次重力波对宽刈幅高度计海表面高度观测的影响

次重力波(Infragravity Wave,IGW)是一种频率较低(0.05～0.005 Hz),波长较长(约10 km)的表面重力波。由IGW引起的海表面高度变化会被宽刈幅干涉高度计SWOT(Surface Water and Ocean Topography,SWOT)卫星观测到,因此在使用SWOT观测的海表面高度来反演中尺度、次中尺度大洋环流时,IGW是一种重要的误差来源。根据数值模型模拟的全球IGW时空分布特征,本文以IGW最为活跃的东北太平洋和欧洲西北陆架附近大西洋为研究海域,估算了上述海域由IGW所引起的海表面高度变化,并将计算结果与SWOT Simulator模拟的轨道噪声(±5 cm)比较,首次定量地估算了IGW在SWOT观测海表面高度时的干扰程度。研究表明,IGW所引起的厘米量级的海表面高度变化在SWOT卫星观测海表面流场时是一种重要的,不可忽略的误差来源。在大西洋欧洲西北陆架海域,冬季IGW对海表面高度的贡献可达到SWOT卫星噪声要求水平的25%;然而,对于大陆架狭窄的美国西岸太平洋而言,由岸线产生的IGW将迅速传入深海海域,在广阔的范围内产生显著的"噪声"影响,在SWOT反演海表面流场时由IGW引起的误差将达到SWOT卫星噪声要求水平的15%。

一种基于SWOT宽刈幅模拟数据的沿轨垂线偏差求解方法

2022年12月16日成功发射的SWOT卫星是新一代宽刈幅测高任务,预期可以提供全球海域及内陆水面的二维条带高度信息,有望解决传统一维观测值解算垂线偏差方向分量精度不一的问题。本文利用SWOT模拟数据联立多个方向求解沿轨垂线偏差,并根据模拟数据特点提出两种提升解算精度方案:一是选取联立观测值时适当增大距离,二是根据SWOT条带数据质量分别赋权。与EGM2008模型检核表明,SWOT模拟数据求得的垂线偏差南北向检核标准差为0.4168角秒,东西向模型检核标准差为0.4729角秒,解算质量优于其他方案,证明了改进方案的可行性,并利用“天宫二”号宽刈幅数据进行了方法验证,表明可应用于SWOT真实数据求解垂线偏差。

利用最优插值法改正宽刈幅高度计对流层湿延迟

宽刈幅高度计仅在星下点携带微波辐射计,使得两侧刈幅内的对流层湿延迟只能采用水汽模型改正或采用星下点实测值替代,导致改正精度较低。提出了使用最优插值法融合星下点辐射计实测的对流层湿延迟改正值,提升两侧刈幅内的改正精度,并以SWOT(surface water and ocean topography)卫星宽刈幅高度计进行了验证。在刈幅内,采用ERA5(ECMWF reanalysis 5th generation)水汽数据计算湿延迟改正时,最优插值法融合改进后的残余湿延迟误差较采用星下点实测值替代方法减小约40%;采用辐射计实测湿延迟波数谱模拟计算湿延迟改正时,最优插值法融合改进后的残余湿延迟误差较采用星下点实测值替代方法在各纬度区域均减小达80%。在水汽变化剧烈的情况下,最优插值法的改进效果远优于星下点实测值替代的效果。

美国新一代测高卫星SWOT——评述我国宽刈幅干涉卫星的发展借鉴

SWOT(Surface Water and Ocean Topography)测高卫星已经被美国国家研究委员会推荐为"未来10年NASA承担的地球科学和应用的国家重点计划",它通过获取的高精度、高空间分辨率的海洋表面高(Sea Surface Heights,SSH)和陆地水高(Terrestrial Water Heights,TWH),监测海洋变化和陆地水文变化。SWOT卫星将使测高卫星由传统的一维、沿轨的剖面测高过渡到二维的宽刈幅干涉测高。与传统测高卫星脉冲有限式的测量方式相比,SWOT通过合成孔径雷达干涉测量使空间分辨率提高了一个数量级,一旦成功,它将在海洋和陆地、甚至军事方面都将具有广泛的应用前景,并为宽刈幅测高卫星设立众多技术标准,对我国宽刈幅卫星的发展具有重要的借鉴。

基于模拟数据评估SWOT卫星KaRIn数据的测量误差对反演海洋重力场的影响

地表水和海洋地形(Surface Water and Ocean Topography, SWOT)卫星搭载了Ka波段雷达干涉(Ka-band Radar Interferometer, KaRIn)测高计,其宽刈幅测高数据有望提升现有海洋重力场模型的精度和空间分辨率. 为评估KaRIn测高计的各类测量误差对反演海洋重力场的影响,本文基于模拟的KaRIn数据,使用逆Vening Meinesz公式反演了海洋重力异常. 单周期模拟数据的反演结果表明:相位误差和KaRIn噪声对重力异常的影响最大;利用数值差分计算KaRIn数据跨轨方向的垂线偏差无法消除相位误差、滚动误差和基线扩张误差,这导致垂线偏差的东西分量和反演的重力异常在空间上呈现明显的卫星地面轨迹特征;改正相位误差、滚动误差和基线扩张误差后,反演的重力异常不存在明显的卫星地面轨迹特征,主要误差源仅为KaRIn噪声. SWOT卫星执行精确重复轨道任务,其重复观测可以削弱测量误差对海洋重力场反演的影响,在反演中随着周期数的增加,相位误差和KaRIn噪声对重力异常的影响逐渐降低. 在不改正相位误差、滚动误差和基线扩张误差且不滤波削弱KaRIn噪声的情况下,本文利用3年53个周期的模拟数据反演了重力异常,结果显示本文讨论的各类测量误差对重力异常反演的综合影响仅为0.17 mGal.

RADARSAT-2卫星TOPS模式影像干涉处理

宽幅干涉(terrain observation by progressive scans,TOPS)模式方位向多普勒中心频率的变化导致了干涉图相位的相对扭曲,干涉处理时需要较高的配准精度。加拿大合成孔径雷达遥感卫星(RADARSAT-2)TOPS模式影像由于轨道精度较差,几何配准精度过低,导致其干涉配准较哨兵合成孔径雷达遥感(Sentinel-1)卫星更加复杂。为了实现该卫星TOPS模式影像的干涉处理,首先采用相关配准、谱分集方法依次对几何配准结果进行校正,然后利用增强谱分集进行方位向偏移量矫正。由于依靠卫星星历参数和聚焦成像参数的多普勒中心估计方法精度有限,因此提出了采用相位增量法优化多普勒中心估计结果,并通过影像方位线功率谱检验了估计的多普勒中心。

一种利用哨兵1号数据提取南极接地线方法

针对因IW工作模式数据在南极地区覆盖不全面导致对南极接地线的全面提取造成影响的问题,提出利用双差干涉测量提取接地线的基本原理,分别利用工作模式为IW和EW的Sentinel-1雷达卫星数据,对东南极毛德皇后地沿岸冰川接地线进行提取,将提取结果分别与MEa-SUREs接地线产品进行对比,同时再将这两种模式下的提取结果进行对比分析。结果表明,双差干涉测量可以去除冰流相位的影响,使用EW工作模式的Sentinel-1数据进行南极接地线提取可以忽略其地面分辨率较低这一缺陷,同时,这一模式的Sentinel-1数据在幅宽、南极覆盖范围等方面更具优势。因此,综合利用IW和EW工作模式的Sentinel-1数据,对南极接地线的全面、高效、长期动态监测具有重要意义。