基于衛(wèi)星高度計(jì)的全球平均共線海表面高度研究

王鑫 苗洪利

【摘要】 衛(wèi)星高度計(jì)可以實(shí)現(xiàn)全球范圍的全天候海洋動(dòng)力環(huán)境測(cè)量，其中重要的數(shù)據(jù)產(chǎn)品為海表面高度（SSH）。本文基于高度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的海表面高度。利用參考軌道對(duì)數(shù)據(jù)采用共線處理得到全球的平均共線海表面高度。這一方法可以在短時(shí)間內(nèi)獲得全球范圍的不同時(shí)間尺度下的海表面高度信息，能夠?yàn)楹Ｆ矫骈L(zhǎng)期變化研究提供數(shù)據(jù)支持。

【關(guān)鍵詞】 衛(wèi)星高度計(jì) 海表面高度 共線處理

一、引言

衛(wèi)星高度計(jì)可以快速準(zhǔn)確的測(cè)得全球的海表面高度，同時(shí)能夠獲得海洋遙感探測(cè)中重要的海面有效波高和風(fēng)速等信息，其測(cè)高精度已經(jīng)達(dá)到厘米級(jí)。衛(wèi)星高度計(jì)對(duì)于海表面的測(cè)量可以全天候下覆蓋絕大多數(shù)的地球海洋表面。和傳統(tǒng)的地基觀察站、驗(yàn)潮站以及浮標(biāo)數(shù)據(jù)相比具有高密度、高分辨率的特點(diǎn)。可以有效應(yīng)用于海洋研究和國(guó)防經(jīng)濟(jì)建設(shè)之中。星載雷達(dá)高度計(jì)的發(fā)展已有數(shù)十年，技術(shù)日趨成熟，是一種測(cè)量能力強(qiáng)、應(yīng)用前景廣闊的海洋微波遙感器。

二、求算方法

海表面高度需要經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，在高度計(jì)的數(shù)據(jù)產(chǎn)晶之中沒有海表面高度這一參量。其計(jì)算方法為軌道高度（altitude）減去衛(wèi)星距離海表面的瞬時(shí)距離（range），還需要添加各項(xiàng)校正項(xiàng)。添加除海況偏差校正之外所有地球物理校正項(xiàng)后的海表面高度可以表示為：

SSH=H-（R+wet-tropo+dry_tropo+iono_corr+

（1）

IB+ocean_tide+load_tide+solid_tide+pole_tide+SSB）

其中校正項(xiàng)依次為：大氣濕對(duì)流層校正、大氣干對(duì)流層校正、ku波段電離層校正，大氣逆壓校正、海洋潮汐校正、固體地球潮校正、極潮校正、海況偏差校正等。海表面高度為海平面距離地球參考橢球面距離。

本文選用Jason-2高度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。高度計(jì)采用周期重復(fù)軌道運(yùn)行，理論上來(lái)說(shuō)每個(gè)周期的對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)經(jīng)緯度信息應(yīng)該相同。但是由于光壓，大氣層等因素的作用真實(shí)的衛(wèi)星各周期的對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)位置并不嚴(yán)格重復(fù)，兩列測(cè)量點(diǎn)位置之間有微小的偏差，并不是嚴(yán)格重復(fù)。簡(jiǎn)而言之，對(duì)高度計(jì)數(shù)據(jù)的共線處理就是確定一條參考軌跡，并利用實(shí)際軌跡上的所有觀測(cè)值求算出參考軌跡上參考點(diǎn)的值。由于地球?yàn)橐粌蓸O略扁的橢球體，因此高度計(jì)運(yùn)行的軌道可以看作為圓形。

理論上可計(jì)算出所有周期統(tǒng)一測(cè)量點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，并將所有計(jì)算后的點(diǎn)相連即可得到參考軌道。但是由于上述理論復(fù)雜，在此采用一種較為快速方便的方法可以近似得到參考軌道。選取所有周期中逐個(gè)按照pass序號(hào)計(jì)算其包含的測(cè)量點(diǎn)數(shù)，再將在所有周期中點(diǎn)數(shù)最多某一序號(hào)pass取出作為參考軌跡的該序號(hào)pass存儲(chǔ)。將所有254個(gè)pass挑選出后即可組成整個(gè)一套參考軌跡。上述方法方便快速并且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證精準(zhǔn)度與理論計(jì)算得出的參考軌跡一致。圖2即為所采用的參考軌道。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)提取并計(jì)算，得到各測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)的經(jīng)度（Lon）、緯度（Lat）、海表面高度（SSH）、有效波高（SWH）、風(fēng)速（U）。本文選取Jason-2高度計(jì)共144個(gè)重復(fù)周期的GDR數(shù)據(jù)，對(duì)海表面高度SSH進(jìn)行共線處理。

式中SSH_i是第i個(gè)點(diǎn)的海表面高度觀測(cè)值。w_k是第k個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的權(quán)值，該值為實(shí)測(cè)點(diǎn)距離參考點(diǎn)的距離反比。換另外編號(hào)的pass重復(fù)上述過(guò)程將所有周期所有測(cè)量點(diǎn)均做共線處理。并把所有求算出的參考點(diǎn)海面高求平均即得參考軌跡的海表面高度。

三、計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)共線處理以后，參與共線高度計(jì)數(shù)據(jù)的所有cycle中的經(jīng)緯度信息將會(huì)統(tǒng)一，最終得到的數(shù)據(jù)集包括經(jīng)度（Lon）、緯度（Lat）、海表面高度（SSH）、有效波高（SWH）、風(fēng)速（U）。

此時(shí)的經(jīng)度緯度相同pass編號(hào)的信息是相同的。按照求得的共線海表面高度，對(duì)每一個(gè)參與共線cycle的數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行共線處理，將會(huì)得到一個(gè)每個(gè)參考點(diǎn)均有144組共線海表面高度SSH_coll，將該值求平均即可得出平均共線海表面高度MSSH_coll。部分平均海表面高度如表l所示：

由此可以得到全球的海表面高度分布，如圖：

四、總結(jié)

本文通過(guò)提取Jason-2衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)，將共144個(gè)cycle的數(shù)年測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行共線處理得到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的共線海表面高度，在對(duì)該海表面高度求均值得到了全球的平均共線海表面高度。由計(jì)算結(jié)果可以看出印度洋以及大西洋西部和太平洋東部海域海平面相對(duì)參考橢球面較低。這一方法可以在短時(shí)間得到全球范圍內(nèi)實(shí)用的海表面高度，可以為將來(lái)的時(shí)間大尺度條件下海平面變化提供數(shù)據(jù)支持，并能夠通過(guò)控制月測(cè)量數(shù)據(jù)，季測(cè)量數(shù)據(jù)以及年度測(cè)量數(shù)據(jù)和5年10年等尺度進(jìn)行平均，及時(shí)對(duì)海平面變化進(jìn)行分不同時(shí)間尺度的監(jiān)測(cè)。