Jason-2有效波高产品在中国海域的准确性评估
王娟娟;高志一;王久珂;李本霞;宋金宝
【摘 要】Jason-2卫星高度计的有效波高(Hs)产品在海洋学领域得到了广泛应用.为了综合评估Jason-2有效波高产品在中国多个海域和不同海况下的准确性,为其在中国海域的应用研究提供参考,本文基于国家海洋局20个水文气象浮标从2008年至2014年的长期观测数据,对Jason-2有效波高产品在中国三个海区(渤黄海、东海、南海)和不同海况(观测有效波高Hs最大为6.2m)下的准确性进行综合分析,并研究其准确性与离岸距离的关系.结果表明Jason-2有效波高产品:(1)在中国海域具有较好的准确性,均方根误差RMSE=0.445m;(2)在南海的准确性最高,而在渤黄海的准确性较差;(3)在2m≤Hs≤5m的海况条件下准确性较好;(4)在越远离陆地的海域准确性越高.
【期刊名称】《海洋与湖沼》
【年(卷),期】2016(047)003
【总页数】9页(P509-517)
【关键词】中国海域;Jason-2;浮标;有效波高
【作 者】王娟娟;高志一;王久珂;李本霞;宋金宝
【作者单位】国家海洋环境预报中心 北京 100081;国家海洋环境预报中心 北京 100081;国家海洋环境预报中心 北京 100081;国家海洋环境预报中心 北京 100081;浙江大学海洋学院 杭州 310058
【正文语种】中 文
【中图分类】P731
20世纪70年代以来, 遥感观测技术和数据反演算法不断发展进步。在卫星高度计方面, 自 1985年美国海军的 Geosat卫星(Geodetic satellite)成功发射,已经有多个卫星高度计任务顺利实施, 例如: ERS-1/2(European Remote Sensing-1/2)、TOPEX/Poseidon、Jason-1/2、Envisat(Environmental Satellite)、Cryosat-2和HY-2等(Queffeulou et al, 2007; Durrant et al, 2009;Zieger et al, 2009; Abdalla et al, 2011; Jiang et al, 2012;Zhang et al, 2015)。目前, 卫星高度计对全球海面高度的测量精度已经达到了厘米级(Ablain et al, 2010;Desai et al, 2010;Ray et al, 2012)。除了海面高度以外,卫星高度计还可以获取海面的风速、有效波高和
潮位等信息。与传统的海洋站、浮标和船舶观测相比, 卫星高度计观测克服了时间和空间上的局限性, 具有全天候、高分辨率和高空间覆盖率等特点。
随着 ERS-1/2、TOPEX/Poseidon和 Jason-1/2等卫星数据产品的大量应用(程永存等, 2008; 于振涛等,2006; 范陈清等, 2014), 卫星高度计已经逐渐成为物理海洋学和海洋测绘学领域的重要研究手段。特别是Jason-2卫星高度计的数据产品, 发展较为成熟, 在大量研究中得到应用, 是高度计研究及应用技术的典范。
关于Jason-2卫星高度计产品的有效性和准确性,已经有大量研究通过与浮标观测数据(例如: 美国数据浮标中心的 NDBC浮标数据)的对比分析得以证明。Abdalla等(2010)利用与浮标观测匹配的 24908组数据, 对 Jason-2的风速和有效波高产品进行评估验证, 其有效波高的覆盖范围达 11m, 评估得到平均偏差 Bias=0.0290m, 标准偏差 STD=0.4119m。此外,他们还认为在Hs(有效波高)＞6m时, Jason-2有效波高产品存在偏大现象。Queffeulou等(2011)利用与浮标匹配的3919组数据对Jason-2有效波高产品进行验证,得到Bias= –0.0569m, STD=0.2169m。叶小敏等(2014)利用NDBC浮标数据对2011年的Jason-2海面风速和有效波高产品进行了检验, 匹配数据 1635组, 评估得到相关系数 R=0.97, 均方根误差 RMSE=0.28m,
STD=0.28m, Bias= –0.02m。Zhang 等(2015)比较了 27个月的 NDBC浮标和 Jason-2有效波高产品, 得到RMSE=0.292m, Bias=0.016m。此外, Shanas等(2014)使用印度海域四个浮标的观测数据, 评价 Jason-1、Jason-2、Envisat和ERS-2四个卫星高度计的有效波高产品, 分析认为它们都高估了有效波高, 且在Hs＜0.5m 的情况下相关性极差, 其中 Jason-2产品与浮标观测的相关性最好。
Jason-2有效波高产品在中国海域的评估验证相对较少。Chen等(2013)用南海现场观测和 NDBC浮标的数据, 评估 Jason-1/2和 HY-2的有效波高产品,获得Jason-2有效波高产品的RMSE=0.36m。但是在南海的匹配数据仅有10组, 且均为有效波高小于3m的低海况数据。Park等(2013)使用韩国气象局的海洋气象浮标数据, 验证Topex/Poseidon, Jason-1, Envisat和 Jason-2的有效波高产品, 浮标观测有效波高的上限为4m, 其位于中国黄海的浮标(34.78°N, 125.77°E)观测与 Jason-2有效波高产品的相关性很差, 对比组114个, RMSE=1.1310m。而另一位于中国黄海的浮标(36.25°N, 125.75°E), 相 对 远 离 大 陆 和 岛 屿 , 与Jason-2匹配的对比组为 88个, 评估得到 RMS=0.3304m, Bias=0.1413m, R=0.9161, 准确性较好。
buchi综合上述对 Jason-2有效波高产品的评估研究,将其主要结论汇总在表1中。
表1 对Jason-2有效波高产品的研究及其主要结论(1)Tab.1 Comparison of validation on Jason-2 significant wave height product (1)(1) RMSE为均方根误差, Bias为平均偏差, STD为标准偏差, R为相关系数, N为匹配数据量RMSE: root mean square error; Bias: the mean bias; STD: standard deviation; R: correlation coefficient; N: data amount参考文献  RMSE  Bias  STD  R  N  Hs上限及结论Abdalla 等(2010)  0.4119  0.0290  24908  Hs＜11m; Hs＞6m 时, 偏大Queffeulou 等(2011) –0.0569  0.2169 3919  Hs＜10m叶小敏等(2014)  0.2800  –0.0200  0.2800  0.9700  1635  NDBC, Hs＜10m Zhang 等(2015)  0.2920  0.0160 NDBC, Hs＜10m Chen 等(2013)  0.3600  NDBC, Hs＜7m 南海, Hs＜3m 0.3304  0.1413 0.9161  88  黄海, Hs＜4m Park 等(2013)  1.1310 114  黄海, Hs＜4m
从表1中可以看出, 在中国海域以外的Jason-2有效波高产品验证, 匹配数据量较多, 有效波高覆盖范围较广, 评估得到的RMSE在0.28m至0.4119之间,准确性良好。但是, 在中国海域的评估研究却非常少,只有少数几个浮标短时间观测的评估, 可用的匹配数据量严重不足, 且有效波高普遍在4m以下, 覆盖范围较窄。此外, 不同浮标获得的评估参数也存在较大差异。
为了进一步了解Jason-2有效波高产品在中国海域的准确性, 我们认为可以参考TOPEX和Jas
on-1卫星在中国海域的评估结果。Jason-2是 TOPEX和Jason-1的后续卫星, 它们在多数方面基本一致(Quartly, 2010), 关于它们在中国海域的准确性评估也有一些研究。Ebuchi等(1994)利用 JMA(Japan Meteorological Agency)在中国东海(浮标位置:28°10′N, 126°20′E。)的浮标数据, 比较了 TOPEX 的有效波高产品, 评估参数 Bias=0.31m(Ku-band)和0.32m(C-band), RMSE=0.50m(Ku-band)和 0.54m(C-band)。刘花等(2013)利用南海北部近岸海域 3个浮标的观测数据(观测有效波高低于 3m), 评估分析了Jason-1的有效波高产品, 评估得到的RMSE小于0.35m, 相关系数大于0.95, 并认为Jason-1的有效波高产品整体偏大, 且与浮标波高的差异随着波高的增大而逐渐增加。
TOPEX在东海的评估 RMSE在 0.5m左右,Jason-2在南海的评估 RMSE小于 0.35m, 相比于Jason-2略偏大。但是, 它们所使用的匹配数据量不足,有效波高的范围较窄, 整体的参考意义有限。
由于缺乏大范围、长时间和多海况覆盖的海浪观测, 导致在中国海域缺乏Jason-2有效波高产品的综合评估, 这使得很多研究在中国海域使用Jason-2有效波高产品时, 无法详细了解其准确程度和适用范围。
作者对国家海洋局在中国海域布放的28个水文气象浮标的历史数据进行了多渠道的收集和整理,完成了繁琐的解码和质量控制工作, 获得了从 2002年至2014年之间的中国海域水文气象观测数据。本文采用的是从2008年至2014年之间较为完整的海浪浮标观测数据, 对渤黄海、东海和南海三个分海区,以及对不同海况下的Jason-2有效波高产品准确性进行评估。本文的结果可以为Jason-2有效波高产品在中国不同海域和多种海况下的应用研究提供参考。
1 数据
1.1 Jason-2卫星高度计有效波高产品
作为OSTM(Ocean Surface Topography Mission)任务TOPEX/Poseidon和Jason-1的后继卫星, Jason-2卫星于2008年6月20日在美国加利福尼亚州的范登堡空军基地成功发射。它是由CNES(Centre National d’EtudesSpatiales)、NASA、EUMETSAT(the European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites)和 NOAA 合作完成, 其上搭载了双频高度计、三频微波辐射计和高精度定位系统。海面测高精度为 2.5—3.4cm, 有效波高精度为 0.4m或 10%。该卫星的轨道高度为 1336km, 轨道倾角 66.039°, 重复周期约为10天, 与TOPEX/Poseidon和Jason-1卫星基本相同。
本文选用 Jason-2经过完全校正的 GDR (Geographical Data Record)数据, 其轨道精度高, 并且进行了波形重定等校正, 数据准确度较高。Jason-2有效波高产品有 Ku波段和 C波段观测两种, 由于 2011年OSTM/Jason-2产品说明书中认为 Ku波段观测优于 C波段, 因此, 本文采用 Ku波段数据, 其数据精度为0.001m。