SWOT衛星海面高自交叉點不符值及其影響因素分析

中圖分類號：P414.4 文獻標志碼：A 文章編號：1002-4026（2025）03-0034-06

開放科學（資源服務）標志碼（OSID）

Analysis of self-crossover discrepancies in observed sea surface height

using SWOT satellites and influencing factors

DENG Yanfen， ZHANG Xiaojie， JIANG Yunyun，ZHAO Jianli（East China Sea Survey Center，Ministry of Natural Resources， Shanghai 2O0137，China）

Abstract： Using Level-2 low-rateexpert-level data obtained from the Surface Water and Ocean Topography（SWOT） satelites，thisstudycalculatesthe positionsofcrossoverpointsusinga gridding method，quantitativelyanalyzesselfcrossover discrepancies，andinvestigates theimpactsof various factors—thetime diference betweenthecrossover points，crossover distance，distance fromthe coast，and latitude—on these discrepancies.Results show thatinmost regions，discrepancies fall within the range of -0.2m to 0.2m ，indicating good data consistency，although notable discrepanciesare observed in specificregions.Further analysis reveals thatthe distance betweenthecrossover points has a minimalimpact on discrepancies；discrepancies near thecoastline arerelatively dispersed，whilethose observed in regionsfartherfromthecoastlinetendtodecreaseandstabilize.Inhigh-latituderegions，discrepanciesdecrease.Thetime difference shows acertain degree of dispersion in its influence on discrepancies.In a certain range（within 2km ），the distancebetweenthecrossverpointshasaminimal impact ondiscrepancies.The findingsof thisstudy providea

scientific basis for improving the accuracyand reliability of altimetry data obtained from SWOT satelites. Keywords ： surface water and ocean topography satelite；self-crossover discrepancies; latitude;timediffrence

海面高度數據是理解和預測全球水文循環、海平面變化及其對氣候變化影響的關鍵參數[1-3]。隨著衛星測高技術的發展，利用衛星進行海面高度測量已成為現代海洋學研究的重要手段[4-6]。新一代的地表水與海洋地形（surface water and ocean topography，SWOT）衛星，采用了先進的寬幅雷達干涉測量技術，大幅提升海面高度數據的精度和空間分辨率[7-9]，這對于精確監測海洋和內陸水體的動態變化，評估全球變暖對海平面上升的影響具有重大科學意義和實際應用價值[10-12]。然而，盡管 SWOT衛星的潛力巨大，其觀測數據的精度和可靠性需經過嚴格驗證才能有效支持科學研究和政策制定。因此，對 SWOT衛星海面高數據進行精度驗證和質量分析，對于確保數據的科學有效性和推廣其應用具有重要意義。

現有研究在傳統高度計衛星觀測數據的驗證方面已取得顯著進展[13-15]，通過采用多種技術手段，如遠海孤島驗潮站、深海壓力儀、全球導航衛星系統（global navigation satelite system，GNSS）浮標等，對衛星高度計的性能評估、數據質量分析和定標方法進行了探索。管斌等[16]研究表明，深海壓力儀適用于Jason-2 與Jason-3 海面高相對偏差的計算，而遠海孤島驗潮站適用于這兩者的定標。楊磊等[17]的研究發現，HY-2A衛星高度計雖然存在數據丟失、編輯比例偏高、后向散射系數異常跳變與漂移等問題，但其總體測高精度與Jason-2接近，能夠滿足海洋科學研究的要求。此外，楊磊等[18]的研究進一步表明，在我國尚無專門定標場的情況下，GNSS浮標和驗潮站資料可以用于靈活、精準的在軌絕對定標，發現HY-2A存在顯著的海面高漂移現象（約 -51cm/a， ），并驗證了GNSS浮標定標方法的準確性。 Xu 等[19]利用GNSS浮標對HY-2A進行校準，顯著提高了數據精度，而Cui等[20]通過與Jason-2數據對比，采用優化插值方法校正了HY-2A的海面高度測量，進一步強調了數據校正技術的重要性。盡管上述研究在傳統高度計數據的驗證和定標方面取得了重要進展，但在針對SWOT衛星觀測數據的分析和其交叉點不符值的影響因素研究方面仍相對較少。交叉點不符值是影響SWOT衛星測高精度的重要因素，然而目前對其影響因素的系統分析尚不充分。

基于此，本文對SWOT衛星的交叉點不符值及其影響因素進行了深人研究。通過分析SWOT觀測數據，本文將探討不同因素（如交叉點時間差、交叉點距離、離海岸距離、緯度等）對交叉點不符值的影響，為提高SWOT衛星的測高精度提供參考，為后續海洋科學研究和應用提供支持。

1 數據和方法

1.1 數據介紹

SWOT任務由美國國家航空航天局和法國國家航天研究中心聯合發起，旨在提供高精度的全球水體表面高度測量數據[21]。SWOT L2級專家數據是從衛星獲取的原始數據經過初步處理后的產品。數據處理包括校準階段（1d軌道周期）和科學階段（21d軌道周期）。KaRIn傳感器每次傳輸獲取兩個寬 50km 的側向帶，中間有 20km 的天頂空隙，數據重采樣到地理固定的 2km 網格上，確保了高空間分辨率和一致的網格。科學階段的軌道周期為21d，提供全球覆蓋的高時間分辨率數據。本研究中，對周期1＼～9（時間范圍為2023年7月26日至2024年1月24日）的SWOTL2級低速率專家級數據進行研究。

1.2交叉點不符值計算方法

本文采用格網法確定交叉點的位置，該方法具有操作簡單和高精度的特點，詳細的軌跡點識別步驟如下。

（1）網格劃分：由于連續側掃數據點之間的間隔約為 2km ，建立一個 1^′×1^′ 的網格。通過評估網格內是否存在來自上行和下行通過的數據點來推斷交叉點的存在。

（2）軌跡點遍歷與初步搜索：遍歷每個上行軌跡的軌跡點，對于每個上行軌跡點，搜索其周圍 2km 范圍內的下行軌跡點。由于SWOT數據的空間分辨率約為 2km×2km ，因此，理論上在該范圍能夠有效覆蓋潛在的交叉點。

（3）交叉點識別及不符值的計算：若在 2km 搜索范圍內發現下行軌跡點，則認為存在軌跡交叉，并標記該上行軌跡點為潛在交叉點。將找到的下行軌跡點插值到上行軌跡點上，以確保兩個軌跡點具有一致的空間位置。計算插值后的下行軌跡點與原上行軌跡點之間的海面高差異，即不符值。

2 結果分析

從圖1中可以看出，不符值在空間上的分布具有一定的規律性和區域性特征。總體而言，大多數區域的不符值集中在 -0.2～0.2m 之間，表現為綠色和黃色，這表明在這些區域內，衛星測量的海面高度數據較為一致，誤差較小。然而，在某些特定區域，特別是圖中顯示為橙色、紅色和藍色的區域，不符值達到了 ±0.4m 以上，表明這些區域存在較大的數據不一致性。這種現象可能與局部的海洋動力過程、如潮汐、海流或臺風等極端天氣事件有關。此外，這些區域也可能受到衛星軌道誤差、信號延遲等因素的影響。

圖2展示了交叉點不符值的分布特征。從直方圖中可以明顯看出，不符值呈現出典型的正態分布形態，分布的中心集中在 0m 附近，并且隨著偏離中心值的增加，出現頻率逐漸減少。這表明大多數交叉點的不符值較小，集中在 -0.1～0.1m 之間，總體而言，交叉點的海面高度差異較小，數據一致性較好。然而，仍然可以觀察到少量的極端值，即在 -0.3～-0.4m 以及 0.3～0.4m 范圍內的點，這些可能代表著某些特殊情況下的數據異常或觀測誤差。

圖3顯示了交叉點不符值與交叉點之間距離的關系。可以看出，交叉點不符值在 -0.6～0.6m 之間波動，且隨著交叉點之間距離的變化，整體分布呈現出相對均勻的狀態。這表明距離對不符值的影響較為有限。從圖中可以觀察到，隨著距離的增加，不符值的分布范圍并沒有顯著變化，仍然保持在大致相同的波動范圍內。這意味著，在一定范圍內（ 2km? ），交叉點之間的距離并不是導致不符值變化的主要因素。

從圖4中可以觀察到一些顯著的規律和特征。首先，靠近海岸線（距離在 50～200km 范圍內）的海面高不符值呈現出較大的離散性，誤差范圍從 -0.6～0.6m 不等。這可能是由于近岸區域的海洋動力學過程復雜及海岸線的影響導致。此外，近岸地形的多樣性也可能增加了衛星測量的難度，從而導致誤差增大。隨著離海岸距離的增加，海面高不符值逐漸減小且趨于穩定。在距離海岸 200～800km 范圍內，誤差的分布明顯收斂，大多數不符值集中在 -0.2～0.2m 之間，表明在這一距離范圍內，測量誤差相對較小，觀測值的穩定性較高。這表明在更遠離海岸的開放海域，海洋環境更加穩定，觀測值誤差較小。總體來看，離海岸越遠，測量誤差越小并趨于穩定，表明SWOT衛星在開放海域具有較高的測量精度和可靠性。靠近海岸的區域由于復雜的海洋動力過程和地形條件，測量誤差較大;而在遠離海岸的區域，測量結果更加穩定。

從圖5可知，在 20^°N-37^°N 的低至中緯度區域，海面高不符值的分布較為均勻且穩定，誤差范圍主要集中在 -0.3～0.3m 之間。然而，在 的緯度范圍內，海面高不符值出現了小幅度的異常波動，誤差范圍擴展至 -0.5～0.5m ，且誤差分布呈現出明顯的尖峰狀。在 42^°N-50^°N 的高緯度區域，海面高不符值明顯減小，且隨著緯度的升高，不符值逐漸降低。

圖6展示了交叉點不符值與交叉點時間差之間的關系，從圖中可以觀察到，不符值的范圍大致在 -0.6～0.6m 之間，且在不同時間差下表

現出顯著的離散性。這種離散性表明交叉點不符值在整個時間跨度內具有較大的波動，可能受到多種因素的影響。在時間差較小時，如 0～50h 內，不符值的分布相對集中，但仍存在顯著的離散性，表明即使在較短時間內，交叉點不符值也無法完全一致。隨著時間差的增加，某些特定時間差（如接近 100h 和 200h 對應的不符值較為集中，可能暗示在這些時間差下存在某種規律性或穩定性，這種情況可能與海面狀態、儀器精度或數據處理方法有關。整體上，交叉點時間差與不符值之間并未呈現出明顯的線性關系。

3結論

本研究利用SWOT衛星的L2級低速率專家級數據，采用格網法計算交叉點位置，定量分析了自交叉點不符值，并通過定量分析探索自交叉點不符值的影響因素。得到以下主要結論：

（1）不符值在空間分布上表現出一定的規律性。總體上，大多數區域的不符值集中在 -0.2～0.2m 之間，表明衛星測量的海面高度數據在這些區域較為一致，誤差較小。然而，在某些特定區域，不符值達到了±0.4m 以上，表明這些區域存在較大的數據不一致性。從統計角度來看，交叉點不符值呈現正態分布，大多數不符值集中在 -0.1～0.1m 之間，表明總體數據一致性較好，但仍存在少量的極端值。

（2）交叉點之間的距離、離海岸距離、緯度和交叉點時間差等因素對不符值有不同程度的影響。不符值在交叉點之間的距離變化中表現出相對均勻的分布，表明距離對不符值的影響有限。靠近海岸線的區域（ 50～200km 范圍內）不符值離散性較大，而在更遠離海岸的開放海域中，測量誤差相對較小，觀測值穩定性較高。低至中緯度區域（ 20^°N-37^°N. ）的海面高不符值較為均勻且穩定，高緯度區域不符值則逐漸減小。隨著交叉點時間差的增加，不符值在不同時間差下表現出顯著的離散性，但整體上未呈現出明顯的線性關系，表明時間差并非影響不符值的主要因素。

本文通過定量分析，揭示了SWOT衛星觀測數據的自交叉點不符值在空間分布和統計特征上的規律性，并分析了影響不符值的主要因素。這些研究結果為進一步提升SWOT衛星的測高精度提供了重要參考。

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