王娟娟 高志一 王久珂 李本霞 宋金寶

(1. 國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心 北京 100081; 2. 浙江大學(xué)海洋學(xué)院 杭州 310058)

20世紀(jì)70年代以來(lái), 遙感觀測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)反演算法不斷發(fā)展進(jìn)步。在衛(wèi)星高度計(jì)方面, 自 1985年美國(guó)海軍的 Geosat衛(wèi)星(Geodetic satellite)成功發(fā)射,已經(jīng)有多個(gè)衛(wèi)星高度計(jì)任務(wù)順利實(shí)施, 例如: ERS-1/2(European Remote Sensing-1/2)、TOPEX/Poseidon、Jason-1/2、Envisat(Environmental Satellite)、Cryosat-2和HY-2等(Queffeulou et al, 2007; Durrant et al, 2009;Zieger et al, 2009; Abdalla et al, 2011; Jiang et al, 2012;Zhang et al, 2015)。目前, 衛(wèi)星高度計(jì)對(duì)全球海面高度的測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)到了厘米級(jí)(Ablain et al, 2010;Desai et al, 2010;Ray et al, 2012)。除了海面高度以外,衛(wèi)星高度計(jì)還可以獲取海面的風(fēng)速、有效波高和潮位等信息。與傳統(tǒng)的海洋站、浮標(biāo)和船舶觀測(cè)相比, 衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)克服了時(shí)間和空間上的局限性, 具有全天候、高分辨率和高空間覆蓋率等特點(diǎn)。

隨著 ERS-1/2、TOPEX/Poseidon和 Jason-1/2等衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的大量應(yīng)用(程永存等, 2008; 于振濤等,2006; 范陳清等, 2014), 衛(wèi)星高度計(jì)已經(jīng)逐漸成為物理海洋學(xué)和海洋測(cè)繪學(xué)領(lǐng)域的重要研究手段。特別是Jason-2衛(wèi)星高度計(jì)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品, 發(fā)展較為成熟, 在大量研究中得到應(yīng)用, 是高度計(jì)研究及應(yīng)用技術(shù)的典范。

關(guān)于Jason-2衛(wèi)星高度計(jì)產(chǎn)品的有效性和準(zhǔn)確性,已經(jīng)有大量研究通過(guò)與浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)(例如: 美國(guó)數(shù)據(jù)浮標(biāo)中心的 NDBC浮標(biāo)數(shù)據(jù))的對(duì)比分析得以證明。Abdalla等(2010)利用與浮標(biāo)觀測(cè)匹配的 24908組數(shù)據(jù), 對(duì) Jason-2的風(fēng)速和有效波高產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證, 其有效波高的覆蓋范圍達(dá) 11m, 評(píng)估得到平均偏差 Bias=0.0290m, 標(biāo)準(zhǔn)偏差 STD=0.4119m。此外,他們還認(rèn)為在Hs(有效波高)＞6m時(shí), Jason-2有效波高產(chǎn)品存在偏大現(xiàn)象。Queffeulou等(2011)利用與浮標(biāo)匹配的3919組數(shù)據(jù)對(duì)Jason-2有效波高產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證,得到Bias= –0.0569m, STD=0.2169m。葉小敏等(2014)利用NDBC浮標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)2011年的Jason-2海面風(fēng)速和有效波高產(chǎn)品進(jìn)行了檢驗(yàn), 匹配數(shù)據(jù) 1635組, 評(píng)估得到相關(guān)系數(shù) R=0.97, 均方根誤差 RMSE=0.28m,STD=0.28m, Bias= –0.02m。Zhang 等(2015)比較了 27個(gè)月的 NDBC浮標(biāo)和 Jason-2有效波高產(chǎn)品, 得到RMSE=0.292m, Bias=0.016m。此外, Shanas等(2014)使用印度海域四個(gè)浮標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù), 評(píng)價(jià) Jason-1、Jason-2、Envisat和ERS-2四個(gè)衛(wèi)星高度計(jì)的有效波高產(chǎn)品, 分析認(rèn)為它們都高估了有效波高, 且在Hs＜0.5m 的情況下相關(guān)性極差, 其中 Jason-2產(chǎn)品與浮標(biāo)觀測(cè)的相關(guān)性最好。

Jason-2有效波高產(chǎn)品在中國(guó)海域的評(píng)估驗(yàn)證相對(duì)較少。Chen等(2013)用南海現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和 NDBC浮標(biāo)的數(shù)據(jù), 評(píng)估 Jason-1/2和 HY-2的有效波高產(chǎn)品,獲得Jason-2有效波高產(chǎn)品的RMSE=0.36m。但是在南海的匹配數(shù)據(jù)僅有10組, 且均為有效波高小于3m的低海況數(shù)據(jù)。Park等(2013)使用韓國(guó)氣象局的海洋氣象浮標(biāo)數(shù)據(jù), 驗(yàn)證Topex/Poseidon, Jason-1, Envisat和 Jason-2的有效波高產(chǎn)品, 浮標(biāo)觀測(cè)有效波高的上限為4m, 其位于中國(guó)黃海的浮標(biāo)(34.78°N, 125.77°E)觀測(cè)與 Jason-2有效波高產(chǎn)品的相關(guān)性很差, 對(duì)比組114個(gè), RMSE=1.1310m。而另一位于中國(guó)黃海的浮標(biāo)(36.25°N, 125.75°E), 相 對(duì) 遠(yuǎn) 離 大 陸 和 島 嶼 , 與Jason-2匹配的對(duì)比組為 88個(gè), 評(píng)估得到 RMS=0.3304m, Bias=0.1413m,R=0.9161, 準(zhǔn)確性較好。

綜合上述對(duì) Jason-2有效波高產(chǎn)品的評(píng)估研究,將其主要結(jié)論匯總在表1中。

表1 對(duì)Jason-2有效波高產(chǎn)品的研究及其主要結(jié)論(1)Tab.1 Comparison of validation on Jason-2 significant wave height product (1)

從表1中可以看出, 在中國(guó)海域以外的Jason-2有效波高產(chǎn)品驗(yàn)證, 匹配數(shù)據(jù)量較多, 有效波高覆蓋范圍較廣, 評(píng)估得到的RMSE在0.28m至0.4119之間,準(zhǔn)確性良好。但是, 在中國(guó)海域的評(píng)估研究卻非常少,只有少數(shù)幾個(gè)浮標(biāo)短時(shí)間觀測(cè)的評(píng)估, 可用的匹配數(shù)據(jù)量嚴(yán)重不足, 且有效波高普遍在4m以下, 覆蓋范圍較窄。此外, 不同浮標(biāo)獲得的評(píng)估參數(shù)也存在較大差異。

為了進(jìn)一步了解Jason-2有效波高產(chǎn)品在中國(guó)海域的準(zhǔn)確性, 我們認(rèn)為可以參考TOPEX和Jason-1衛(wèi)星在中國(guó)海域的評(píng)估結(jié)果。Jason-2是 TOPEX和Jason-1的后續(xù)衛(wèi)星, 它們?cè)诙鄶?shù)方面基本一致(Quartly, 2010), 關(guān)于它們?cè)谥袊?guó)海域的準(zhǔn)確性評(píng)估也有一些研究。Ebuchi等(1994)利用 JMA(Japan Meteorological Agency)在中國(guó)東海(浮標(biāo)位置:28°10′N(xiāo), 126°20′E。)的浮標(biāo)數(shù)據(jù), 比較了 TOPEX 的有效波高產(chǎn)品, 評(píng)估參數(shù) Bias=0.31m(Ku-band)和0.32m(C-band), RMSE=0.50m(Ku-band)和 0.54m(C-band)。劉花等(2013)利用南海北部近岸海域 3個(gè)浮標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)(觀測(cè)有效波高低于 3m), 評(píng)估分析了Jason-1的有效波高產(chǎn)品, 評(píng)估得到的RMSE小于0.35m, 相關(guān)系數(shù)大于0.95, 并認(rèn)為Jason-1的有效波高產(chǎn)品整體偏大, 且與浮標(biāo)波高的差異隨著波高的增大而逐漸增加。

TOPEX在東海的評(píng)估 RMSE在 0.5m左右,Jason-2在南海的評(píng)估 RMSE小于 0.35m, 相比于Jason-2略偏大。但是, 它們所使用的匹配數(shù)據(jù)量不足,有效波高的范圍較窄, 整體的參考意義有限。

由于缺乏大范圍、長(zhǎng)時(shí)間和多海況覆蓋的海浪觀測(cè), 導(dǎo)致在中國(guó)海域缺乏Jason-2有效波高產(chǎn)品的綜合評(píng)估, 這使得很多研究在中國(guó)海域使用Jason-2有效波高產(chǎn)品時(shí), 無(wú)法詳細(xì)了解其準(zhǔn)確程度和適用范圍。

作者對(duì)國(guó)家海洋局在中國(guó)海域布放的28個(gè)水文氣象浮標(biāo)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了多渠道的收集和整理,完成了繁瑣的解碼和質(zhì)量控制工作, 獲得了從 2002年至2014年之間的中國(guó)海域水文氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)。本文采用的是從2008年至2014年之間較為完整的海浪浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù), 對(duì)渤黃海、東海和南海三個(gè)分海區(qū),以及對(duì)不同海況下的Jason-2有效波高產(chǎn)品準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估。本文的結(jié)果可以為Jason-2有效波高產(chǎn)品在中國(guó)不同海域和多種海況下的應(yīng)用研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)

1.1 Jason-2衛(wèi)星高度計(jì)有效波高產(chǎn)品

作為OSTM(Ocean Surface Topography Mission)任務(wù)TOPEX/Poseidon和Jason-1的后繼衛(wèi)星, Jason-2衛(wèi)星于2008年6月20日在美國(guó)加利福尼亞州的范登堡空軍基地成功發(fā)射。它是由CNES(Centre National d’EtudesSpatiales)、NASA、EUMETSAT(the European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites)和 NOAA 合作完成, 其上搭載了雙頻高度計(jì)、三頻微波輻射計(jì)和高精度定位系統(tǒng)。海面測(cè)高精度為 2.5—3.4cm, 有效波高精度為 0.4m或 10%。該衛(wèi)星的軌道高度為 1336km, 軌道傾角 66.039°, 重復(fù)周期約為10天, 與TOPEX/Poseidon和Jason-1衛(wèi)星基本相同。

本文選用 Jason-2經(jīng)過(guò)完全校正的 GDR (Geographical Data Record)數(shù)據(jù), 其軌道精度高, 并且進(jìn)行了波形重定等校正, 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高。Jason-2有效波高產(chǎn)品有 Ku波段和 C波段觀測(cè)兩種, 由于 2011年OSTM/Jason-2產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中認(rèn)為 Ku波段觀測(cè)優(yōu)于 C波段, 因此, 本文采用 Ku波段數(shù)據(jù), 其數(shù)據(jù)精度為0.001m。

使用該數(shù)據(jù)之前, 還需要對(duì)其進(jìn)行篩選和質(zhì)量控制, 例如: 剔除陸地、冰面、降雨條件下以及數(shù)據(jù)可信度標(biāo)志為假的數(shù)據(jù)。本文采用 2011年 OSTM/Jason-2產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中推薦的判據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.2 國(guó)家海洋局水文氣象浮標(biāo)

為了滿足業(yè)務(wù)化海洋預(yù)報(bào)和海洋災(zāi)害預(yù)警的需要, 國(guó)家海洋局在渤黃海、東海和南海總計(jì)布放了28個(gè)常年運(yùn)行的浮標(biāo), 用于觀測(cè)海面上的氣象和水文要素。最早的浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)始于 2002年, 但完整性較差。從 2008年以后, 所有浮標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)才趨于完整和連續(xù)。

浮標(biāo)觀測(cè)的數(shù)據(jù)格式有 FUB報(bào)文和可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言Xml兩種。渤黃海數(shù)據(jù)主要為FUB格式, 東海和南海早期也為FUB格式, 從2011年之后陸續(xù)更改為Xml格式。FUB報(bào)文按照國(guó)際統(tǒng)一的報(bào)文編碼規(guī)范, 有效波高的數(shù)據(jù)精度為0.5m, 風(fēng)速精度1m/s, 有效波周期精度 1s, 浮標(biāo)位置精度 0.1°, 風(fēng)向精度 10°,氣溫和水溫精度0.1°C。觀測(cè)要素包括: 風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、大氣壓、水溫、有效波高、有效波周期、最大波高, 最大波周期等。

Xml格式數(shù)據(jù)精度高于FUB報(bào)文。其有效波高的精度為 0.1m, 風(fēng)速精度 0.1m/s, 有效波周期精度0.1s, 浮標(biāo)位置精度 0.01′, 風(fēng)向精度 1°, 氣溫精度0.1°C, 水溫精度0.01°C。觀測(cè)要素除FUB格式包含的所有要素外, 還包括: 相對(duì)濕度、平均波高、平均波周期、平均波向、十分之一波高、十分之一波周期等。

為了保證浮標(biāo)業(yè)務(wù)化運(yùn)行, 國(guó)家海洋局會(huì)定期進(jìn)行維修和養(yǎng)護(hù), 可能會(huì)拖動(dòng)或移動(dòng)浮標(biāo), 此外, 還由于風(fēng)吹和海流的動(dòng)力拖曳作用, 浮標(biāo)位置從長(zhǎng)期來(lái)看有小幅變化。

2 評(píng)估分析

2.1 數(shù)據(jù)匹配

Jason-2有效波高產(chǎn)品和浮標(biāo)數(shù)據(jù)的匹配方法為:浮標(biāo)在t時(shí)刻的位置經(jīng)緯度(x, y), 篩選Jason-2產(chǎn)品中同時(shí)滿足下列兩個(gè)條件的數(shù)據(jù): (a)落在以浮標(biāo)位置(x, y)為圓心, 以匹配距離ds為半徑的圓形范圍內(nèi), (b)與 t時(shí)刻的絕對(duì)時(shí)間差不超過(guò)dt(小時(shí))。根據(jù)上述的距離和時(shí)間窗口, 匹配出對(duì)應(yīng)浮標(biāo)t時(shí)刻的所有衛(wèi)星數(shù)據(jù)點(diǎn), 并對(duì)存在多個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)點(diǎn)的情況下剔除超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常點(diǎn)。

Jason-2衛(wèi)星沿著固定軌道運(yùn)行, 并有一定的重復(fù)周期。而浮標(biāo)位置長(zhǎng)期來(lái)看是略有變化的, 其觀測(cè)頻率一般為1小時(shí)1次。在實(shí)際的對(duì)比分析中不可能得到與浮標(biāo)觀測(cè)隨時(shí)同步且位置絕對(duì)重合的 Jason-2數(shù)據(jù)。所以, 時(shí)間和距離窗口的選擇不可避免成為兩者差異的原因之一。在以往類(lèi)似的評(píng)估研究中, 一般采用距離50km和時(shí)間30min的窗口。

相比于 Jason-2數(shù)據(jù), 本文使用的浮標(biāo)數(shù)據(jù)在時(shí)間上較為連續(xù), 觀測(cè)間隔為 1小時(shí), 因此采用 30min作為時(shí)間匹配窗口比較合適。在距離窗口的選取方面,本文對(duì)不同匹配距離下的誤差和數(shù)據(jù)量情況進(jìn)行了綜合比較, 見(jiàn)圖 1, 據(jù)此來(lái)分析不同匹配距離對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響, 以得到合適的距離窗口。

從圖1中可以看出, 在匹配距離為20、30和40km時(shí), 四個(gè)誤差統(tǒng)計(jì)參數(shù)(RMSE、Bias、AE、STD)隨匹配距離的變化都非常小, 而數(shù)據(jù)量則逐漸增加。在匹配距離為50km時(shí), RMSE增大非常明顯, 而且大誤差區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)量明顯增多。研究中為了保證盡量多的數(shù)據(jù), 又為了兼顧匹配距離的合理性和較小的誤差,選用了40km作為匹配距離, 比傳統(tǒng)的50km略小。

按照上述窗口和匹配方法, 對(duì)2008年至2014年期間的浮標(biāo)數(shù)據(jù)和 Jason-2產(chǎn)品進(jìn)行匹配。由于Jason-2的軌道位置固定, 而浮標(biāo)位置的變化不大,得到20個(gè)可用的浮標(biāo), 包括: 渤黃海10個(gè)、東海6個(gè)、南海4個(gè)。最終獲得Jason-2和浮標(biāo)的有效波高匹配數(shù)據(jù)26060組, 其中在渤黃海、東海和南海分別為11976組、8678組和5406組。

圖1 誤差參數(shù)和匹配數(shù)據(jù)量隨匹配距離的變化Fig.1 Error parameters and data sizes vary with the matching distances

此外, 本文用于驗(yàn)證 Jason-2有效波高產(chǎn)品準(zhǔn)確性的評(píng)估參數(shù)包括: 假設(shè)Jason-2產(chǎn)品為XJason-2, 浮標(biāo)觀測(cè)為 Xbuoy, Jason-2的測(cè)量偏差 x=XJason-2–Xbuoy, 則平均偏差, 平均絕對(duì)誤差A(yù)E=, 平 均 相 對(duì) 誤 差 RE=均方根誤差 RMSE=標(biāo)準(zhǔn)差STD=

2.2 不同海區(qū)的評(píng)估

基于上述匹配數(shù)據(jù), 計(jì)算 Jason-2有效波高產(chǎn)品在各個(gè)浮標(biāo)位置上的評(píng)估參數(shù)。為了能夠清晰查看各項(xiàng)評(píng)估參數(shù)的空間分布特性, 圖2中展示了各個(gè)浮標(biāo)位置上的四項(xiàng)評(píng)估參數(shù)及數(shù)據(jù)量。由于渤海的浮標(biāo)布放非常密集, 將其放大后在左側(cè)子圖中進(jìn)行展示。

從圖2可以看出, RMSE普遍不超過(guò)0.7m, 但是在東海浮標(biāo)位置上的 RMSE相對(duì)較大, 特別是臺(tái)灣海峽北端。在渤黃海的RMSE則相對(duì)較小, 南海次之,都在0.3m至0.5m之間。從相對(duì)誤差RE的空間分布上來(lái)看, 渤黃海和臺(tái)灣海峽北端浮標(biāo)的 RE普遍在30%左右, 相對(duì)較大。相關(guān)系數(shù) R方面, 渤黃海浮標(biāo)的相關(guān)系數(shù)R在0.4至0.7左右, 明顯小于南海和東海。綜合來(lái)看, 南海相比于渤黃海和東海, 其RMSE、相對(duì)誤差RE和絕對(duì)誤差A(yù)E均相對(duì)較小, 相關(guān)系數(shù)R較大, 這說(shuō)明Jason-2有效波高產(chǎn)品在南海比較準(zhǔn)確。

圖2 中國(guó)海域各個(gè)浮標(biāo)位置上的Jason-2評(píng)估參數(shù)和數(shù)據(jù)量NFig.2 Parameters for validation of Jason-2 products and the data size N on each buoy position in Chinese marine territories R為相關(guān)系數(shù)

Jason-2在渤黃海浮標(biāo)位置上的RMSE相對(duì)較小,并不能說(shuō)明在渤黃海的準(zhǔn)確性好, 因?yàn)槠湎鄬?duì)誤差RE和相關(guān)系數(shù)R都表現(xiàn)不佳。RMSE較小可能是由于該海域的匹配數(shù)據(jù)集中在較小的有效波高范圍內(nèi)。為此, 本文在圖3中展示了三個(gè)海區(qū)和整個(gè)中國(guó)海的Jason-2、浮標(biāo)有效波高匹配數(shù)據(jù)對(duì)比。從圖3中可以發(fā)現(xiàn), 渤黃海的浮標(biāo)觀測(cè)最大有效波高僅為 3.5m,且大部分都集中2.5m以下。這與渤黃海特殊的地理和海洋環(huán)境有關(guān): 水深較淺, 沒(méi)有強(qiáng)盛的大風(fēng)過(guò)程影響, 大浪一般是由冷空氣和溫帶氣旋引起, 這導(dǎo)致該海域的極值浪高普遍不大, 而且全年出現(xiàn)大浪過(guò)程的次數(shù)相比東海和南海較少。

浮標(biāo)觀測(cè)有效波高在4m以上的數(shù)據(jù)量較少, 且主要集中在東海和南海, 有效波高大于6m的數(shù)據(jù)僅有在南海的13組。東海和南海每年都會(huì)受到強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過(guò)程的影響, 因此浮標(biāo)能夠捕捉到較大的浪高。但是,由于浮標(biāo)數(shù)據(jù)需要與 Jason-2數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配, 所以有效波高4m以上的匹配數(shù)據(jù)量較少。

上述對(duì)Jason-2有效波高產(chǎn)品在三個(gè)海區(qū)的準(zhǔn)確性給出了常規(guī)定性分析, 下面將通過(guò)評(píng)估參數(shù)值的大小進(jìn)行定量分析。表2中列出了三個(gè)海區(qū)和整個(gè)中國(guó)海的5個(gè)評(píng)估參數(shù)和匹配數(shù)據(jù)量的值, 矩形的長(zhǎng)度代表數(shù)值的大小, 更易于比較。

圖3 Jason-2有效波高產(chǎn)品和浮標(biāo)有效波高(Hs)的對(duì)比Fig.3 The significant wave height (Hs) comparison between buoy data and Jason-2 product散點(diǎn)的顏色代表數(shù)據(jù)量

從偏差 Bias上來(lái)看, 三個(gè)海區(qū)均為正值, 說(shuō)明Jason-2的有效波高產(chǎn)品偏大。東海的偏差最大, 渤黃海次之, 南海接近于0, 這說(shuō)明Jason-2有效波高在東海的偏大程度最高, 在南海則基本上無(wú)偏。從圖3中Jason-2與東海浮標(biāo)的對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)看, Jason-2與浮標(biāo)差別較大的數(shù)據(jù)主要分布在有效波高大于 4m的情況。而且, 由于浪高較大, 此區(qū)域的偏差值對(duì)整體偏差的影響也較為明顯。

從絕對(duì)誤差A(yù)E和RMSE上來(lái)看, 東海比渤黃海和南海都要大, 初步猜測(cè)也是由于有效波高4m以上的數(shù)據(jù)所引起。為了進(jìn)一步分析三個(gè)海區(qū)的準(zhǔn)確性差異, 我們參考相對(duì)誤差RE和相關(guān)系數(shù)R?？梢园l(fā)現(xiàn),東海的相對(duì)誤差和相關(guān)系數(shù)均要優(yōu)于渤黃海。這說(shuō)明東海由于有效波高 4m以上的大值點(diǎn)較多, 導(dǎo)致Jason-2與浮標(biāo)之間的絕對(duì)型誤差參數(shù)AE、RMSE、Bias較大, 但是由于相對(duì)誤差和相關(guān)系數(shù)的值均較優(yōu),其準(zhǔn)確性要高于渤黃海。

三個(gè)海區(qū)中, 南海的5項(xiàng)評(píng)估參數(shù)均為最優(yōu), 充分說(shuō)明Jason-2有效波高在南海的準(zhǔn)確性最高。只是南海的數(shù)據(jù)量相比于渤黃海要少得多, 且4m以上有效波高的數(shù)量也少于東海。

表2 中國(guó)海區(qū)的評(píng)估參數(shù)和數(shù)據(jù)量Tab.2 Validation parameters and data sizes in marine areas of China

綜上, 在整個(gè)中國(guó)海域, Jason-2有效波高產(chǎn)品與浮標(biāo)觀測(cè)的綜合評(píng)估情況如下: 平均偏差 Bias為正值0.091m, 絕對(duì)偏差A(yù)E為0.358m, RMSE為0.445m,相對(duì)誤差RE為25.21%, 相關(guān)系數(shù)R為0.826。參考表 1中 Jason-2評(píng)估研究的誤差參數(shù)值, RMSE在0.28m至1.131m之間, Bias在–0.0569m至0.1413m之間, R在 0.9161至 0.97之間。因此, 本文研究認(rèn)為Jason-2有效波高產(chǎn)品在中國(guó)海域的準(zhǔn)確性較好, 具有良好的代表性; 在南海的準(zhǔn)確性最好, 在渤黃海的準(zhǔn)確性相對(duì)較差。

2.3 不同海況下的評(píng)估

上述3.2節(jié)對(duì)Jason-2有效波高產(chǎn)品在三個(gè)海區(qū)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了評(píng)估, 但是由于各個(gè)海區(qū)的有效波高最大值存在明顯差異, 導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果存在一定的局限性。為了評(píng)價(jià)Jason-2有效波高產(chǎn)品在各種海況下的準(zhǔn)確性, 本文在圖4中展示了三個(gè)評(píng)估參數(shù)隨有效波高的變化情況, 并區(qū)分了各個(gè)浪級(jí)。輕浪: 0m＜Hs＜1.3m, 中浪: 1.3m≤Hs＜2.5m, 大浪: 2.5m≤Hs＜4m,巨浪: 4m≤Hs＜6m, 狂浪: 6m≤Hs＜9m。其中, 觀測(cè)有效波高最大為6.2m。

從圖4中可以看出, RMSE隨著有效波高增大而增加, 在Hs＞5m時(shí)開(kāi)始迅速增大, 說(shuō)明 Jason-2與浮標(biāo)之間的偏差程度隨波高而不斷增大。偏差 Bias的絕對(duì)值在Hs≤5m時(shí)均小于 0.2m, 十分接近于 0, 證明Jason-2與浮標(biāo)觀測(cè)有效波高之間是基本無(wú)偏的。而在Hs＞5m 時(shí) Bias的數(shù)值開(kāi)始增大, 當(dāng)Hs＞6m 時(shí)Bias已經(jīng)超過(guò)1.0m且為正值, 說(shuō)明在Hs＞6m的情況下 Jason-2有效波高產(chǎn)品明顯偏大。這與 Abdalla等(2010)研究的結(jié)論類(lèi)似, 他們將 Jason-2有效波高產(chǎn)品與浮標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比后, 認(rèn)為Jason-2在Hs＞6m時(shí)明顯偏大。相對(duì)誤差RE在2m≤Hs≤5m時(shí)普遍低于25%,而在Hs=1m和6m時(shí)均大于30%。

因此, 綜合來(lái)看, 在 2m≤Hs≤5m 的情況下,RMSE、偏差 Bias和相對(duì)誤差 RE均較小, 說(shuō)明Jason-2有效波高產(chǎn)品在此范圍內(nèi)準(zhǔn)確性最好。在Hs=1m時(shí), 相對(duì)誤差RE略偏大, RMSE和Bias較小,Jason-2的準(zhǔn)確度一般。在Hs＞5m, 特別是Hs≥6m時(shí),RMSE和Bias都較大, Jason-2的準(zhǔn)確度略差。

此外, 表 3展示了從輕浪到狂浪級(jí)別下的偏差Bias、平均絕對(duì)誤差A(yù)E、RMSE、相對(duì)誤差RE、相關(guān)系數(shù)R以及該浪級(jí)下的數(shù)據(jù)量N。與上述結(jié)論基本類(lèi)似。

表3 不同浪級(jí)下的評(píng)估參數(shù)和數(shù)據(jù)量Tab.3 Validation parameters and data amount under different wave states

在輕浪條件下, RMSE、Bias和絕對(duì)誤差A(yù)E雖然較小, 但是相對(duì)誤差RE卻比其余浪級(jí)明顯偏大。在中浪和大浪條件下, 各項(xiàng)誤差統(tǒng)計(jì)參數(shù)均較小,RMSE在0.4m至0.6m之間, 相對(duì)誤差RE在16%至23%之間, 相關(guān)系數(shù)大于 0.68, 數(shù)據(jù)量超過(guò) 2000組,評(píng)估參數(shù)整體表現(xiàn)都較優(yōu)。巨浪下的各項(xiàng)評(píng)估參數(shù)比中浪和大浪略差, 相關(guān)系數(shù)僅為 0.553, 數(shù)據(jù)量也僅有125組?？窭讼碌母黜?xiàng)評(píng)估參數(shù)表現(xiàn)最差, 特別是相關(guān)系數(shù), 但是由于數(shù)據(jù)量?jī)H為 13組, 統(tǒng)計(jì)學(xué)上的代表意義不足。因此, 我們認(rèn)為 Jason-2有效波高產(chǎn)品在中浪和大浪下的準(zhǔn)確性最好, 在輕浪和巨浪下表現(xiàn)略差。

3 討論

3.1 渤黃海準(zhǔn)確性較差的原因分析

對(duì)Jason-2有效波高產(chǎn)品在三個(gè)分海區(qū)的評(píng)估分析, 認(rèn)為其在渤黃海的準(zhǔn)確性較差, 究其原因, 我們認(rèn)為主要有以下4個(gè)方面:

(1) 浮標(biāo)觀測(cè)有效波高的數(shù)據(jù)精度

渤黃海浮標(biāo)數(shù)據(jù)格式 70%以上為 FUB報(bào)文, 其有效波高的精度僅為0.5m, 這會(huì)導(dǎo)致與Jason-2有效波高的相關(guān)性變差。

(2) 浮標(biāo)多數(shù)靠近近岸

渤黃海的浮標(biāo)距離岸線普遍較近, 而衛(wèi)星高度計(jì)的信號(hào)越靠近陸地, 越容易受到各種雜波信號(hào)的干擾。雖然我們對(duì) Jason-2數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制, 剔除了陸地上和異常的軌道點(diǎn), 但是仍然不能完全排除陸地對(duì)衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)的影響。

(3) 水深較淺

渤黃海的水深較淺, 特別是渤海水深僅有十幾米,這導(dǎo)致波浪破碎、白冠、浪-流相互作用等非線性動(dòng)力效應(yīng)較強(qiáng)。這可能會(huì)導(dǎo)致海面反射回衛(wèi)星高度計(jì)的回波信號(hào)發(fā)生異常, 從而影響有效波高產(chǎn)品的準(zhǔn)確度。

(4) 有效波高以輕浪為主

Jason-2有效波高在不同海況下的評(píng)估分析表明其在輕浪條件下準(zhǔn)確性稍差。而渤黃海浮標(biāo)的觀測(cè)有效波高 50%以上都為輕浪, 這也會(huì)導(dǎo)致其整體的準(zhǔn)確性變差。

3.2 離岸距離對(duì)Jason-2準(zhǔn)確性的影響

為了研究遠(yuǎn)離陸地的距離和水深對(duì)Jason-2有效波高產(chǎn)品準(zhǔn)確性的影響, 我們利用與 Jason-2匹配的浮標(biāo)所在的離岸距離和水深, 分析 Jason-2的準(zhǔn)確性隨離岸距離和水深的變化情況。考慮到各個(gè)浮標(biāo)的有效波高分布范圍差異較大, 采用絕對(duì)型的評(píng)估參數(shù)RMSE、Bias和AE等可能會(huì)對(duì)分析結(jié)果帶來(lái)錯(cuò)誤的判斷, 因此選擇了相對(duì)型的評(píng)估參數(shù): 相關(guān)系數(shù)和相對(duì)誤差。評(píng)估參數(shù)隨離岸距離的變化情況見(jiàn)圖5。

圖5 Jason-2評(píng)估參數(shù)隨離岸距離的變化Fig.5 The validation parameters of Jason-2 vary with distances away from land圖中黑色曲線為最小二乘法擬合曲線Black line is the curve of least-square fitting.

從圖5中可以看出, 相關(guān)系數(shù)R隨著離岸距離而逐漸增大, 在最遠(yuǎn)的離岸距離279km位置上, 相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.94, 而在離岸距離低于100km時(shí), 相關(guān)系數(shù)可以低至0.66。相對(duì)誤差隨著離岸距離的增大而逐漸減小, 在最遠(yuǎn)的離岸距離位置上, 相對(duì)誤差為17.8%, 在離岸距離低于 100km時(shí), 相對(duì)誤差可以高達(dá)51.5%。因此, 我們認(rèn)為Jason-2有效波高產(chǎn)品的準(zhǔn)確性隨著離岸距離增加會(huì)顯著提高。而且, 從衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)高的原理上來(lái)說(shuō), 陸地對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的污染效應(yīng)是十分明顯的, 遠(yuǎn)離陸地的海域衛(wèi)星高度計(jì)信號(hào)的可信度會(huì)更高。

Jason-2評(píng)估參數(shù)隨水深的變化曲線與圖 5大致類(lèi)似, 但是數(shù)據(jù)點(diǎn)較為分散, 規(guī)律性不強(qiáng), 準(zhǔn)確性隨水深增加的特征不是很明顯, 因此本文沒(méi)有進(jìn)行展示和詳細(xì)分析。

此外, 在對(duì) Jason-2的評(píng)估分析中, 匹配數(shù)據(jù)中巨浪和狂浪條件下的數(shù)據(jù)量分別為 125組和 13組,且有效波高的分布無(wú)法覆蓋狂浪的全部范圍, 考慮到樣本數(shù)太少帶來(lái)的偶然誤差影響, 在一定程度上會(huì)降低巨浪和狂浪條件下的分析結(jié)果可靠性。

4 結(jié)論

基于上述分析, 總結(jié)得到 Jason-2有效波高產(chǎn)品在中國(guó)海域的準(zhǔn)確性評(píng)估結(jié)論如下:

(1) Jason-2有效波高產(chǎn)品在中國(guó)海域具有較好的準(zhǔn)確性。偏差Bias=0.091m, 絕對(duì)誤差A(yù)E=0.358m, 均方根誤差 RMSE=0.445m, 相對(duì)誤差 RE=25.21%, 相關(guān)系數(shù)R=0.826。

(2) Jason-2有效波高產(chǎn)品在南海的準(zhǔn)確性最好,而在渤黃海的準(zhǔn)確性較差, 主要原因可能是數(shù)據(jù)精度較低、靠近近岸和水深較淺等。

(3) 在不同海況下, Jason-2有效波高產(chǎn)品在 2m≤Hs≤5m 的情況下準(zhǔn)確性較好, 在Hs＞5m時(shí)準(zhǔn)確性略差。

(4) Jason-2有效波高產(chǎn)品的準(zhǔn)確性隨著離岸距離的增加會(huì)顯著提高。

此外需要注意, 所有的匹配數(shù)據(jù)組中, 有效波高觀測(cè)值絕大多數(shù)都在4m以下, 雖然符合近海的一般海況條件, 但是缺乏高海況下的對(duì)比數(shù)據(jù)。因此, 本文的評(píng)估分析結(jié)果有一定的適用局限性。

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