中国近海中法海洋卫星波谱仪有效波高评估

潘彦希，王际朝

（中国石油大学（华东） 理学院，山东 青岛 266580）

0 引言

有效波高（Significant Wave Height）是最基本的海浪参数之一，准确获取SWH 的信息对进一步认识复杂海洋动力学，有效提高政府规避潜在海岸灾害的能力，以及近海作业都具有重要意义[1-4]。

浮标在海浪测量方面有着悠久的历史，由于它可以以固定的采样频率生成各种海浪参数，包括SWH，平均周期和波向，因此至今仍在广泛使用。浮标测量的主要局限性在于空间覆盖稀疏和维护困难[5-6]。卫星遥感是一种用来获取全球范围观测数据的技术，可提供长时序、大面积的海洋参数的观测数据。根据不同的应用目的，卫星上搭载的仪器主要包括散射计、辐射计、高度计、合成孔径雷达和真实孔径雷达[7-8]。中法海洋卫星是首个实现海面风和浪同步观测任务的卫星，其上搭载的新型波谱仪 SWIM（Surface Wave Investigation and Monitoring），是一个Ku 波段的多波束真实孔径雷达[9]。与合成孔径雷达相比，SWIM 在测量波长为70～500 m 的海浪方向谱方面具有独特的优势[10]。

利用SWIM 提供的数据可进一步研究海浪演变和海气相互作用，但极少有研究对这些数据的可信度进行评估。HAUSER 等人首次对SWIM 有效波高产品进行评估[11]，结果表明：星下点观测与标准高度计观测精度相当，倾斜波束观测结果也能令人满意，其中10°入射角波束的观测结果与浮标观测的一致性最好。LI 等人[12]基于美国国家数据浮标中心（National Data Buoy Center）浮标和Jason-3高度计SWH 数据对HY-2B 高度计和 CFOSAT 星下点SWH 进行了评估。实验结果表明：星下点SWH 的精度最高，可作为全球SWH 的可靠数据来源。LIANG 等人[13]根据 159 个 NDBC 浮标和Jason-3 高度计数据对SWIM 二级产品进行了精度评估。结果表明：星下点SWH 精度良好，而倾斜波束SWH 的精度略低于星下点SWH。

然而到目前为止，还未有研究对中国近海SWIM 数据产品的精度进行评估，SWIM 产品在中国海域的可信度尚未得到证实。本研究首次尝试评估SWIM 产品在对中国近海的可信度。第1 章简要介绍了数据资料和评估方法。第2 章将星下点SWH 和倾斜波束SWH 分别与2020年中国近海浮标测量值进行比较。第3 章对全文进行了总结。

1 数据资料与评估方法

1.1 数据资料

1.1.1 SWIM 波谱仪

CFOSAT 于2018年10月29日成功发射，进入距地球520 km 的太阳同步轨道。CFOSAT 搭载了2 个全新体制的载荷，分别是散射计CSCAT 和海浪波谱仪SWIM，其科学目标是通过对全球海面风场和海浪进行24 h 同步观测，从而满足全球海洋灾害性海况预警、海洋环境预报等海洋科学研究及应用的需求。SWIM 波谱仪是世界上第1 个通过多方向位、多入射角来探测海浪方向谱及海表面风速的星载传感器。雷达频率为Ku 波段，具有从0°～10°的6 个扫描波束，可进行360°方位向扫描。

基于自适应重跟踪算法，可从雷达回波波形信号中反演出SWH、归一化雷达后向散射系数和风速等参数[14]。本研究重点关注的是0°（星下点）、6°、8°、10°入射角波束和合成波束观测的SWH。本研究SWIM 数据来自于国家卫星海洋应用中心（http：//www.nsoas.org.cn/）。

1.1.2 浮标数据

为了保证评估的全面性和准确性，本研究使用了中国近海39 个浮标的海浪数据作为基准数据。浮标数据由中国气象局收集并以10 min 的间隔存档。图1 显示了每个浮标的具体位置和水深。表1详细列出了浮标信息，包括经度、纬度、水深和离岸距离。所使用的浮标中有一半以上的离岸距离小于50 km。

表1 中国近海39 个浮标的详细情况Table 1 Details of 39 buoys in Chinese offshore waters

红色三角形代表渤海和黄海浮标，蓝色三角形代表东海浮标，紫色代表南海浮标。图1 中国近海39 个浮标位置和水深Fig.1 Locations of 39 buoys and bathymetry in Chinese offshore waters

1.2 评估方法

由于浮标数据每10 min 存档一次，因此匹配点之间的时间间隔选取为5 min。不同于大量研究选择50 km 的空间匹配窗口[15-19]，本研究为获取更多的数据匹配量，选择100 km 的空间匹配窗口。

本研究采用了4 种评价指标，包括偏差（bias），均方根误差（RMSE），相关系数（R）和散射因子（SI）。相应的计算公式如下。

式中：ix为浮标观测值；iy为SWIM 数据；x为观测值的均值；为SWIM 数据的均值；n为匹配的数据点总数。

2 实验结果与对比分析

2.1 星下点SWH 质量评估

本节基于前文提到的39 个浮标的观测数据，对 2020年SWIM 星下点SWH 进行评估。

为了研究陆地干扰所造成的影响，对星下点SWH 采用了不同的质量控制标准。图2（a）比较了未进行任何质量控制的星下点SWH 和浮标观测SWH。图2（b）和2（c）分别为滤除陆地覆盖率为100%和大于50%时的星下点SWH 与浮标观测SWH。图2（d）比较了完全没有陆地干扰时的星下点SWH 和浮标观测SWH。

图2 不同质量控制下的星下点SWH 散点图Fig.2 Scatterplots of nadir box SWH under different quality control

在对受陆地干扰的场景施加质量控制后，匹配数据对的数量有所减少。我们发现，星下点SWH的精度有了显著提高，RMSE 从0.582 m 下降到0.346 m，R从0.814 上升到0.943，SI 从0.459 下降到0.182。这说明质量控制越严格，线性回归拟合曲线与对角线之间的差异就越小，数据点会紧密地聚集在对角线附近。其中滤除土地覆盖率为50%时的星下点SWH 数据精度最好。对于完全没有陆地干扰的星下点SWH，拟合直线的斜率几乎等于1，这表明星下点SWH 在中国近海的数据精度良好。

图3 对不同区间下星下点SWH 与浮标测量SWH 进行了比较，发现当SWH 大于2.5 m 小于4 m时，bias 和RMSE 分别低至0.142 m 和0.339 m，这表明SWIM 星下点产品在中国近海的可信度较高。尽管RMSE 随着SWH 的增大而增大，但其仍保持在可接受的范围内。特别地，当SWH 在4 m 以下时，RMSE 小于0.4 m。当SWH 超过4 m 时，RMSE 急剧增加，增加的原因可能是中国海的大浪相对较少。

图3 不同SWH 区间的统计参数及相应的匹配数据量Fig.3 Statistical parameters under different SWH intervals and their corresponding number of comparison pairs

图4 展示了2020年每月的统计参数，总体而言，全年内评价指标始终保持在合理的范围。除5月外，各月的R值均大于0.8，RMSE 均低于0.45 m。7月和8月的偏差接近0。

图4 2020年星下点SWH 的月统计参数Fig.4 Monthly statistical parameters of nadir box SWH in 2020

从图5 可以观察到，本研究超过一半的浮标距离海岸不到50 km。近岸海域的星下点SWH 精度比预期要高得多，所有统计参数都在可接受的范围内。

图5 4 个统计参数的空间分布Fig.5 Spatial distribution of 4 statistical parameters

根据图5 中4 个参数的空间分布可得，南海的星下点观测效果最好，东海次之，渤海和黄海较差。例如，37 号浮标站点（111°E，19°N）的星下点SWH与浮标观测SWH 吻合较好，bias 为0.089 m，RMSE为0.201 m，R为0.984，SI 为10.4%。

星下点观测在渤海和黄海效果较差的原因可能是海水非常浅。尤其是渤海的水深只有十几米，这可能会诱发更复杂的海浪非线性动力过程，如波浪破碎，白冠和波流相互作用等[19]。因此，海面反射的回波信号可能会受到影响。此外，与其他浮标相比，渤海和黄海的浮标与陆地的距离较近，数据的质量可能会因陆地上的信噪比降低而下降。复杂的海岸线和众多的岛屿是17 号浮标点（121.36°E，27.48°N）数据质量较差的原因。

2.2 倾斜波束SWH 质量评估

除了6°、8°、10°波束观测的二维海浪斜率谱以外，SWIM 波谱仪在360°方位角范围内旋转扫描，就可以得到各个方向上的谱，从而得到合成二维谱。在这一节中，我们重点关注剔除掉陆地覆盖率为50%时的倾斜波束SWH。

图6 是4 个波束的SWH 与浮标观测SWH 散点图。总体而言，这4 个波束的SWH 与浮标观测的一致性良好。匹配数据点集中在对角线附近，每条拟合线的斜率都在0.95 左右，bias 低于0.21 m，RMSE 低于0.42 m，R可达0.9，SI 低至0.27。其中，10°波束的估算效果最好。除此之外，还可以将图6 中的结果与图2 中的结果进行比较，可得倾斜波束SWH 数据的质量略低于星下点SWH 数据质量。由于差异较小，因此可认为经过质量控制后的倾斜波束SWH 与星下点SWH 精度相当。

图6 4 种不同波束SWH 散点图Fig.6 Scatterplots of wave spectrum SWH for 4 different beams

图7 显示了每个SWIM 波束的统计参数随月份变化的情况。以10°波束为例，SWH 与浮标观测SWH 之间的差异相对较小且稳定，8月的bias 最小，为0.070 m，且大多数月份的RMSE 都小于0.4 m。10°波束在10月的R值最高，为0.945，SI值最低，为13.7%。6°、8°波束和合成波束的结果与10°波束结果非常相似。5月份所有波束的R值都明显低于其他月份。

图7 2020年不同波束SWH月统计参数Fig.7 Monthly statistical parameters of off-nadir spectrum SWH in 2020 for different beams

3 结束语

研究海浪特性可以为近海工程、海洋开发、船舶设计、航海安全、气象预报等诸多领域提供重要的基础信息。搭载在CFOSAT 上的SWIM 波谱仪可以测量全球范围内的海浪参数，然而到目前为止尚未有研究证实SWIM 产品在中国海域的可信性。本研究首次对SWIM 二级产品在中国近海的可信度进行了评估。为保证评估的全面性，采用了中国近海39 个浮标的海浪数据为基准数据，时间和空间匹配窗口分别为100 km 和5 min。

对于星下点SWH，采用了不同的质量控制标准来研究陆地干扰所造成的影响。通过比较发现，随着质量控制越来越严格，数据精确度也有了显著提高。在完全去除陆地干扰后，RMSE 降至0.346 m，R增至0.943，SI 降至0.182。通过对比不同SWH区间星下点与浮标测量的SWH 结果，发现尽管RMSE 随着SWH 的增加而增大，但其仍在可接受的范围内。将星下点SWH 与2020年中国近海浮标测量值进行比较，分析各月星下点SWH 的统计参数，发现2020年除5月外，R值均大于0.8，这表明SWIM 星下点产品在中国近海的可信度较高。经过评估可得尽管超过一半的浮标位于50 km 以内的近海，但星下点SWH 在近海的精度远高于预期。南海的星下点观测效果最好，东海次之，渤海和黄海较差，较差的原因可能是海水非常浅，海面反射的回波信号受到影响，此外，渤海和黄海的浮标距离陆地较近，数据质量也会受到影响。

对于倾斜波束观测，通过对比6°、8°、10°波束和合成波束SWH 与浮标测量的结果，发现这4个波束的SWH 与浮标观测的一致性较好，每条拟合线的斜率都在0.95 左右，其中10°波束的效果最好。再将星下点测量结果与这4 个波束测量结果进行对比，发现倾斜波束SWH 数据的质量略低于星下点SWH 数据质量。与星下点观测相同，本研究对比了倾斜波束SWH 与2020年中国近海浮标测量值，发现每个SWIM 波束的统计参数随月份变化非常相似。总的来说，虽然空间匹配窗口扩展到100 km，但SWIM 数据仍在中国近海与浮标数据具有显著的一致性。

CFOSAT 上搭载的SWIM 波谱仪在海洋动力环境业务监测、全球海洋环境预报、灾害性海况预警、海洋科学研究中发挥着重要作用。本研究基于浮标数据对CFOSAT 海浪产品在中国近海进行了评估，SWIM 数据具有较高精度，其可用于数据同化等，为进一步提高海浪预报精度提供强有力的数据支持。