中國近海中法海洋衛星波譜儀有效波高評估

潘彥希，王際朝

（中國石油大學（華東） 理學院，山東 青島 266580）

0 引言

有效波高（Significant Wave Height）是最基本的海浪參數之一，準確獲取SWH 的信息對進一步認識復雜海洋動力學，有效提高政府規避潛在海岸災害的能力，以及近海作業都具有重要意義[1-4]。

浮標在海浪測量方面有著悠久的歷史，由于它可以以固定的采樣頻率生成各種海浪參數，包括SWH，平均周期和波向，因此至今仍在廣泛使用。浮標測量的主要局限性在于空間覆蓋稀疏和維護困難[5-6]。衛星遙感是一種用來獲取全球范圍觀測數據的技術，可提供長時序、大面積的海洋參數的觀測數據。根據不同的應用目的，衛星上搭載的儀器主要包括散射計、輻射計、高度計、合成孔徑雷達和真實孔徑雷達[7-8]。中法海洋衛星是首個實現海面風和浪同步觀測任務的衛星，其上搭載的新型波譜儀 SWIM（Surface Wave Investigation and Monitoring），是一個Ku 波段的多波束真實孔徑雷達[9]。與合成孔徑雷達相比，SWIM 在測量波長為70～500 m 的海浪方向譜方面具有獨特的優勢[10]。

利用SWIM 提供的數據可進一步研究海浪演變和海氣相互作用，但極少有研究對這些數據的可信度進行評估。HAUSER 等人首次對SWIM 有效波高產品進行評估[11]，結果表明：星下點觀測與標準高度計觀測精度相當，傾斜波束觀測結果也能令人滿意，其中10°入射角波束的觀測結果與浮標觀測的一致性最好。LI 等人[12]基于美國國家數據浮標中心（National Data Buoy Center）浮標和Jason-3高度計SWH 數據對HY-2B 高度計和 CFOSAT 星下點SWH 進行了評估。實驗結果表明：星下點SWH 的精度最高，可作為全球SWH 的可靠數據來源。LIANG 等人[13]根據 159 個 NDBC 浮標和Jason-3 高度計數據對SWIM 二級產品進行了精度評估。結果表明：星下點SWH 精度良好，而傾斜波束SWH 的精度略低于星下點SWH。

然而到目前為止，還未有研究對中國近海SWIM 數據產品的精度進行評估，SWIM 產品在中國海域的可信度尚未得到證實。本研究首次嘗試評估SWIM 產品在對中國近海的可信度。第1 章簡要介紹了數據資料和評估方法。第2 章將星下點SWH 和傾斜波束SWH 分別與2020年中國近海浮標測量值進行比較。第3 章對全文進行了總結。

1 數據資料與評估方法

1.1 數據資料

1.1.1 SWIM 波譜儀

CFOSAT 于2018年10月29日成功發射，進入距地球520 km 的太陽同步軌道。CFOSAT 搭載了2 個全新體制的載荷，分別是散射計CSCAT 和海浪波譜儀SWIM，其科學目標是通過對全球海面風場和海浪進行24 h 同步觀測，從而滿足全球海洋災害性海況預警、海洋環境預報等海洋科學研究及應用的需求。SWIM 波譜儀是世界上第1 個通過多方向位、多入射角來探測海浪方向譜及海表面風速的星載傳感器。雷達頻率為Ku 波段，具有從0°～10°的6 個掃描波束，可進行360°方位向掃描。

基于自適應重跟蹤算法，可從雷達回波波形信號中反演出SWH、歸一化雷達后向散射系數和風速等參數[14]。本研究重點關注的是0°（星下點）、6°、8°、10°入射角波束和合成波束觀測的SWH。本研究SWIM 數據來自于國家衛星海洋應用中心（http：//www.nsoas.org.cn/）。

1.1.2 浮標數據

為了保證評估的全面性和準確性，本研究使用了中國近海39 個浮標的海浪數據作為基準數據。浮標數據由中國氣象局收集并以10 min 的間隔存檔。圖1 顯示了每個浮標的具體位置和水深。表1詳細列出了浮標信息，包括經度、緯度、水深和離岸距離。所使用的浮標中有一半以上的離岸距離小于50 km。

表1 中國近海39 個浮標的詳細情況Table 1 Details of 39 buoys in Chinese offshore waters

紅色三角形代表渤海和黃海浮標，藍色三角形代表東海浮標，紫色代表南海浮標。圖1 中國近海39 個浮標位置和水深Fig.1 Locations of 39 buoys and bathymetry in Chinese offshore waters

1.2 評估方法

由于浮標數據每10 min 存檔一次，因此匹配點之間的時間間隔選取為5 min。不同于大量研究選擇50 km 的空間匹配窗口[15-19]，本研究為獲取更多的數據匹配量，選擇100 km 的空間匹配窗口。

本研究采用了4 種評價指標，包括偏差（bias），均方根誤差（RMSE），相關系數（R）和散射因子（SI）。相應的計算公式如下。

式中：ix為浮標觀測值；iy為SWIM 數據；x為觀測值的均值；為SWIM 數據的均值；n為匹配的數據點總數。

2 實驗結果與對比分析

2.1 星下點SWH 質量評估

本節基于前文提到的39 個浮標的觀測數據，對 2020年SWIM 星下點SWH 進行評估。

為了研究陸地干擾所造成的影響，對星下點SWH 采用了不同的質量控制標準。圖2（a）比較了未進行任何質量控制的星下點SWH 和浮標觀測SWH。圖2（b）和2（c）分別為濾除陸地覆蓋率為100%和大于50%時的星下點SWH 與浮標觀測SWH。圖2（d）比較了完全沒有陸地干擾時的星下點SWH 和浮標觀測SWH。

圖2 不同質量控制下的星下點SWH 散點圖Fig.2 Scatterplots of nadir box SWH under different quality control

在對受陸地干擾的場景施加質量控制后，匹配數據對的數量有所減少。我們發現，星下點SWH的精度有了顯著提高，RMSE 從0.582 m 下降到0.346 m，R從0.814 上升到0.943，SI 從0.459 下降到0.182。這說明質量控制越嚴格，線性回歸擬合曲線與對角線之間的差異就越小，數據點會緊密地聚集在對角線附近。其中濾除土地覆蓋率為50%時的星下點SWH 數據精度最好。對于完全沒有陸地干擾的星下點SWH，擬合直線的斜率幾乎等于1，這表明星下點SWH 在中國近海的數據精度良好。

圖3 對不同區間下星下點SWH 與浮標測量SWH 進行了比較，發現當SWH 大于2.5 m 小于4 m時，bias 和RMSE 分別低至0.142 m 和0.339 m，這表明SWIM 星下點產品在中國近海的可信度較高。盡管RMSE 隨著SWH 的增大而增大，但其仍保持在可接受的范圍內。特別地，當SWH 在4 m 以下時，RMSE 小于0.4 m。當SWH 超過4 m 時，RMSE 急劇增加，增加的原因可能是中國海的大浪相對較少。

圖3 不同SWH 區間的統計參數及相應的匹配數據量Fig.3 Statistical parameters under different SWH intervals and their corresponding number of comparison pairs

圖4 展示了2020年每月的統計參數，總體而言，全年內評價指標始終保持在合理的范圍。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。

圖4 2020年星下點SWH 的月統計參數Fig.4 Monthly statistical parameters of nadir box SWH in 2020

從圖5 可以觀察到，本研究超過一半的浮標距離海岸不到50 km。近岸海域的星下點SWH 精度比預期要高得多，所有統計參數都在可接受的范圍內。

圖5 4 個統計參數的空間分布Fig.5 Spatial distribution of 4 statistical parameters

根據圖5 中4 個參數的空間分布可得，南海的星下點觀測效果最好，東海次之，渤海和黃海較差。例如，37 號浮標站點（111°E，19°N）的星下點SWH與浮標觀測SWH 吻合較好，bias 為0.089 m，RMSE為0.201 m，R為0.984，SI 為10.4%。

星下點觀測在渤海和黃海效果較差的原因可能是海水非常淺。尤其是渤海的水深只有十幾米，這可能會誘發更復雜的海浪非線性動力過程，如波浪破碎，白冠和波流相互作用等[19]。因此，海面反射的回波信號可能會受到影響。此外，與其他浮標相比，渤海和黃海的浮標與陸地的距離較近，數據的質量可能會因陸地上的信噪比降低而下降。復雜的海岸線和眾多的島嶼是17 號浮標點（121.36°E，27.48°N）數據質量較差的原因。

2.2 傾斜波束SWH 質量評估

除了6°、8°、10°波束觀測的二維海浪斜率譜以外，SWIM 波譜儀在360°方位角范圍內旋轉掃描，就可以得到各個方向上的譜，從而得到合成二維譜。在這一節中，我們重點關注剔除掉陸地覆蓋率為50%時的傾斜波束SWH。

圖6 是4 個波束的SWH 與浮標觀測SWH 散點圖。總體而言，這4 個波束的SWH 與浮標觀測的一致性良好。匹配數據點集中在對角線附近，每條擬合線的斜率都在0.95 左右，bias 低于0.21 m，RMSE 低于0.42 m，R可達0.9，SI 低至0.27。其中，10°波束的估算效果最好。除此之外，還可以將圖6 中的結果與圖2 中的結果進行比較，可得傾斜波束SWH 數據的質量略低于星下點SWH 數據質量。由于差異較小，因此可認為經過質量控制后的傾斜波束SWH 與星下點SWH 精度相當。

圖6 4 種不同波束SWH 散點圖Fig.6 Scatterplots of wave spectrum SWH for 4 different beams

圖7 顯示了每個SWIM 波束的統計參數隨月份變化的情況。以10°波束為例，SWH 與浮標觀測SWH 之間的差異相對較小且穩定，8月的bias 最小，為0.070 m，且大多數月份的RMSE 都小于0.4 m。10°波束在10月的R值最高，為0.945，SI值最低，為13.7%。6°、8°波束和合成波束的結果與10°波束結果非常相似。5月份所有波束的R值都明顯低于其他月份。

圖7 2020年不同波束SWH月統計參數Fig.7 Monthly statistical parameters of off-nadir spectrum SWH in 2020 for different beams

3 結束語

研究海浪特性可以為近海工程、海洋開發、船舶設計、航海安全、氣象預報等諸多領域提供重要的基礎信息。搭載在CFOSAT 上的SWIM 波譜儀可以測量全球范圍內的海浪參數，然而到目前為止尚未有研究證實SWIM 產品在中國海域的可信性。本研究首次對SWIM 二級產品在中國近海的可信度進行了評估。為保證評估的全面性，采用了中國近海39 個浮標的海浪數據為基準數據，時間和空間匹配窗口分別為100 km 和5 min。

對于星下點SWH，采用了不同的質量控制標準來研究陸地干擾所造成的影響。通過比較發現，隨著質量控制越來越嚴格，數據精確度也有了顯著提高。在完全去除陸地干擾后，RMSE 降至0.346 m，R增至0.943，SI 降至0.182。通過對比不同SWH區間星下點與浮標測量的SWH 結果，發現盡管RMSE 隨著SWH 的增加而增大，但其仍在可接受的范圍內。將星下點SWH 與2020年中國近海浮標測量值進行比較，分析各月星下點SWH 的統計參數，發現2020年除5月外，R值均大于0.8，這表明SWIM 星下點產品在中國近海的可信度較高。經過評估可得盡管超過一半的浮標位于50 km 以內的近海，但星下點SWH 在近海的精度遠高于預期。南海的星下點觀測效果最好，東海次之，渤海和黃海較差，較差的原因可能是海水非常淺，海面反射的回波信號受到影響，此外，渤海和黃海的浮標距離陸地較近，數據質量也會受到影響。

對于傾斜波束觀測，通過對比6°、8°、10°波束和合成波束SWH 與浮標測量的結果，發現這4個波束的SWH 與浮標觀測的一致性較好，每條擬合線的斜率都在0.95 左右，其中10°波束的效果最好。再將星下點測量結果與這4 個波束測量結果進行對比，發現傾斜波束SWH 數據的質量略低于星下點SWH 數據質量。與星下點觀測相同，本研究對比了傾斜波束SWH 與2020年中國近海浮標測量值，發現每個SWIM 波束的統計參數隨月份變化非常相似。總的來說，雖然空間匹配窗口擴展到100 km，但SWIM 數據仍在中國近海與浮標數據具有顯著的一致性。

CFOSAT 上搭載的SWIM 波譜儀在海洋動力環境業務監測、全球海洋環境預報、災害性海況預警、海洋科學研究中發揮著重要作用。本研究基于浮標數據對CFOSAT 海浪產品在中國近海進行了評估，SWIM 數據具有較高精度，其可用于數據同化等，為進一步提高海浪預報精度提供強有力的數據支持。