1月6日~5月7日沿轨资料总量维持在3 000左右, 而5月8日~12月26日沿轨资料总量维持在5 000左右。

比较图3a和图3b, 可以注意到沿轨资料数量会影响OI产品的质量。1月6日~5月7日, 本研究所产生的新产品(OI-SAT、OI)与沿轨资料的平均均方根误差为3.81 cm, AVISO与沿轨资料的平均均方根误差为3.95 cm(图3a); 新产品将误差降低了3.54%, 此时段内每天所用资料点个数约为3 840(图3b)。而5月8日~12月26日, 新产品及AVISO与沿轨资料的平均均方根误差分别为3.33, 3.87 cm(图3a); 新产品将误差降低了13.95%, 此时段内每天所用资料点个数约为4 996(图3b)。这表明, 沿轨资料的数量对新产品质量有一定影响, 所用资料越多新产品OI与沿轨资料越接近。

2.2 24个独立测潮站资料与AVISO、OI-SAT及OI产品比较

本研究产生的OI产品融合了夏威夷大学海平面资料中心提供的25个测潮站的观测资料。为了更好地说明新产品的质量, 将AVISO、OI-SAT及OI产品插值到独立的24个测潮站站点上, 与测潮站资料进行对比。AVISO产品与24个测潮站观测资料的平均均方根误差为11.19 cm(图4a), OI-SAT产品与测潮站观测资料平均均方根误差为10.17 cm(图4b), 将误差降低了9.12%。而OI产品与测潮站观测资料平均均方根误差为10.09 cm(图4c), 与AVISO相比将误差降低了9.83%。所以, 新产生的OI-SAT、OI产品更接近于测潮站观测资料, 融合了测潮站资料的OI产品相对于AVISO产品更接近测潮站资料。

（1）将配置好的黑色橡胶混合料运至摊铺区域，开始人工摊铺，控制好摊铺速度，以确保塑胶面层的密实度和平整度，将搅拌好的黑色橡胶颗粒用送料车送到铺设地点，用刮尺摊铺，均匀摊平。

2012年逐日比较也表明海面高度异常产品与测潮站资料的接近程度有明显的不同(图5)。AVISO产品与测潮站资料区别最大, 2012年平均均方根误差为11.35 cm, 当融合所有卫星沿轨资料后, OI-SAT 产品与测潮站资料的年平均均方根误差降为10.31 cm, 将卫星沿轨资料与测潮站资料融合后, OI产品与测潮站资料的年平均均方根误差为10.26 cm。这表明新的中国近海海面高度异常产品OI更加接近于测潮站资料, 减小了与测潮站观测资料间的误差。

当把所有49个测潮站资料与3颗卫星沿轨资料融合后, 规则网格点海面高度异常产品与测潮站资料的平均均方根误差进一步降低为5.57 cm。

3 结论

本研究融合了2012年中国近海海域3颗卫星的所有沿轨海面高度异常资料及25个测潮站的资料, 尝试产生一份新的规则网格点上的资料产品, 并使用AVISO产品、沿轨资料、及独立的测潮站资料对新产品进行了系统性的评价。结论如下:

1) 与AVISO产品相比, 融合3颗卫星所有沿轨资料及测潮站资料的新产品OI更加接近沿轨资料, 将误差降低了10.03%。是否融合测潮站资料对海面高度资料产品与沿轨资料的比较没有显著的影响, 这应该与测潮站资料的数量在融合过程中只占很小的比例有关。

2) 与测潮站资料相比, AVISO产品与测潮站资料的区别最明显。融合3颗卫星所有沿轨资料的产品OI-SAT更接近测潮站观测。融合3颗卫星所有沿轨资料及测潮站资料的新产品OI最接近测潮站资料,与AVISO产品相比将误差降低了9.6%。

3) 融合中使用沿轨资料的数量会对新产品OI质量产生一定的影响, 当使用的沿轨资料越多时, 新产品OI越接近沿轨资料。

本研究中, 针对中国近海的卫星海面高度异常资料与测潮站观测的再处理及最优融合尚属首次, 在融合过程中仍存在一定不足。在产生海面高度异常观测资料时, 测潮站资料采用2012年观测的平均值作为该站的平均海平面, 这与产生卫星沿轨海面高度异常时所用平均海面高度(比如AVISO资料集MSS_CNES_CLS2011)不同, 但目前将MSS_CNES_ CLS2011插值到测潮站产生的误差将更大。目前对于此问题仍没有统一的解决方案, 我们期待未来有更好的处理方式。

致谢: 毛龙江教授对本文初稿提出了有益建议。CryoSat-2、Jason-1、Jason-2卫星沿轨数据及AVISO网格点数据来源于法国空间局国家空间研究中心(CNES); 测潮站数据来源于夏威夷大学海平面资料中心(UHSLC); 两位审稿专家及编辑为本文修改提出了有益建议, 在此表示感谢。

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Sea level anomaly reprocessing for Chinese coastal region

CHEN Ya-fei1, 2, WANG Xiao-chun1, 2, LIU Yi-min3

(1. School of Marine Sciences, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China; 2. Jiangsu Engineering Technology Research Center of Marine Environment Detection, Nanjing 210044, China; 3. LASG, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)Received：Aug. 8, 2015

sea level anomaly; Chinese coastal region; reprocessing; altimetry; AVISO(Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data); tide gauge station

Research on reprocessing of satellite level anomalies have mainly focused on European and US coastal regions and to date no studies have been based on satellite sea surface height observations for the Chinese coastal region. Only 50% or 33% of along-track data were used when generating the AVISO(Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data) 0.25 degree global sea level anomaly product, which caused certain restrictions in the regional application of the product. This study aims to use an optimal interpolation method with three satellite along-track observations and 25 tide gauge station observations to generate a new sea level anomaly product for the Chinese coastal region. The spatial resolution of the new data product is still 0.25 degrees, but in this study, all along-track observations from three satellites (Jason-1, Jason-2, and CryoSat-2) and 25 tide gauge stations are used. Our method is validated using data from 2012, and the domain of the new data product is 10°S~50°N and 90°E~160°E. The new data product is also validated using the AVISO product, along-track observations, and tidal gauge observations, and the analysis indicates that it is closer not only to along-track satellite observations but also to tide gauge station observations. In comparison with the AVISO product, the root mean square error (RMSE) between the new product and along-track satellite observations is reduced by 10.03%, and the RMSE between the new product and tidal gauge observations is reduced by 9.6%.

P72

A

1000-3096(2016)07-0000-09

10.11759/hykx20150818001

2015-08-18;

2016-02-17;

国家自然科学基金委项目(41328006); 南京信息工程大学启动经费项目(S8113046001); 2015江苏双创团队; 江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No. 41328006; Nanjing University of Information Science and Technology Faculty Startup Fund, No. S8113046001; Program for Innovation Research and Entrepreneurship Team in Jiangsu Province 2015; the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (PAPD)]

陈亚飞(1990-), 男, 河南孟州人, 硕士, 研究方向为区域海洋数值模拟, E-mail: yafei.chen@aliyun.com; 王晓春,通信作者, 教授, 研究方向为海气相互作用及预报, 区域海洋数值模拟及预报, E-mail: xcwang@nuist.edu.cn

(本文编辑: 李晓燕)