Jason-2有效波高產(chǎn)品在中國海域的準確性評估*

王娟娟 高志一 王久珂 李本霞 宋金寶

(1. 國家海洋環(huán)境預報中心 北京 100081; 2. 浙江大學海洋學院 杭州 310058)

20世紀70年代以來, 遙感觀測技術和數(shù)據(jù)反演算法不斷發(fā)展進步。在衛(wèi)星高度計方面, 自 1985年美國海軍的 Geosat衛(wèi)星(Geodetic satellite)成功發(fā)射,已經(jīng)有多個衛(wèi)星高度計任務順利實施, 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)星高度計對全球海面高度的測量精度已經(jīng)達到了厘米級(Ablain et al, 2010;Desai et al, 2010;Ray et al, 2012)。除了海面高度以外,衛(wèi)星高度計還可以獲取海面的風速、有效波高和潮位等信息。與傳統(tǒng)的海洋站、浮標和船舶觀測相比, 衛(wèi)星高度計觀測克服了時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。

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

關于Jason-2衛(wèi)星高度計產(chǎn)品的有效性和準確性,已經(jīng)有大量研究通過與浮標觀測數(shù)據(jù)(例如: 美國數(shù)據(jù)浮標中心的 NDBC浮標數(shù)據(jù))的對比分析得以證明。Abdalla等(2010)利用與浮標觀測匹配的 24908組數(shù)據(jù), 對 Jason-2的風速和有效波高產(chǎn)品進行評估驗證, 其有效波高的覆蓋范圍達 11m, 評估得到平均偏差 Bias=0.0290m, 標準偏差 STD=0.4119m。此外,他們還認為在Hs(有效波高)＞6m時, Jason-2有效波高產(chǎn)品存在偏大現(xiàn)象。Queffeulou等(2011)利用與浮標匹配的3919組數(shù)據(jù)對Jason-2有效波高產(chǎn)品進行驗證,得到Bias= –0.0569m, STD=0.2169m。葉小敏等(2014)利用NDBC浮標數(shù)據(jù)對2011年的Jason-2海面風速和有效波高產(chǎn)品進行了檢驗, 匹配數(shù)據(jù) 1635組, 評估得到相關系數(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個月的 NDBC浮標和 Jason-2有效波高產(chǎn)品, 得到RMSE=0.292m, Bias=0.016m。此外, Shanas等(2014)使用印度海域四個浮標的觀測數(shù)據(jù), 評價 Jason-1、Jason-2、Envisat和ERS-2四個衛(wèi)星高度計的有效波高產(chǎn)品, 分析認為它們都高估了有效波高, 且在Hs＜0.5m 的情況下相關性極差, 其中 Jason-2產(chǎn)品與浮標觀測的相關性最好。

Jason-2有效波高產(chǎn)品在中國海域的評估驗證相對較少。Chen等(2013)用南?，F(xiàn)場觀測和 NDBC浮標的數(shù)據(jù), 評估 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)使用韓國氣象局的海洋氣象浮標數(shù)據(jù), 驗證Topex/Poseidon, Jason-1, Envisat和 Jason-2的有效波高產(chǎn)品, 浮標觀測有效波高的上限為4m, 其位于中國黃海的浮標(34.78°N, 125.77°E)觀測與 Jason-2有效波高產(chǎn)品的相關性很差, 對比組114個, RMSE=1.1310m。而另一位于中國黃海的浮標(36.25°N, 125.75°E), 相 對 遠 離 大 陸 和 島 嶼 , 與Jason-2匹配的對比組為 88個, 評估得到 RMS=0.3304m, Bias=0.1413m,R=0.9161, 準確性較好。

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

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

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

為了進一步了解Jason-2有效波高產(chǎn)品在中國海域的準確性, 我們認為可以參考TOPEX和Jason-1衛(wèi)星在中國海域的評估結果。Jason-2是 TOPEX和Jason-1的后續(xù)衛(wèi)星, 它們在多數(shù)方面基本一致(Quartly, 2010), 關于它們在中國海域的準確性評估也有一些研究。Ebuchi等(1994)利用 JMA(Japan Meteorological Agency)在中國東海(浮標位置:28°10′N, 126°20′E。)的浮標數(shù)據(jù), 比較了 TOPEX 的有效波高產(chǎn)品, 評估參數(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個浮標的觀測數(shù)據(jù)(觀測有效波高低于 3m), 評估分析了Jason-1的有效波高產(chǎn)品, 評估得到的RMSE小于0.35m, 相關系數(shù)大于0.95, 并認為Jason-1的有效波高產(chǎn)品整體偏大, 且與浮標波高的差異隨著波高的增大而逐漸增加。

TOPEX在東海的評估 RMSE在 0.5m左右,Jason-2在南海的評估 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、長時間和多海況覆蓋的海浪觀測, 導致在中國海域缺乏Jason-2有效波高產(chǎn)品的綜合評估, 這使得很多研究在中國海域使用Jason-2有效波高產(chǎn)品時, 無法詳細了解其準確程度和適用范圍。

作者對國家海洋局在中國海域布放的28個水文氣象浮標的歷史數(shù)據(jù)進行了多渠道的收集和整理,完成了繁瑣的解碼和質量控制工作, 獲得了從 2002年至2014年之間的中國海域水文氣象觀測數(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觀測數(shù)據(jù), 對渤黃海、東海和南海三個分海區(qū),以及對不同海況下的Jason-2有效波高產(chǎn)品準確性進行評估。本文的結果可以為Jason-2有效波高產(chǎn)品在中國不同海域和多種海況下的應用研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)

1.1 Jason-2衛(wèi)星高度計有效波高產(chǎn)品

作為OSTM(Ocean Surface Topography Mission)任務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、三頻微波輻射計和高精度定位系統(tǒng)。海面測高精度為 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)過完全校正的 GDR (Geographical Data Record)數(shù)據(jù), 其軌道精度高, 并且進行了波形重定等校正, 數(shù)據(jù)準確度較高。Jason-2有效波高產(chǎn)品有 Ku波段和 C波段觀測兩種, 由于 2011年OSTM/Jason-2產(chǎn)品說明書中認為 Ku波段觀測優(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, 還需要對其進行篩選和質量控制, 例如: 剔除陸地、冰面、降雨條件下以及數(shù)據(jù)可信度標志為假的數(shù)據(jù)。本文采用 2011年 OSTM/Jason-2產(chǎn)品說明書中推薦的判據(jù)進行質量控制。

1.2 國家海洋局水文氣象浮標

為了滿足業(yè)務化海洋預報和海洋災害預警的需要, 國家海洋局在渤黃海、東海和南?？傆嫴挤帕?8個常年運行的浮標, 用于觀測海面上的氣象和水文要素。最早的浮標觀測數(shù)據(jù)始于 2002年, 但完整性較差。從 2008年以后, 所有浮標的觀測數(shù)據(jù)才趨于完整和連續(xù)。

浮標觀測的數(shù)據(jù)格式有 FUB報文和可擴展標記語言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報文按照國際統(tǒng)一的報文編碼規(guī)范, 有效波高的數(shù)據(jù)精度為0.5m, 風速精度1m/s, 有效波周期精度 1s, 浮標位置精度 0.1°, 風向精度 10°,氣溫和水溫精度0.1°C。觀測要素包括: 風速、風向、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報文。其有效波高的精度為 0.1m, 風速精度 0.1m/s, 有效波周期精度0.1s, 浮標位置精度 0.01′, 風向精度 1°, 氣溫精度0.1°C, 水溫精度0.01°C。觀測要素除FUB格式包含的所有要素外, 還包括: 相對濕度、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。

為了保證浮標業(yè)務化運行, 國家海洋局會定期進行維修和養(yǎng)護, 可能會拖動或移動浮標, 此外, 還由于風吹和海流的動力拖曳作用, 浮標位置從長期來看有小幅變化。

2 評估分析

2.1 數(shù)據(jù)匹配

Jason-2有效波高產(chǎn)品和浮標數(shù)據(jù)的匹配方法為:浮標在t時刻的位置經(jīng)緯度(x, y), 篩選Jason-2產(chǎn)品中同時滿足下列兩個條件的數(shù)據(jù): (a)落在以浮標位置(x, y)為圓心, 以匹配距離ds為半徑的圓形范圍內, (b)與 t時刻的絕對時間差不超過dt(小時)。根據(jù)上述的距離和時間窗口, 匹配出對應浮標t時刻的所有衛(wèi)星數(shù)據(jù)點, 并對存在多個衛(wèi)星數(shù)據(jù)點的情況下剔除超過3倍標準差的異常點。

Jason-2衛(wèi)星沿著固定軌道運行, 并有一定的重復周期。而浮標位置長期來看是略有變化的, 其觀測頻率一般為1小時1次。在實際的對比分析中不可能得到與浮標觀測隨時同步且位置絕對重合的 Jason-2數(shù)據(jù)。所以, 時間和距離窗口的選擇不可避免成為兩者差異的原因之一。在以往類似的評估研究中, 一般采用距離50km和時間30min的窗口。

相比于 Jason-2數(shù)據(jù), 本文使用的浮標數(shù)據(jù)在時間上較為連續(xù), 觀測間隔為 1小時, 因此采用 30min作為時間匹配窗口比較合適。在距離窗口的選取方面,本文對不同匹配距離下的誤差和數(shù)據(jù)量情況進行了綜合比較, 見圖 1, 據(jù)此來分析不同匹配距離對評估結果的影響, 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, 四個誤差統(tǒng)計參數(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, RMSE增大非常明顯, 而且大誤差區(qū)域內的數(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2008年至2014年期間的浮標數(shù)據(jù)和 Jason-2產(chǎn)品進行匹配。由于Jason-2的軌道位置固定, 而浮標位置的變化不大,得到20個可用的浮標, 包括: 渤黃海10個、東海6個、南海4個。最終獲得Jason-2和浮標的有效波高匹配數(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, 本文用于驗證 Jason-2有效波高產(chǎn)品準確性的評估參數(shù)包括: 假設Jason-2產(chǎn)品為XJason-2, 浮標觀測為 Xbuoy, Jason-2的測量偏差 x=XJason-2–Xbuoy, 則平均偏差, 平均絕對誤差AE=, 平 均 相 對 誤 差 RE=均方根誤差 RMSE=標準差STD=

2.2 不同海區(qū)的評估

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

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

圖2 中國海域各個浮標位置上的Jason-2評估參數(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為相關系數(shù)

Jason-2在渤黃海浮標位置上的RMSE相對較小,并不能說明在渤黃海的準確性好, 因為其相對誤差RE和相關系數(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。為此, 本文在圖3中展示了三個海區(qū)和整個中國海的Jason-2、浮標有效波高匹配數(shù)據(jù)對比。從圖3中可以發(fā)現(xiàn), 渤黃海的浮標觀測最大有效波高僅為 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: 水深較淺, 沒有強盛的大風過程影響, 大浪一般是由冷空氣和溫帶氣旋引起, 這導致該海域的極值浪高普遍不大, 而且全年出現(xiàn)大浪過程的次數(shù)相比東海和南海較少。

浮標觀測有效波高在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受到強臺風過程的影響, 因此浮標能夠捕捉到較大的浪高。但是,由于浮標數(shù)據(jù)需要與 Jason-2數(shù)據(jù)進行匹配, 所以有效波高4m以上的匹配數(shù)據(jù)量較少。

上述對Jason-2有效波高產(chǎn)品在三個海區(qū)的準確性給出了常規(guī)定性分析, 下面將通過評估參數(shù)值的大小進行定量分析。表2中列出了三個海區(qū)和整個中國海的5個評估參數(shù)和匹配數(shù)據(jù)量的值, 矩形的長度代表數(shù)值的大小, 更易于比較。

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

從偏差 Bias上來看, 三個海區(qū)均為正值, 說明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, 在南海則基本上無偏。從圖3中Jason-2與東海浮標的對比數(shù)據(jù)來看, Jason-2與浮標差別較大的數(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)域的偏差值對整體偏差的影響也較為明顯。

從絕對誤差AE和RMSE上來看, 東海比渤黃海和南海都要大, 初步猜測也是由于有效波高4m以上的數(shù)據(jù)所引起。為了進一步分析三個海區(qū)的準確性差異, 我們參考相對誤差RE和相關系數(shù)R?？梢园l(fā)現(xiàn),東海的相對誤差和相關系數(shù)均要優(yōu)于渤黃海。這說明東海由于有效波高 4m以上的大值點較多, 導致Jason-2與浮標之間的絕對型誤差參數(shù)AE、RMSE、Bias較大, 但是由于相對誤差和相關系數(shù)的值均較優(yōu),其準確性要高于渤黃海。

三個海區(qū)中, 南海的5項評估參數(shù)均為最優(yōu), 充分說明Jason-2有效波高在南海的準確性最高。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 中國海區(qū)的評估參數(shù)和數(shù)據(jù)量Tab.2 Validation parameters and data sizes in marine areas of China

綜上, 在整個中國海域, Jason-2有效波高產(chǎn)品與浮標觀測的綜合評估情況如下: 平均偏差 Bias為正值0.091m, 絕對偏差AE為0.358m, RMSE為0.445m,相對誤差RE為25.21%, 相關系數(shù)R為0.826。參考表 1中 Jason-2評估研究的誤差參數(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, 本文研究認為Jason-2有效波高產(chǎn)品在中國海域的準確性較好, 具有良好的代表性; 在南海的準確性最好, 在渤黃海的準確性相對較差。

2.3 不同海況下的評估

上述3.2節(jié)對Jason-2有效波高產(chǎn)品在三個海區(qū)的準確性進行了評估, 但是由于各個海區(qū)的有效波高最大值存在明顯差異, 導致評估結果存在一定的局限性。為了評價Jason-2有效波高產(chǎn)品在各種海況下的準確性, 本文在圖4中展示了三個評估參數(shù)隨有效波高的變化情況, 并區(qū)分了各個浪級。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時開始迅速增大, 說明 Jason-2與浮標之間的偏差程度隨波高而不斷增大。偏差 Bias的絕對值在Hs≤5m時均小于 0.2m, 十分接近于 0, 證明Jason-2與浮標觀測有效波高之間是基本無偏的。而在Hs＞5m 時 Bias的數(shù)值開始增大, 當Hs＞6m 時Bias已經(jīng)超過1.0m且為正值, 說明在Hs＞6m的情況下 Jason-2有效波高產(chǎn)品明顯偏大。這與 Abdalla等(2010)研究的結論類似, 他們將 Jason-2有效波高產(chǎn)品與浮標數(shù)據(jù)對比后, 認為Jason-2在Hs＞6m時明顯偏大。相對誤差RE在2m≤Hs≤5m時普遍低于25%,而在Hs=1m和6m時均大于30%。

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

此外, 表 3展示了從輕浪到狂浪級別下的偏差Bias、平均絕對誤差AE、RMSE、相對誤差RE、相關系數(shù)R以及該浪級下的數(shù)據(jù)量N。與上述結論基本類似。

表3 不同浪級下的評估參數(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和絕對誤差AE雖然較小, 但是相對誤差RE卻比其余浪級明顯偏大。在中浪和大浪條件下, 各項誤差統(tǒng)計參數(shù)均較小,RMSE在0.4m至0.6m之間, 相對誤差RE在16%至23%之間, 相關系數(shù)大于 0.68, 數(shù)據(jù)量超過 2000組,評估參數(shù)整體表現(xiàn)都較優(yōu)。巨浪下的各項評估參數(shù)比中浪和大浪略差, 相關系數(shù)僅為 0.553, 數(shù)據(jù)量也僅有125組?？窭讼碌母黜椩u估參數(shù)表現(xiàn)最差, 特別是相關系數(shù), 但是由于數(shù)據(jù)量僅為 13組, 統(tǒng)計學上的代表意義不足。因此, 我們認為 Jason-2有效波高產(chǎn)品在中浪和大浪下的準確性最好, 在輕浪和巨浪下表現(xiàn)略差。

3 討論

3.1 渤黃海準確性較差的原因分析

對Jason-2有效波高產(chǎn)品在三個分海區(qū)的評估分析, 認為其在渤黃海的準確性較差, 究其原因, 我們認為主要有以下4個方面:

(1) 浮標觀測有效波高的數(shù)據(jù)精度

渤黃海浮標數(shù)據(jù)格式 70%以上為 FUB報文, 其有效波高的精度僅為0.5m, 這會導致與Jason-2有效波高的相關性變差。

(2) 浮標多數(shù)靠近近岸

渤黃海的浮標距離岸線普遍較近, 而衛(wèi)星高度計的信號越靠近陸地, 越容易受到各種雜波信號的干擾。雖然我們對 Jason-2數(shù)據(jù)進行了質量控制, 剔除了陸地上和異常的軌道點, 但是仍然不能完全排除陸地對衛(wèi)星高度計數(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,這導致波浪破碎、白冠、浪-流相互作用等非線性動力效應較強。這可能會導致海面反射回衛(wèi)星高度計的回波信號發(fā)生異常, 從而影響有效波高產(chǎn)品的準確度。

(4) 有效波高以輕浪為主

Jason-2有效波高在不同海況下的評估分析表明其在輕浪條件下準確性稍差。而渤黃海浮標的觀測有效波高 50%以上都為輕浪, 這也會導致其整體的準確性變差。

3.2 離岸距離對Jason-2準確性的影響

為了研究遠離陸地的距離和水深對Jason-2有效波高產(chǎn)品準確性的影響, 我們利用與 Jason-2匹配的浮標所在的離岸距離和水深, 分析 Jason-2的準確性隨離岸距離和水深的變化情況?？紤]到各個浮標的有效波高分布范圍差異較大, 采用絕對型的評估參數(shù)RMSE、Bias和AE等可能會對分析結果帶來錯誤的判斷, 因此選擇了相對型的評估參數(shù): 相關系數(shù)和相對誤差。評估參數(shù)隨離岸距離的變化情況見圖5。

圖5 Jason-2評估參數(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, 相關系數(shù)R隨著離岸距離而逐漸增大, 在最遠的離岸距離279km位置上, 相關系數(shù)達到了0.94, 而在離岸距離低于100km時, 相關系數(shù)可以低至0.66。相對誤差隨著離岸距離的增大而逐漸減小, 在最遠的離岸距離位置上, 相對誤差為17.8%, 在離岸距離低于 100km時, 相對誤差可以高達51.5%。因此, 我們認為Jason-2有效波高產(chǎn)品的準確性隨著離岸距離增加會顯著提高。而且, 從衛(wèi)星高度計測高的原理上來說, 陸地對衛(wèi)星信號的污染效應是十分明顯的, 遠離陸地的海域衛(wèi)星高度計信號的可信度會更高。

Jason-2評估參數(shù)隨水深的變化曲線與圖 5大致類似, 但是數(shù)據(jù)點較為分散, 規(guī)律性不強, 準確性隨水深增加的特征不是很明顯, 因此本文沒有進行展示和詳細分析。

此外, 在對 Jason-2的評估分析中, 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法覆蓋狂浪的全部范圍, 考慮到樣本數(shù)太少帶來的偶然誤差影響, 在一定程度上會降低巨浪和狂浪條件下的分析結果可靠性。

4 結論

基于上述分析, 總結得到 Jason-2有效波高產(chǎn)品在中國海域的準確性評估結論如下:

(1) Jason-2有效波高產(chǎn)品在中國海域具有較好的準確性。偏差Bias=0.091m, 絕對誤差AE=0.358m, 均方根誤差 RMSE=0.445m, 相對誤差 RE=25.21%, 相關系數(shù)R=0.826。

(2) Jason-2有效波高產(chǎn)品在南海的準確性最好,而在渤黃海的準確性較差, 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 的情況下準確性較好, 在Hs＞5m時準確性略差。

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

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比數(shù)據(jù)。因此, 本文的評估分析結果有一定的適用局限性。

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