HY-2A卫星海面高度数据质量评估

杨光，宋清涛*，蒋兴伟，王兆徽

(1. 国家卫星海洋应用中心，北京 100081；2.国家海洋局空间海洋遥感与应用研究重点实验室，北京 100081)



HY-2A卫星海面高度数据质量评估

杨光1，2，宋清涛1，2*，蒋兴伟1，2，王兆徽1，2

(1. 国家卫星海洋应用中心，北京 100081；2.国家海洋局空间海洋遥感与应用研究重点实验室，北京 100081)

对HY-2A卫星雷达高度计数据进行筛选获取有效的观测点，利用HY-2A卫星第18～23周期数据和同时在轨的Jason-2数据进行交叉点选取，对两颗卫星在交叉点海面高度异常值的差值进行统计与分析，提出了基于交叉点差值统计特征的筛除HY-2A轨道数据方法，评估了HY-2A卫星雷达高度数据质量。结果显示，HY-2A卫星18～23周期阈值筛选去除的点个数占总海洋观测点约12%，HY-2A海面高度异常与Jason-2海面高度异常的标准偏差在7.0 cm，数据精度满足设计精度要求。

HY-2A；雷达高度计；海面高度；HY-2A质量评估

1 引言

2011年8月，中国成功发射了海洋二号(HY-2A)卫星。除了有效载荷扫描微波辐射计和微波散射计，HY-2A卫星还携带了双频雷达高度计、精密定轨系统和校正微波辐射计[1]。HY-2A卫星的主要目标是观测海洋动力环境要素[2—3]，其中，海面高度场的监测是HY-2A卫星的重要目标。

海面高度卫星观测对于物理海洋学研究有重要意义，可以提供全球的海洋环流信息[2]，网格化的海面高度异常(sea level anomaly， SLA)数据被广泛应用于海洋物理过程的分析、模式数据的比对[4]以及模式同化过程[5]等研究中。

对HY-2A卫星海面高度数据质量进行评估是HY-2A卫星海面高度数据应用前的必要环节。当两颗卫星高度计同时在轨时，可以利用更为精确的高度计海面高度数据作为参考，评估另一颗卫星的数据质量。Le Traon等[6]利用更为可靠的Topex/Poseidon(T/P)高度计对ERS-1的数据进行了质量评估，同时，Faugere等和Ablain等分别使用Envisat与Jason-2[7]，Jason-1与Jason-2[8]也进行了交叉评估工作。使用高精度雷达高度计数据进行交叉评估是对新载荷数据质量评估的一个重要方法。

T/P、Jason-1、Jason-2是一系列高精度、进行了交叉定标的高度计卫星，长时间序列的海洋观测可以提供低频率、大尺度的海洋信号，可以作为其他高度计卫星任务的参照。本文利用与HY-2A卫星同时在轨的Jason-2卫星海面高度数据，计算二者海面高度异常的全球交叉点差值，剔除HY-2A卫星海面高度数据中的异常轨，对于HY-2A卫星海面高度数据的质量进行评估。

2 数据与方法

2.1 数据选择与相关参数

选择了HY-2A卫星第18～23周期约84天(2012年5月26日至2012年8月18日)IGDR数据及对应时间段的Jason-2 GDR-d数据(143～152周期)，对于HY-2A卫星海面高度进行全球数据质量的评估。本文使用的HY-2A卫星沿轨海面高度IGDR数据由国家卫星海洋应用中心(NSOAS)提供，使所用的Jason-2 GDR-d沿轨海面高度数据从法国海洋数据存档处理中心AVISO获得。

2.2 海面高度异常计算

海面高度异常为海面高度到大地水准面的距离，由于还没有可靠的、足够分辨率的大地水准面数据，一般使用多年平均的海面高度观测作为代替[9]：

SLA=altitude-(range_ku+∑corrections)-MSS，

(1)

式中，altitude为参考椭球面到卫星的距离，range_ku为Ku波段1 Hz回波计算得到的海面到卫星的距离。MSS为平均海面高度，对于Jason系列高度计，经过重复轨道分析[10]，利用多年观测平均的海面高度(SSH)作为参考值。由于HY-2A卫星没有长时间序列的观测数据，无法进行重复轨道分析，HY-2A卫星平均海面高度使用的是CLS01模型结果。∑corrections为雷达高度计计算海面高度过程中所有的校正项之和，校正项如表1所示。在HY-2A卫星第18～23周期时间段内，HY-2A卫星自带的微波辐射计进行的湿大气校正(rad_wet_tropo_corr)数据有不稳定的情况，每个周期中都有多轨的微波辐射计湿大气校正值不可用，所以在本文研究中使用了模式的湿大气校正(model_wet_tropo_corr)代替。

2.3 数据筛选

HY-2A卫星雷达高度计在测量海面高度过程中，由于面临不同的区域环境，不同的天气状态，经历不同的仪器状态等因素的影响，许多数据点是不可靠的，甚至是错误的。通过标识筛选和阈值筛选将不可信的数据点进行去除，标识筛选与阈值筛选的具体条件[11]见附录表A1和A2。

阈值筛选过程，对于参数值不在阈值范围内的点认为该点观测不可信[11]，从而对不可信观测数据进行筛除，不参与进一步的分析。如图1所示，HY-2A卫星雷达高度计每个周期海洋中被筛选点的个数占海洋点的总个数的比例稳定在12%左右，表明在本文所分析的高度计数据中，HY-2A雷达高度计观测总体稳定可靠。其中，海面距离有效点个数的阈值筛选掉的点个数占海洋观测点总个数的比例约为5%，是占比最大的单个阈值筛选项。

表1 HY-2A雷达高度计海面高度校正项

2.4 交叉点选取

交叉点是指两星卫星在一定时间间隔内，对于某空间区域进行重复观测的位置。由于雷达高度计的采样特性，其重复观测位置为其星下点轨迹的交叉点处。合理地计算和选择交叉点，是进行星-星交叉评估的基础[12]。

首先，对于HY-2A卫星和Jason-2卫星每一轨的星下点轨迹做3次样条插值，由于各轨中的星下点轨迹变化是连续而平滑的，这使得可以有效地使用3次样条将轨道较好的表示出来。然后，利用两个卫星每一轨星下点轨迹的插值结果，选取相同位置点即初步交叉点，记录两颗卫星过初步交叉点时间，分别选取以初步交叉点时间为中心的10 s窗口。对于各对应窗口内的数据点用最小二乘法拟合3次样条函数，计算实测点海面高度异常与拟合曲线的残差均方根，并将残差均方值大于9 cm的窗口筛选去除掉[13]。最后，利用两颗卫星对应窗口的拟合数据，计算得到精确的交叉点。

3 HY-2A卫星海面高度异常轨去除

交叉点差值是HY-2A卫星与Jason-2卫星在交叉点空间位置的差值，即HY-2A卫星交叉点处海面高度异常值减去Jason-2卫星交叉点处海面高度异常值(以下简称为HY2-J2)。HY-2A和Jason-2卫星在交叉点的观测时间不同，考虑到海面动力过程，本文选取了HY-2A卫星与Jason-2卫星过交叉点的时间间隔为5 d以内的交叉点[6]。

图1 HY-2A雷达高度计18～23周期各参数阈值筛选点占海洋总观测点的比例Fig.1 Percentage of editorial threshold criteria points of all ocean points in HY-2 radar altimeter cycle 18-23

图2 HY-2A卫星18～23周期内各轨HY2-J2均值分布Fig.2 HY2-J2 each pass mean value in HY-2A radar altimeter cycle 18-23a.18周期，b.19周期，c.20周期，d.21周期，e.22周期，f.23周期a.18 cycle， b.19 cycle， c.20 cycle， d.21 cycle， e.22 cycle， f.23 cycle

图3 HY-2A卫星18～23周期内各轨HY2-J2标准差分布Fig.3 HY2-J2 each pass standard deviation in HY-2A radar altimeter cycle 18-23a.18周期，b.19周期，c.20周期，d.21周期，e.22周期，f.23周期a.18 cycle，b.19 cycle，c.20 cycle，d.21 cycle，e.22 cycle，f.23 cycle

HY-2A卫星每一轨都存在多个与Jason-2卫星的交叉点，平均每一轨的交叉点个数为35个，对于每一轨的HY2-J2进行统计，计算其均值与标准差。

如图2所示，HY-2A卫星18～23周期都存在有部分轨的HY2-J2均值明显异常，显著偏离平均值。对单轨数据分析发现这些交叉点差值(HY2-J2)有异常的轨确实存在整轨偏离正常海面高度沿轨变化的情况。本文在数据处理过程中，将沿轨HY2-J2均值落在3倍标准差(3σ)之外的轨确定为异常轨，整轨的数据认为不可靠观测。

由于第22周期356～386等轨、第23周期1～50等轨HY2-J2的统计值极大幅度表现出异常，本文调整了图2、图3中e、f中纵坐标的变化，从而表现出22、23周期第轨HY2-J2的均值、标准差的变化规律，如果剔除了这些极大的异常轨之外，其他轨HY2-J2的均值与标准差将表现出与18～21周期类似的变化规律。

在本文研究的HY-2A高度计数据中，如图3所示，每一周期都存在HY2-J2标准差明显异常的轨道观测，其标准差显著偏离正常值，说明该轨观测与Jason-2相比出现剧烈的波动。

另外，HY-2A卫星第20周期17轨HY2-J2的标准差为31.45 cm，如图3c红色矩形框所示，显著偏离其他轨的均值。其沿轨的海面高度异常存在剧烈波动(图4)，SLA非连续的剧烈波动不符合海面连续性变化特征，并非是由于海洋现象的变化造成的，而是数据质量问题。正是由于沿轨海面高度数据的非正常的剧烈变化，使得该轨的HY2-J2同样剧烈的出现异常波动，其标准差显著偏大。将每轨HY2-J2的标准差大于15 cm的轨确定为异常轨，认为整轨为不可靠观测。

图4 HY-2A第20周期17轨沿轨海面高度异常Fig.4 Along pass SLA in pass 17 in HY-2A cycle 20

通过上述方法，依据HY2-J2的均值或标准差异常来确定不可信的轨道，其HY2-J2不参与进一步的质量评估过程。值得指出的是，在HY-2A雷达高度计数据的其他应用中，这些轨的沿轨海面高度数据同样应该被认为不可信，不应该被使用。

4 结果

去除异常轨之后，统计各周期的HY2-J2落在3倍的标准差(3σ)内的交叉点(有效交叉点)。根据所选周期内的有效交叉点上的HY-2A和Jason-2海面高度观测数据对HY-2A雷达高度计数据质量进行评估。其中，HY2-J2的标准差为HY-2A卫星与Jason-2之间的标准偏差，HY2-J2的均值为HY-2A卫星与Jason-2之间的相对偏差。

如表2所示，HY-2A卫星与Jason-2之间的标准偏差相对稳定，平均值为7.0 cm，ERS-1与T/P之间的标准偏差约为16 cm[6]。HY-2A卫星海面高度与Jason-2数据一致性较好，数据质量稳定可靠。

表2 HY-2A卫星各周期相与Jason-2的标准偏差和相对偏差

5 结论

HY-2A卫星数据18～23周期阈值筛选掉的观测点个数占总海洋观测点约12%，每个周期都有部分轨的数据异常，在使用过程中需要根据HY-2A卫星与Jason-2交叉点差值的统计，将这些异常的数据去除掉。在18～23周期内，HY-2A卫星海面高度与Jason-2表现出良好的一致性，标准偏差平均为7.0 cm，能够满足HY-2A卫星测高的精度要求，可以为相关的科学研究提供可信的数据源。本文同时发现，HY-2A雷达高度计IDGR与Jason-2高度计GDR-d之间存在比较稳定的相对偏差，在18～23周期内平均相对偏差为39.60 cm。初步分析结果表明该偏差为系统偏差，在HY-2A海面高度数据使用和后续处理中可以进行订正消除。

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附录

Preliminary assessment of the quality of HY-2A satellite sea surface height data

Yang Guang1，2，Song Qingtao1，2，Jiang Xinwei1，2，3，Wang Zhaohui1，2

(1.NationalSatelliteOceanApplicationService，Beijing100081，China; 2.KeyLaboratoryofOceanSpaceRemoteSensingandApplication，StateOceanicAdministration，Beijing100081，China)

The HY-2A radar altimeter effective measurements of the sea surface height (SSH) were selected using the IGDR editorial criteria. The crossover points of HY-2A satellite SSH data from cycle 18 to 23 and Jason-2 data within 5 days were determined. The erroneous measurement orbits were removed based on crossover statistics of HY-2A and Jason-2. The quality of the HY-2A SSH data is evaluated using statistics of crossover difference analysis. The cross calibration results show that the number of HY-2A data points removed by the editorial criteria is about 12% of the total HY-2A SSH observations. It is found in this study the standard deviation of SSH between HY-2A satellite and Jason-2 is 7.0 cm for the HY-2A cycles used in this study， and the accuracy of SSH measurements of HY-2A meets the requirements of sensor design．

HY-2A; radar altimeter; sea surface height; HY-2A quality assessment

表A1 HY-2A卫星标识筛选条件

2015-05-16；

2015-09-05。

基金面上项目(41276019)；海洋公益性行业科研专项(201305032)；广东省科技计划项目(20BB020200013)。

杨光(1990—)，男，江苏省盐城市人，研究方向为卫星高度计数据融合。

宋清涛(1971—)，男，辽宁省丹东市人，研究员，研究方向为海洋遥感与边界层物理。E-mail:qsong@mail.nsoas.org.cn

P715.6

A

0253-4193(2016)11-0090-07

杨光，宋清涛，蒋兴伟，等. HY-2A卫星海面高度数据质量评估[J]. 海洋学报， 2016， 38(11):90-96， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.008

Yang Guang， Song Qingtao， Jiang Xingwei， et al. Preliminary assessment of the quality of HY-2A satellite sea surface height data[J]. Haiyang Xuebao， 2016， 38(11):90-96， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.11.008