一種基于HY-2衛星數據的多載荷聯合海流反演算法研究

張　潔，鄒　斌，馮　倩（.國家衛星海洋應用中心，北京0008；2.國家海洋環境預報中心，北京0008）

一種基于HY-2衛星數據的多載荷聯合海流反演算法研究

張潔1，2，鄒斌1，馮倩1
（1.國家衛星海洋應用中心，北京100081；2.國家海洋環境預報中心，北京100081）

基于長時間序列的多載荷HY-2衛星資料，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學方法。將由動力模型算法得到的基于海洋二號衛星數據的反演海流結果和OSCAR海流數據產品進行對比驗證。結果表明在近赤道處較差，中高緯地區較好。兩種算法標準差在近赤道處達到0.30 m/s，在中高緯地區為0.05 m/s到0.10 m/s。

HY-2；OSCAR；海流；反演

1　引言

傳統的測量方法依賴于海上作業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，因此實現海流流速與流向的準確反演具有重要意義。隨著衛星海洋遙感手段的出現，海流觀測在實時性以及大尺度觀測上得到重要突破。

傳統反演海流算法將海表流速分為兩個部分：地轉流速和Ekman流速，分別通過海面高度異常和海面風場數據獲得地轉流速和Ekman流速，二者相加得到海表流速。地轉流通過地轉平衡關系獲取，但是在赤道處，由于地轉平衡關系不再適用，所以赤道處的海流反演一直是學者們研究的重點。McPhaden得出赤道β平面地轉近似（f=βy，β=2.3× 10-11m/s）通過對海面動力高度的y二階偏導數計算近赤道區域的地轉流流速和觀測數據能夠較好的吻合［1］。1989年Picaut等研究表明觀測噪音對地轉的微小偏移都會對近赤道區域結果產生很大影響，為了減小這個影響，加入一個修正項O（y2）來平滑結果［2］。1997年，Meurs等在15 m處Ekman流速和表面風應力之間構建了兩個參數的回歸模型［3］。2002年，Bonjean在傳統算法的基礎上，加入溫度梯度對表層海流產生的斜壓流，反演得到海流，該種算法即為OSCAR海流算法［4］。HY-2衛星是中國海洋動力環境探測系列衛星的首顆衛星，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據。本文基于海洋二號（HY-2）數據驗證了OCSAR算法應用，為今后基于OSCAR算法利用HY-2衛星數據反演海流打下了基礎。

2　數據采集及預處理

2.1海面動力高度數據采集及預處理

研究所需高度計數據由國家衛星海洋應用中心提供，海面高度二級數據產品為已經過海陸標識和質量控制后的產品數據。采用Evensen等［5］提出的海面動力高度網格化選點范圍設置，赤道到15°N和15°S，沿經線向為250 km，緯線圈方向50+；緯度高于15°N和15°S的，沿經線方向與緯線圈方向都為

2.2海面風場數據采集及預處理

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

2.3海表溫度場數據采集及預處理

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

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、壓力梯度和風應力，因此為了準確反演海流流速不應只考慮上述的地轉流和風生流，還要加入海表溫度梯度產生的斜壓流［4］。由塊體公式計算得到風應力，其中拖曳系數的設定采用Large等［7］提出的計算方案。采用Santiago-Mandujano等的經驗模型得到渦動粘性系數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→。

上式結合經典熱成風方程［9］fU˙=i?θ轉化為：

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）轉化為：

選擇yn=-ys=8°，M≈0.75×Ny，Ny是緯度數。緯度數取決于原始數據網格化尺度，OSCAR為1°，所以緯度數為12。

4　結果對比

4.1 OSCAR數據獲取

將反演得到的海流產品和OSCAR海流產品進行對比驗證。OSCAR反演海流產品可以從OSCAR官網（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°。原始數據包括SSH、W和SST。本文主要采用1°網格化未濾波數據，經緯度設定為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，分析地區設定為20°N—20°S。采用對比統計量中的偏差進行評估（見圖2）。發現偏差的絕對值大體上呈現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。

按緯度計算標準差（見圖3），發現當緯度大于10°時，u速度和v速度的標準差處于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據的誤差。赤道處的u速度和v速度的標準差逐漸增大到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標準差

5　總結和討論

本文完成了對基于HY-2衛星數據的多載荷聯合海流反演算法的初步研究。在本文基礎上，海表流速數據處理技術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高度計數據、散射計數據和海表溫度數據的篩選和網格化方法需要改進，在本文中只考慮了空間加權法，沒有考慮時間的影響。本文實驗結果在赤道處海流反演差異較大，由于高度計近岸數據質量不穩定，可考慮加入數值模式進行聯合反演，同時在HY-2號衛星數據的基礎上融合其他衛星數據，填補空白區域。

［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.星載微波散射計數據和數值模式產品海面風場混合分析研究［D］.北京:國家海洋環境預報研究中心，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.，Firing，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.數學物理方法［M］.北京:電子工業出版社，1990.

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

ZHANG Jie1，2，ZOU Bin1，FENG 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）；國家發改委高技術產業化項目（［2012］2083）；國家海洋局海洋公益性行業科研專項（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