HY-2A衛星雷達高度計數據的全球統計評價及質量分析

彭海龍，林明森，穆博，周武

(1.中國海洋大學 信息科學與工程學院，山東 青島 266100;2.國家衛星海洋應用中心，北京 100081)

HY-2A衛星雷達高度計數據的全球統計評價及質量分析

彭海龍1，2，林明森2，穆博2，周武2

(1.中國海洋大學 信息科學與工程學院，山東 青島 266100;2.國家衛星海洋應用中心，北京 100081)

自HY-2A衛星發射以來，針對HY-2A衛星雷達高度計產品的交叉定標、真實性檢驗及質量評估工作一直在持續開展。本文主要以HY-2A衛星高度計第44周期的IGDR產品數據為例，通過使用全球分布圖、二維直方圖和每日均值統計的方法完成了與Jason-2 IGDR產品的比對驗證，同時對主要環境校正參數及地球物理產品的數據質量穩定性進行了分析，結果顯示高度計產品數據質量較穩定，此外利用HY-2A衛星升降軌交叉點海面高度差、與Jason-2衛星交叉點海面高度差以及沿軌海平面異常數據分析的方法進行了HY-2A衛星高度計觀測系統的性能評估，結果顯示，HY-2A衛星海面高度精度約為7.48 cm，精度接近Jason-2，能滿足海洋應用與科學研究的需要。

海洋二號衛星;HY-2A；高度計;全球統計;海平面異常

1 引言

HY-2A衛星于2011年8月16日在太原衛星發射中心成功發射并于9月28日進入其最終軌道，它是我國首顆海洋動力環境探測衛星，搭載了雷達高度計、微波散射計、掃描微波輻射計及校正輻射計4種微波遙感器，衛星軌道為太陽同步軌道，傾角99.34°，降交點地方時為6：00 am，衛星在壽命前期采用重復周期為14 d的回歸凍結軌道，高度971 km，周期104.46 min，雷達高度計作為其主載荷之一，主要用于獲取海面高度、有效波高和海面風速3種主要的地球物理參數。目前HY-2A衛星高度計分發的產品主要為IGDR產品，產品以14 d周期為單位發布，每個周期有386個軌跡文件。每個周期數據的產品質量及數據精度是不相同的，法國CNES網站針對Jason-2，Jason-1、ENVISAT等均提供了每周期的數據產品質量報告[1]，為用戶進行長時間序列的數據應用評價提供了參考，而國內有關HY-2A高度計數據質量分析公開發表文章很少。本文主要參考國外衛星的數據質量評估方法，以HY-2A衛星高度計第44周期IGDR產品1 Hz數據為分析對象，通過與同時間Jason-2 IGDR數據互比，分析了有效波高、后向散射系數、電離層延遲、濕對流層延遲等參數數據質量，最后通過HY-2A衛星升降軌交叉點海面高度差及與Jason-2衛星交叉點海面高度差評估了HY-2A衛星的數據質量及精度。

2 數據源情況

HY-2A衛星高度計數據使用了第44周期14 d觀測數據，時間范圍為2013年5月25日01：56：32至2013年6月8日01：56：37，作為比對的同時間范圍Jason-2高度計IGDR數據周期含177周期至178周期，對應的時間范圍為2013年5月25日01：53：20至2013年6月8日02：14：25。圖1為HY-2A衛星高度計第44周期數據地面軌跡覆蓋情況，圖中沿軌跡方向一段空白線為數據丟失區域。HY-2A衛星觀測范圍為82°S～82°N，而Jason-2觀測范圍為南北緯66°，考慮到高緯度地區海況及海冰等因素影響，進行直方圖比較及每日統計平均比較分析研究中Jason-2和HY-2A衛星數據僅有海洋上且空間范圍位于南北緯50°間的測量數據值被保留，這里使用了產品中可得到的表面類型信息(surface_type)，降雨標識及海冰標識在數據選擇中沒有使用，南北緯50°范圍內的海冰影響在這里認為可以忽略，全球分布圖則使用衛星實際觀測范圍內數據。

圖1 HY-2A與Jason-2衛星高度計數據軌跡覆蓋情況Fig.1 HY-2A and Jason-2 satellite altimeter data track coveragea.HY-2A衛星高度計第44周期軌跡覆蓋情況，b.對應時間周期的Jason-2軌跡覆蓋情況a.HY-2A satellite altimeter tracks covering for cycle 44，b.the corresponding time period Jason-2 tracks coverage

3 測量數據編輯標準

通過數據編輯的方式可以剔除掉高度計測量中精度較低的值，得到高質量的有效觀測結果，對不同的參數，編輯標準按最大值和最小值閾值的方式定義，至少有一個參數不在這些閾值范圍內時，測量值就需要被編輯剔除，這些閾值在衛星壽命內要求保持為常數。本文中使用的編輯標準為HY-2A衛星用戶手冊中IGDR產品中所定義的標準。表1列出了與HY-2A高度計測距校正相關的參數的編輯閾值。高度計測量反演相關參數表編輯閾值見表2。

表1 HY-2A衛星高度計數據測距校正項編輯標準

表2 HY-2A衛星高度計測量反演相關參數編輯標準

4 主要地球物理參數分析

通過與Jason-2數據進行比較可以監控HY-2A高度計地球物理參數的數據質量穩定性，可以探測到可能出現的質量異常變化，本文針對HY-2A高度計IGDR產品中主要相關參數進行系統性比較分析。此外通過比對分析兩個高度計任務用于測距校正的環境校正項的一致性是進行不同衛星高度計交叉定標工作的一個重要步驟[5]。全球數據分布圖，直方圖都是表示數據資料變化情況的一種主要工具。利用全球數據分布圖、直方圖對比分析，可以比較直觀地看出兩種衛星高度計產品在相同時間周期內數據質量特性的分布狀態的差異，時間序列的逐日均值統計圖也可以反映出數據產品的質量穩定狀態，下面將通過相同時間范圍內的全球數據分布圖、直方圖分布及逐日均值統計的方法進行相關參數的質量分析。

4.1 測距有效性

HY-2A衛星高度計IGDR中的測距(range)高頻數據頻率為20 Hz，1 Hz數據是由高頻數據計算得到，產品中Ku波段測距觀測數量(range_numcal_ku)這個變量表示高頻數據中有效的測距觀測值數量，利用IGDR數據中的測距觀測值數量參數可以分析HY-2A衛星高度計測距有效性的空間分布特征。HY-2A衛星高度計測距有效的一個重要辨別標準為測距數量大于等于10，否則視為測距無效。圖2顯示了HY-2A衛星高度計測距20 Hz觀測值數量小于10的數據分布，可以看出測距無效區域只要集中在高緯度地區域，主要受高緯地區海冰的影響，在南海及以南海域出現的大片測距無效區域初步分析由于受淺水及大量島嶼的影響。

4.2 有效波高

圖3a為HY-2A與Jason-2同時間段Ku波段有效波高分布直方圖的比較，紅色曲線為HY-2A高度計有效波高直方圖分布，綠線為Jason-2直方圖分布，二者直方圖分布特征基本一致，總體上來看，HY-2A相對于Jason-2有效波高值偏低，但在有效波高小于2 m時，HY-2A較Jason-2有效波高值偏高。圖3b為HY-2A和Jason-2 Ku波段有效波高逐日均值時序曲線圖，藍線為Jason-2，紅線為HY-2A，可以發現HY-2A高度計和Jason-2 Ku波段有效波高具有一致的趨勢特征，但HY-2A測量結果偏小，偏差為8 cm。圖4為HY-2A和Jason-2 Ku波段有效波高全球分布圖，二者空間分布上顯示出了極強的一致性，尤其是在南半球西風帶浪高較大區域。

圖2 HY-2A衛星高度計測距20 Hz觀測值數量小于10的數據分布Fig.2 The distribution of 20 Hz range data observations numbers less than 10 for HY-2A satellite altimeter

圖3 HY-2A和Jason-2 Ku波段有效波高統計分析圖Fig.3 HY-2A and Jason-2 Ku-band significant wave height statistical analysis charta.數據直方圖比較圖，b.逐日均值時序曲線圖比較a.Histogram data comparing，b.daily monitoring of ku-band significant wave height for HY-2A and Jason-2

圖4 HY-2A和Jason-2 Ku波段有效波高全球分布圖Fig.4 Global distribution of the Ku-band significant wave height for HY-2A and Jason-2a.HY-2A有效波高，b.Jason-2有效波高a.HY-2A significant wave height，b.Jason-2 significant wave height

4.3 后向散射系數

HY-2A和Jason-2 Ku波段后向散射系數統計分析圖如圖5所示，圖5a為兩高度計后向散射系數直方圖分布，兩者直方圖分布吻合較好，均值偏差為0.057 dB，但HY-2A小于10 dB數據的數量要多于Jason-2，圖5b為逐日均值時序圖，總體反映了兩者間較好的趨勢特征，圖6為HY-2A和Jason-2 Ku波段后向散射系數全球分布圖，二者空間分布上顯示出了較好的一致性。

4.4 雙頻電離層校正

圖7為HY-2A和Jason-2雙頻電離層校正值統計分析結果，圖7a為數據分布直方圖，通過比較可以看到二者有一定相似特征，均值偏差為0.4 cm，但直方圖分布上還有一定的差異，圖7b為逐日平均時序圖，兩者總體上呈現出較好的趨勢性，HY-2A測量結果偏高，圖8為二者雙頻電離層校正全球分布圖，從圖中可以看出二者有一定的相似度，但HY-2A電離層空間分布與Jaosn-2相比顯得較雜亂，HY-2A雙頻電離層校正算法應該可以進一步優化。

4.5 校正輻射計濕對流層延遲

圖9為HY-2A衛星校正輻射計和Jason-2衛星AMR輻射計濕對流層延遲反演結果的統計分析結果，圖9a為直方圖分布，基本相似，但在左側小值區域差別較大，圖9b為逐日均值時序曲線比較，其中藍線與綠線分別為Jason-2 AMR 輻射計反演結果與ECMWF模型反演結果，二者有非常一致的趨勢性，紅線和黃線分別表示HY-2A校正輻射計反演結果與NCEP模型反演結果，二者一致性趨勢性稍差，圖10為二者輻射計濕對流層延遲全球分布圖，雖然整體上較一致，但在高緯度區域有一定差別。

圖5 HY-2A和Jason-2 Ku波段后向散射系數統計分析圖Fig.5 HY-2A and Jason-2 Ku-band backscattering coefficient analysis charta.數據直方圖比較，b.逐日均值時序曲線圖比較a.Histogram data comparing，b.daily monitoring of ku-band backscattering coefficient for HY-2A and Jason-2

圖7 HY-2A和Jason-2雙頻反演電離層校正項統計分析圖Fig.7 HY-2A and Jason-2 dual-frequency ionosphere correction analysis charta.數據直方圖比較，b.逐日均值時序曲線圖比較a. Histogram data comparing，b.daily monitoring of dual-frequency ionosphere correction for HY-2A and Jason-2

圖8 HY-2A和Jason-2雙頻電離層校正全球分布圖Fig.8 Global distribution of the dual-frequency ionosphere correction for HY-2A and Jason-2a.HY-2A雙頻電離層圖，b.Jason-2雙頻電離層圖a.HY-2A dual-frequency ionosphere correction，b.Jason-2 dual-frequency ionosphere correction

圖9 HY-2A和Jason-2校正輻射計濕對流層統計分析圖Fig.9 HY-2A and Jason-2 wet troposphere from radiometer analysis charta.數據直方圖比較，b.逐日均值時序曲線圖比較a.Histogram data comparing，b.daily monitoring of wet troposphere for HY-2A and Jason-2

圖10 HY-2A和Jason-2校正輻射計濕對流層延遲全球分布圖Fig.10 Global distribution of the wet troposphere from radiometer for HY-2A and Jason-2a.HY-2A校正輻射計濕對流層延遲，b.Jason-2 AMR輻射計濕對流層延遲a.HY-2A wet troposphere from radiometer，b.Jason-2 wet troposphere from radiometer

5 HY-2A衛星高度計性能分析

海面高度是衛星高度計最主要的產品，海面高度產品精度直接反映了衛星高度計的海面測量能力，交叉點海面高度差值的統計值常被用來評估高度計及數據質量和監視系統性能[6]，本文針對HY-2A衛星高度計第44周期數據，采用沿軌海平面異常(SLA)圖對比分析，升降軌自交叉點海面高度差值及與Jason-2高度計交叉點海面高度差值分析的方法分析了HY-2A衛星高度計海面高度的精度。在使用了交叉點海面高度差值統計分析前先按照測量數據編輯標準進行數據剔除后得到有效觀測數據集。表3給出了兩種衛星高度計在計算海面高度異常時所使用的參數情況。

表3 高度計海平面異常計算參數一覽表

5.1 沿軌海平面異常分析

相對于平均海平面CLS MSS01的HY-2A衛星高度計海平面異常圖(見圖11a)很好的捕獲了所有海洋變化特征(西邊界流、拉尼娜等)，與相對于平均海平面CLS MSS2011的Jason-2衛星高度計海平面異常圖(見圖11b)表現出相同的海洋變化特征。HY-2A海平面異常的標準偏差為12.7 cm，Jason-2海平面異常的標準偏差為11.0 cm。這里需要注意的是二者使用的平均海平面模型不同，Jason-2所使用平均海平面模型CLS MSS2011精度要優于HY-2A所使用的平均海平面模型CLS MSS01。兩種模型的標準偏差差異為1.6 cm，均值偏差為1 cm[9]。

為進一步分析二者差異，海平面異常值大于30 cm的有效數據分布圖如圖12所示，二者表現了相同的空間分布，但可以明顯看出圖12a中HY-2A衛星海面異常大于30 cm的有效數據要多于Jason-2衛星有效數據。

5.2 自交叉點分析

通過分析交叉點海面高度差值可以評估高度計數據質量和海面高度測量性能，理想情況是交叉點處海面高度差的均值接近等于0，標準偏差很小。Jason-2衛星計算交叉點所選取的最大時間間隔為10 d[1]，即±5 d，本文中HY-2A衛星升、降軌交叉點處海面高度差選擇最大時間間隔為6 d，即±3 d，空間上選取南北緯50°內數據，這樣可以使海面高度受海平面變化的影響最小。數據分析采用3-δ標準進行數據剔除，避免受到數據中殘留的可疑值影響，衛星高度計在深海大洋、低海況變化區域的觀測精度能真實反映出其海面高度觀測性能，這里我們使用國際通用篩選標準：南北緯50°之間，水深大于1 000 m，海平面異常低于20 cm的編輯條件進行精度評估[7]。圖13為自交叉點海面高度差值的折線圖，均值為2.9 mm，標準偏差為7.48 cm。圖14為交叉點海面高度差的地理分布，未見明顯的地理性偏差。

5.3 與Jason-2交交點比較分析

HY-2A與Jason-2交叉點海面高度差的計算使用了與HY-2A自交叉點相同的數據處理方法，圖15顯示出兩個高度計海面高度具有較好的一致性，但在30°～50°S之間區域海面高度差值略大，其他區域地理空間分布上無明顯偏差。圖16為兩高度計交叉點海面高度差值圖，圖中顯示，在深海區域，低海洋變化區域交叉點海面高度差值的均值為9.6 mm，標準偏差為6.9 cm，結果接近國外文獻提供的Envisat與Jason-2交叉點精度水平：在緯度小于50°、低海洋變化及水深大于1 000 m的數據選取條件下，標準偏差5.7 cm[8]。

6 結論

衛星高度計數據的交叉定標和質量評估對于數據的應用非常重要，本文通過分析HY-2A第44周期IGDR產品與Jason-2衛星數據的統計結果以及利用交叉點海面高度差開展了HY-2A衛星高度計數據質量和性能評估工作，結果顯示HY-2A衛星高度計在海上具有很好的觀測性能。HY-2A衛星高度計海平面異常結果與Jason-2海平面異常結果一致性非常好，都很好的捕獲了所有海洋變化特征，HY-2A衛星升、降軌海面高度差值的標準偏差為7.48 cm，均值為2.9 mm，與Jason-2高度計的交叉點比對結果顯示標準偏差為7 cm，均值為6.5 mm，進一步比對分析相關地球物理校正項，結果顯示大多數校正項都呈現了與Jason-2較一致的特征，但在高海況區域，特別是南半球中高緯度地區，某些校正參數結果有一些差異。總體來看，HY-2A衛星高度計的性能非常接近Jason-2所提供的海面高度數據將具備非常強的科學研究及應用能力。

圖11 HY-2A和Jason-2 海平面異常全球分布圖Fig.11 Global distribution of sea level anomaly for HY-2A and Jason-2a.HY-2A海平面異常圖，b.Jason-2 海平面異常圖a.HY-2A sea level anomaly maps，b.Jason-2 sea level anomaly maps

圖12 HY-2A和Jason-2 海平面異常大于30 cm的有效數據Fig.12 Valid data(SSH-MSS) difference greater than 30 cm of HY-2A and Jason-2a.HY-2A海平面異常大于30 cm數據分布，b.Jason-2海平面異常大于30 cm數據分布a.HY-2A altimeter，b.Jason-2 altimeter

圖13 HY-2A升降軌自交叉點海面高度差Fig.13 Differences at crossovers for HY-2A ascending and descending passes

圖14 HY-2A升降軌自交叉點海面高度差地理分布Fig.14 Geographical distribution of differences at crossovers for HY-2A ascending and descending passes

圖15 HY-2A與Jason-2交叉點海面高度差地理分布Fig.15 Geographical distribution of SSH differences at crossovers for HY-2A and Jason-2

圖16 HY-2A與Jason-2交叉點海面高度差Fig.16 SSH difference at crossovers for HY-2A and Jason-2

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Global statistical evaluation and performance analysis of HY-2A satellite radar altimeter data

Peng Hailong1，2，Lin Mingsen2，Mu Bo2，Zhou Wu2

(1.InformationScienceandEngineeringCollege，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China; 2NationSatelliteOceanApplicationService，Beijing100081，China)

Since the satellite launched，the cross-calibration，validation and quality assessment for HY-2A satellite radar altimeter product have been ongoing. In this paper，we finish the verification work that HY-2A satellite altimeter 44th cycle IGDR product data was compared with Jason-2 IGDR through global distribution，two-dimensional histogram and the daily average methods. While the main environmental parameters and geophysical product data quality analysis showed that data quality are stable. In addition，the analysis of the SSH differences at crossovers between HY-2A ascending and descending tracks，the SSH differences at HY-2A and Jason-2 and sea Level Anomaly (SLA) along track have been done to evaluate performance of HY-2A satellite altimeter observation system，the results showed that sea surface height accuracy is about 7.48 cm，close to Jason-2. It can meet the needs of marine applications and scientific research．

HY-2A; altimeter; global statistic; sea level abnormal

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.006

2014-03-06；

2014-06-15。

海洋公益性行業科研專項(201305032)；國家國際科技合作專項項目(2014DFA21710)。

彭海龍(1976—)，男，新疆石河子人，副研究員，博士研究生，主要從事海洋微波衛星定標與真實性檢驗工作。E-mail:phl@mail.nsoas.org.cn

P715.6

A

0253-4193(2015)07-0054-13

彭海龍，林明森，穆博，等. HY-2A衛星雷達高度計數據的全球統計評價及質量分析[J]. 海洋學報，2015，37(7): 54-66，

Peng Hailong，Lin Mingsen，Mu Bo，et al. Global statistical evaluation and performance analysis of HY-2A satellite radar altimeter data[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(7): 54-66，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.006