HY-2A衛星海面高度數據質量評估

楊光，宋清濤*，蔣興偉，王兆徽

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

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HY-2A衛星海面高度數據質量評估

楊光1，2，宋清濤1，2*，蔣興偉1，2，王兆徽1，2

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

對HY-2A衛星雷達高度計數據進行篩選獲取有效的觀測點，利用HY-2A衛星第18～23周期數據和同時在軌的Jason-2數據進行交叉點選取，對兩顆衛星在交叉點海面高度異常值的差值進行統計與分析，提出了基于交叉點差值統計特征的篩除HY-2A軌道數據方法，評估了HY-2A衛星雷達高度數據質量。結果顯示，HY-2A衛星18～23周期閾值篩選去除的點個數占總海洋觀測點約12%，HY-2A海面高度異常與Jason-2海面高度異常的標準偏差在7.0 cm，數據精度滿足設計精度要求。

HY-2A；雷達高度計；海面高度；HY-2A質量評估

1 引言

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

海面高度衛星觀測對于物理海洋學研究有重要意義，可以提供全球的海洋環流信息[2]，網格化的海面高度異常(sea level anomaly， SLA)數據被廣泛應用于海洋物理過程的分析、模式數據的比對[4]以及模式同化過程[5]等研究中。

對HY-2A衛星海面高度數據質量進行評估是HY-2A衛星海面高度數據應用前的必要環節。當兩顆衛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據作為參考，評估另一顆衛星的數據質量。Le Traon等[6]利用更為可靠的Topex/Poseidon(T/P)高度計對ERS-1的數據進行了質量評估，同時，Faugere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。使用高精度雷達高度計數據進行交叉評估是對新載荷數據質量評估的一個重要方法。

T/P、Jason-1、Jason-2是一系列高精度、進行了交叉定標的高度計衛星，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星任務的參照。本文利用與HY-2A衛星同時在軌的Jason-2衛星海面高度數據，計算二者海面高度異常的全球交叉點差值，剔除HY-2A衛星海面高度數據中的異常軌，對于HY-2A衛星海面高度數據的質量進行評估。

2 數據與方法

2.1 數據選擇與相關參數

選擇了HY-2A衛星第18～23周期約84天(2012年5月26日至2012年8月18日)IGDR數據及對應時間段的Jason-2 GDR-d數據(143～152周期)，對于HY-2A衛星海面高度進行全球數據質量的評估。本文使用的HY-2A衛星沿軌海面高度IGDR數據由國家衛星海洋應用中心(NSOAS)提供，使所用的Jason-2 GDR-d沿軌海面高度數據從法國海洋數據存檔處理中心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面的距離，由于還沒有可靠的、足夠分辨率的大地水準面數據，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為參考橢球面到衛星的距離，range_ku為Ku波段1 Hz回波計算得到的海面到衛星的距離。MSS為平均海面高度，對于Jason系列高度計，經過重復軌道分析[10]，利用多年觀測平均的海面高度(SSH)作為參考值。由于HY-2A衛星沒有長時間序列的觀測數據，無法進行重復軌道分析，HY-2A衛星平均海面高度使用的是CLS01模型結果。∑corrections為雷達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衛星第18～23周期時間段內，HY-2A衛星自帶的微波輻射計進行的濕大氣校正(rad_wet_tropo_corr)數據有不穩定的情況，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 數據篩選

HY-2A衛星雷達高度計在測量海面高度過程中，由于面臨不同的區域環境，不同的天氣狀態，經歷不同的儀器狀態等因素的影響，許多數據點是不可靠的，甚至是錯誤的。通過標識篩選和閾值篩選將不可信的數據點進行去除，標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，對于參數值不在閾值范圍內的點認為該點觀測不可信[11]，從而對不可信觀測數據進行篩除，不參與進一步的分析。如圖1所示，HY-2A衛星雷達高度計每個周期海洋中被篩選點的個數占海洋點的總個數的比例穩定在12%左右，表明在本文所分析的高度計數據中，HY-2A雷達高度計觀測總體穩定可靠。其中，海面距離有效點個數的閾值篩選掉的點個數占海洋觀測點總個數的比例約為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

交叉點是指兩星衛星在一定時間間隔內，對于某空間區域進行重復觀測的位置。由于雷達高度計的采樣特性，其重復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[12]。

首先，對于HY-2A衛星和Jason-2衛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，利用兩個衛星每一軌星下點軌跡的插值結果，選取相同位置點即初步交叉點，記錄兩顆衛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。對于各對應窗口內的數據點用最小二乘法擬合3次樣條函數，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，利用兩顆衛星對應窗口的擬合數據，計算得到精確的交叉點。

3 HY-2A衛星海面高度異常軌去除

交叉點差值是HY-2A衛星與Jason-2衛星在交叉點空間位置的差值，即HY-2A衛星交叉點處海面高度異常值減去Jason-2衛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衛星與Jason-2衛星過交叉點的時間間隔為5 d以內的交叉點[6]。

圖1 HY-2A雷達高度計18～23周期各參數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衛星18～23周期內各軌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衛星18～23周期內各軌HY2-J2標準差分布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衛星每一軌都存在多個與Jason-2衛星的交叉點，平均每一軌的交叉點個數為35個，對于每一軌的HY2-J2進行統計，計算其均值與標準差。

如圖2所示，HY-2A衛星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。對單軌數據分析發現這些交叉點差值(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。本文在數據處理過程中，將沿軌HY2-J2均值落在3倍標準差(3σ)之外的軌確定為異常軌，整軌的數據認為不可靠觀測。

由于第22周期356～386等軌、第23周期1～50等軌HY2-J2的統計值極大幅度表現出異常，本文調整了圖2、圖3中e、f中縱坐標的變化，從而表現出22、23周期第軌HY2-J2的均值、標準差的變化規律，如果剔除了這些極大的異常軌之外，其他軌HY2-J2的均值與標準差將表現出與18～21周期類似的變化規律。

在本文研究的HY-2A高度計數據中，如圖3所示，每一周期都存在HY2-J2標準差明顯異常的軌道觀測，其標準差顯著偏離正常值，說明該軌觀測與Jason-2相比出現劇烈的波動。

另外，HY-2A衛星第20周期17軌HY2-J2的標準差為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非連續的劇烈波動不符合海面連續性變化特征，并非是由于海洋現象的變化造成的，而是數據質量問題。正是由于沿軌海面高度數據的非正常的劇烈變化，使得該軌的HY2-J2同樣劇烈的出現異常波動，其標準差顯著偏大。將每軌HY2-J2的標準差大于15 cm的軌確定為異常軌，認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HY2-J2的均值或標準差異常來確定不可信的軌道，其HY2-J2不參與進一步的質量評估過程。值得指出的是，在HY-2A雷達高度計數據的其他應用中，這些軌的沿軌海面高度數據同樣應該被認為不可信，不應該被使用。

4 結果

去除異常軌之后，統計各周期的HY2-J2落在3倍的標準差(3σ)內的交叉點(有效交叉點)。根據所選周期內的有效交叉點上的HY-2A和Jason-2海面高度觀測數據對HY-2A雷達高度計數據質量進行評估。其中，HY2-J2的標準差為HY-2A衛星與Jason-2之間的標準偏差，HY2-J2的均值為HY-2A衛星與Jason-2之間的相對偏差。

如表2所示，HY-2A衛星與Jason-2之間的標準偏差相對穩定，平均值為7.0 cm，ERS-1與T/P之間的標準偏差約為16 cm[6]。HY-2A衛星海面高度與Jason-2數據一致性較好，數據質量穩定可靠。

表2 HY-2A衛星各周期相與Jason-2的標準偏差和相對偏差

5 結論

HY-2A衛星數據18～23周期閾值篩選掉的觀測點個數占總海洋觀測點約12%，每個周期都有部分軌的數據異常，在使用過程中需要根據HY-2A衛星與Jason-2交叉點差值的統計，將這些異常的數據去除掉。在18～23周期內，HY-2A衛星海面高度與Jason-2表現出良好的一致性，標準偏差平均為7.0 cm，能夠滿足HY-2A衛星測高的精度要求，可以為相關的科學研究提供可信的數據源。本文同時發現，HY-2A雷達高度計IDGR與Jason-2高度計GDR-d之間存在比較穩定的相對偏差，在18～23周期內平均相對偏差為39.60 cm。初步分析結果表明該偏差為系統偏差，在HY-2A海面高度數據使用和后續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衛星標識篩選條件

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，研究方向為衛星高度計數據融合。

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衛星海面高度數據質量評估[J]. 海洋學報， 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