基于浮标数据的卫星雷达高度计海浪波高数据评价与校正

韩伟孝，杨俊钢*，王际朝

(1.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2. 中国石油大学(华东) 理学院，山东 青岛 266580)



基于浮标数据的卫星雷达高度计海浪波高数据评价与校正

韩伟孝1，杨俊钢1*，王际朝2

(1.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2. 中国石油大学(华东) 理学院，山东 青岛 266580)

卫星雷达高度计是海浪有效波高(significant wave height， SWH)观测的重要手段之一，本文利用时空匹配方法对T/P、Jason-1、Envisat、Jason-2、Cryosat-2和HY-2A共6颗卫星雷达高度计SWH数据与NDBC(National Data Buoy Center， NDBC)浮标SWH数据进行对比验证，并对雷达高度计SWH数据进行校正。全部卫星雷达高度计SWH数据时间跨度为1992年9月25日到2015年9月1日，对比验证NDBC浮标共53个，包括7个大洋浮标。精度评价发现除T/P外，各卫星雷达高度计SWH的RMSE都在0.4～0.5 m之间，经过校正后，RMSE都有显著下降，下降程度最大为13.82%；对于大洋浮标，评价结果RMSE在0.20～0.28 m之间，结果明显优于全部NDBC浮标的精度评价结果；HY-2A卫星雷达高度计SWH在经过校正后数据质量与国外其他5颗卫星雷达高度计SWH数据质量差异较小。

有效波高；HY-2A；雷达高度计；浮标；评价；校正

1 引言

海浪是发生在海洋中的一种波动现象，可分为风浪、涌浪和近岸浪3种，通常情况下，海浪是指由风产生的波动，描述海浪特征的主要参数之一是海浪有效波高(significant wave height， SWH)，它是海洋研究和海洋环境预报的重要特征。海浪观测对风生浪物理过程的理解、验证海浪和其他海洋过程模型、海浪气候调查等多种目的具有重要作用，其中海浪气候调查已经对船舶运输和远洋海洋工程产生了深远的影响[1]。

长时间序列、稳定连续的SWH数据对评估全球海浪波高变化很有必要，由于海浪现场测量数据主要来源于船舶和浮标，数据测量覆盖度不高，测量成本昂贵。通常地，全球海浪SWH数据一般来源于数值模式和卫星雷达高度计的观测。在20世纪70年代，SWH的全球监测变成了现实，基于卫星观测产生了第一本SWH图集[2]，这给海浪波高的评估带来了全球视角[3]。随着卫星雷达高度计的发展，主要航天大国相继发射了多颗雷达高度计卫星，包括Seasat(1978)、Geosat(1985-1990)、Topex/Poseidon(T/P)(1992-2005)、ERS-1(1991-2000)、ERS-2(1995-2011)、Envisat(2002-2012)、Jason-1(2002-2013)、Jason-2(2008至今)、Cryosat-2 (2010至今)、HY-2A(2011至今)和SARAL/AltiKa(2013至今)[4]。

应用卫星雷达高度计研究各种海洋现象已变得相当成熟，主要用于监测雷达高度计数据在流场和大尺度模型中的应用[5—7]、研究海岸动力学过程[8]、与模式结果做对比验证[9]、调查海表面高度的不断变化[10]。具有高精度的卫星雷达高度计SWH数据在海洋海浪研究中扮演着关键性的作用，因此对其开展精度评价与校正的研究工作具有重要的意义。国内外已经开展了大量卫星雷达高度计SWH数据的验证和校正方面的研究。Young在评价Geosat卫星雷达高度计SWH的基础上，对全球海浪SWH做了统计分析，得出南大洋存在常年的高海况，北大西洋存在季节性的海况，并且均出现在50°N和50°S的高纬地区[11]；Janssen等应用三重匹配方法对浮标、Envisat、ERS-2和ECMWF波浪模型的误差做了评价，其误差分别为8.2%、6.1%、6.4%、4.9%，得出Envisat卫星雷达高度计数据质量可佳[12]；Li和Holt利用Envisat和浮标观测对12 km高分辨率的NAEW海浪模型做了精度验证，其RMSE(root mean square error， RMSE)分别是0.645 m和0.605 m，相关系数R(correlation coefficient，R)是0.880和0.915，得到NAEW海浪模型SWH与Envisat卫星雷达高度计和浮标观测结果一致的结论[13]；Zieger等使用美国国家海洋数据中心(National Oceanographic Data Center， NODC)浮标对23年的卫星雷达高度计SWH数据做了验证，其RMSE均小于0.250 m，并利用校正方程修正雷达高度计SWH数据[14]；Gower对T/P卫星雷达高度计在太平洋海域SWH数据做了精度验证分析，得到RMSE平均处在0.30～0.35 m之间[15]；Korobkin和D’Sa选用30 min时间窗口验证Jason-1卫星雷达高度计Ku波段SWH与位于墨西哥湾的NDBC浮标波高数据，得到RMSE处在0.17～0.30 m之内[16]；Durrant等选用30 min时间窗口和50 km空间窗口匹配方法对4年的Jason-1 SWH数据和3年的Envisat SWH数据做了验证，分别与浮标SWH数据匹配得到3 452个和2 157个匹配点，其RMSE分别是0.227 m和0.219 m，结果显示Jason-1与Envisat SWH数据质量接近[1]；Li和Holt使用4个浮标和Envisat RA2及其ASAR海浪观测对模式进行验证，得出他们与模式结果一致的结论[13]；Abdalla等对Jason-2 OGDR(Operational Geophysical Data Record， OGDR)风场和海浪数据产品用于监测、验证和同化做了详细分析，得到SWH与模型和现场实测数据相一致，其数据质量优于Jason-1，与Envisat数据质量相差无几[17]；Sepulveda等应用浮标、Jason-2和Cryosat-2对SARAL/AltiKa海浪SWH测量做了评估，得出其沿轨数据质量较好及其结果在大洋比在近海要好[18]；Wang等使用时空尺度为30 min、50 km的匹配方法，基于NDBC浮标数据对HY-2A雷达高度计SWH测量进行验证分析，得到其RMSE为0.297 m[19]；徐广珺等利用反距离加权法根据不同的方案融合得到2011年10月1日至2012年3月8日HY-2A和Jason-1/2，Envisat卫星雷达高度计的10 d平均波高，借助NDBC浮标对其验证比较，结果表明，不同的融合结果均可以很好地反映海洋表面的真实情况，HY-2A在多源卫星雷达高度计数据融合中可以与其他卫星雷达高度计数据发挥一样的作用[20]；徐广珺等利用Jason-1、Jason-2和浮标数据对HY-2A卫星雷达高度计有效波高做了验证和校准，结果表明存在0.3～0.4 m的误差，校准后的数据能够更好地反映海面真实状况[21]；徐圆等以浮标为基准，对国内的HY-2A和国外的T/P、GFO、Jason-1、Envisat、Jason-2、Cryosat-2共7颗卫星雷达高度计的海面风速数据进行了校准与验证，给出了海面风速校准公式，结果表明经过校准后，与浮标海面风速差异的均值和均方根都有所降低，其中HY-2A最为显著，风速差异的均值都在±0.2 m/s以内[22]；Ye 等使用同样的方法对2011年10月1日至2014年9月30日的HY-2A SWH数据对比验证，得到其RMSE为0.38 m，同时与Jason-2交叉验证得到其RMSE为0.36 m[23]，Park等利用韩国周边海域4个浮标对1992-2013年的T/P、Jason-1、Envisat和Jason-2四颗卫星雷达高度计SWH数据进行了近海SWH精度误差分析，得到其RMSE为0.20～0.21 m[24]。

在以上的研究中，大多都是针对单独卫星雷达高度计SWH的验证分析，研究的空间范围主要集中在近海和大洋，时间跨度最长的单颗卫星运行时间为10 a左右，而对于长时间序列的多颗卫星雷达高度计SWH数据同步对比验证的研究工作很少，系统地对长时间序列的多星近海海域及大洋海域SWH数据精度评价显得尤为重要，尤其是与国内HY-2A卫星雷达高度计联合的精度评估更是受到各方关注。

本文研究目的在于全面评价1992-2015年24 a长时间序列的6颗卫星雷达高度计SWH数据的精度；分析大洋海域与近海海域卫星雷达高度计SWH数据测量精度的差异；比较国内HY-2A卫星雷达高度计SWH数据与国外5颗卫星雷达高度计SWH的数据质量；在精度评价的基础上对卫星雷达高度计SWH数据进行修正并提高SWH数据产品的质量。

2 数据源

2.1 雷达高度计数据

国内外的雷达高度计SWH数据都是从地球物理数据(Geophysical Data Records，GDR)产品中获取，数据来自于各个国家空间机构。研究中使用的各雷达高度计卫星的主要信息见表1，其中HY-2A是我国发射的第一颗海洋动力环境卫星，它的在轨运行填补了国内海洋动力环境卫星雷达高度计数据观测的空白，成为国际对地观测体系中的重要数据源。表1中详细列出了6颗卫星雷达高度计观测的数据时段，其中T/P、Jason-1和Envisat提供了在轨运行期间的全部SWH数据；Cryosat-2数据截至2014年9月12日；Jason-2数据截至2015年9月1日；HY-2A数据截止到2015年8月16日。

表1 卫星雷达高度计的基本信息表

2.2 浮标数据

本文所用浮标是美国国家海洋大气署(National Oceanic and Atmosphere Administration， NOAA)的NDBC浮标。由于陆地污染、近岸浅水的影响，卫星雷达高度计数据在近岸50 km之内测量结果存在很大的误差，根据NDBC浮标站点的位置选择出距离海岸大于50 km的53个浮标用于此次研究。根据大陆架划界原则，大陆架是大陆向海洋的自然延伸，是陆地的一部分，《联合国海洋法公约》中规定，如果从测算领海宽度的基线起，到大陆边缘外界不到200海里，陆架宽度可扩展到200海里；如果到大陆边缘超过200海里，则最多可扩展到350海里，这里自然的大陆架常取值为200海里，考虑到有部分大陆架可以扩展延伸至350海里以外，则在自然的大陆架200海里基础上再延伸最多扩展的150海里的一半75海里，得到275海里(509.3 km)作为考虑了部分扩展延伸大陆架的大陆架范围，方便起见，将509.3 km化整为500 km作为界定近海和大洋的限制条件。浮标详细信息如表2，大部分浮标距离海岸的距离都处在500 km以内，将其称为近海浮标，只有7个浮标与海岸的距离超过500 km，我们将其称为大洋浮标(表2中浮标号右上角为三角形)。雷达高度计测量海面SWH的数据质量与该位置点距离海岸的距离呈负相关性[4]，利用全部NDBC浮标和大洋NDBC浮标有区别地验证卫星雷达高度计SWH数据，提高了其精度验证评价的客观性。图1显示了包括大洋浮标(三角形表示)在内的53个NDBC浮标在海洋中的具体位置，浮标主要分布在阿留申群岛、阿拉斯加湾、夏威夷群岛、美国本土西海岸、墨西哥湾、加勒比海、美国本土东海岸7大海域，7个大洋浮标有3个位于太平洋，4个位于大西洋。

表2 浮标基本信息表

续表2

注：表中经度表示范围为0°～360°E。

图1 NDBC浮标位置示意图Fig.1 Locations of NDBC buoys

3 方法

3.1 浮标数据预处理

在卫星数据和浮标数据匹配之前，需要采取以下步骤对浮标数据进行预处理，如图2所示。首先，判断波高数据是否处于正常波高数据范围之内，设置上限范围Threshold1(25 m)，若波高大于Threshold1，则认为它为异常值应当予以剔除；其次，判断时间处于2 h之内的当前波高与前一波高之间的差是否大于Threshold2(10 m)，若差大于Threshold2，则剔除当前波高值；最后，平均前两步校正得到的长时间序列的正常波高值，得到该海区多年的气候态波高值SWHclimate，每一特定海区的波高应在其海域气候态波高值SWHclimate周围变化，并且不会超过变化界值Threshold3(9 m)，剔除波高处于海区正常区间[SWHclimate-Threshold3，SWHclimate+Threshold3]之外的波高值，浮标数据经过以上3步处理后认为它可以用于对比验证浮标数据[24]，最后选取SWH数据处在0～8 m波高范围内的数据用于验证卫星雷达高度计SWH数据。

图2 浮标数据处理流程Fig.2 Processing procedure of buoy data

3.2 卫星雷达高度计数据预处理

随着卫星雷达高度计技术的发展，其数据已经达到了一定的精度，在各个网站上用户可以很方便地得到它的数据，虽然每种数据都有其质量控制标志，但是数据在质量控制处理过后其数值仍然存在不少异常值，这些异常数值常常影响整个卫星数据的精度评价结果，因此在卫星数据评价之前，必须对卫星雷达高度计数据做适当的质量控制，其处理流程和浮标数据处理过程极为相似，处理流程如图3所示。首先，依据卫星数据产品的质量控制、海陆、降雨、海冰标志数据剔除质量不合格、处于陆地、降雨、海冰条件下的数据；其次，监测SWH数据是否处于正常波高数据范围之内，设置上限范围Threshold1(25 m)，若波高大于Threshold1，则认为它为异常值应当予以剔除；最后，由于海浪波高变化具有连续性，两相邻记录波高之间的波高变化差别不应很大，判断时间差在2 s之内的当前波高与前一波高之差是否大于Threshold2(10 m)，若差大于Threshold2，则剔除当前波高值，经过上面3步预处理得到合格的卫星雷达高度计数据，选取SWH数据处在0～8 m波高范围内的数据用于与浮标数据对比验证。

图3 卫星雷达高度计数据处理流程Fig.3 Processing procedure of satellite radar altimeter data

3.3 匹配方法

匹配验证卫星雷达高度计SWH数据和浮标波高数据比较复杂，虽然浮标位置固定不变，波高数据只随时间变化，但由于卫星雷达高度计SWH数据在时间和空间上变化，为了获得同步的卫星雷达高度计数据和现场实测浮标数据进行对比验证，在验证研究中使用了许多匹配处理方法，如最小二乘回归(ordinary least squares， OLS)、正交回归和主成分回归[1，23，25—26]，Monaldo建议使用时间窗口为30 min、空间窗口为50 km的匹配准则[27]，本文也采取这一匹配准则。匹配流程如图4所示，首先，根据浮标站点经纬度位置信息对卫星雷达高度计数据进行空间匹配，匹配窗口选择50 km，如图5所示，显示不同时间卫星雷达高度计SWH数据记录位置信息和浮标位置信息空间匹配结果，匹配得到卫星雷达高度计SWH数据位置与对应浮标站点位置的空间匹配结果；接着，对匹配得到的卫星雷达高度计数据做3.1中对浮标数据做的海区处理，认为处于该海区的卫星雷达高度计SWH数据应处在该海区气候波高范围之内，即SWH在[SWHclimate-Threshold3，SWHclimate+Threshold3]之内，对处于气候波高范围之外的数据点应予以剔除；最后，对海区处理过后的卫星雷达高度计空间匹配数据与长时间序列的浮标站点数据做时间匹配，选择时间窗口为30 min，得到时间匹配结果。由于每一浮标站点每一记录在空间范围50 km、时间范围30 min之内都会匹配到多个卫星雷达高度计数据记录，因此其匹配结果都会出现多个卫星雷达高度计SWH数据对应一个浮标站点波高数据的现象，为使其匹配结果准确，对多个卫星雷达高度计SWH数据做平均，使其匹配结果为一个卫星雷达高度计SWH数据对应一个浮标站点波高数据。

图4 匹配流程图Fig.4 Flowchart of collocation procedure

3.4 精度评价方法

本文使用偏差(bias)、均方根误差(rootmean square error，RMSE)、相关系数(correlation coefficient，R)和散度(scatter index，SI)对匹配结果做详细的评价，它们的定义如下所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

3.5 线性回归方法

认为浮标数据是准确的，使用浮标数据对卫星雷达高度计SWH数据做回归分析。首先，将卫星雷达高度计SWH数据作为自变量，浮标波高数据作为因变量，应用最小二乘回归方程(5)得到回归系数α和β；其次，应用得到的回归方程(5)对卫星雷达高度计数据做线性回归校正。

(5)

式中，α和β是回归系数，xi是待校准的卫星雷达高度计SWH数值，yi是校准后认为准确的卫星雷达高度计SWH数值。

4 结果和讨论

4.1 卫星雷达高度计与NDBC浮标对比验证

6颗卫星雷达高度计SWH数据与53个NDBC浮标站点波高数据时空匹配结果见表3和图6，Jason-2得到匹配点最多为6 211个，T/P最少为1 401个，匹配点数目存在差异的主要因素是卫星雷达高度计重复周期和浮标数据记录时间长短的不同。可以看到卫星雷达高度计与浮标匹配验证结果RMSE都处在区间[0.251，0.487] m之内，小于0.5 m，其中T/P最小为0.251 m，跨进了0.3 m的门槛，其他5颗卫星都在0.4 m的水平，Jason-1最大为0.487 m，其他卫星的匹配结果RMSE介于这两者之间，精度评价结果为：T/P>Envisat>Cryosat-2>Jason-2>HY-2A>Jason-1；对相关系数R这一评价指标而言，6颗卫星的匹配结果都超过了0.8，Jason-2最小为0.805，最大的是T/P高达0.936。

图5 卫星雷达高度计和浮标站点空间匹配示意图Fig.5 Space collocation of satellite radar altimeter and buoy

统计参数卫星均方根误差/m相关系数散度偏差/m匹配浮标数目/个匹配点数目/个T/P02505509361501853600521891401Jason-1048656081435032165004753495804Envisat042115081282029261008665534156Jason-204564080517028635004596396211Cryosat-2045456087058023417021847532652HY-2A046734084006026131-009967432379

图6 卫星雷达高度计与浮标匹配散点图和对应的匹配点数分布图(一)

图6 卫星雷达高度计与浮标匹配散点图和对应的匹配点数分布图(二)Fig.6 Scatter plot comparisons of satellite radar altimeters and buoys and its’ distributed plot of number

4.2 校正的卫星雷达高度计与NDBC浮标对比验证

应用最小二乘(Ordinary Least Squares，OLS)回归方法得到每颗卫星雷达高度计SWH的回归方程，其方程系数见表4中α,β两列，对每颗卫星雷达高度计SWH数据校正后得到验证结果如图7所示，从图中可以明显地观察到所有的匹配点都比较均匀地分布于回归曲线周围，结合表4数据发现，精度评价结果为：T/P>Cryosat-2>Envisat>Jason-2>HY-2A>Jason-1，在所有的卫星雷达高度计中，唯独T/P雷达高度计SWH经过线性回归方程校正后RMSE反而增大，而其他的RMSE都明显地减小，并且减小程度都大于Envisat卫星雷达高度计的4.84%，说明对于T/P雷达高度计SWH可以不使用线性回归方程校正，其他5颗卫星雷达高度计SWH很有必要使用线性回归方程校正。

4.3 卫星雷达高度计与大洋NDBC浮标对比验证

在表2中得到7个距离海岸大于500 km的大洋浮标，由于卫星雷达高度计观测得到的SWH数据精度在大洋海区和近海海区存在明显的差异，在此特别关注距离海岸500 km以外的大洋浮标与卫星雷达高度计的对比验证，经过同样的时空匹配处理得到匹配结果如图8所示，经过最小二乘方法得到回归方程，校正后的匹配点数据分布很集中，并且匹配点数值基本集中在区间[1，3] m之内，Cryosat-2和HY-2A匹配点数据范围较大，T/P匹配点很少，不能很好地反映匹配结果和回归曲线拟合结果，其他5颗卫星雷达高度计与大洋NDBC浮标的匹配结果比较好，结合表5卫星雷达高度计与大洋NDBC浮标匹配结果发现，6颗卫星雷达高度计匹配结果RMSE都进入0.3 m，Jason-2最小为0.202 m，Jason-1最大为0.282 m，精度评价结果为：Jason-2>Envisat>Cryosat-2>HY-2A>T/P>Jason-1；对于相关系数R，只有T/P很小为0.526，其他5颗卫星中Envisat最小，其值为0.832，Cryosat-2最大为0.927，HY-2A次之为0.904。

图7 线性回归卫星雷达高度计与浮标匹配散点图(红线为回归曲线，蓝线为45°对角线)Fig.7 Scatter plot comparisons of linear regression of satellite radar altimeters and buoys(red line is regression line，blue line is diagonal line of 45 degree)

卫星αβ均方根误差/mRMSE提高程度相关系数散度偏差/mT/P0917600946025242-075%093615018924003354Jason-10794102722045506647%081435030228-000003Envisat0853301326040077484%081282028454-000009Jason-20808602664043231528%080517027262000005Cryosat-209038-003380391741382%087058023013-000011HY-2A0938202014045423281%084006025996-000010

图8 最小二乘法回归后卫星雷达高度计与大洋NDBC浮标匹配散点图及其对应的匹配点数分布图(红线为回归曲线，蓝线为45°对角线)(一)

图8 最小二乘法回归后卫星雷达高度计与大洋NDBC浮标匹配散点图及其对应的匹配点数分布图(红线为回归曲线，蓝线为45°对角线)(二)Fig.8 Scatter plot comparisons of linear regression of satellite radar altimeters and buoys(red line is regression line， blue line is diagonal line of 45 degree)

图9 全部NDBC浮标与大洋NDBC浮标RMSE、R对比柱形图Fig.9 Histogram of RMSE and R comparison of all NDBC buoys and oceanic NDBC buoys

卫星αβ均方根误差/m相关系数T/P058280853102763052587Jason-1085170268902819085062Envisat0948200895020951083183Jason-20939601082020206088899Cryosat-208887-00174021197092721HY-2A0996702036025159090415

4.4 大洋NDBC浮标与全部NDBC浮标对比验证结果比较

从上面的分析结果明显地得到大洋NDBC浮标匹配结果较好，因此对全部NDBC浮标与大洋NDBC浮标匹配结果精度评价做定量的对比分析意义重大，对RMSE和R进行对比并对其提高程度做分析得到表6，由图9得到全部NDBC浮标和大洋NDBC的RMSE分别均小于0.455 m和0.282 m，都在0.455 m红线以下，除了T/P没有提高外，其他卫星均得到至少38.05%的提高，Jason-2提高程度最大为53.26%；对于相关系数R而言，除了T/P对应的大洋NDBC浮标为0.526外，其他卫星对应的大洋NDBC浮标R均不小于0.832红线，同样除了T/P没有提高外，其他卫星的均得到至少2.34%的提高，Jason-2提高程度最大为10.41%，HY-2A提高程度次之为7.63%。

5 结论

使用53个NDBC浮标对比验证6颗卫星T/P、Jason-1、Envisat、Jason-2、Cryosat-2和HY-2A雷达高度计SWH数据，发现卫星雷达高度计数据质量总体稳定、可靠，但每颗卫星雷达高度计数据质量存在差异，对于校正前的数据质量而言，其数据质量精度评价结果为：T/P>Envisat>Cryosat-2>Jason-2>HY-2A>Jason-1，T/P的RMSE是0.251 m，可以不使用校正，但其他卫星雷达高度计数据很有必要使用本文得到的线性回归方程对其做相应的校正；各卫星雷达高度计数据经过各自最小二乘回归方程校正后，其数据质量得到了整体提高，其精度评价结果则有所不同：T/P>Cryosat-2>Envisat>Jason-2>HY-2A>Jason-1；HY-2A卫星雷达高度计数据质量与国外其他5颗卫星雷达高度计数据质量存在差异，经过校正后数据质量好于Jason-1数据质量，可以广泛应用；大洋海域(离岸500 km)卫星雷达高度计数据质量普遍高于其他近海及其附近海域卫星雷达高度计数据质量；总体而言，本文研究可以为卫星雷达高度计数据验证及其应用提供参考。

表6 全部NDBC浮标与大洋NDBC浮标评价结果RMSE、R对比表

[1]Durrant T H， Greenslade D J M， Simmonds I. Validation of Jason-1 and Envisat remotely sensed wave heights[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology， 2009， 26(1): 123-134.

[2]McMillan J D. A global atlas of GEOS-3 significant waveheight data and comparison of the data with national buoy data[R]. Austin: The University of Texas at Austin， 1981: 134．

[3]Chelton D B， Hussey K J， Parke M E. Global satellite measurements of water vapor， wind speed and wave height[J]. Nature， 1981， 294(5841): 529-532.

[4]Shanas P R， Sanil Kumar V， Hithin N K. Comparison of gridded multi-mission and along-track mono-mission satellite altimetry wave heights with in situ near-shore buoy data[J]. Ocean Engineering， 2014， 83: 24-35.

[5]Eigenheer A， Quadfasel D. Seasonal variability of the Bay of Bengal circulation inferred from TOPEX/Poseidon altimetry[J]. Journal of Geophysical Research， 2000， 105(C2): 3243-3252.

[6]Basu S， Bhatt V， Agarwal V K. Assimilation of satellite altimeter data in a multilayer Indian Ocean circulation model[J]. Indian Journal of Geo-Marine Sciences， 2003， 32(3): 181-193.

[7]Shenoi S S C. Intra-seasonal variability of the coastal currents around India: a review of the evidences from new observations[J]. Indian Journal of Geo-Marine Sciences， 2010， 39(4): 489-496.

[8]Birol F， Roblou L， Lyard F， et al. Towards using satellite altimetry for the observation of coastal dynamics[C]//Dansey D. Proceedings of the Symposium on 15 Years of Progress in Radar Altimetry. Noordwijk， Netherlands: European Space Agency， 2006.

[9]Sarkar A， Mohan M， Kumar R. Inter-comparison of model-predicted wave heights with satellite altimeter measurements in the north Indian ocean[J]. Ocean Engineering， 1996， 24(9): 879-885.

[10]Prasanna Kumar S， Snaith H， Challenor P， et al. Seasonal and inter-annual sea surface height variations of the northern Indian Ocean from the TOPEX/POSEIDON altimeter[J]. Indian Journal of Marine Sciences， 1998， 27: 10-16.

[11]Young I R. Global ocean wave statistics obtained from satellite observations[J]. Applied Ocean Research， 1994， 16(4): 235-248.

[12]Janssen P A E M， Abdalla S， Hersbach H， et al. Error estimation of buoy， satellite， and model wave height data[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology， 2007， 24(9): 1665-1677.

[13]Li J G， Holt M. Validation of a regional wave model with Envisat and Buoy observations[C]//Proceedings of Envisat Symposium 2007. Montreux， Switzerland: ESA， 2007.

[14]Zieger S， Vinoth J， Young I R. Joint calibration of multiplatform altimeter measurements of wind speed and wave height over the past 20 years[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology， 2009， 26(12): 2549-2564.

[15]Gower J F R. Intercalibration of wave and wind data from TOPEX/POSEIDON and moored buoys off the west coast of Canada[J]. Journal of Geophysical Research， 1996， 101(C2): 3817-3829.

[16]Korobkin M， D’Sa E. Significant wave height in the Gulf of Mexico: validation of jason-1 measurement against buoy data[C]//Proceedings of the 12th Conference on Integrated Observing and Assimilation Systems for the Atmosphere， Oceans， and Land Surface (IOASAOLS). New Orleans， USA: American Meteorological Society， 2008.

[17]Abdalla S， Janssen P A E M， Bidlot J R. Jason-2 OGDR wind and wave products: monitoring， validation and assimilation[J]. Marine Geodesy， 2010， 33(S1): 239-255.

[18]Sepulveda H H， Queffeulou P， Ardhuin F. Assessment of SARAL/AltiKa wave height measurements relative to buoy， Jason-2 and Cryosat-2 data[J]. Marine Geodesy， 2015， 38(S1): 449-465.

[19]Wang Jichao， Zhang Jie， Yang Jungang. The validation of HY-2 altimeter measurements of a significant wave height based on buoy data[J]. Acta Oceanologica Sinica， 2013，32(11): 87-90．

[20]徐广珺，杨劲松，徐圆，等.“海洋二号”有效波高数据在多源卫星高度计数据融合中的应用[J].海洋学报，2013，35(4):208-213．

Xu Guangjun， Yang Jingsong， Xu Yuan， et al.Data fusion of significant wave height measured by “HY-2” Satellite altimeter[J]. Haiyang Xuebao， 2013，35(4):208-213．

[21]徐广珺，杨劲松，徐圆，等.海洋二号卫星高度计有效波高的验证与校准[J].遥感学报，2014，18(1): 206-214．

Xu Guangjun， Yang Jingsong， Xu Yuan， et al. Validation and calibration of significant wave height from HY-2 satellite altimeter[J]. Journal of Remote Sensing， 2014，18(1): 206-214．

[22]徐圆，杨劲松，郑罡，等.卫星高度计海面风速的校准与验证[J].海洋学报，2014，36(7)：125-132．

Xu Yuan， Yang Jingsong， Zheng Gang， et al. Calibration and verification of sea surface wind speed from satellite altimeters[J]. Haiyang Xuebao， 2014，36(7)：125-132．

[23]Ye Xiaomin， Lin Mingsen， Xu Ying. Validation of Chinese HY-2 satellite radar altimeter significant wave height[J]. Acta Oceanologica Sinica， 2015，34(5): 60-67．

[24]Park K A， Woo H J， Lee E Y， et al. Validation of Significant Wave Height from Satellite Altimeter in the Seas around Korea and Error Characteristics[J]. Korean Journal of Remote Sensing，2013，29(6): 631-644．

[25]Cotton P D， Carter D J T. Cross calibration of TOPEX， ERS-1， and Geosat wave heights[J]. Journal of Geophysical Research， 1994，99(C12): 25025-25033．

[26]程永存，徐青，刘玉光，等. T/P， Jason-1测量风速及SWH的验证与比较[J]. 大地测量与地球动力学， 2008，28(6): 117-122．

Cheng Yongcun， Xu Qing， Liu Yuguang， et al. Verification and comparison of wind speed and significant wave height from TOPEX/POSEIDON and Jason-1[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics， 2008，28(6): 117-122．

[27]Monaldo F. Expected differences between buoy and radar altimeter estimates of wind speed and significant wave height and their implications on buoy altimeter comparisons[J]. Journal of Geophysical Research， 1988，93: 2285-2302．

Calibration and evaluation of satellite radar altimeter wave heights with in situ buoy data

Han Weixiao1，Yang Jungang1，Wang Jichao2

(1.FirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China; 2.CollegeofScience，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

Satellite altimetry is one of the important way to monitor significant wave height， this paper uses space-time matching method comparing SWH data of radar altimeters on board six satellites that are T/P， Jason-1， Envisat， Jason-2， Cryosat-2 and HY-2A with SWH data from NDBC buoys， and calibrates SWH data from radar altimeters. All radar altimeters data are chose from September 25， 1992 to September 1， 2015 for a period of 24 a. Matching result yields 53 NDBC buoys， including 7 oceanic buoys， evaluation of accuracy indicates RMSE between 0.4 m and 0.5 m， except T/P， after calibration， RMSE has significantly decreased， a maximum decline is 13.82%; the evaluation result of RMSE in 0.20-0.28 m for oceanic buoys， the evaluation of accuracy is better than all NDBC buoys; after calibration for SWH， there is a little bias between HY-2A satellite radar altimeter data and other 5 foreign satellite radar altimeter data．

SWH; HY-2A; radar altimeter; buoy; evaluation; calibration

2016-01-12；

2016-03-01。

国家863计划(2013AA122803)；国家海洋公益性行业科研专项资助项目(201305032)；国家自然科学基金项目(41406007)；2015年南极环境综合考察与评估专项(CHINARE 2015-02-04)。

韩伟孝(1990—)，男，甘肃省兰州市人，主要从事海洋遥感研究。E-mail：hwx1012010362@163.com

杨俊钢(1980—)，男，副研究员，主要从事海洋遥感研究。E-mail：yangjg@fio.org.cn

P715.6

A

0253-4193(2016)11-0073-17

韩伟孝， 杨俊钢， 王际朝. 基于浮标数据的卫星雷达高度计海浪波高数据评价与校正[J]. 海洋学报，2016，36(11):73-89， doi.10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.007

Han Weixiao， Yang Jungang， Wang Jichao. Calibration and evaluation of satellite radar altimeter wave heights withinsitubuoy data[J]. Haiyang Xuebao， 2016， 38(11): 73-89， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.007