劉治中,楊俊鋼,張杰*,崔偉
(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院,山東 青島 266510;2.自然資源部第一海洋研究所 遙感室,山東 青島 266061)
Jason-3衛(wèi)星高度計是Jason-2高度計的后繼衛(wèi)星高度計,該任務由NOAA(美國國家海洋和大氣管理局)、EUMETSAT(歐洲氣象衛(wèi)星開發(fā)組織)和CNES(法國宇航局)合作開發(fā)。Jason-3高度計采用了與Jason-2高度計相同的軌道設計,其軌道高度為1 336 km,傾角為66°,軌道重訪周期為10 d。Jason-3高度計的任務目標是繼TOPEX/Poseidon、Jason-1和Jason-2高度計之后提供連續(xù)的具有相同精度和空間覆蓋的衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)。衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)可應用于中尺度渦[1]、大洋環(huán)流[2]、海洋潮汐[3]、臺風[4]、海嘯動力學[5]和厄爾尼諾現(xiàn)象[6]等的研究。由于衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、連續(xù)性和一致性對于數(shù)據(jù)在氣候變化預測、海平面上升和海洋環(huán)流等方面有關研究至關重要,因此開展衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)質量評估檢驗尤為重要。已有的衛(wèi)星高度計均開展了相關的數(shù)據(jù)質量評估工作。例如,基于Jason-2數(shù)據(jù)對SARAL高度計的全球質量評估[7-8];Jason-1高度計全球軌道的殘差校準和驗證[9];HY-2A高度計的全球數(shù)據(jù)質量評估[10];法國CNES針對Jason-1、Jason-2、Jason-3和ENVISAT等高度計均按周期提供了高度計數(shù)據(jù)質量報告,為用戶使用數(shù)據(jù)提供參考;Jason-1高度計和Jason-2高度計也已完成全球數(shù)據(jù)質量評估[11-12]。截至目前,自Jason-3高度計發(fā)射以來,還未見到有關Jason-3高度計數(shù)據(jù)質量的報道。
本研究主要針對Jason-3衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù),通過Jason-3高度計數(shù)據(jù)可用性和有效性分析、高度計編隊飛行階段的共線分析、Jason-3和Jason-2高度計的全球比較分析、Jason-3高度計自交叉點分析和兩高度計互交叉點分析,對Jason-3高度計較長時間段內的濕對流層、電離層、偏指向角、后向散射系數(shù)、風速、有效波高、海面高度和海面高度異常等參數(shù)進行較全面的質量分析。
本研究使用的Jason-3高度計數(shù)據(jù)是CNES提供的gdr_d格式數(shù)據(jù)產(chǎn)品,該產(chǎn)品以10 d為1周期發(fā)布,每個周期包含254個沿軌數(shù)據(jù)文件。本研究采用Jason-3高度計0~80周期的數(shù)據(jù)用于Jason-3高度計全球數(shù)據(jù)質量評估(其中第0周期數(shù)據(jù)僅做參考),數(shù)據(jù)時間范圍為2016年2月12日至2018年4月20日。使用的Jason-2高度計數(shù)據(jù)為280~528周期的gdr_d格式數(shù)據(jù)。其中,Jason-2高度計第281周期對應Jason-3高度計第1周期,Jason-2高度計調整周期編號后,第500周期對應Jason-3高度計第52周期。在進行Jason-3高度計數(shù)據(jù)質量評估時將數(shù)據(jù)分為兩個部分進行分析,第1~23周期作為第一部分,此部分Jason-3和Jason-2高度計處于編隊飛行階段,可進行較為精確的共線比較;另一部分為23周期以后部分,此部分Jason-2高度計變換軌道,兩高度計處于不同飛行軌道,無法進行共線比較,此部分將采用全球統(tǒng)計比較的方法對Jason-3高度計數(shù)據(jù)質量進行評估,為更為直觀展現(xiàn)變化情況,將1~23周期數(shù)據(jù)一并處理加入第二部分的比較。由于Jason-2高度計軌道調整前有時處于休眠待機狀態(tài),因此Jason-2與Jason-3高度計周期對應時間會出現(xiàn)空缺。其中,編隊飛行階段第3周期由于Jason-3高度計更新GPS軟件導致2016年3月15-17日的數(shù)據(jù)缺失。
本研究在Jason-3數(shù)據(jù)可用性和有效性分析時,統(tǒng)計每個周期的缺失測量數(shù)和編輯準則剔除數(shù)據(jù)數(shù)占總體的比例。在Jason-2與Jason-3高度計編隊飛行階段,采用最鄰近方法匹配對應觀測點(匹配點平均距離差小于189 m),逐一計算匹配點各參數(shù)的差值,分析差值的全球空間分布特征,按沿軌分別計算差值的平均值及其標準偏差,并計算所有匹配數(shù)據(jù)的總體差值及其標準偏差的平均值。在Jason-2變軌后的全球統(tǒng)計比較時,按周期計算各參數(shù)的平均值及其標準偏差,逐周期比較Jason-3和Jason-2高度計參數(shù)的一致性。參考快速收縮法等[13-15]多種計算交叉點的方法,開展Jason-3自交叉點和Jason-3與Jason-2互交叉點比較分析。分析交叉點差值的全球分布圖特征,并按周期計算交叉點不符值及其均方根值(RMS),并計算總體交叉點不符值及其RMS的平均值。
通過與Jason-2高度計數(shù)據(jù)逐周期比較,分析Jason-3衛(wèi)星高度計測量系統(tǒng)正確采集數(shù)據(jù)的能力,包括全球采樣和海洋表面采樣能力。主要包括幾種跟蹤模式下的不可用數(shù)據(jù)所占比例以及數(shù)據(jù)編輯剔除的無效測量數(shù)據(jù)所占比例。
確定相對于理論軌道地面軌跡的缺失測量數(shù)量是監(jiān)測數(shù)據(jù)丟失信息或衛(wèi)星事件的重要工具。對于高度計不同的跟蹤模式所得到的觀測數(shù)據(jù)略有不同[16]。本研究主要針對分離門跟蹤和中值跟蹤兩種模式進行缺失測量值的比較。
依據(jù)兩種跟蹤模式的綜合觀測結果,對全球范圍的缺失測量值的比例和海洋表面范圍的缺失測量值的比例進行了比較,結果如圖1所示。由圖1可以很明顯地看出Jason-3高度計在全球范圍內的缺失測量所占比例相對于同時期的Jason-2高度計平均要高1%~2%。在不考慮Jason-3高度計第1~8周期、第10周期和第20周期的異常值的前提下,對于海洋表面范圍內的剔除數(shù)據(jù)所占百分比,Jason-3高度計相對于Jason-2高度計低0.01%~0.02%。因此Jason-3高度計在全球范圍內采集數(shù)據(jù)的能力略低于Jason-2高度計,但在海洋區(qū)域采集數(shù)據(jù)的能力卻略高于Jason-2高度計。
值得注意的是Jason-3高度計1~8周期、10周期和20周期由于采取DIODE采集/自主跟蹤模式的高度計模式,產(chǎn)生了明顯的異常值。Jason-3高度計模式切換到DIODE+DEM模式時,海洋表面缺失測量的比例明顯下降,采集數(shù)據(jù)的能力明顯提高。由此可見,Jason-3高度計采用DIODE+DEM模式對于避免海洋區(qū)域數(shù)據(jù)丟失的效果更佳。

圖1 全球范圍(a)和海洋表面范圍(b)的逐周期缺失測量所占比例Fig.1 Cycle-by-cycle monitoring of percentage of missing measurement over the world (a) and over land (b)
根據(jù)高度計數(shù)據(jù)編輯準則,通過數(shù)據(jù)篩選的方式可以剔除掉高度計測量數(shù)據(jù)中的異常值,使得觀測結果更加可靠、穩(wěn)定。對于Jason-3高度計數(shù)據(jù),本研究主要關注海洋數(shù)據(jù)質量,因此首先使用高度計陸地標識、降雨標識和海冰標識篩選出無雨無冰的海洋區(qū)域的數(shù)據(jù),進一步根據(jù)高度計、輻射計各個參數(shù)的閾值范圍(表1)進行數(shù)據(jù)篩選。對Jason-2高度計數(shù)據(jù)和Jason-3高度計數(shù)據(jù)應用相同的數(shù)據(jù)編輯準則后進行比較,針對每個周期分析參數(shù)閾值以外的數(shù)據(jù)所占比例,以此來監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常情況,這些異常可能來自儀器因素、地球物理因素或算法的不同。

表1 Jason-2和Jason-3高度計和輻射計數(shù)據(jù)編輯中的參數(shù)閾值Table 1 Thresholds used for altimeter and radiometer parameters in the Jason-2 and Jason-3 editing procedures
不同編輯準則濾除異常數(shù)據(jù)所占比例如圖2所示,絕大多數(shù)依據(jù)編輯準則剔除的高度計參數(shù)都具有明顯的季節(jié)變化趨勢。這一現(xiàn)象可能是季節(jié)變化引起海況變化造成的,或者由于南北半球海冰形成或融化導致的海洋覆蓋波動引起的。該現(xiàn)象在監(jiān)測T/P、Jason-1、Jason-2等高度計數(shù)據(jù)時也出現(xiàn)了[11-12]。
Jason-3高度計的剔除數(shù)據(jù)與Jason-2高度計剔除數(shù)據(jù)保持一致,僅在偏指向角、有效波高和40周期以后的濕對流層校正的觀測中出現(xiàn)較明顯差異。在偏指向角和40周期以后的濕對流層校正出現(xiàn)剔除數(shù)據(jù)所占百分比偏高的現(xiàn)象,在有效波高的觀測中出現(xiàn)剔除數(shù)據(jù)所占百分比明顯偏低的現(xiàn)象。由此可以看出,Jason-3高度計數(shù)據(jù)在有效波高和濕對流層這兩個參數(shù)的數(shù)據(jù)獲取能力方面有所提高。
本研究針對Jason-3高度計的Ku波段的電離層校正、有效波高、后向散射系數(shù)、偏指向角等參數(shù)的總體特征和異常情況進行分析。
20 Hz測距數(shù)據(jù)觀測數(shù)和測距標準偏差主要是采用平均二次誤差(Mean Quadratic Error,MQE)標準來篩選有效數(shù)據(jù)。監(jiān)測20 Hz測距數(shù)據(jù)觀測數(shù)和20 Hz測距標準偏差可以揭示儀器測量級別的變化。這兩個參數(shù)的周期平均值如圖3所示,Jason-3高度計20 Hz觀測數(shù)和測距標準偏差分別約為19.63 cm和7.99 cm,與Jason-2高度計處于同一水平。這兩個參數(shù)除了弱季節(jié)信號外,沒有明顯異常趨勢,這表明Jason-3高度計處于正常運行狀態(tài)。
偏指向角的平方是根據(jù)高度計波形形狀計算得到。偏指向角的逐周期平均值如圖4所示,Jason-2和Jason-3高度計偏指向角的平方平均值非常低且處于較穩(wěn)定的同步變化狀態(tài),這可能與Jason-3和Jason-2高度計均采用基于高度計波形的二階模型(MLE4)有關。Jason-3高度計前3個周期的偏指向角值平方偏高是由于高度計沒有進行PF指向更正(上傳STR1和陀螺儀的更新參數(shù))導致的。

圖2 不同編輯準則逐周期剔除數(shù)據(jù)所占百分比Fig.2 Cycle-by-cycle percentages of edited measurements by the main Jason-2 and Jason-3 altimeter and radiometer parameters

圖3 20 Hz測距數(shù)據(jù)觀測數(shù)(a)和20 Hz測距標準偏差(b)的逐周期平均值Fig.3 Cycle mean of number (a) and standard deviation (b) of 20 Hz range measurements

圖4 偏指向角的平方逐周期平均值比較Fig.4 Cycle mean of square off-nadir angle from waveforms
在編隊飛行階段,Jason-3高度計第3周期完成PF指向更正以后,Jason-3和Jason-2高度計后向散射系數(shù)差值維持在0.25~0.3 dB之間,平均標準偏差在0.198 dB左右(圖5),處于相對穩(wěn)定的狀態(tài),并沒有出現(xiàn)明顯異常波動。
在全球范圍內比較,Jason-2和Jason-3高度計后向散射系數(shù)總體上依舊表現(xiàn)穩(wěn)定,后向散射系數(shù)的差值維持在0.3 dB左右,每周期的后向散射系數(shù)標準偏差平均在1.59 dB左右,兩者之間沒有觀察到明顯的漂移跡象(圖6)。Jason-2和Jason-3高度計風速標準偏差分別約為3.5 m/s和3.6 m/s,風速平均差值維持在0.42 m/s左右(圖6),這與后向散射系數(shù)表現(xiàn)一致。
濕對流層路徑延遲是由大氣中水汽和云液水對高度計脈沖信號延遲效應導致的,雷達脈沖在穿過大氣層時會受到大氣的衰減作用,導致傳播速率的變化,需要進行大氣的延遲校正,因此對濕對流層校正參數(shù)的監(jiān)測就顯得尤為重要。

圖5 編隊飛行階段對應點后向散射系數(shù)逐軌平均差值(Jason-3與Jason-2差值)Fig.5 Pass mean of backscatter coefficient difference during the formation flight phase of Jason-3 minus Jason-2

圖6 后向散射系數(shù)(a)及其標準偏差的逐周期平均值(b)比較,風速(c)及其標準偏差的逐周期平均值(d)Fig.6 Cycle mean of backscatter coefficient (a) and standard deviation of backscatter coefficient (b), cycle mean of wind speed (c) and standard deviation of wind speed (d)

圖7 編隊飛行階段對應點濕對流層校正逐軌平均差值(Jason-3與Jason-2差值)Fig.7 Pass mean of radiometer wet troposphere correction difference during the formation flight phase of Jason-3 minus Jason-2
在編隊飛行階段,Jason-3與Jason-2的濕對流層校正差值平均在0.125 cm左右(圖7),平均標準偏差在2×10-3cm左右,這表明Jason-3高度計的微波輻射計濕對流層校正與Jason-2高度計處于同一水平且穩(wěn)定工作。Jason-2和Jason-3高度計全球匹配點濕對流層校正差值僅在極地和赤道等氣候變化顯著的地區(qū)出現(xiàn)較大差值。其中,由于濕對流層傳感器原因可能出現(xiàn)觀測誤差,故儀器會定期進行一次冷天空校準以保證正常運行,Jason-3高度計第13周期出現(xiàn)躍變的原因可能是儀器漂移的人為調整,第22周期出現(xiàn)躍變的原因是Jason-3高度計傳感器進行冷天空校準導致的。
在全球比較過程中,濕對流層校正及其標準偏差如圖8所示,Jason-3高度計與Jason-2高度計的輻射計濕對流層校正處于同一水平,標準偏差曲線幾乎重疊,這說明Jason-3和Jason-2高度計的輻射計濕對流層校正參數(shù)具有相同的穩(wěn)定性。圖8中Jason-2高度計在第322周期(對應Jason-3高度計第41周期)的異常低值是由于Jason-2機動調動狀態(tài)結束后,雖然IGDR產(chǎn)品恢復正常,但其濕對流層參數(shù)校正值并未恢復正常,直到2017年4月3日(對應Jason-2高度計該周期第231軌跡)才正式恢復正常。
電離層路徑延遲是由大氣中的自由電子對高度計脈沖信號折射所導致的,雷達脈沖在傳播過程中會受到地球電離層的影響,自由電子密度越大則脈沖傳播速度越低。由于電離層延遲和脈沖頻率的平方成反比,因此通常用雙頻觀測方式估計電離層校正值。編隊飛行階段可以觀察到Jason-3和Jason-2高度計的差值存在0.56 cm左右的系統(tǒng)誤差(圖9),這與兩高度計的C波段校準方法不一致有關。電離層差值的全球分布并不規(guī)則,但總體維持在0.6 cm左右。在全球比較過程中Jason-3與Jason-2高度計的電離層差值較小,僅在0.55 cm左右,平均標準偏差0.03 cm左右(圖10)。這些電離層校正的差異可能取決于用于校正Ku波段和C波段范圍的海況偏差(SSB)模型。

圖8 濕對流層校正逐周期平均值(a)及其標準偏差(b)Fig.8 Cycle mean of radiometer wet troposphere correction (a) and standard deviation of radiometer wet troposphere correction (b)

圖9 編隊飛行階段對應點電離層校正逐軌平均差值(Jason-3與Jason-2差值)Fig.9 Pass mean of dual frequency ionosphere correction difference during the formation flight phase of Jason-3 minus Jason-2
有效波高是海洋氣象預報中的常用量,可根據(jù)高度計雷達回波前緣坡度計算出來,近似等于一段時間內或者給定海域內海浪最大波高值的1/3。在編隊飛行階段,Jason-3和Jason-2高度計可以視為同時觀測相同海域的有效波高,此時二者有效波高差值如圖11所示,Jason-3和Jason-2高度計有效波高具有極高的一致性,平均差值為0.23 cm左右,平均標準偏差在0.20 cm左右。在Jason-2高度計變換軌道以后,Jason-3和Jason-2高度計不再觀測同一海域,此時通過計算全球平均值的方法來進行二者有效波高數(shù)據(jù)質量比較,結果如圖12所示。由圖12可以看出,Jason-3和Jason-2高度計的有效波高及其標準偏差同樣具有較高的一致性,有效波高周期平均的差值在0.24 cm左右,這與編隊飛行時比較的結果一致,這說明Jason-3高度計有效波高數(shù)據(jù)質量與Jason-2高度計相同。
海面高度(Sea Surface Height,SSH)作為監(jiān)測海洋的重要參數(shù)在開展海洋及其相關研究過程中發(fā)揮著重要作用,第4節(jié)所分析的大部分參數(shù)都將用于海面高度的計算。本研究將采用共線階段(編隊飛行階段)比較,全球整體比較和交叉點比較(包括編隊飛行階段重復軌道)等分析方法對Jason-3高度計海面高度進行全面系統(tǒng)的監(jiān)測。
首先,采取下式計算海面高度:

式中,Alt為高度計軌道高度;Range為高度計距離測量值;Cwet為濕對流層延遲校正;Cdry干對流層延遲校正;Ciono為電離層延遲校正;Cinv為大氣逆壓校正;Ctide為潮汐校正,其中包括海洋潮汐校正、固體潮校正和極潮校正;Chf為海面地形的高頻波動; S SB為海況偏差。

圖10 雙頻電離層校正逐周期平均值(a)及其標準偏差(b)Fig.10 Cycle mean of dual frequency ionosphere correction (a) and standard deviation of dual frequency ionosphere correction (b)

圖11 編隊飛行階段對應點有效波高逐軌平均差值(Jason-3與Jason-2差值)Fig.11 Pass mean of significant wave height difference during the formation flight phase of Jason-3 minus Jason-2
在編隊飛行階段,Jason-3與Jason-2對應點海面高度差值如圖13所示,此時海面高度差值存在-3 cm左右的系統(tǒng)誤差,其標準偏差僅在0.06 cm左右。
在全球比較過程中,Jason-3和Jason-2高度計海面高度及其標準偏差監(jiān)測值如圖14所示,Jason-3與Jason-2高度計海面高度沒有明顯差異,兩者差值僅在1.2 cm左右,而且兩者標準偏差基本相同。
全球海面高度差分布呈現(xiàn)很強的區(qū)域性,差值較大或較小的地方呈片狀出現(xiàn)(圖15)。

圖13 編隊飛行階段對應點海面高度逐軌平均差值(Jason-3與Jason-2差值)Fig.13 Pass mean of sea surface height difference during the formation flight phase of Jason-3 minus Jason-2

圖14 海面高度逐周期平均值(a)及其標準偏差(b)Fig.14 Cycle mean of sea surface height (a) and standard deviation of sea surface height (b)

圖15 Jason-3與Jason-2高度計編隊飛行階段海面高度差值全球分布Fig.15 Global difference of sea surface height during the formation flight phase of Jason-3 minus Jason-2
在交叉點差異分析過程中,為削弱洋流和緯度對海面變化的影響,設置尋找交叉點的條件為最大時間間隔10 d,且交叉點位于緯度為50°S~50°N的海域,并濾除部分誤差較大的高頻信息。交叉點海面高度比較結果如圖16所示,Jason-3與Jason-2高度計互交叉點海面高度不符值為-2.56 cm左右,與編隊飛行時結果一致,這與電離層校正、對流層校正等參數(shù)存在系統(tǒng)誤差有關。Jason-3高度計自交叉點海面高度不符值為-3×10-3cm左右,且自交叉點和互交叉點的RMS分別為6.87 cm和7.25 cm左右,這與Dorandeu等[11]計算的Jason-1高度計海面高度自交叉點RMS為6.15 cm和Ablain等[12]計算的Jason-2高度計海面高度自交叉點RMS為5.07 cm結果相近。
海面高度異常(Sea Level Anomaly, SLA)可以很好地捕捉海洋變化的特征,可對海平面變化的趨勢做出準確的監(jiān)測和評價,長時間序列的SLA可以用于監(jiān)測高度計的穩(wěn)定性和SSH觀測的異常趨勢和相關誤差。一般,采取下式計算海面高度異常,

式中,SSH為海面高度; MSS為平均海平面,本文中計算所用的MSS來自Jason-2衛(wèi)星高度計所使用的MSS_CNES_CLS-2011模型。
Jason-3自交叉點和Jason-3與Jason-2互交叉點的海面高度異常不符值全球分布如圖17所示,兩者總體趨于平穩(wěn),太平洋西部、印度洋西南部和大西洋西部海域等高動態(tài)變化海域會出現(xiàn)差值偏高或偏低的情況。自交叉點和互交叉點的逐周期不符值如圖18所示,Jason-3高度計自交叉點和Jason-3與Jason-2高度計互交叉點的SLA的RMS分別約為6.10 cm和6.45 cm。在進行Jason-3與Jason-2高度計互交叉點分析時,前47周期交叉點不符值穩(wěn)定在-2~-3 cm之間,這與二者海面高度比較結果一致。Jason-3高度計在第48周期完成了專業(yè)技術校準,使其后續(xù)周期互交叉點不符值維持在0 cm左右,實現(xiàn)了Jason-3和Jason-2高度計海面高度異常的統(tǒng)一,這說明Jason-3和Jason-2高度計在以后的飛行任務中可以更方便的進行交叉點校正分析,使多源高度計數(shù)據(jù)融合[17]變得更加簡單。

圖16 Jason-3自交叉點(a)和Jason-3與Jason-2互交叉點(b)的海面高度逐周期不符值及其均方根值Fig.16 Cycle mean of self-crossover (a) and dual-crossover (b) sea surface height difference and root mean square

圖17 Jason-3自交叉點(a)和Jason-3與Jason-2互交叉點(b)的海面高度異常不符值全球分布Fig.17 Global difference of self-crossover (a) and dual-crossover (b) sea level anomaly difference

圖18 Jason-3自交叉點(a)和Jason-3與Jason-2互交叉點(b)的海面高度異常逐周期不符值及其均方根值Fig.18 Cycle mean of self-crossover (a) and dual-crossover (b) sea level anomaly difference and its root mean square
本研究使用了自Jason-3高度計發(fā)射以來的時間跨度2年以上(81個周期)的數(shù)據(jù),通過Jason-3高度計和輻射計的各個參數(shù)與Jason-2高度計的比較,進行Jason-3數(shù)據(jù)質量評估。分析結果表明,Jason-3高度計雙頻電離層和輻射計濕對流層校正與Jason-2高度計結果一致;Jason-3高度計后向散射系數(shù)穩(wěn)定且未出現(xiàn)明顯異常波動;有效波高的比較分析結果說明Jason-3高度計的有效波高數(shù)據(jù)觀測能力上明顯優(yōu)于Jason-2高度計;Jason-3高度計自交叉點和Jason-3與Jason-2互交叉點比較分析結果表明Jason-3高度計的觀測值與Jason-2高度計具有一致性,Jason-3高度計可以更方便地與Jason-2高度計進行交叉點分析。總的來說,Jason-3高度計觀測顯示出良好的穩(wěn)定性。同時,Jason-3高度計的長時間的監(jiān)測需要繼續(xù),為海洋和全球變化等相關研究做好數(shù)據(jù)支持。