HY-2B卫星雷达高度计对流层路径延迟精度分析❋

郑广东，马纯永,2❋❋，高占文，王 绚, 陈 戈,2

(1.中国海洋大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266100；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237)

随着1991年ERS-1卫星和1992年TOPEX/Poseidon卫星发射升空，卫星高度计开始对全球海面高度、风场和有效波高进行连续、全天候的观测，并提供大量有效观测数据，加快了海洋学及其他地球科学的发展[1]。2011年，中国第一颗海洋环境动力卫星HY-2A成功发射，标志着中国海洋学和业务海洋气候学探测迈向新阶梯[2-3]。中国HY-2A数据产品发布后，Zhang等[2]、Bao等[3]以及徐广珺等[4]对Jason-2卫星高度计进行交叉校准，评估了HY-2A高度计数据质量及测高系统性能。

HY-2B卫星是中国发射的第二颗海洋动力环境卫星，于2018年作为HY-2A的后续项目进入预设轨道[5-6]。该卫星主要搭载双频雷达高度计(Ku和C波段)、微波散射计、微波辐射计等多个载荷，HY-2B卫星以风场、有效波高、海面高度和重力场作为主要观测要素，就海面高度的观测而言，雷达信号在发射和接收的过程中会因大气、海况、潮汐的变化引起不同程度的衰减。HY-2B数据产品发布后，Wang等[5]和Jia等[6]对HY-2B地球物理数据集记录(Geophysical data records,GDR)进行全球质量评价，并将关键参数(风速、有效波高等)和海面高度与Jason-3进行交叉对比。另一方面，Jiang等[8]、Yang等[9-10]以及Hito等[11]使用浮标现场测量数据分别验证Sentinel-3A/3B SRAL、HY-2B和SARAL/AltiKa风速和有效波高的数据质量。因此，交叉定标和检验是每个卫星测高系统中非常重要和不可缺少的组成部分[6]。准确客观的交叉校准和检验不仅为用户提供可靠的信息，而且为提高数据产品的准确性提供支持和帮助[3-10]。然而，HY-2B GDR数据自2019年发布以来，针对干对流层路径延迟(Dry tropospheric path delay,DPD)和湿对流层路径延迟(Wet tropospheric path delay,WPD)产品精度的研究较少。

因此，本研究的重点是对HY-2B DPD和WPD的产品精度进行分析与评价。HY-2B DPD和WPD精度分析与评价采用两种方法：星星交叉法和对流层独立模型检验法。星星交叉法使用Jason-3高度计与HY-2B进行交叉，对比分析DPD和WPD的产品精度。对流层独立模型检验法是利用欧洲中期天气预报中心的大气压强数据和辐射计测量的水汽数据重处理结果分别与HY-2B、Jason-3高度计对流层路径延迟产品进行对比，分析DPD和WPD的产品精度。最后，使用星星交叉法和对流层独立模型检验法对HY-2B高度计DPD和WPD产品精度进行稳定性分析。

1 数据

1.1 Jason-3雷达高度计数据

为了验证和比较HY-2B高度计对流层路径延迟的产品精度，本文选择2019年1月1日—2020年12月31日Jason-3 GDR产品数据，该数据产品来源于法国国家空间研究中心(ftp://ftp-access.aviso.altimetry.fr)。选择Jason-3数据产品的原因包括以下几个方面：(1)Jason-3 GDR产品中包括计算海面高度所需参数，如干对流层路径延迟、湿对流层路径延迟等(见Jason-3数据产品用户手册)，这些参数将与干对流层和湿对流层校正算法计算结果对比，作为HY-2B对流层路径延迟产品精度的参考标准；(2)继Jason-2之后，它在系统和数据处理方面进行了许多改进；(3)Jason-3卫星的地面轨道和HY-2B卫星的地面轨道有许多交叉点[6]；(4)Jason-3雷达高度计数据已被广泛验证和校准，可以获得高精度的海表面高度。因此Jason-3数据将用于分析HY-2B DPD和WPD的产品精度。

1.2 HY-2B雷达高度计数据

HY-2B雷达高度计的目标是测量海面高度、有效波高和重力场参数，主要设计参数见表1。HY-2B卫星雷达高度计二级产品包括临时地球物理数据(Interim geophysical data records,IGDR)、遥感地球物理数据集(Sensor geophysical data records,SGDR)、GDR三种产品。IGDR是利用中等精度轨道星历(Medium precision orbit ephemeride，MOE)定轨数据和波形重构等方法得到未经校正的数据产品。GDR是利用精密轨道星历(Precise orbit ephemeride，POE)定轨数据和波形重构等方法得到的完全校正后的数据产品。SGDR与IGDR和GDR基本一致，区别在于包含了波形数据，三种数据中都包括了有效波高、海面风速、海面高度及用于计算海面高度所需的校正参数(见HY-2B卫星高度计数据产品使用说明)。

表1 雷达高度计的主要参数

本文选择2019年1月1日—2020年12月31日HY-2B GDR产品数据,这些数据产品来源于国家卫星海洋应用中心(https://osdds.nsoas.org.cn/)。标准的GDR数据产品包含完全校正后的DPD和WPD，这些参数将与Jason-3卫星进行交叉，分析HY-2B DPD和WPD的产品精度。

1.3 大气压强和水汽数据

本文使用的大气压强和水汽数据来源于欧洲中期天气预报中心和辐射计。大气压强数据用于计算DPD，时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.25°×0.25°。它是垂直于地球表面某一点上方的所有空气重量，包括陆地、海洋和内陆水表面大气的压力。辐射计为高度计提供大气湿对流层路径延迟校正服务。其中Jason-3先进微波辐射计(Advanced microwave radiometer,AMR)可收集海洋反射的频率为18.7、23.8和34.0 GHz的辐射；HY-2B校正微波辐射计(Calibration microwave radiometer,CMR)可收集海洋反射的频率为18.7、23.8和37 GHz的辐射。

2 研究方法

2.1 干大气独立检验模型

对流层中干空气对雷达信号的影响，即为干对流层路径延迟[12]。目前干大气校正模型有Saastamoinen模型、Davis模型[13-14]、Hopfield模型和Altshule模型[15]。针对这四种模型，Opaluwa等[16]进行对比分析并得出Saastamoinen模型和Davis模型更可取。因此，本研究采用Saastamoinen模型来计算干对流层路径延迟(RDPD)。

(1)

式中:φ为纬度;P0为大地水准面上方高度为z的表面压力。目前，P0可以通过欧洲中期天气预报中心(European centre for medium-range weather forecasts，ECMWF)发布的再分析数据获得。

2.2 湿大气独立检验模型

对流层中云液态水和水蒸气对雷达信号的影响，即为湿对流层路径延迟。Chelton等[17]认为，云液态水对雷达信号的延迟较小，可以忽略不计。因此湿对流层路径延迟(RWPD)可以表达为：

(2)

(3)

式中：Bevis等[18]给出k2=22.1 Kmbar-1，k3=(3.729±0.012)105K2mbar-1；ρvap(z)为水蒸气密度，Rvap为水蒸气的比气体常数;TCWV表示从大气层顶到地球表面，横截面为1 m2空气柱中的总水汽质量；Tvap为对流层的平均温度，它可以通过等式(4)给出：

Tvap=50.440+0.789T0。

(4)

为了解释ΔRWPD与Tvap的依赖性，Stum等[19]利用ECMWF温度和湿度剖面图推导出了TCWV和ΔRWPD之间的关系。因此以米为单位的ΔRWPD(负值)表达式为：

ΔRWPD=-(a0+a1TCWV+a2TCWV2+

a3TCWV3)TCWV10-2。

(5)

式中：a0=6.854 4;a1=-0.437 7;a2=0.071 4;a3=-0.003 8。目前，TCWV可以通过微波辐射计或ECMWF发布的再分析数据获得。

2.3 数据筛选

HY-2B卫星雷达高度计在测量海面高度的过程中，由于受到海面大气状况复杂多变以及高度计自身仪器状态的影响，有部分数据点为掩码值，甚至是不正确的。通过数据阈值筛选条件和标识筛选将海面上掩码值和不可靠的数据点进行剔除，具体筛选条件如表2所示。

表2 HY-2B高度计数据阈值筛选和标识筛选条件

3 DPD和WPD产品精度分析

DPD和WPD产品精度应为测量结果与真值的差异性。由于高度计观测很难获得真值进行比较，所以本文选择已被广泛验证和校准的Jason-3高度计数据作为HY-2B DPD和WPD产品精度的衡量标准。

3.1 Jason-3与HY-2B交叉分析

为了分析HY-2B卫星雷达高度计对流层路径延迟的产品精度，本文选择表2中的标识和阈值筛选标准对2019年1月1日到2020年12月31日HY-2B DPD和WPD产品与Jason-3对应产品进行交叉分析，计算了Jason-3和HY-2B交叉点处DPD和WPD差异的统计参数，即：匹配点数(Num)、偏差(Bias)、标准差(STD)、相关系数(R)和拟合优度(R2)。图1和2分别展示了时间窗口为30 min HY-2B与Jason-3高度计DPD和WPD交叉点的全球分布图及差值直方图。从图1可以看出，DPD的R和R2分别为0.997 0和0.992 9，表明HY-2B与Jason-3高度计DPD具有非常高的一致性。HY-2B与Jason-3高度计交叉点处DPD差异的Bias和STD分别为0.06和0.15 cm，表明HY-2B(NCEP)与Jason-3(ECMWF)DPD差异非常小，HY-2B NCEP天气模式的DPD具有非常高的精度。从DPD差值直方图可以看出，DPD差异主要在-0.4～0.4 cm之间，符合正态分布，这也证明HY-2B DPD非常合理的精度。从图2可以看出，WPD的R和R2均接近1，说明HY-2B CMR与Jason-3 AMR测量的WPD一致性非常好。HY-2B与Jason-3交叉点处WPD差异的Bias和STD分别为0.46和0.61 cm，表明HY-2B CMR和Jason-3 AMR测量的WPD差异很小，HY-2B CMR测量的WPD具有非常合理的精度。从WPD差值直方图可以看出，WPD差异大致符合正态分布，但有很少一部分交叉点差值达到-2.0～-1.0 cm，不符合正态分布，说明HY-2B CMR测量WPD具有合理的精度和性能。从图2可以看出，DPD和WPD交叉点的空间分布及误差的大小分布较为均匀。这也再次证实HY-2B DPD和WPD具有合理的精度和性能。

图1 Jason-3与HY-2B DPD交叉点差值空间分布

3.2 对流层独立模型检验分析

3.2.1 DPD检验分析 由于DPD在陆地和海洋上是不同的，所以本文仅表示了海面上DPD平均值的全球分布。图3(c)显示了海洋上DPD的平均值，它是利用ECMWF大气压强数据通过等式(1)计算得到。从图3可以看出，当只考虑海洋场时，DPD海面上校正量的绝对值约为215～236 cm，平均值约为225 cm，振幅为21 cm。在海洋上空，平均DPD主要显示了一个纬向特征，南北纬不同,在南纬60°带附近，由于海表面气压逐渐减小，DPD的绝对值也逐渐减少，DPD和海表面压强呈明显的线性关系。

针对Jason-3、HY-2B高度计DPD产品，采用第2.1节干大气独立检验模型重处理的DPD为检验源，对海面干对流层路径延迟产品进行对比分析。由于两个高度计轨道倾角和重访周期不同，所以HY-2B与Jason-3匹配点数不同。对比的散点图结果如图3(a)、3(b)所示。图3(a)、3(b)分别展示了Jason-3、HY-2B高度计与干大气独立检验模型之间DPD差异的统计参数，即STD、Bias、R和R2。检验结果分析如下：从图3(a)、3(b)散点图可以看出，两个高度计对比结果的R2和R的值接近1，表明两个高度计DPD产品与干大气独立检验模型重处理结果一致性非常好。Jason-3的负Bias表明，高度计DPD产品低于干大气独立检验模型重处理结果，HY-2B与Jason-3不同。相对于HY-2B，Jason-3与干大气独立检验模型重处理结果差异的Bias和STD分别为0.2和0.12 cm，均小于HY-2B，说明Jason-3 DPD产品精度略优于HY-2B。相对DPD星星交叉分析结果(见图1)，HY-2B和Jason-3独立模型检验结果的Bias和STD与交叉结果无明显差异，说明干大气独立检验模型在验证DPD的准确性。综上所述，Jason-3、HY-2B与干大气独立模型重处理结果一致性非常好，HY-2B DPD具有非常高的精度。

((a)Jason-3；(b)HY-2B)；(c)海面上DPD平均值全球分布。(a)Jason-3；(b)HY-2B；(c)The global distribution of DPD mean on the sea surface.)

3.2.2 WPD检验分析 从全球范围上来看，WPD绝对值数量级约为0～50 cm，年周期振幅高达20 cm[20]。图4(c)展示了WPD海面上的平均值，它是利用ECMWF发布的水汽数据通过等式(5)计算得到。从空间尺度上来看，WPD的绝对值从高纬的几厘米(小于6 cm)到赤道地区的大约35 cm，平均WPD场显示出一种带状分布特征，与热带辐合带相关的西太平洋、东印度洋、东太平洋以及大西洋地区的WPD值最大[12,21]。这些地区受海气相互作用，赤道附近空气中云、液态水和水蒸气含量丰富，湿空气密度大，所以WPD在赤道地区偏大，高纬地区较小[21]。

针对Jason-3 AMR和HY-2B CMR测量的湿对流层路径延迟，采用第2.2节湿大气独立检验模型重处理的WPD为检验源，对海面湿对流层路径延迟进行对比分析，计算了Jason-3、HY-2B高度计与湿大气独立检验模型之间WPD差异的统计参数，即STD、Bias、R和R2。WPD比较的散点图如4(a)、4(b)所示。从图4(a)、4(b)可以看出，两个高度计R2和R的值接近1，表明两个高度计测量的WPD与独立模型重处理结果一致性非常好。Jason-3和HY-2B负Bias表明两个高度计的WPD都略小于湿大气独立检验模型重处理结果。Jason-3和HY-2B WPD产品与湿大气独立检验模型重处理结果差异的Bias<0.2 cm，STD<0.3 cm，说明两个高度计AMR/CMR测量WPD非常合理的精度。Jason-3和HY-2B的STD相似，表明AMR/CMR测量的WPD具有相似的精度和性能。相对WPD星星交叉分析结果(见图2)，HY-2B和Jason-3独立模型检验结果的Bias和STD均优于交叉分析结果，说明湿大气独立检验模型在验证WPD性能的准确性。综上所述，Jason-3和HY-2B高度计AMR/CMR测量的WPD与湿大气检验模型重处理结果一致性非常好。HY-2B CMR测量的WPD具有非常合理的精度。

((a)Jason-3；(b)HY-2B；(c)海面上WPD平均值全球分布。(a)Jason-3；(b)HY-2B;(c)The global distribution of WPD mean on the sea surface.)

4 DPD和WPD时间稳定性分析

由于DPD无法通过星载技术获得，所以HY-2B和Jason-3高度计通常使用ECMWF或NCEP天气模式进行校正。图5(a)、5(c)分别按月份展示了HY-2B(NCEP)和Jason-3(ECMWF)与干大气独立检验模型重处理结果差异的统计参数(Bias和STD)。从图5(a)可以看出，Jason-3负Bias曲线平稳，没有随时间变化的趋势。相对于Jason-3，HY-2B Bias在2019年9月份前后有正负之分，Bias曲线有轻微的上升趋势，但始终小于0.1 cm。HY-2B Bias的绝对值始终大于Jason-3高度计，说明Jason-3 DPD产品与干大气独立检验模型重处理结果差异较小。从图5(c)可以看出，两个高度计DPD产品与干大气独立检验模型重处理结果差异的STD始终小于0.2 cm，没有随时间变化的趋势。相对于HY-2B，Jason-3 DPD与干大气独立检验模型重处理结果差异的STD始终小于HY-2B，说明Jason-3 DPD产品精度略优于HY-2B高度计。这是因为Jason-3 ECMWF模式的空间分辨率(0.25°×0.25°)优于HY-2B NCEP模式(2.5°×2.5°)。

图5 高度计DPD(a, c)和WPD(b, d)与对流层检验模型偏差和标准差逐月对比结果

由于Jason-3 DPD产品精度高，本文将HY-2B NCEP与Jason-3 ECMWF天气模式的DPD产品进行逐月交叉分析，时间窗口为30 min。图6(a)、6(c)按月份显示了交叉点处DPD差异的Bias和STD。从图6(a)、6(c)可以看出，干对流层路径延迟的总月份平均Bias和STD分别为0.03和0.15 cm。与Jason-3卫星相比，HY-2B NCEP和Jason-3 ECMWF模式交叉点处DPD的Bias和STD非常小。结果表明：HY-2B NCEP与Jason-3 ECMWF模式DPD产品之间只有很小的差异。DPD的逐月交叉分析表明，在两年内DPD产品飘移较少。两种检验方法结果一致，证实Jason-3 ECMWF和HY-2B NCEP模式DPD的准确性。

HY-2B和Jason-3高度计WPD通常使用ECMWF/NCEP天气模式和星载辐射计的方式进行校正。辐射计作为最精确的WPD校正方法已广泛应用到HY-2B(CMR)和Jason-3(AMR)高度计。为了验证Jason-3 AMR和HY-2B CMR测量WPD精度的稳定性，本文选择2019—2020年GDR数据产品逐月分析WPD产品与湿大气独立检验模型重处理结果差异的统计参数(Bias，STD)(见图5(b)、5(d))。从图5(b)可以看出，AMR/CMR测量的WPD与湿大气独立检验模型之间Bias的绝对值始终小于0.2 cm，差异非常小。从图5(d)可以看出，HY-2B CMR测量的WPD与湿大气独立检验模型重处理结果差异的STD始终小于Jason-3 AMR。整体来说，Jason-3 AMR和HY-2B CMR测量的WPD与湿大气独立检验模型之间差异的Bias和STD随时间波动较小，没有变化趋势。

此外，本文将HY-2B CMR与Jason-3 AMR测量的WPD进行逐月交叉分析，时间窗口为30 min。图6(b)、6(d)按月份显示交叉点处WPD差异的统计参数(Bias、STD)。从图6(b)、6(d)可以看出，辐射计湿对流层校正的总月份平均Bias和STD分别为-0.496和0.596 cm。与Jason-3卫星相比，HY-2B CMR和Jason-3 AMR测量的WPD之间Bias和STD较小。结果表明：HY-2B CMR与Jason-3 AMR测量的WPD之间只有很小的差异。WPD的月统计分析表明，在两年的检验周期内Bias和STD随时间波动较小。这表明HY-2B CMR测量WPD已达到与Jason-3 AMR的精度水平。

图6 HY-2B DPD(a, c)和WPD(b, d)与Jason-3高度计逐月交叉偏差和标准差对比结果

5 结论与展望

HY-2B卫星雷达高度计自发射以来有关高度计系统的性能及高度计关键参数(风速、有效波高、后向散射系数、海面高度)进行了全面详细的评价。有关测高误差精度水平的研究较少。因此，本文通过HY-2B与Jason-3高度计交叉比较以及与对流层独立检验模型比较对HY-2B高度计对流层路径延路径延迟的产品精度进行分析。本研究得出以下结论:

(1)HY-2B和Jason-3 DPD产品与干大气独立检验模型重处理结果差异的Bias和STD均小于0.2 cm；HY-2B与Jason-3高度计DPD产品交叉结果与干大气独立检验模型对比结果的STD无明显差异，说明两个高度计DPD具有非常高的精度。

(2)相对于Jason-3 AMR，HY-2B CMR测量的WPD与湿大气独立检验模型对比结果的STD优于Jason-3 AMR；HY-2B与Jason-3交叉点处WPD差异的Bias和STD均小于0.7 cm，高海况地区差异可达2.0 cm。两种检验方法结果证实HY-2B CMR与Jason-3 AMR测量的WPD具有相似的一致性和产品精度。

(3)WPD和DPD逐月分析结果的Bias和STD曲线相对平稳(幅度小于0.2 cm)，无明显的变化或飘移，说明HY-2B CMR测量的WPD和NCEP天气模式的DPD具有非常合理的稳定性。

图5和6中，对于Bias的统计结果表明，Jason-3 Bias的稳定性明显优于HY-2B。由于本文的时间范围为2年，无法检测到更长期偏差或漂移。因此，作者会在未来的研究中利用更多的观测数据着重分析偏差变化的规律和原因。此外,由潮汐(海洋潮汐、固体潮、负荷潮以及极潮)、海况偏差、电离层和逆大气压引起的测高误差也是影响海面测高精度的关键。这些对于提高HY-2B高度计数据质量具有重要意义。

致谢：感谢国家卫星海洋应用中心、欧洲中期天气预报中心以及AVISO为本研究提供数据支持。