韓偉孝，楊俊鋼*，王際朝

(1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；2. 中國石油大學(華東) 理學院，山東 青島 266580)

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基于浮標數(shù)據(jù)的衛(wèi)星雷達高度計海浪波高數(shù)據(jù)評價與校正

韓偉孝1，楊俊鋼1*，王際朝2

(1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；2. 中國石油大學(華東) 理學院，山東 青島 266580)

衛(wèi)星雷達高度計是海浪有效波高(significant wave height， SWH)觀測的重要手段之一，本文利用時空匹配方法對T/P、Jason-1、Envisat、Jason-2、Cryosat-2和HY-2A共6顆衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)與NDBC(National Data Buoy Center， NDBC)浮標SWH數(shù)據(jù)進行對比驗證，并對雷達高度計SWH數(shù)據(jù)進行校正。全部衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)時間跨度為1992年9月25日到2015年9月1日，對比驗證NDBC浮標共53個，包括7個大洋浮標。精度評價發(fā)現(xiàn)除T/P外，各衛(wèi)星雷達高度計SWH的RMSE都在0.4～0.5 m之間，經(jīng)過校正后，RMSE都有顯著下降，下降程度最大為13.82%；對于大洋浮標，評價結(jié)果RMSE在0.20～0.28 m之間，結(jié)果明顯優(yōu)于全部NDBC浮標的精度評價結(jié)果；HY-2A衛(wèi)星雷達高度計SWH在經(jīng)過校正后數(shù)據(jù)質(zhì)量與國外其他5顆衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)質(zhì)量差異較小。

有效波高；HY-2A；雷達高度計；浮標；評價；校正

1 引言

海浪是發(fā)生在海洋中的一種波動現(xiàn)象，可分為風浪、涌浪和近岸浪3種，通常情況下，海浪是指由風產(chǎn)生的波動，描述海浪特征的主要參數(shù)之一是海浪有效波高(significant wave height， SWH)，它是海洋研究和海洋環(huán)境預(yù)報的重要特征。海浪觀測對風生浪物理過程的理解、驗證海浪和其他海洋過程模型、海浪氣候調(diào)查等多種目的具有重要作用，其中海浪氣候調(diào)查已經(jīng)對船舶運輸和遠洋海洋工程產(chǎn)生了深遠的影響[1]。

長時間序列、穩(wěn)定連續(xù)的SWH數(shù)據(jù)對評估全球海浪波高變化很有必要，由于海浪現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)主要來源于船舶和浮標，數(shù)據(jù)測量覆蓋度不高，測量成本昂貴。通常地，全球海浪SWH數(shù)據(jù)一般來源于數(shù)值模式和衛(wèi)星雷達高度計的觀測。在20世紀70年代，SWH的全球監(jiān)測變成了現(xiàn)實，基于衛(wèi)星觀測產(chǎn)生了第一本SWH圖集[2]，這給海浪波高的評估帶來了全球視角[3]。隨著衛(wèi)星雷達高度計的發(fā)展，主要航天大國相繼發(fā)射了多顆雷達高度計衛(wèi)星，包括Seasat(1978)、Geosat(1985-1990)、Topex/Poseidon(T/P)(1992-2005)、ERS-1(1991-2000)、ERS-2(1995-2011)、Envisat(2002-2012)、Jason-1(2002-2013)、Jason-2(2008至今)、Cryosat-2 (2010至今)、HY-2A(2011至今)和SARAL/AltiKa(2013至今)[4]。

應(yīng)用衛(wèi)星雷達高度計研究各種海洋現(xiàn)象已變得相當成熟，主要用于監(jiān)測雷達高度計數(shù)據(jù)在流場和大尺度模型中的應(yīng)用[5—7]、研究海岸動力學過程[8]、與模式結(jié)果做對比驗證[9]、調(diào)查海表面高度的不斷變化[10]。具有高精度的衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)在海洋海浪研究中扮演著關(guān)鍵性的作用，因此對其開展精度評價與校正的研究工作具有重要的意義。國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)的驗證和校正方面的研究。Young在評價Geosat衛(wèi)星雷達高度計SWH的基礎(chǔ)上，對全球海浪SWH做了統(tǒng)計分析，得出南大洋存在常年的高海況，北大西洋存在季節(jié)性的海況，并且均出現(xiàn)在50°N和50°S的高緯地區(qū)[11]；Janssen等應(yīng)用三重匹配方法對浮標、Envisat、ERS-2和ECMWF波浪模型的誤差做了評價，其誤差分別為8.2%、6.1%、6.4%、4.9%，得出Envisat衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)質(zhì)量可佳[12]；Li和Holt利用Envisat和浮標觀測對12 km高分辨率的NAEW海浪模型做了精度驗證，其RMSE(root mean square error， RMSE)分別是0.645 m和0.605 m，相關(guān)系數(shù)R(correlation coefficient，R)是0.880和0.915，得到NAEW海浪模型SWH與Envisat衛(wèi)星雷達高度計和浮標觀測結(jié)果一致的結(jié)論[13]；Zieger等使用美國國家海洋數(shù)據(jù)中心(National Oceanographic Data Center， NODC)浮標對23年的衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)做了驗證，其RMSE均小于0.250 m，并利用校正方程修正雷達高度計SWH數(shù)據(jù)[14]；Gower對T/P衛(wèi)星雷達高度計在太平洋海域SWH數(shù)據(jù)做了精度驗證分析，得到RMSE平均處在0.30～0.35 m之間[15]；Korobkin和D’Sa選用30 min時間窗口驗證Jason-1衛(wèi)星雷達高度計Ku波段SWH與位于墨西哥灣的NDBC浮標波高數(shù)據(jù)，得到RMSE處在0.17～0.30 m之內(nèi)[16]；Durrant等選用30 min時間窗口和50 km空間窗口匹配方法對4年的Jason-1 SWH數(shù)據(jù)和3年的Envisat SWH數(shù)據(jù)做了驗證，分別與浮標SWH數(shù)據(jù)匹配得到3 452個和2 157個匹配點，其RMSE分別是0.227 m和0.219 m，結(jié)果顯示Jason-1與Envisat SWH數(shù)據(jù)質(zhì)量接近[1]；Li和Holt使用4個浮標和Envisat RA2及其ASAR海浪觀測對模式進行驗證，得出他們與模式結(jié)果一致的結(jié)論[13]；Abdalla等對Jason-2 OGDR(Operational Geophysical Data Record， OGDR)風場和海浪數(shù)據(jù)產(chǎn)品用于監(jiān)測、驗證和同化做了詳細分析，得到SWH與模型和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相一致，其數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)于Jason-1，與Envisat數(shù)據(jù)質(zhì)量相差無幾[17]；Sepulveda等應(yīng)用浮標、Jason-2和Cryosat-2對SARAL/AltiKa海浪SWH測量做了評估，得出其沿軌數(shù)據(jù)質(zhì)量較好及其結(jié)果在大洋比在近海要好[18]；Wang等使用時空尺度為30 min、50 km的匹配方法，基于NDBC浮標數(shù)據(jù)對HY-2A雷達高度計SWH測量進行驗證分析，得到其RMSE為0.297 m[19]；徐廣珺等利用反距離加權(quán)法根據(jù)不同的方案融合得到2011年10月1日至2012年3月8日HY-2A和Jason-1/2，Envisat衛(wèi)星雷達高度計的10 d平均波高，借助NDBC浮標對其驗證比較，結(jié)果表明，不同的融合結(jié)果均可以很好地反映海洋表面的真實情況，HY-2A在多源衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)融合中可以與其他衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)發(fā)揮一樣的作用[20]；徐廣珺等利用Jason-1、Jason-2和浮標數(shù)據(jù)對HY-2A衛(wèi)星雷達高度計有效波高做了驗證和校準，結(jié)果表明存在0.3～0.4 m的誤差，校準后的數(shù)據(jù)能夠更好地反映海面真實狀況[21]；徐圓等以浮標為基準，對國內(nèi)的HY-2A和國外的T/P、GFO、Jason-1、Envisat、Jason-2、Cryosat-2共7顆衛(wèi)星雷達高度計的海面風速數(shù)據(jù)進行了校準與驗證，給出了海面風速校準公式，結(jié)果表明經(jīng)過校準后，與浮標海面風速差異的均值和均方根都有所降低，其中HY-2A最為顯著，風速差異的均值都在±0.2 m/s以內(nèi)[22]；Ye 等使用同樣的方法對2011年10月1日至2014年9月30日的HY-2A SWH數(shù)據(jù)對比驗證，得到其RMSE為0.38 m，同時與Jason-2交叉驗證得到其RMSE為0.36 m[23]，Park等利用韓國周邊海域4個浮標對1992-2013年的T/P、Jason-1、Envisat和Jason-2四顆衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)進行了近海SWH精度誤差分析，得到其RMSE為0.20～0.21 m[24]。

在以上的研究中，大多都是針對單獨衛(wèi)星雷達高度計SWH的驗證分析，研究的空間范圍主要集中在近海和大洋，時間跨度最長的單顆衛(wèi)星運行時間為10 a左右，而對于長時間序列的多顆衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)同步對比驗證的研究工作很少，系統(tǒng)地對長時間序列的多星近海海域及大洋海域SWH數(shù)據(jù)精度評價顯得尤為重要，尤其是與國內(nèi)HY-2A衛(wèi)星雷達高度計聯(lián)合的精度評估更是受到各方關(guān)注。

本文研究目的在于全面評價1992-2015年24 a長時間序列的6顆衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)的精度；分析大洋海域與近海海域衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)測量精度的差異；比較國內(nèi)HY-2A衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)與國外5顆衛(wèi)星雷達高度計SWH的數(shù)據(jù)質(zhì)量；在精度評價的基礎(chǔ)上對衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)進行修正并提高SWH數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量。

2 數(shù)據(jù)源

2.1 雷達高度計數(shù)據(jù)

國內(nèi)外的雷達高度計SWH數(shù)據(jù)都是從地球物理數(shù)據(jù)(Geophysical Data Records，GDR)產(chǎn)品中獲取，數(shù)據(jù)來自于各個國家空間機構(gòu)。研究中使用的各雷達高度計衛(wèi)星的主要信息見表1，其中HY-2A是我國發(fā)射的第一顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，它的在軌運行填補了國內(nèi)海洋動力環(huán)境衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)觀測的空白，成為國際對地觀測體系中的重要數(shù)據(jù)源。表1中詳細列出了6顆衛(wèi)星雷達高度計觀測的數(shù)據(jù)時段，其中T/P、Jason-1和Envisat提供了在軌運行期間的全部SWH數(shù)據(jù)；Cryosat-2數(shù)據(jù)截至2014年9月12日；Jason-2數(shù)據(jù)截至2015年9月1日；HY-2A數(shù)據(jù)截止到2015年8月16日。

表1 衛(wèi)星雷達高度計的基本信息表

2.2 浮標數(shù)據(jù)

本文所用浮標是美國國家海洋大氣署(National Oceanic and Atmosphere Administration， NOAA)的NDBC浮標。由于陸地污染、近岸淺水的影響，衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)在近岸50 km之內(nèi)測量結(jié)果存在很大的誤差，根據(jù)NDBC浮標站點的位置選擇出距離海岸大于50 km的53個浮標用于此次研究。根據(jù)大陸架劃界原則，大陸架是大陸向海洋的自然延伸，是陸地的一部分，《聯(lián)合國海洋法公約》中規(guī)定，如果從測算領(lǐng)海寬度的基線起，到大陸邊緣外界不到200海里，陸架寬度可擴展到200海里；如果到大陸邊緣超過200海里，則最多可擴展到350海里，這里自然的大陸架常取值為200海里，考慮到有部分大陸架可以擴展延伸至350海里以外，則在自然的大陸架200海里基礎(chǔ)上再延伸最多擴展的150海里的一半75海里，得到275海里(509.3 km)作為考慮了部分擴展延伸大陸架的大陸架范圍，方便起見，將509.3 km化整為500 km作為界定近海和大洋的限制條件。浮標詳細信息如表2，大部分浮標距離海岸的距離都處在500 km以內(nèi)，將其稱為近海浮標，只有7個浮標與海岸的距離超過500 km，我們將其稱為大洋浮標(表2中浮標號右上角為三角形)。雷達高度計測量海面SWH的數(shù)據(jù)質(zhì)量與該位置點距離海岸的距離呈負相關(guān)性[4]，利用全部NDBC浮標和大洋NDBC浮標有區(qū)別地驗證衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)，提高了其精度驗證評價的客觀性。圖1顯示了包括大洋浮標(三角形表示)在內(nèi)的53個NDBC浮標在海洋中的具體位置，浮標主要分布在阿留申群島、阿拉斯加灣、夏威夷群島、美國本土西海岸、墨西哥灣、加勒比海、美國本土東海岸7大海域，7個大洋浮標有3個位于太平洋，4個位于大西洋。

表2 浮標基本信息表

續(xù)表2

注：表中經(jīng)度表示范圍為0°～360°E。

圖1 NDBC浮標位置示意圖Fig.1 Locations of NDBC buoys

3 方法

3.1 浮標數(shù)據(jù)預(yù)處理

在衛(wèi)星數(shù)據(jù)和浮標數(shù)據(jù)匹配之前，需要采取以下步驟對浮標數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，如圖2所示。首先，判斷波高數(shù)據(jù)是否處于正常波高數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)，設(shè)置上限范圍Threshold1(25 m)，若波高大于Threshold1，則認為它為異常值應(yīng)當予以剔除；其次，判斷時間處于2 h之內(nèi)的當前波高與前一波高之間的差是否大于Threshold2(10 m)，若差大于Threshold2，則剔除當前波高值；最后，平均前兩步校正得到的長時間序列的正常波高值，得到該海區(qū)多年的氣候態(tài)波高值SWHclimate，每一特定海區(qū)的波高應(yīng)在其海域氣候態(tài)波高值SWHclimate周圍變化，并且不會超過變化界值Threshold3(9 m)，剔除波高處于海區(qū)正常區(qū)間[SWHclimate-Threshold3，SWHclimate+Threshold3]之外的波高值，浮標數(shù)據(jù)經(jīng)過以上3步處理后認為它可以用于對比驗證浮標數(shù)據(jù)[24]，最后選取SWH數(shù)據(jù)處在0～8 m波高范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)用于驗證衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)。

圖2 浮標數(shù)據(jù)處理流程Fig.2 Processing procedure of buoy data

3.2 衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)預(yù)處理

隨著衛(wèi)星雷達高度計技術(shù)的發(fā)展，其數(shù)據(jù)已經(jīng)達到了一定的精度，在各個網(wǎng)站上用戶可以很方便地得到它的數(shù)據(jù)，雖然每種數(shù)據(jù)都有其質(zhì)量控制標志，但是數(shù)據(jù)在質(zhì)量控制處理過后其數(shù)值仍然存在不少異常值，這些異常數(shù)值常常影響整個衛(wèi)星數(shù)據(jù)的精度評價結(jié)果，因此在衛(wèi)星數(shù)據(jù)評價之前，必須對衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)做適當?shù)馁|(zhì)量控制，其處理流程和浮標數(shù)據(jù)處理過程極為相似，處理流程如圖3所示。首先，依據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量控制、海陸、降雨、海冰標志數(shù)據(jù)剔除質(zhì)量不合格、處于陸地、降雨、海冰條件下的數(shù)據(jù)；其次，監(jiān)測SWH數(shù)據(jù)是否處于正常波高數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)，設(shè)置上限范圍Threshold1(25 m)，若波高大于Threshold1，則認為它為異常值應(yīng)當予以剔除；最后，由于海浪波高變化具有連續(xù)性，兩相鄰記錄波高之間的波高變化差別不應(yīng)很大，判斷時間差在2 s之內(nèi)的當前波高與前一波高之差是否大于Threshold2(10 m)，若差大于Threshold2，則剔除當前波高值，經(jīng)過上面3步預(yù)處理得到合格的衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)，選取SWH數(shù)據(jù)處在0～8 m波高范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)用于與浮標數(shù)據(jù)對比驗證。

圖3 衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Processing procedure of satellite radar altimeter data

3.3 匹配方法

匹配驗證衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)和浮標波高數(shù)據(jù)比較復雜，雖然浮標位置固定不變，波高數(shù)據(jù)只隨時間變化，但由于衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)在時間和空間上變化，為了獲得同步的衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實測浮標數(shù)據(jù)進行對比驗證，在驗證研究中使用了許多匹配處理方法，如最小二乘回歸(ordinary least squares， OLS)、正交回歸和主成分回歸[1，23，25—26]，Monaldo建議使用時間窗口為30 min、空間窗口為50 km的匹配準則[27]，本文也采取這一匹配準則。匹配流程如圖4所示，首先，根據(jù)浮標站點經(jīng)緯度位置信息對衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)進行空間匹配，匹配窗口選擇50 km，如圖5所示，顯示不同時間衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)記錄位置信息和浮標位置信息空間匹配結(jié)果，匹配得到衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)位置與對應(yīng)浮標站點位置的空間匹配結(jié)果；接著，對匹配得到的衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)做3.1中對浮標數(shù)據(jù)做的海區(qū)處理，認為處于該海區(qū)的衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)應(yīng)處在該海區(qū)氣候波高范圍之內(nèi)，即SWH在[SWHclimate-Threshold3，SWHclimate+Threshold3]之內(nèi)，對處于氣候波高范圍之外的數(shù)據(jù)點應(yīng)予以剔除；最后，對海區(qū)處理過后的衛(wèi)星雷達高度計空間匹配數(shù)據(jù)與長時間序列的浮標站點數(shù)據(jù)做時間匹配，選擇時間窗口為30 min，得到時間匹配結(jié)果。由于每一浮標站點每一記錄在空間范圍50 km、時間范圍30 min之內(nèi)都會匹配到多個衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)記錄，因此其匹配結(jié)果都會出現(xiàn)多個衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)對應(yīng)一個浮標站點波高數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，為使其匹配結(jié)果準確，對多個衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)做平均，使其匹配結(jié)果為一個衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)對應(yīng)一個浮標站點波高數(shù)據(jù)。

圖4 匹配流程圖Fig.4 Flowchart of collocation procedure

3.4 精度評價方法

本文使用偏差(bias)、均方根誤差(rootmean square error，RMSE)、相關(guān)系數(shù)(correlation coefficient，R)和散度(scatter index，SI)對匹配結(jié)果做詳細的評價，它們的定義如下所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

3.5 線性回歸方法

認為浮標數(shù)據(jù)是準確的，使用浮標數(shù)據(jù)對衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)做回歸分析。首先，將衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)作為自變量，浮標波高數(shù)據(jù)作為因變量，應(yīng)用最小二乘回歸方程(5)得到回歸系數(shù)α和β；其次，應(yīng)用得到的回歸方程(5)對衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)做線性回歸校正。

(5)

式中，α和β是回歸系數(shù)，xi是待校準的衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)值，yi是校準后認為準確的衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)值。

4 結(jié)果和討論

4.1 衛(wèi)星雷達高度計與NDBC浮標對比驗證

6顆衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)與53個NDBC浮標站點波高數(shù)據(jù)時空匹配結(jié)果見表3和圖6，Jason-2得到匹配點最多為6 211個，T/P最少為1 401個，匹配點數(shù)目存在差異的主要因素是衛(wèi)星雷達高度計重復周期和浮標數(shù)據(jù)記錄時間長短的不同?？梢钥吹叫l(wèi)星雷達高度計與浮標匹配驗證結(jié)果RMSE都處在區(qū)間[0.251，0.487] m之內(nèi)，小于0.5 m，其中T/P最小為0.251 m，跨進了0.3 m的門檻，其他5顆衛(wèi)星都在0.4 m的水平，Jason-1最大為0.487 m，其他衛(wèi)星的匹配結(jié)果RMSE介于這兩者之間，精度評價結(jié)果為：T/P>Envisat>Cryosat-2>Jason-2>HY-2A>Jason-1；對相關(guān)系數(shù)R這一評價指標而言，6顆衛(wèi)星的匹配結(jié)果都超過了0.8，Jason-2最小為0.805，最大的是T/P高達0.936。

圖5 衛(wèi)星雷達高度計和浮標站點空間匹配示意圖Fig.5 Space collocation of satellite radar altimeter and buoy

統(tǒng)計參數(shù)衛(wèi)星均方根誤差/m相關(guān)系數(shù)散度偏差/m匹配浮標數(shù)目/個匹配點數(shù)目/個T/P02505509361501853600521891401Jason-1048656081435032165004753495804Envisat042115081282029261008665534156Jason-204564080517028635004596396211Cryosat-2045456087058023417021847532652HY-2A046734084006026131-009967432379

圖6 衛(wèi)星雷達高度計與浮標匹配散點圖和對應(yīng)的匹配點數(shù)分布圖(一)

圖6 衛(wèi)星雷達高度計與浮標匹配散點圖和對應(yīng)的匹配點數(shù)分布圖(二)Fig.6 Scatter plot comparisons of satellite radar altimeters and buoys and its’ distributed plot of number

4.2 校正的衛(wèi)星雷達高度計與NDBC浮標對比驗證

應(yīng)用最小二乘(Ordinary Least Squares，OLS)回歸方法得到每顆衛(wèi)星雷達高度計SWH的回歸方程，其方程系數(shù)見表4中α,β兩列，對每顆衛(wèi)星雷達高度計SWH數(shù)據(jù)校正后得到驗證結(jié)果如圖7所示，從圖中可以明顯地觀察到所有的匹配點都比較均勻地分布于回歸曲線周圍，結(jié)合表4數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，精度評價結(jié)果為：T/P>Cryosat-2>Envisat>Jason-2>HY-2A>Jason-1，在所有的衛(wèi)星雷達高度計中，唯獨T/P雷達高度計SWH經(jīng)過線性回歸方程校正后RMSE反而增大，而其他的RMSE都明顯地減小，并且減小程度都大于Envisat衛(wèi)星雷達高度計的4.84%，說明對于T/P雷達高度計SWH可以不使用線性回歸方程校正，其他5顆衛(wèi)星雷達高度計SWH很有必要使用線性回歸方程校正。

4.3 衛(wèi)星雷達高度計與大洋NDBC浮標對比驗證

在表2中得到7個距離海岸大于500 km的大洋浮標，由于衛(wèi)星雷達高度計觀測得到的SWH數(shù)據(jù)精度在大洋海區(qū)和近海海區(qū)存在明顯的差異，在此特別關(guān)注距離海岸500 km以外的大洋浮標與衛(wèi)星雷達高度計的對比驗證，經(jīng)過同樣的時空匹配處理得到匹配結(jié)果如圖8所示，經(jīng)過最小二乘方法得到回歸方程，校正后的匹配點數(shù)據(jù)分布很集中，并且匹配點數(shù)值基本集中在區(qū)間[1，3] m之內(nèi)，Cryosat-2和HY-2A匹配點數(shù)據(jù)范圍較大，T/P匹配點很少，不能很好地反映匹配結(jié)果和回歸曲線擬合結(jié)果，其他5顆衛(wèi)星雷達高度計與大洋NDBC浮標的匹配結(jié)果比較好，結(jié)合表5衛(wèi)星雷達高度計與大洋NDBC浮標匹配結(jié)果發(fā)現(xiàn)，6顆衛(wèi)星雷達高度計匹配結(jié)果RMSE都進入0.3 m，Jason-2最小為0.202 m，Jason-1最大為0.282 m，精度評價結(jié)果為：Jason-2>Envisat>Cryosat-2>HY-2A>T/P>Jason-1；對于相關(guān)系數(shù)R，只有T/P很小為0.526，其他5顆衛(wèi)星中Envisat最小，其值為0.832，Cryosat-2最大為0.927，HY-2A次之為0.904。

圖7 線性回歸衛(wèi)星雷達高度計與浮標匹配散點圖(紅線為回歸曲線，藍線為45°對角線)Fig.7 Scatter plot comparisons of linear regression of satellite radar altimeters and buoys(red line is regression line，blue line is diagonal line of 45 degree)

衛(wèi)星αβ均方根誤差/mRMSE提高程度相關(guān)系數(shù)散度偏差/mT/P0917600946025242-075%093615018924003354Jason-10794102722045506647%081435030228-000003Envisat0853301326040077484%081282028454-000009Jason-20808602664043231528%080517027262000005Cryosat-209038-003380391741382%087058023013-000011HY-2A0938202014045423281%084006025996-000010

圖8 最小二乘法回歸后衛(wèi)星雷達高度計與大洋NDBC浮標匹配散點圖及其對應(yīng)的匹配點數(shù)分布圖(紅線為回歸曲線，藍線為45°對角線)(一)

圖8 最小二乘法回歸后衛(wèi)星雷達高度計與大洋NDBC浮標匹配散點圖及其對應(yīng)的匹配點數(shù)分布圖(紅線為回歸曲線，藍線為45°對角線)(二)Fig.8 Scatter plot comparisons of linear regression of satellite radar altimeters and buoys(red line is regression line， blue line is diagonal line of 45 degree)

圖9 全部NDBC浮標與大洋NDBC浮標RMSE、R對比柱形圖Fig.9 Histogram of RMSE and R comparison of all NDBC buoys and oceanic NDBC buoys

衛(wèi)星αβ均方根誤差/m相關(guān)系數(shù)T/P058280853102763052587Jason-1085170268902819085062Envisat0948200895020951083183Jason-20939601082020206088899Cryosat-208887-00174021197092721HY-2A0996702036025159090415

4.4 大洋NDBC浮標與全部NDBC浮標對比驗證結(jié)果比較

從上面的分析結(jié)果明顯地得到大洋NDBC浮標匹配結(jié)果較好，因此對全部NDBC浮標與大洋NDBC浮標匹配結(jié)果精度評價做定量的對比分析意義重大，對RMSE和R進行對比并對其提高程度做分析得到表6，由圖9得到全部NDBC浮標和大洋NDBC的RMSE分別均小于0.455 m和0.282 m，都在0.455 m紅線以下，除了T/P沒有提高外，其他衛(wèi)星均得到至少38.05%的提高，Jason-2提高程度最大為53.26%；對于相關(guān)系數(shù)R而言，除了T/P對應(yīng)的大洋NDBC浮標為0.526外，其他衛(wèi)星對應(yīng)的大洋NDBC浮標R均不小于0.832紅線，同樣除了T/P沒有提高外，其他衛(wèi)星的均得到至少2.34%的提高，Jason-2提高程度最大為10.41%，HY-2A提高程度次之為7.63%。

5 結(jié)論

使用53個NDBC浮標對比驗證6顆衛(wèi)星T/P、Jason-1、Envisat、Jason-2、Cryosat-2和HY-2A雷達高度計SWH數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)質(zhì)量總體穩(wěn)定、可靠，但每顆衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)質(zhì)量存在差異，對于校正前的數(shù)據(jù)質(zhì)量而言，其數(shù)據(jù)質(zhì)量精度評價結(jié)果為：T/P>Envisat>Cryosat-2>Jason-2>HY-2A>Jason-1，T/P的RMSE是0.251 m，可以不使用校正，但其他衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)很有必要使用本文得到的線性回歸方程對其做相應(yīng)的校正；各衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)經(jīng)過各自最小二乘回歸方程校正后，其數(shù)據(jù)質(zhì)量得到了整體提高，其精度評價結(jié)果則有所不同：T/P>Cryosat-2>Envisat>Jason-2>HY-2A>Jason-1；HY-2A衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)質(zhì)量與國外其他5顆衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)質(zhì)量存在差異，經(jīng)過校正后數(shù)據(jù)質(zhì)量好于Jason-1數(shù)據(jù)質(zhì)量，可以廣泛應(yīng)用；大洋海域(離岸500 km)衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)質(zhì)量普遍高于其他近海及其附近海域衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)質(zhì)量；總體而言，本文研究可以為衛(wèi)星雷達高度計數(shù)據(jù)驗證及其應(yīng)用提供參考。

表6 全部NDBC浮標與大洋NDBC浮標評價結(jié)果RMSE、R對比表

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Calibration and evaluation of satellite radar altimeter wave heights with in situ buoy data

Han Weixiao1，Yang Jungang1，Wang Jichao2

(1.FirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China; 2.CollegeofScience，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

Satellite altimetry is one of the important way to monitor significant wave height， this paper uses space-time matching method comparing SWH data of radar altimeters on board six satellites that are T/P， Jason-1， Envisat， Jason-2， Cryosat-2 and HY-2A with SWH data from NDBC buoys， and calibrates SWH data from radar altimeters. All radar altimeters data are chose from September 25， 1992 to September 1， 2015 for a period of 24 a. Matching result yields 53 NDBC buoys， including 7 oceanic buoys， evaluation of accuracy indicates RMSE between 0.4 m and 0.5 m， except T/P， after calibration， RMSE has significantly decreased， a maximum decline is 13.82%; the evaluation result of RMSE in 0.20-0.28 m for oceanic buoys， the evaluation of accuracy is better than all NDBC buoys; after calibration for SWH， there is a little bias between HY-2A satellite radar altimeter data and other 5 foreign satellite radar altimeter data．

SWH; HY-2A; radar altimeter; buoy; evaluation; calibration

2016-01-12；

2016-03-01。

國家863計劃(2013AA122803)；國家海洋公益性行業(yè)科研專項資助項目(201305032)；國家自然科學基金項目(41406007)；2015年南極環(huán)境綜合考察與評估專項(CHINARE 2015-02-04)。

韓偉孝(1990—)，男，甘肅省蘭州市人，主要從事海洋遙感研究。E-mail：hwx1012010362@163.com

楊俊鋼(1980—)，男，副研究員，主要從事海洋遙感研究。E-mail：yangjg@fio.org.cn

P715.6

A

0253-4193(2016)11-0073-17

韓偉孝， 楊俊鋼， 王際朝. 基于浮標數(shù)據(jù)的衛(wèi)星雷達高度計海浪波高數(shù)據(jù)評價與校正[J]. 海洋學報，2016，36(11):73-89， doi.10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.007

Han Weixiao， Yang Jungang， Wang Jichao. Calibration and evaluation of satellite radar altimeter wave heights withinsitubuoy data[J]. Haiyang Xuebao， 2016， 38(11): 73-89， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.007