利用南海石油平臺的衛星雷達高度計定標與檢驗

葉小敏 ,林明森 ,宋慶君 ,蘭志剛

(1.國家海洋局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;3.中海油能源發展股份有限公司北京分公司,北京 100027)

衛星雷達高度計是可同步提供海面高度、海面風速大小和有效波高等海洋動力環境要素的微波傳感器。在近40年海洋衛星發展過程中,經歷了Seasat、Geosat、GFO、TOPEX/Poseidon、ERS-1/2、ENVISAT、Jason-1/2和HY-2等典型的衛星雷達高度計,目前衛星高度計海面測高精度高達2.5 cm,海面風速和有效波高觀測精度分別達到了1.5 m/s、5%或0.25 m[1-2]。

在高質量定量化高度計遙感產品生產過程中,定標與真實性檢驗是必不可少的環節?，F今全球永久的高度計專業定標與真實性檢驗場有4個[3]: 希臘克利特島(位于地中海東部)的 Gavdos定標場[3];法國的科西嘉島定標場[4];美國加利福尼亞州的Harvest石油平臺[5];澳大利亞塔斯馬尼亞州的巴士海峽定標場[6]。利用定標場可對在軌的衛星高度計進行定標和真實性檢驗,高度計定標檢驗方法主要包括3類: 有源定標檢驗法、星星交叉定標檢驗法和現場觀測定標檢驗法。有源定標檢驗即在高度計星下點安置微波異頻雷達收發器實施對高度計后向散射系數和測高的有源定標檢驗;星星交叉定標檢驗法即利用已有的高質量的衛星雷達高度計進行沿軌(對相同軌道的后繼衛星)或交叉點進行交叉定標檢驗;現場觀測定標法即利用專門的海上定標場或現場觀測數據對高度計進行定標和檢驗。

利用現場觀測數據對海面風速和有效波高的檢驗就是在一定的時空窗口內對現場觀測值和高度計觀測值進行比較[7-9],或者利用現場觀測的月平均值與高度計在一定空間范圍的觀測月平均值進行比較[10-11]。高度計測高絕對定標檢驗方法可分為兩種。一是標準方法,比較衛星和現場測量之間的海面高度,該方法需確?，F場觀測點在衛星地面軌跡上。二是參考平均海平面法,比較衛星和現場測量之間的海平面距平,該方法的現場觀測點可不在衛星地面軌跡上,但仍需滿足無島嶼干擾的開放海域、大地水準面和潮汐模型相對精確和風浪環境要素均勻等條件[12-13]。

國內外學者在不同海域對在軌的衛星高度計進行了大量的定標檢驗工作。Christensen 等[14]利用Harvest石油平臺得到TOPEX和Poseidon高度計的測高絕對定標結果分別為–14.7 cm±2.1 cm 和–2.9 cm±2.4 cm;Haines等[15]利用 Harvest石油平臺確定Jason-1衛星高度計(2001～2003年)的測高絕對定標結果為13.8 cm±1.8 cm,同時結果顯示T/P衛星高度計于在軌的十多年間由于得到了很好的定標,其海面高度測量偏差幾乎接近零;Bonnefond等[4,16]在科西嘉島定標場利用聲學驗潮儀和 GPS浮標對TOPEX/Poseidon、Jason-1和 Jason-2衛星高度計進行了定標檢驗得到測高絕對定標結果分別為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定標場對Jason-2衛星高度計第 2～60周期進行了定標檢驗,得到了Jason-2高度計Ku波段和C波段測高絕對定標結果分別為18.67 cm±5 cm和17.99 cm±7 cm,而結合CLS01_MSS平均海平面模型對相同的Jason-2衛星GDR數據進行定標,得到的測高絕對定標結果為15.98 cm±0.2 cm,并對有源定標方法進行了介紹;Dong等[12]利用英國驗潮站和 GPS設備對 TOPEX/Poseidon衛星高度計進行了定標檢驗,得到TOPEX和Poseidon高度計的海面測高絕對偏移量分別為2 cm和3 cm;Christopher等[6]在澳大利亞巴士海峽利用 GPS浮標,得到TOPEX/Poseidon衛星高度計測高絕對定標結果為–1.0 cm±1.9 cm,Jason-1衛星高度計的測高絕對定標結果為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石油平臺定標場、科西嘉島和巴士海峽定標場GPS浮標的定標屬于在高度計地面軌跡上的標準定標方法,而利用驗潮儀的定標屬于比較現場和衛星觀測點間海平面距平的定標方法。本文以國家“863”計劃“海洋遙感定標檢驗技術研究”南海石油平臺定標場的水位計和測波雷達儀器觀測數據,對Jason-2衛星高度計進行測高絕對定標,對Jason-1有效波高產品進行真實性檢驗。

1 高度計測高絕對定標方法與數據

1.1 高度計測高絕對定標原理

衛星高度計測高絕對定標是通過比較現場和衛星觀測的海面高度來獲得衛星高度計測高的絕對偏差。對于南海石油平臺的定標場,由于平臺并非處于衛星觀測的地面軌跡上,需要比較兩者測量的海平面距平來獲得高度計的絕對偏差。

圖1為南海石油平臺對高度計測高絕對定標原理示意圖,高度計海面高度測量絕對偏差計算公式為[3]

式中,B為絕對偏差,HSLA、hSLA分別為衛星高度計觀測點和平臺處海平面距平;HMSS、hMSS分別為衛星高度計觀測點和平臺處的平均海平面高。在計算偏差時,平均海平面高可用大地水準面高代替[12]。

平臺處瞬時海面高度h由水位計高度減去水位計到海面的水位雷達測量距離r得到。平臺處海平面高度hSL可表示為

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

衛星觀測點處海面高度距平HSLA為

式中,Halt和R分別為高度計高度、高度計測距大小;Hcorr為高度計測高的校正項,包括電離層校正HIono、大氣對流層延遲校正干分量HDry、對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為衛星觀測點處的潮汐,包括海洋潮汐HO、地球固體潮HS和極潮HP。

圖1 南海石油平臺水位計對衛星高度計測高絕對定標原理示意圖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 南海石油平臺及其所在海域概況

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

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

南海石油平臺處于南海大陸架上,當地水深約200 m。圖3為平臺所在的南海北部海域海底地形(英國海洋數據中心的 GEBCO_08水深模型,網格分辨率為 2′×2′)和平均海平面梯度場(法國空間中心的CLS_MSS11平均海平面模型計算得到)。由圖3可見,平臺附件海域水深較深(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,無對衛星高度計觀測干擾的島嶼。

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

圖4為南海石油平臺處近 3 a(2009～2011年)Jason-1衛星高度計的風浪觀測值。平臺處風浪隨季節變化明顯,海面風速大小分布在 0～16 m/s的范圍內,有效波高分布在0～5 m的范圍內;夏季風浪相對偏小,而冬、春兩季風浪相對偏大;海面風速大小和有效波高變化趨勢一致。平臺所處的南海北部海域風浪平面分布較均勻(分布示例見圖 5),不存在風浪劇烈變化的海域。

圖4 南海石油平臺處近3 a (2009～2011年)海面風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

根據南海石油平臺所處海域的地理位置、海底地形、平均海平面梯度和風浪時空分布特征。南海石油平臺具備高度計定標檢驗的海洋環境條件。

1.3 數據及其處理

1.3.1 水位計數據

圖5 南海北部2011年1季度(1～3月)平均海面風場和有效波高分布(數據來源分別為MetOp-A/ASCAT散射計海面風場和Jason-1/2衛星高度計有效波高產品)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)

南海石油平臺上裝載的水位計為挪威MIROS公司生產的SM-094型水位計,工作于9.4～9.8 GHz微波波段,采用雙頻GPS PPP定位技術進行高程定位,其水位測量頻率為 1 Hz,單次測量精度優于 1 cm,多次測量平均處理精度優于1 mm。

水位計數據時間跨度為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的數據。水位計數據記錄形式為每小時記錄1次,整點記錄,每次記錄時間長度為5 min,水位測量頻率為1 Hz。對于高頻水位采樣數據,采用某時刻前后一定時間長度下的水位測量值的平均作為該時刻的海面高度。隨機選取 1次水位記錄數據,計算其不同平均時間長度下的平均海面高度值(見圖6)。

圖6 水位計不同平均時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,對于南海石油平臺1 Hz采樣頻率的水位計,在約150 s時間長度的水位測量值的平均值已經基本穩定,即連續觀測的時間長度大于 2.5 min,即可作獲得某一時刻的海面高度。本文采用5 min的高頻觀測值的平均值作為該時刻的海面高度值。

對2011年9月3月11: 00 至2011年9月19日9: 00時段的水位計海面高度觀測值與GOT00.2大洋潮汐模型潮位計算值進行比較(見圖 7),兩者相關系數為0.98,差值的標準偏差為5.7 cm。海洋潮汐是瞬時海面高度變化的主要貢獻量,而平臺水位計海面高度的測量值和海洋潮汐模型潮高計算值具有高相關性,說明水位計測量數據能準確地對海面高度進行測量。

圖7 南海石油平臺水位計海面高度觀測值與GOT00.2海洋潮汐模型潮位計算值比較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 測波雷達數據

南海石油平臺上裝載有挪威MIROS公司生產的C波段波浪和海流測量雷達,型號為SM-050 MKIII。測波雷達有效波高測量精度為±5%或0.2 m (0～30 m范圍內),數據記錄格式為 3 min提供一個有效波高觀測值。本文利用的測波雷達數據時間跨度為 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,測波雷達有效波高值隨時間變化見圖8所示。

圖8 南海石油平臺測波雷達有效波高觀測數據Fig.8 Significant wave heights measured by the wave radar fixed on the oil platform in the South China Sea

圖8所示的實測有效波高時間序列同樣顯示:在南海石油平臺處夏季風浪相對偏小,而冬、春兩季風浪相對偏大。

1.3.3 高度計數據

本文使用的高度計數據為美國國家航空航天局(NASA)和法國空間局(CNES)聯合發射的 Jason-1和Jason-2衛星高度計觀測數據。Jason-1是 TOPEX/Poseidon(簡稱T/P)衛星的后繼星,Jason-2是Jason-1的后繼星,分別于2001年12月和2008年6月發射升空,其上搭載的雙波段雷達高度計,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,重復周期為9.915 d。Jason-1/2衛星1 Hz地面觀測點間的距離約5.8 km,GDR數據產品每周期包含254軌,升降軌各127軌,分別以奇偶數軌道號標記。本文選用的高度計數據為2011年2月～2012年 2月的 Jason-1衛星 GDR數據、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衛星GDR數據。Jason-1/2衛星高度計GDR數據于法國AVSIO/CNES數據中心獲取。

為了正確評估衛星高度計的測高絕對定標結果和有效波高精度,需對高度計數據進行質量控制。刪除陸地、冰上和降雨條件下的觀測數據,同時保證后向散射系數不高于35 dB、有效波高處于0～11 m的范圍內,其余各觀測和地球物理量處于合理范圍和對應的質量標識為正常。

1.4 平臺與高度計數據定標檢驗時空匹配

對衛星高度計進行測高絕對定標和有效波高產品的真實性檢驗,均需對衛星數據和現場觀測數據在一定的時空范圍內進行匹配,以確?，F場觀測值可作為待檢驗衛星觀測值的真實值。

1.4.1 水位計與衛星高度計海面測高數據匹配

本文使用的南海石油平臺水位計數據觀測期間,正處于 Jason-1衛星變軌期,本文選用 Jason-2高度計作為待定標高度計。Jason-2衛星Pass012、Pass153、Pass190和Pass229離南海石油平臺最近,該4條地面軌跡上距平臺最近點可利用如下公式和方法獲得[14]:

式中,X和Y分別為高度計觀測點的經度和緯度;x和y分別為平臺(水位計)的經度和緯度。當 f取得極大值時,對應時間為衛星過境時刻,對應的經緯度即為最近點的位置。

由于 Jason-2衛星 Pass012、Pass153、Pass190和Pass229地面軌跡離南海石油平臺在110～160 km,且均處于開闊海域,可忽略南海平臺處和距平臺最近觀測點之間的極潮、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水位計距離最近的5個連續觀測點的海面高度平均值作為與水位計海面高度比較的對比值。Jason-2衛星高度計絕對偏差計算公式(1)可簡化為

式中,衛星高度Halt、高度計測距R、電離層延遲校正HIono、大氣對流層延遲校正干分量HDry、大氣對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為距平臺最近的連續5個觀測點的平均值,數據均由Jason-2衛星GDR數據直接讀取;衛星過境時刻的平臺處海面高度h通過每 1小時一次的平臺水位計海面高度測量值線性插值得到,平臺處海洋潮汐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平均海平面模型計算得到。

1.4.2 測波雷達與衛星高度計有效波高匹配

選擇距平臺不大于50 km的Jason-1觀測點的有效波高平均值作為待檢驗的有效波高高度計觀測對比值。觀測點至平臺的地面距離計算公式如下:

式中,R0=6 371 km 為地球半徑,f為公式(6)的計算值。以衛星過境時刻前后各15 min(共30 min)的測波雷達有效波高的平均值作為檢驗的有效波高現場觀測對比值。

2 結果與分析

2.1 Jason-2高度計海面高度測量定標結果

經數據篩選和時空匹配處理后,共獲得36組對比數據。對該36組匹配對比數據利用公式(7)進行統計計算,獲得Jason-2高度計在南海平臺處相對于水位計海面高度測量的平均偏差為30.9 cm,差值標準偏差為7.8 cm;水位計和Jason-2高度計對海面高度測量值的相關系數為0.6。兩者對比關系見圖9。

圖9 南海平臺水位計與 Jason-2衛星高度計海面高度距平比較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結果可見,南海石油平臺水位計和Jason-2高度計海面高度觀測值變化趨勢基本一致。對于少數異常值相差較大的對比值,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海表面流場近實時分析(Ocean Surface Current Analysis Real-time,OSCAR)產品在南海北部分布圖。

圖9中第9組對比數據差值異常偏大,該數據采集時間為2012年3月10日,對應南海北部海流分布為圖10所示。由圖10可見,在南海石油平臺附近海域存在較強的中尺度渦。這可能是造成平臺水位計和Jason-2高度計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)

南海石油平臺上水位計工作時間較短,本文僅獲得約104 d的觀測數據,對比數據有限。在本文使用的水位計數據觀測期間,Jason-1衛星正處于變軌期而無觀測數據;Jason-2地面軌跡距南海石油平臺較遠,影響了海面高度高度計觀測值與水位計觀測值的對比結果。

2.2 Jason-1高度計有效波高檢驗結果

對測波雷達和Jason-1高度計數據(Pass012)進行數據篩選和時空匹配處理后,共獲得29組對比數據(數據比較曲線見圖11)。

圖11 南海石油平臺測波雷達和Jason-1高度計有效波高比較曲線Fig.11 A comparison curve of significant wave heights between the wave radar and Jason-1 altimeter in the South China Sea

對匹配的對比數據進行統計,得到Jason-1衛星高度計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,與測波雷達有效波高測量值的相關系數分別為 0.92和0.90。Jason-1衛星高度計有效波高檢驗統計結果顯示: 南海平臺測波雷達與Jason-1高度計有效波高觀測值具有較高一致性,測量精度滿足定量化應用需求(精度優于0.5 m)。

3 結論

南海石油平臺作為海上綜合定標場,其所處海域的地理位置、海底地形、平均海平面梯度和風浪時空分布特征滿足高度計定標檢驗的環境要求。利用南海石油平臺上水位計(雷達)海面高度測量數據,對Jason-2高度計進行測高絕對定標結果為30.9 cm±7.8 cm;利用測波雷達對Jason-1高度計有效波高進行精度檢驗,Jason-1衛星高度Ku波段和C波段有效波高相對于測波雷達有效波高測量值的均方根誤差分別為0.43 m和0.45 m。以上檢驗結果表明,南海石油平臺滿足高度計海面高度和有效波高測量的定量化應用精度要求(海面高度測量精度優于 10 cm,有效波高測量精度優于 0.5 m),南海石油平臺可作為衛星高度計在我國南海海域定標檢驗的業務化運行海上定標場。

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