利用T/P衛(wèi)星高度計(jì)資料調(diào)和分析南海潮汐信息

趙云霞, 魏澤勛, 王新怡

(1. 海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266061; 2. 國家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島 266061)

利用T/P衛(wèi)星高度計(jì)資料調(diào)和分析南海潮汐信息

趙云霞1,2, 魏澤勛1,2, 王新怡1,2

(1. 海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266061; 2. 國家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島 266061)

利用j, v模型調(diào)和分析1992～2002年共10 a的TOPEX/Poseidon(T/P)海面高度距平資料, 提取了南海K1, O1, P1, Q1, M2, S2, N2和K2等8個(gè)主要分潮的潮汐調(diào)和常數(shù)。分析比較了衛(wèi)星上下行軌道的19個(gè)交叉點(diǎn)的振幅和遲角, 其中M2, S2, K1和O1的平均向量均方根偏差分別是1.5, 1.1, 2.5和1.4 cm;將交叉點(diǎn)的調(diào)和常數(shù)與TPXO7.2模式的結(jié)果進(jìn)行了比較, 結(jié)果表明M2, S2, K1和O1分潮振幅的絕對平均誤差均小于3 cm, 遲角的最大絕對平均誤差為7.8°。選取了與衛(wèi)星軌道較近的8個(gè)驗(yàn)潮站, 對驗(yàn)潮站的實(shí)測數(shù)據(jù)調(diào)和常數(shù)和本文所得調(diào)和常數(shù)進(jìn)行了比較, 結(jié)果顯示K1分潮的向量均方根偏差為4.7 cm,M2分潮的向量均方根偏差為3.7 cm。論文結(jié)果表明利用j, v模型調(diào)和分析方法對南海海域衛(wèi)星高度計(jì)資料進(jìn)行潮汐信息提取是可靠的, 并可為局部重力場的研究提供海洋潮汐改正數(shù)據(jù), 有一定的參考價(jià)值。

潮汐; 南海; TOPEX/Poseidon; j, v模型調(diào)和分析

高度計(jì)是測量地球表面相對高度的儀器, 廣泛應(yīng)用于海流、海浪、潮汐、海表面風(fēng)場等海洋現(xiàn)象的研究。衛(wèi)星高度計(jì)測量的海面高度本身需要進(jìn)行潮汐修正, 可從中提取潮汐信號, 并應(yīng)用于潮汐研究。

衛(wèi)星高度計(jì)的發(fā)射, 特別是 1992年 TOPEX/Poseidon(以下簡稱 T/P)衛(wèi)星高度計(jì)的發(fā)射并投入使用, 以及伴隨著潮波數(shù)值模式和數(shù)據(jù)同化方法的發(fā)展, 使得衛(wèi)星高度計(jì)提取的潮汐調(diào)和常數(shù)達(dá)到了高精度。Mazzega 等[1]利用衛(wèi)星高度計(jì)資料結(jié)合驗(yàn)潮站數(shù)據(jù), 反演了亞洲半封閉海的潮波系統(tǒng)(CSR模式)。Morimoto等[2]利用 T/P資料提取了日本海主要分潮的調(diào)和常數(shù), 證明了利用高度計(jì)資料研究日本海潮汐特征是可行性的。李立等[3]對高度計(jì)資料進(jìn)行了潮汐混淆的分析。董曉軍等[4]利用T/P高度計(jì)資料調(diào)和分析得到了黃海、東海的潮汐信息。李燕初等[5]采用正交響應(yīng)法導(dǎo)出福建和臺(tái)灣鄰近海域的潮汐特征。Fang等[6]利用10 a的T/P資料提取了渤、黃、東海的主要分潮的調(diào)和常數(shù), 并結(jié)合驗(yàn)潮站信息, 給出了比之前相關(guān)研究更準(zhǔn)確的渤、黃、東海的主要分潮的同潮圖。

關(guān)于南海潮波系統(tǒng)的研究, 很多學(xué)者做了大量的工作, Yanagi等[7-8]直接從衛(wèi)星高度計(jì)資料中提取中國海主要潮汐分潮的調(diào)和常數(shù); Fang等[9]利用數(shù)值計(jì)算的方法對南海的主要分潮進(jìn)行了數(shù)值模擬研究, 并分析了南海潮波的傳播分布變化規(guī)律; 暴景陽等[10]討論了由衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐分析的混疊問題和分潮的可分辨性, 采用了測高軌跡交叉點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析, 用不同方法驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的精度; 毛慶文等[11]用T/P, T/P-J高度計(jì)資料調(diào)和分析得到了南海的潮汐信息; 李培良等[12]利用正交響應(yīng)法對南海T/P衛(wèi)星資料進(jìn)行了分析, 得到了3個(gè)主要全日分潮(K1, O1, P1)和3個(gè)主要半日分潮(M2, S2, N2)的調(diào)和常數(shù); 吳自庫等[13]利用伴隨同化數(shù)值模擬方法將 T/P資料同化到二維潮汐數(shù)值模式中模擬計(jì)算了南海的m1和M2分潮; Tian等[14]利用T/P資料估算了西北太平洋沿岸的 M2內(nèi)潮能通量; 汪一航[15]利用16 a以上的T/P-J衛(wèi)星高度計(jì)資料獲得了南海主要分潮的調(diào)和常數(shù)。本文基于 10a的衛(wèi)星高度計(jì)的測高沿軌數(shù)據(jù), 利用j,v潮汐模型的最小二乘調(diào)和方法提取南中國海的潮汐信息, 驗(yàn)證了j,v模型調(diào)和分析南海潮波的可靠性。

1 資料來源及處理方法

1.1 衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)的分潮混淆

T/P衛(wèi)星高度計(jì)軌道的重復(fù)周期是9.9156 d, 在此期間衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)127圈, 根據(jù)Nyquist采樣定理, 采樣的時(shí)間間隔大于信號的半周期時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻率混疊效應(yīng), 在頻譜上形成虛假的譜峰, 造成高、低頻分量間的混亂, 即高頻混淆, 表1給出了所研究的8個(gè)主要分潮各自的混淆周期。利用衛(wèi)星高度計(jì)資料進(jìn)行潮汐信息提取的誤差主要來自高度計(jì)取樣過程引入的高頻混淆。由于高頻混淆, 我們難以用常規(guī)的潮汐分析技術(shù)分離高度計(jì)資料中的潮汐分量, 按照Rayleigh準(zhǔn)則, 兩個(gè)頻率的潮汐信號實(shí)現(xiàn)可靠分離所需要的時(shí)間T應(yīng)滿足

其中Ti和Tj為所比較的2個(gè)分潮的周期。由此計(jì)算得出8個(gè)主要分潮基本的分辨時(shí)間, 見表2[3]。

由表2可以看出, 區(qū)分M2和S2分潮, 需要2.97 a的數(shù)據(jù), 區(qū)分K2和P1分潮, 需要約9.18 a的數(shù)據(jù),該時(shí)間是8個(gè)主要分潮中分辨兩個(gè)分潮所需要的最長時(shí)間。因此, 要獲取M2, S2, N2, K2, K1, O1, Q1和P1穩(wěn)定的調(diào)和常數(shù), 至少要9.18 a的采樣時(shí)間。因此, 本文采用法國國家空間中心提供的 1992年至2002年共計(jì)10 a的海面高度的沿軌數(shù)據(jù), 可以對以上主要分潮進(jìn)行調(diào)和分析。本文所研究的區(qū)域范圍為 5°～25°N, 105°～125°E, 該范圍包含了 9 條上行軌道和 10條下行軌道, 研究區(qū)域衛(wèi)星測高軌跡見圖1。

1.2 數(shù)據(jù)的處理方法

在利用衛(wèi)星高度計(jì)資料時(shí)首先要對測得的資料進(jìn)行校正, 高度計(jì)測得的相對于固體地球表面的海面高度為:

其中,HSSH是相對于基準(zhǔn)橢球面的海面高度,HMSSH是平均海平面高度,HSET是固體潮潮高,HLT是負(fù)載潮潮高,HPT是極潮潮高[6]。

表1 主要分潮的周期及在T/P采樣的混淆周期Tab. 1 Tidal periods and TP alias periods

表2 主要分潮基本的分辨時(shí)間Tab. 2 TP alias synodic periods of each pair of constituents

圖1 研究區(qū)域的地形圖及衛(wèi)星海面軌跡Fig. 1 Map of the South China Sea and T/P ground track

2 利用j, v模型進(jìn)行潮汐的調(diào)和分析

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 特別是天體測量技術(shù)的飛速發(fā)展, 天文變量的計(jì)算精度也不斷提高。霍恩在1967年考慮了太陽分潮的對月球軌道影響, 提出了j,v模型[17]。陳宗鏞等[18]經(jīng)過大量試算, 給出了58個(gè)分潮的j, v公式, 并進(jìn)行了二次分析, 消除了噪聲的影響, 促使這一模型理論上更加嚴(yán)格。本文主要針對M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1和Q1這8個(gè)主要分潮, 采用j, v模型進(jìn)行調(diào)和分析。

假設(shè)經(jīng)過各種誤差修正后, 衛(wèi)星高度計(jì)獲得的海面高度為h, 則有,

其中,0S為該點(diǎn)的平均海平面,s為該點(diǎn)海平面的時(shí)間變化部分, 主要成分是海洋潮汐。

采用的j, v模型為如下:

其中,t為每日零時(shí)起算的觀測時(shí)刻,σ為分潮的角速率,H為分潮的振幅,g為格林威治遲角(文中涉及的角度均為格林威治遲角),H和g合稱分潮的調(diào)和常數(shù),j為分潮的交點(diǎn)因子,0( )Vv+ 為分潮的幅角, 在本文中我們主要提取8個(gè)主要分潮, 即m=8, 8個(gè)主要分潮的j,v公式參照陳宗鏞[17], 在此不詳細(xì)列出。

3 結(jié)果分析

3.1 交叉點(diǎn)上下行軌道的調(diào)和常數(shù)的比較

經(jīng)過以上調(diào)和分析, 可以得到衛(wèi)星重復(fù)軌道交叉點(diǎn)的調(diào)和常數(shù), 8個(gè)主要分潮上下行軌道的計(jì)算結(jié)果見表3及表4, 其中,

La,Ld,ga及gd分別為交叉點(diǎn)上下行軌道的平均振幅和平均遲角,Δ表示每個(gè)交叉點(diǎn)的向量均方根偏差,k表示交叉點(diǎn)的個(gè)數(shù),ΔRMS表示該分潮在南海所有交叉點(diǎn)的平均向量均方根偏差,ΔRMS越小表示上下行軌道調(diào)和的結(jié)果相關(guān)性越強(qiáng)。

表3 交叉點(diǎn)上下行軌道全日分潮結(jié)果比較Tab. 3 Difference between harmonics derived from ascending and descending passes at crossover points: diurnal tides

表4 交叉點(diǎn)上下行軌道半日分潮結(jié)果比較Tab. 4 Difference between harmonics derived from ascending and descending passes at crossover points: semidiurnal tides

通過對南海19個(gè)交叉點(diǎn)上下行軌道調(diào)和常數(shù)的計(jì)算結(jié)果的分析比較, 全日潮K1和O1的平均振幅分別為36.6 cm和35.1 cm, 而半日潮M2和S2的平均振幅分別為17.2 cm和6.7 cm, 由此可計(jì)算出

其中,1KH,1OH和2MH分別表示K1, O1和M2的平均振幅, 可以看出南海大部分海區(qū)呈現(xiàn)比較明顯的全日潮特征[16]。在交叉點(diǎn)M2, S2, K1和O1的平均均方根偏差分別為1.53, 1.15, 2.57和1.41 cm, 可以看出上下行軌道在交叉點(diǎn)處的計(jì)算結(jié)果符合良好。

3.2 與TPXO7.2計(jì)算結(jié)果的比較

TPXO7.2模式是美國俄勒岡大學(xué)Egbert等利用T/P衛(wèi)星資料和二維線性潮波模式建立的全球大洋潮汐同化模式, 利用Laplace潮波方程和包含測量資料的泛函的最優(yōu)解, 提取了全球8個(gè)主要分潮和9個(gè)次要分潮的調(diào)和常數(shù)[19-20]。這里利用TPXO7.2結(jié)果對j,v模型計(jì)算的調(diào)和常數(shù)(上下行軌道的平均值)進(jìn)行了驗(yàn)證, 結(jié)果見表5。

這里的ΔH,Δg為TPXO7.2結(jié)果與j,v模型計(jì)算結(jié)果中振幅和遲角的絕對誤差, 可以看出四個(gè)主要分潮的振幅的絕對平均誤差均小于 3 cm, 遲角的最大絕對平均誤差為7.78°, 可見j,v模型計(jì)算結(jié)果與TPXO7.2模式結(jié)果一致性較好。

在南海研究區(qū)域任選兩個(gè)點(diǎn), 比較 TPXO7.2的8個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)和j,v模型計(jì)算結(jié)果, 具體見圖2。

比較結(jié)果表明, 對于隨機(jī)選取的這兩個(gè)點(diǎn)的 8個(gè)分潮調(diào)和常數(shù), 本文結(jié)果與TPXO7.2結(jié)果符合良好。這進(jìn)一步驗(yàn)證了基于高度計(jì)資料利用j,v模型調(diào)和分析南海潮汐信息的可靠性。

3.3 與驗(yàn)潮站實(shí)測資料的比較

由于衛(wèi)星的軌道間隔比較大, 為了進(jìn)一步驗(yàn)證j,v模型的計(jì)算結(jié)果, 我們將調(diào)和分析得到的兩個(gè)主要分潮 K1, M2的調(diào)和常數(shù)與 8個(gè)沿岸驗(yàn)潮站(位置見圖1)資料進(jìn)行了對比。表6給出了j,v模型計(jì)算結(jié)果與沿岸驗(yàn)潮站實(shí)測結(jié)果的對比情況。

從表6可以看出j,v模型計(jì)算結(jié)果與驗(yàn)潮站實(shí)測結(jié)果差別不大, 進(jìn)一步分析可知, K1分潮振幅的絕對平均誤差為2.6 cm, 遲角的絕對平均誤差為7.1°, 其向量均方根誤差為4.71 cm; M2分潮振幅的平均絕對誤差為2.0 cm, 遲角的平均絕對誤差為3.7°, 其向量均方根誤差為 3.76 cm。由于驗(yàn)潮站多在近海區(qū)域,近海區(qū)域地形變化較為復(fù)雜, 衛(wèi)星高度計(jì)調(diào)和分析結(jié)果與計(jì)算結(jié)果存在一定差異。經(jīng)過以上比較, 向量均方根誤差均小于5 cm, 進(jìn)一步驗(yàn)證了j,v模型計(jì)算結(jié)果是可靠的。

表5 TPXO7.2結(jié)果與j, v模型計(jì)算結(jié)果的比較Tab. 5 Comparison between the results of TPXO7.2 and j, v model

圖2 任選的兩個(gè)位置的TPXO7.2結(jié)果與j, v模型計(jì)算結(jié)果的比較Fig. 2 Comparison between the results of TPXO7.2 and j, v model at two random points

表6 j, v模型計(jì)算結(jié)果與沿岸驗(yàn)潮站實(shí)測結(jié)果的比較Tab. 6 Comparison between j, v model results and ground-measured harmonics at the tidal stations

3.4 K1, O1, M2和S2的同潮圖

根據(jù)j,v模型, 利用衛(wèi)星高度計(jì)資料可計(jì)算出南海研究區(qū)域各個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù), 獲取了 T/P衛(wèi)星每個(gè)星下點(diǎn)處 8個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù), 通過插值,給出了南海區(qū)域K1, O1, M2和S2的同潮圖(圖3)。

由圖 3可見, 南海的潮汐以全日潮為主, 四個(gè)主要分潮均由呂宋海峽傳入南海并向西南傳播, 其振幅從呂宋海峽向西南方向增大。四個(gè)分潮在深海區(qū)的傳播速度較快, 等值線稀疏, 它的位相變化比較慢, 粗略估計(jì)它在深海區(qū)的傳播速度約為 800 km/h, 這與水深為4 000 m左右的重力波的傳播速度非常接近。相比而言, 它在北部灣里面的傳播速度要慢得多。

除東北部呂宋海峽及其西南區(qū)域外, 南海大部分區(qū)域K1分潮的振幅都大于30 cm。在北部灣K1分潮的振幅要顯著地大于其他海區(qū), 最大振幅接近80 cm, 湄公河入海口處的K1分潮的振幅也達(dá)到了70 cm。O1相對 K1分潮較小一些, 在南海大部分區(qū)域振幅都也在30 cm左右, 北部灣里面O1分潮的最大振幅達(dá)到90 cm, 湄公河入海口處的O1分潮的振幅有40 cm。相對于全日潮, 南海大部分海區(qū)的半日潮影響較小,但其傳播較為復(fù)雜, 振幅變化也不顯著, 大小約為15 cm, 臺(tái)灣海峽和湄公河的入?？诟浇?M2分潮的振幅要顯著地大于其他海區(qū), 最大振幅超過90 cm。北部灣里面M2分潮的振幅在20 cm左右, 同樣可以看出, S2分潮在南海的振幅較小, 大部分海區(qū)小于10 cm, 只在臺(tái)灣海峽和湄公河的入海口處比較大,大于30 cm。

與現(xiàn)有的海洋水文圖集[21]中南海潮汐的同潮圖比較可見: 南海中部海區(qū)分潮的振幅、遲角符合較好;由衛(wèi)星測高得出的潮汐同潮圖中, 北部灣南部順化附近退化的 K1分潮無潮點(diǎn)沒有很好地顯示出來, 臺(tái)灣海峽附近潮波系統(tǒng)復(fù)雜, 衛(wèi)星測高得出的M2分潮的振幅略小, 從這兩處可以看出, 應(yīng)用衛(wèi)星高度計(jì)資料處理近海潮汐問題還有待進(jìn)一步深入和研究。在外海深水區(qū), 常規(guī)觀測點(diǎn)較少, 且連續(xù)觀測時(shí)間短, 而衛(wèi)星觀測點(diǎn)多, 且精度較高; 近岸常規(guī)觀測點(diǎn)較多, 且精度較高, 而衛(wèi)星觀測點(diǎn)較疏, 測高誤差也較大。由此可見, 若將兩種資料結(jié)合起來將可獲得高精度潮汐分布特征。

4 結(jié)論

利用高度計(jì)資料研究海洋時(shí), 由于T/ P衛(wèi)星采樣的時(shí)間間隔大而造成了潮汐的高頻混淆, 混淆的頻率同分潮的本身頻率和衛(wèi)星采樣間隔有關(guān), 本文采用了衛(wèi)星高度計(jì) 10 a的測高數(shù)據(jù), 有效減小了分潮的高頻混淆。利用j,v模型調(diào)和分析方法提取了南海 8個(gè)主要分潮潮汐調(diào)和常數(shù)。交叉點(diǎn)處上下行軌道的 8個(gè)主要分潮的向量均方根偏差均小于 3 cm;與TPXO7.2模式結(jié)果比較, 交叉點(diǎn)處K1, O1, M2和S2的振幅絕對平均誤差均不超過 3 cm, 遲角的絕對平均誤差均不超過 8°; 與選取的 8個(gè)驗(yàn)潮站實(shí)測結(jié)果比較, 其向量均方根偏差不超過 5 cm。通過以上的比較, 均驗(yàn)證了利用j,v模型調(diào)和方法在南海進(jìn)行衛(wèi)星高度計(jì)資料潮汐信息提取的可靠性。給出的4個(gè)主要分潮同潮圖對南海潮波系統(tǒng)的研究提供了較可靠的資料依據(jù), 并可為局部重力場的研究提供海洋潮汐改正數(shù)據(jù), 有一定的參考價(jià)值。

圖3 主要分潮的同潮圖Fig. 3 Cotidal chart for four principal constituents

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The South China Sea tides analysis based on TOPEX/Poseidon altimetry

ZHAO Yun-xia1,2, WEI Ze-xun1,2, Wang Xin-yi1,2
(1. Key Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling, State Oceanic Administration, Qingdao 266061,China; 2. The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China)

May,4,2011

tides; the South China Sea; TOPEX/Poseidon; j, v model

Harmonic analysis of 10 years (1992~2002) of TOPEX/Poseidon (T/P) along-track altimetry is performed to derive the semidiurnal (M2, S2, N2and K2), diurnal (K1, O1, P1and Q1) tides in the South China Sea. The T/P solutions are evaluated through intercomparison for 19 crossover points, comparison with the results of TPXO7.2 and the ground truth, showing that the vector root mean square errors at crossover points of M2, S2, K1and O1are 1.53, 1.15, 2.57 and 1.41cm, respectively and the absolute mean error with TPXO7.2 is less than 3 cm in amplitudes and 7° in phase lags for principal constituents (M2, S2, K1and O1), and the RMS errors from comparing with the ground truth are less than 5 cm. All above show that the accuracy of j, v model harmonic analysis of T/P altimeter data in the South China Sea is reliable.

P731.2

A

1000-3096(2012)05-0010-08

2011-05-04;

2012-03-05

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)重點(diǎn)課題(2008AA09A401-05)

趙云霞(1987-), 女, 黑龍江牡丹江人, 碩士研究生, 主要從事物理海洋研究, 電話: 15092201516, E-mail: zhaoyx@fio.org.cn;魏澤勛, 通信作者, 男, 研究員, 主要從事海洋環(huán)流、數(shù)值模擬和資料同化的研究, E-mail: weizx@fio.org.cn

(本文編輯：劉珊珊)