葉小敏 ,林明森 ,宋慶君 ,蘭志剛

(1.國家海洋局國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心,北京 100081;2.國家海洋局空間海洋遙感與應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;3.中海油能源發(fā)展股份有限公司北京分公司,北京 100027)

衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)是可同步提供海面高度、海面風(fēng)速大小和有效波高等海洋動(dòng)力環(huán)境要素的微波傳感器。在近40年海洋衛(wèi)星發(fā)展過程中,經(jīng)歷了Seasat、Geosat、GFO、TOPEX/Poseidon、ERS-1/2、ENVISAT、Jason-1/2和HY-2等典型的衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì),目前衛(wèi)星高度計(jì)海面測(cè)高精度高達(dá)2.5 cm,海面風(fēng)速和有效波高觀測(cè)精度分別達(dá)到了1.5 m/s、5%或0.25 m[1-2]。

在高質(zhì)量定量化高度計(jì)遙感產(chǎn)品生產(chǎn)過程中,定標(biāo)與真實(shí)性檢驗(yàn)是必不可少的環(huán)節(jié)。現(xiàn)今全球永久的高度計(jì)專業(yè)定標(biāo)與真實(shí)性檢驗(yàn)場(chǎng)有4個(gè)[3]: 希臘克利特島(位于地中海東部)的 Gavdos定標(biāo)場(chǎng)[3];法國的科西嘉島定標(biāo)場(chǎng)[4];美國加利福尼亞州的Harvest石油平臺(tái)[5];澳大利亞塔斯馬尼亞州的巴士海峽定標(biāo)場(chǎng)[6]。利用定標(biāo)場(chǎng)可對(duì)在軌的衛(wèi)星高度計(jì)進(jìn)行定標(biāo)和真實(shí)性檢驗(yàn),高度計(jì)定標(biāo)檢驗(yàn)方法主要包括3類: 有源定標(biāo)檢驗(yàn)法、星星交叉定標(biāo)檢驗(yàn)法和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)定標(biāo)檢驗(yàn)法。有源定標(biāo)檢驗(yàn)即在高度計(jì)星下點(diǎn)安置微波異頻雷達(dá)收發(fā)器實(shí)施對(duì)高度計(jì)后向散射系數(shù)和測(cè)高的有源定標(biāo)檢驗(yàn);星星交叉定標(biāo)檢驗(yàn)法即利用已有的高質(zhì)量的衛(wèi)星雷達(dá)高度計(jì)進(jìn)行沿軌(對(duì)相同軌道的后繼衛(wèi)星)或交叉點(diǎn)進(jìn)行交叉定標(biāo)檢驗(yàn);現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)定標(biāo)法即利用專門的海上定標(biāo)場(chǎng)或現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)高度計(jì)進(jìn)行定標(biāo)和檢驗(yàn)。

利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)海面風(fēng)速和有效波高的檢驗(yàn)就是在一定的時(shí)空窗口內(nèi)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)值和高度計(jì)觀測(cè)值進(jìn)行比較[7-9],或者利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的月平均值與高度計(jì)在一定空間范圍的觀測(cè)月平均值進(jìn)行比較[10-11]。高度計(jì)測(cè)高絕對(duì)定標(biāo)檢驗(yàn)方法可分為兩種。一是標(biāo)準(zhǔn)方法,比較衛(wèi)星和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量之間的海面高度,該方法需確?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)在衛(wèi)星地面軌跡上。二是參考平均海平面法,比較衛(wèi)星和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量之間的海平面距平,該方法的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)可不在衛(wèi)星地面軌跡上,但仍需滿足無島嶼干擾的開放海域、大地水準(zhǔn)面和潮汐模型相對(duì)精確和風(fēng)浪環(huán)境要素均勻等條件[12-13]。

國內(nèi)外學(xué)者在不同海域?qū)υ谲壍男l(wèi)星高度計(jì)進(jìn)行了大量的定標(biāo)檢驗(yàn)工作。Christensen 等[14]利用Harvest石油平臺(tái)得到TOPEX和Poseidon高度計(jì)的測(cè)高絕對(duì)定標(biāo)結(jié)果分別為–14.7 cm±2.1 cm 和–2.9 cm±2.4 cm;Haines等[15]利用 Harvest石油平臺(tái)確定Jason-1衛(wèi)星高度計(jì)(2001～2003年)的測(cè)高絕對(duì)定標(biāo)結(jié)果為13.8 cm±1.8 cm,同時(shí)結(jié)果顯示T/P衛(wèi)星高度計(jì)于在軌的十多年間由于得到了很好的定標(biāo),其海面高度測(cè)量偏差幾乎接近零;Bonnefond等[4,16]在科西嘉島定標(biāo)場(chǎng)利用聲學(xué)驗(yàn)潮儀和 GPS浮標(biāo)對(duì)TOPEX/Poseidon、Jason-1和 Jason-2衛(wèi)星高度計(jì)進(jìn)行了定標(biāo)檢驗(yàn)得到測(cè)高絕對(duì)定標(biāo)結(jié)果分別為0.6 cm±0.3 cm(ALT-B)、12.0 cm±0.7 cm 和 18.3 cm±0.8 cm;Mertikas等[3]在Gavdos定標(biāo)場(chǎng)對(duì)Jason-2衛(wèi)星高度計(jì)第 2～60周期進(jìn)行了定標(biāo)檢驗(yàn),得到了Jason-2高度計(jì)Ku波段和C波段測(cè)高絕對(duì)定標(biāo)結(jié)果分別為18.67 cm±5 cm和17.99 cm±7 cm,而結(jié)合CLS01_MSS平均海平面模型對(duì)相同的Jason-2衛(wèi)星GDR數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo),得到的測(cè)高絕對(duì)定標(biāo)結(jié)果為15.98 cm±0.2 cm,并對(duì)有源定標(biāo)方法進(jìn)行了介紹;Dong等[12]利用英國驗(yàn)潮站和 GPS設(shè)備對(duì) TOPEX/Poseidon衛(wèi)星高度計(jì)進(jìn)行了定標(biāo)檢驗(yàn),得到TOPEX和Poseidon高度計(jì)的海面測(cè)高絕對(duì)偏移量分別為2 cm和3 cm;Christopher等[6]在澳大利亞巴士海峽利用 GPS浮標(biāo),得到TOPEX/Poseidon衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)高絕對(duì)定標(biāo)結(jié)果為–1.0 cm±1.9 cm,Jason-1衛(wèi)星高度計(jì)的測(cè)高絕對(duì)定標(biāo)結(jié)果為13.1 cm±2.1 cm(MOE軌道)和13.1 cm±2.1 cm(GPS軌道)。以上成果中,利用 Harvest石油平臺(tái)定標(biāo)場(chǎng)、科西嘉島和巴士海峽定標(biāo)場(chǎng)GPS浮標(biāo)的定標(biāo)屬于在高度計(jì)地面軌跡上的標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)方法,而利用驗(yàn)潮儀的定標(biāo)屬于比較現(xiàn)場(chǎng)和衛(wèi)星觀測(cè)點(diǎn)間海平面距平的定標(biāo)方法。本文以國家“863”計(jì)劃“海洋遙感定標(biāo)檢驗(yàn)技術(shù)研究”南海石油平臺(tái)定標(biāo)場(chǎng)的水位計(jì)和測(cè)波雷達(dá)儀器觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)Jason-2衛(wèi)星高度計(jì)進(jìn)行測(cè)高絕對(duì)定標(biāo),對(duì)Jason-1有效波高產(chǎn)品進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)。

1 高度計(jì)測(cè)高絕對(duì)定標(biāo)方法與數(shù)據(jù)

1.1 高度計(jì)測(cè)高絕對(duì)定標(biāo)原理

衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)高絕對(duì)定標(biāo)是通過比較現(xiàn)場(chǎng)和衛(wèi)星觀測(cè)的海面高度來獲得衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)高的絕對(duì)偏差。對(duì)于南海石油平臺(tái)的定標(biāo)場(chǎng),由于平臺(tái)并非處于衛(wèi)星觀測(cè)的地面軌跡上,需要比較兩者測(cè)量的海平面距平來獲得高度計(jì)的絕對(duì)偏差。

圖1為南海石油平臺(tái)對(duì)高度計(jì)測(cè)高絕對(duì)定標(biāo)原理示意圖,高度計(jì)海面高度測(cè)量絕對(duì)偏差計(jì)算公式為[3]

式中,B為絕對(duì)偏差,HSLA、hSLA分別為衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)點(diǎn)和平臺(tái)處海平面距平;HMSS、hMSS分別為衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)點(diǎn)和平臺(tái)處的平均海平面高。在計(jì)算偏差時(shí),平均海平面高可用大地水準(zhǔn)面高代替[12]。

平臺(tái)處瞬時(shí)海面高度h由水位計(jì)高度減去水位計(jì)到海面的水位雷達(dá)測(cè)量距離r得到。平臺(tái)處海平面高度hSL可表示為

式中,hcorr為平臺(tái)處海面高度校正項(xiàng),僅包括平臺(tái)處逆壓校正hIB;htide為平臺(tái)處潮汐項(xiàng),包括海洋潮汐hO、地球固體潮hS和極潮hP。

衛(wèi)星觀測(cè)點(diǎn)處海面高度距平HSLA為

式中,Halt和R分別為高度計(jì)高度、高度計(jì)測(cè)距大小;Hcorr為高度計(jì)測(cè)高的校正項(xiàng),包括電離層校正HIono、大氣對(duì)流層延遲校正干分量HDry、對(duì)流層延遲校正濕分量HWet、海況偏差校正HSSB、逆壓校正HIB、海面地形高頻振蕩校正HHF;Htide為衛(wèi)星觀測(cè)點(diǎn)處的潮汐,包括海洋潮汐HO、地球固體潮HS和極潮HP。

圖1 南海石油平臺(tái)水位計(jì)對(duì)衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)高絕對(duì)定標(biāo)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the absolute calibration for the satellite altimeter using the sea level sensor fixed on the oil platform in the South China Sea

1.2 南海石油平臺(tái)及其所在海域概況

南海石油平臺(tái)位于南海北部(114°56′28.267"E,20°14′41.880"N),離岸約 220 km,所在位置為開闊海域。南海石油平臺(tái)位置偏離 Jason-1衛(wèi)星高度計(jì)pass012地面軌跡約2 km (2012年2月變軌前)。Jason-2衛(wèi)星距平臺(tái)最近的四條軌道為Pass012、Pass153、Pass190和 Pass229,距離在110～160 km。南海石油平臺(tái)與 Jason-1/2衛(wèi)星地面軌跡分布見圖2。

圖2 南海石油平臺(tái)位置及Jason-1/2衛(wèi)星地面軌跡Fig.2 The location of the oil platform in the South China Sea and the ground track of Jason-1/2 satellites

南海石油平臺(tái)處于南海大陸架上,當(dāng)?shù)厮罴s200 m。圖3為平臺(tái)所在的南海北部海域海底地形(英國海洋數(shù)據(jù)中心的 GEBCO_08水深模型,網(wǎng)格分辨率為 2′×2′)和平均海平面梯度場(chǎng)(法國空間中心的CLS_MSS11平均海平面模型計(jì)算得到)。由圖3可見,平臺(tái)附件海域水深較深(約200 m),平均海平面變化較平緩(梯度小于4 cm/km),且潮汐適用大洋潮汐模型,無對(duì)衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)干擾的島嶼。

圖3 南海北部海底地形和平均海平面梯度場(chǎng)Fig.3 Bathymetric map and the grads field of mean sea surface in the northern South China Sea

圖4為南海石油平臺(tái)處近 3 a(2009～2011年)Jason-1衛(wèi)星高度計(jì)的風(fēng)浪觀測(cè)值。平臺(tái)處風(fēng)浪隨季節(jié)變化明顯,海面風(fēng)速大小分布在 0～16 m/s的范圍內(nèi),有效波高分布在0～5 m的范圍內(nèi);夏季風(fēng)浪相對(duì)偏小,而冬、春兩季風(fēng)浪相對(duì)偏大;海面風(fēng)速大小和有效波高變化趨勢(shì)一致。平臺(tái)所處的南海北部海域風(fēng)浪平面分布較均勻(分布示例見圖 5),不存在風(fēng)浪劇烈變化的海域。

圖4 南海石油平臺(tái)處近3 a (2009～2011年)海面風(fēng)速和有效波高變化曲線Fig.4 Variation of the sea surface wind speeds and significant wave heights at the oil platform in the South China Sea from 2009 to 2011

根據(jù)南海石油平臺(tái)所處海域的地理位置、海底地形、平均海平面梯度和風(fēng)浪時(shí)空分布特征。南海石油平臺(tái)具備高度計(jì)定標(biāo)檢驗(yàn)的海洋環(huán)境條件。

1.3 數(shù)據(jù)及其處理

1.3.1 水位計(jì)數(shù)據(jù)

圖5 南海北部2011年1季度(1～3月)平均海面風(fēng)場(chǎng)和有效波高分布(數(shù)據(jù)來源分別為MetOp-A/ASCAT散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)和Jason-1/2衛(wèi)星高度計(jì)有效波高產(chǎn)品)Fig.5 Distribution of the sea surface wind field and significant wave heights in the northern South China Sea in the first quarter of 2011 (January–March)

南海石油平臺(tái)上裝載的水位計(jì)為挪威MIROS公司生產(chǎn)的SM-094型水位計(jì),工作于9.4～9.8 GHz微波波段,采用雙頻GPS PPP定位技術(shù)進(jìn)行高程定位,其水位測(cè)量頻率為 1 Hz,單次測(cè)量精度優(yōu)于 1 cm,多次測(cè)量平均處理精度優(yōu)于1 mm。

水位計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為2011年9月3月11: 00至2011年9月19日9: 00,2012年3月4日10: 00至2012年5月29日10: 00共約104 d的數(shù)據(jù)。水位計(jì)數(shù)據(jù)記錄形式為每小時(shí)記錄1次,整點(diǎn)記錄,每次記錄時(shí)間長度為5 min,水位測(cè)量頻率為1 Hz。對(duì)于高頻水位采樣數(shù)據(jù),采用某時(shí)刻前后一定時(shí)間長度下的水位測(cè)量值的平均作為該時(shí)刻的海面高度。隨機(jī)選取 1次水位記錄數(shù)據(jù),計(jì)算其不同平均時(shí)間長度下的平均海面高度值(見圖6)。

圖6 水位計(jì)不同平均時(shí)間長度下的平均海面高度Fig.6 The mean sea surface height measured by the sea level sensor at different average times

由圖6可見,對(duì)于南海石油平臺(tái)1 Hz采樣頻率的水位計(jì),在約150 s時(shí)間長度的水位測(cè)量值的平均值已經(jīng)基本穩(wěn)定,即連續(xù)觀測(cè)的時(shí)間長度大于 2.5 min,即可作獲得某一時(shí)刻的海面高度。本文采用5 min的高頻觀測(cè)值的平均值作為該時(shí)刻的海面高度值。

對(duì)2011年9月3月11: 00 至2011年9月19日9: 00時(shí)段的水位計(jì)海面高度觀測(cè)值與GOT00.2大洋潮汐模型潮位計(jì)算值進(jìn)行比較(見圖 7),兩者相關(guān)系數(shù)為0.98,差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.7 cm。海洋潮汐是瞬時(shí)海面高度變化的主要貢獻(xiàn)量,而平臺(tái)水位計(jì)海面高度的測(cè)量值和海洋潮汐模型潮高計(jì)算值具有高相關(guān)性,說明水位計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地對(duì)海面高度進(jìn)行測(cè)量。

圖7 南海石油平臺(tái)水位計(jì)海面高度觀測(cè)值與GOT00.2海洋潮汐模型潮位計(jì)算值比較Fig.7 Sea level comparisons measured by the sea level sensor fixed on the oil platform in the South China Sea and calculated from the GOT00.2 ocean tide model

1.3.2 測(cè)波雷達(dá)數(shù)據(jù)

南海石油平臺(tái)上裝載有挪威MIROS公司生產(chǎn)的C波段波浪和海流測(cè)量雷達(dá),型號(hào)為SM-050 MKIII。測(cè)波雷達(dá)有效波高測(cè)量精度為±5%或0.2 m (0～30 m范圍內(nèi)),數(shù)據(jù)記錄格式為 3 min提供一個(gè)有效波高觀測(cè)值。本文利用的測(cè)波雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為 2011年2月1日至2011年6月7日,2011年8月4日至2012年2月15日,測(cè)波雷達(dá)有效波高值隨時(shí)間變化見圖8所示。

圖8 南海石油平臺(tái)測(cè)波雷達(dá)有效波高觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig.8 Significant wave heights measured by the wave radar fixed on the oil platform in the South China Sea

圖8所示的實(shí)測(cè)有效波高時(shí)間序列同樣顯示:在南海石油平臺(tái)處夏季風(fēng)浪相對(duì)偏小,而冬、春兩季風(fēng)浪相對(duì)偏大。

1.3.3 高度計(jì)數(shù)據(jù)

本文使用的高度計(jì)數(shù)據(jù)為美國國家航空航天局(NASA)和法國空間局(CNES)聯(lián)合發(fā)射的 Jason-1和Jason-2衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)。Jason-1是 TOPEX/Poseidon(簡稱T/P)衛(wèi)星的后繼星,Jason-2是Jason-1的后繼星,分別于2001年12月和2008年6月發(fā)射升空,其上搭載的雙波段雷達(dá)高度計(jì),分別工作在Ku波段(13.6 GHz)和C波段(5.3 GHz)。覆蓋范圍為66°S～66°N,軌道高度 1 336.00 km,軌道傾角 66.039°,軌道周期112.47 min,重復(fù)周期為9.915 d。Jason-1/2衛(wèi)星1 Hz地面觀測(cè)點(diǎn)間的距離約5.8 km,GDR數(shù)據(jù)產(chǎn)品每周期包含254軌,升降軌各127軌,分別以奇偶數(shù)軌道號(hào)標(biāo)記。本文選用的高度計(jì)數(shù)據(jù)為2011年2月～2012年 2月的 Jason-1衛(wèi)星 GDR數(shù)據(jù)、2011年9月3月至9月19日和2012年3月4日至2012年5月29日的 Jason-2衛(wèi)星GDR數(shù)據(jù)。Jason-1/2衛(wèi)星高度計(jì)GDR數(shù)據(jù)于法國AVSIO/CNES數(shù)據(jù)中心獲取。

為了正確評(píng)估衛(wèi)星高度計(jì)的測(cè)高絕對(duì)定標(biāo)結(jié)果和有效波高精度,需對(duì)高度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。刪除陸地、冰上和降雨條件下的觀測(cè)數(shù)據(jù),同時(shí)保證后向散射系數(shù)不高于35 dB、有效波高處于0～11 m的范圍內(nèi),其余各觀測(cè)和地球物理量處于合理范圍和對(duì)應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)識(shí)為正常。

1.4 平臺(tái)與高度計(jì)數(shù)據(jù)定標(biāo)檢驗(yàn)時(shí)空匹配

對(duì)衛(wèi)星高度計(jì)進(jìn)行測(cè)高絕對(duì)定標(biāo)和有效波高產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn),均需對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)在一定的時(shí)空范圍內(nèi)進(jìn)行匹配,以確?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)值可作為待檢驗(yàn)衛(wèi)星觀測(cè)值的真實(shí)值。

1.4.1 水位計(jì)與衛(wèi)星高度計(jì)海面測(cè)高數(shù)據(jù)匹配

本文使用的南海石油平臺(tái)水位計(jì)數(shù)據(jù)觀測(cè)期間,正處于 Jason-1衛(wèi)星變軌期,本文選用 Jason-2高度計(jì)作為待定標(biāo)高度計(jì)。Jason-2衛(wèi)星Pass012、Pass153、Pass190和Pass229離南海石油平臺(tái)最近,該4條地面軌跡上距平臺(tái)最近點(diǎn)可利用如下公式和方法獲得[14]:

式中,X和Y分別為高度計(jì)觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)度和緯度;x和y分別為平臺(tái)(水位計(jì))的經(jīng)度和緯度。當(dāng) f取得極大值時(shí),對(duì)應(yīng)時(shí)間為衛(wèi)星過境時(shí)刻,對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度即為最近點(diǎn)的位置。

由于 Jason-2衛(wèi)星 Pass012、Pass153、Pass190和Pass229地面軌跡離南海石油平臺(tái)在110～160 km,且均處于開闊海域,可忽略南海平臺(tái)處和距平臺(tái)最近觀測(cè)點(diǎn)之間的極潮、地球固體潮和逆壓校正的差別,為了降低平均海平面誤差的影響,采用距離南海石油平臺(tái)水位計(jì)距離最近的5個(gè)連續(xù)觀測(cè)點(diǎn)的海面高度平均值作為與水位計(jì)海面高度比較的對(duì)比值。Jason-2衛(wèi)星高度計(jì)絕對(duì)偏差計(jì)算公式(1)可簡化為

式中,衛(wèi)星高度Halt、高度計(jì)測(cè)距R、電離層延遲校正HIono、大氣對(duì)流層延遲校正干分量HDry、大氣對(duì)流層延遲校正濕分量HWet、海況偏差校正HSSB、海洋潮汐HO和平均海平面HMSS為距平臺(tái)最近的連續(xù)5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的平均值,數(shù)據(jù)均由Jason-2衛(wèi)星GDR數(shù)據(jù)直接讀取;衛(wèi)星過境時(shí)刻的平臺(tái)處海面高度h通過每 1小時(shí)一次的平臺(tái)水位計(jì)海面高度測(cè)量值線性插值得到,平臺(tái)處海洋潮汐hO和平均海平面高度值hMSS分別使用 GOT00.2大洋潮汐模型和CLS_MSS01平均海平面模型計(jì)算得到。

1.4.2 測(cè)波雷達(dá)與衛(wèi)星高度計(jì)有效波高匹配

選擇距平臺(tái)不大于50 km的Jason-1觀測(cè)點(diǎn)的有效波高平均值作為待檢驗(yàn)的有效波高高度計(jì)觀測(cè)對(duì)比值。觀測(cè)點(diǎn)至平臺(tái)的地面距離計(jì)算公式如下:

式中,R0=6 371 km 為地球半徑,f為公式(6)的計(jì)算值。以衛(wèi)星過境時(shí)刻前后各15 min(共30 min)的測(cè)波雷達(dá)有效波高的平均值作為檢驗(yàn)的有效波高現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)對(duì)比值。

2 結(jié)果與分析

2.1 Jason-2高度計(jì)海面高度測(cè)量定標(biāo)結(jié)果

經(jīng)數(shù)據(jù)篩選和時(shí)空匹配處理后,共獲得36組對(duì)比數(shù)據(jù)。對(duì)該36組匹配對(duì)比數(shù)據(jù)利用公式(7)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,獲得Jason-2高度計(jì)在南海平臺(tái)處相對(duì)于水位計(jì)海面高度測(cè)量的平均偏差為30.9 cm,差值標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.8 cm;水位計(jì)和Jason-2高度計(jì)對(duì)海面高度測(cè)量值的相關(guān)系數(shù)為0.6。兩者對(duì)比關(guān)系見圖9。

圖9 南海平臺(tái)水位計(jì)與 Jason-2衛(wèi)星高度計(jì)海面高度距平比較Fig.9 Comparison of sea level anomalies between the sea level sensor and Jason-2 satellite altimeter in the South China Sea

由圖9結(jié)果可見,南海石油平臺(tái)水位計(jì)和Jason-2高度計(jì)海面高度觀測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致。對(duì)于少數(shù)異常值相差較大的對(duì)比值,這可能是由于南海北部存在較大的海流所造成的,圖10為美國NASA海表面流場(chǎng)近實(shí)時(shí)分析(Ocean Surface Current Analysis Real-time,OSCAR)產(chǎn)品在南海北部分布圖。

圖9中第9組對(duì)比數(shù)據(jù)差值異常偏大,該數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2012年3月10日,對(duì)應(yīng)南海北部海流分布為圖10所示。由圖10可見,在南海石油平臺(tái)附近海域存在較強(qiáng)的中尺度渦。這可能是造成平臺(tái)水位計(jì)和Jason-2高度計(jì)海面高度距平相差較大的原因之一。

圖10 南海北部 OSCAR海表流場(chǎng)分布圖(2012年 3月5～10日)Fig.10 The distribution of the OSCAR ocean surface current in the northern South China Sea (March 5～10,2012)

南海石油平臺(tái)上水位計(jì)工作時(shí)間較短,本文僅獲得約104 d的觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)比數(shù)據(jù)有限。在本文使用的水位計(jì)數(shù)據(jù)觀測(cè)期間,Jason-1衛(wèi)星正處于變軌期而無觀測(cè)數(shù)據(jù);Jason-2地面軌跡距南海石油平臺(tái)較遠(yuǎn),影響了海面高度高度計(jì)觀測(cè)值與水位計(jì)觀測(cè)值的對(duì)比結(jié)果。

2.2 Jason-1高度計(jì)有效波高檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)測(cè)波雷達(dá)和Jason-1高度計(jì)數(shù)據(jù)(Pass012)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選和時(shí)空匹配處理后,共獲得29組對(duì)比數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)比較曲線見圖11)。

圖11 南海石油平臺(tái)測(cè)波雷達(dá)和Jason-1高度計(jì)有效波高比較曲線Fig.11 A comparison curve of significant wave heights between the wave radar and Jason-1 altimeter in the South China Sea

對(duì)匹配的對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到Jason-1衛(wèi)星高度計(jì)Ku波段和C波段有效波高的均方根誤差分別為0.43 m和0.45 m,平均偏差分別為–0.09 m和–0.13 m,與測(cè)波雷達(dá)有效波高測(cè)量值的相關(guān)系數(shù)分別為 0.92和0.90。Jason-1衛(wèi)星高度計(jì)有效波高檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示: 南海平臺(tái)測(cè)波雷達(dá)與Jason-1高度計(jì)有效波高觀測(cè)值具有較高一致性,測(cè)量精度滿足定量化應(yīng)用需求(精度優(yōu)于0.5 m)。

3 結(jié)論

南海石油平臺(tái)作為海上綜合定標(biāo)場(chǎng),其所處海域的地理位置、海底地形、平均海平面梯度和風(fēng)浪時(shí)空分布特征滿足高度計(jì)定標(biāo)檢驗(yàn)的環(huán)境要求。利用南海石油平臺(tái)上水位計(jì)(雷達(dá))海面高度測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)Jason-2高度計(jì)進(jìn)行測(cè)高絕對(duì)定標(biāo)結(jié)果為30.9 cm±7.8 cm;利用測(cè)波雷達(dá)對(duì)Jason-1高度計(jì)有效波高進(jìn)行精度檢驗(yàn),Jason-1衛(wèi)星高度Ku波段和C波段有效波高相對(duì)于測(cè)波雷達(dá)有效波高測(cè)量值的均方根誤差分別為0.43 m和0.45 m。以上檢驗(yàn)結(jié)果表明,南海石油平臺(tái)滿足高度計(jì)海面高度和有效波高測(cè)量的定量化應(yīng)用精度要求(海面高度測(cè)量精度優(yōu)于 10 cm,有效波高測(cè)量精度優(yōu)于 0.5 m),南海石油平臺(tái)可作為衛(wèi)星高度計(jì)在我國南海海域定標(biāo)檢驗(yàn)的業(yè)務(wù)化運(yùn)行海上定標(biāo)場(chǎng)。

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