GEO卫星机会源近岸海面高度测量性能评估

基于同步地球轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星的机会源技术已被证明其在近岸海面高度测量中的应用潜力,但目前研究主要围绕可行性论证展开,极少开展全方位的测量性能评估.为此,从仿真和试验两个角度评估了信号带宽、非相干累加次数、信噪比及波形峰值跟踪算法对GEO卫星机会源海面测高性能的影响.评估结果表明当非相干累加次数和信噪比大于最优非相干累加次数和最优信噪比时,测高性能将不再显著提升.因此,通过选择最优非相干累加次数,以及设计合理的接收天线增益、射频增益及接收机带宽使信噪比大于最优信噪比对GEO卫星机会源海面测高至关重要.通过对比插值和拟合两种波形跟踪算法发现拟合法能提供比插值法更高的测量精度.利用北斗B3I信号和ASTRA 19.2 E卫星信号开展GEO卫星海面测高的试验评估.试验结果表明:在非相干累加次数大于10000、信噪比大于7 dB时,北斗B3I信号和ASTRA 19.2 E卫星信号可分别提供精度约为0.20 m和0.10 m的海面高度.针对GEO卫星多频或多通道传输特点,提出了基于信号频谱合成提高海面测高精度的方法.当利用中卫1号卫星10个通道信号进行合成时,插值法和拟合法的仿真测距精度分别为3.50 cm和0.69 cm.

基于卫星海面高度资料的太平洋海区涡旋能谱分析

在空间均匀和各向同性的假定下,地转湍流理论认为涡旋动能随尺度分布遵循k–n定律(k为波数)。但实际海洋受边界、地形、层结等,具有明显的非均匀、各向异性特征。鉴于此,我们基于近30a卫星高度计资料,分别计算了热带、副热带、中高纬度等海洋涡旋强度不同区域的海面高度异常(SSHA)波数谱,进而利用线性回归拟合方法估算出中尺度波段上SSHA波数谱的斜率,并与地转湍流理论预测进行了对比。研究结果显示:SSHA波数谱从赤道到中高纬度逐渐变陡,其斜率由–4减到–5,基本符合赤道线性波动理论和准地转湍流理论的预测。SSHA波数谱斜率存在纬向与经向差异,例如在赤道地区,纬向谱比相应的经向谱陡;而在南极绕极流区域,经向谱斜率大于纬向谱斜率。SSHA波数谱斜率的各向异性表明海洋中尺度运动受β效应影响,具有明显的经向和纬向差异。以上结果表明,海洋中尺度运动介于准二维和三维之间,不能用一个全球普适的湍流理论模型来描述。

北斗卫星反射信号岸基海面高度反演精度的评估

北斗B3I信号作为新一代民用码,相较于北斗B1I信号,具有码速率更高、码片宽度更窄等特点。目前,利用北斗卫星导航系统反射测量(BDS-R)技术对北斗B3I信号进行海面高度反演的研究较少。基于此,在2020年9月7日山东威海附近海域,接收B1I/B3I双频段的直射和反射信号数据,分别采用时延-多普勒(DDM)和载波相位延迟进行岸基海面高度反演。通过实测的同比数据验证反演精度,在信号特性和测高方法2个维度评估北斗B1I和B3I信号海面高度反演的性能。结果显示:采用DDM测高方法,B1I频段和B3I频段的反演结果与实测数据的平均绝对误差和均方根误差分别为1.18 m、1.48 m和0.84 m、1.10 m;采用载波相位延迟测高方法,B1I频段和B3I频段的反演结果与实测数据的平均绝对误差和均方根误差分别为0.12 m、0.15 m和0.10 m、0.12 m。由于信号特性差异,B3I频段的DDM测高结果相较于B1I频段的测高结果精度提高了28%;B3I频段的载波相位延迟测高结果精度略优于B1I频段,两者差异不明显。实验对北斗B1I和B3I信号特性和测高方法导致的反演精度差异的评估,证明了B1I和B3I反射信号均能适用于海面高度反演的需求。

Android智能手机海面高度测量及其遥感应用

开展了Android智能手机的海面高度测量研究,并通过与测绘接收机测量结果和同比验潮站数据对比初步评估其性能。为了降低测量设备非探测区域反射的卫星导航信号对海面高度测量的影响,提出了经验模态分解提纯海面反射信号干涉振荡特征的方法,并利用仿真和试验数据验证了其有效性.利用小米6智能手机和华测北斗N72测绘接收机采集的18天GNSS数据,开展了海面高度测量研究和评估.结果表明:海面高度测量结果和验潮站同比数据在风速小于15 m/s时具有良好的一致性,智能手机和测绘接收机测量的海面高度的同比均方根误差均为0.31 m;智能手机用于测量海面高度的卫星信号的高度角下、上限高于30°的占比分别为30.8%和45.3%,以至于高高度角的信噪比时序可被用于测量海面高度;在18天的试验时间内,共计采集1 120个海面高度测量值,平均62个/天,相比于CORS站,在相同的观测周期内具有更多的测量样本。最后对智能手机的遥感应用进行了讨论,以期推进遥感的大众化进程.

利用GNSS反射信号监测海面高度变化——基于法国BRST站2019~2021年数据

GNSS反射测量(GNSS-R)技术凭借其数据来源广泛、低成本、高时空分辨率等优势,在地表与海洋环境监测等方面展现巨大潜力,已成为海面高度(SSH)反演的重要技术途径。现有研究大多聚焦于3~6个月内的短期GPS潮位反演,难以反映海面高度的季节性变化及年际特征,且在动态海面改正时仅考虑了垂向速度的影响,忽视了海面波动的垂向加速度,导致低潮位与高潮位的反演精度较差。基于此,以法国某一岸基跟踪站——BRST站为例,利用其连续3年的BDS/GPS/GLONASS/Galileo四系统反射信号,通过Lomb-Scargle谱分析和二阶动态潮位改正模型,采取稳健回归策略反演海面高度,并将最终结果与验潮站观测值进行对比,分析潮位变化趋势。结果表明:GNSS-R技术反演结果与验潮站观测值具有较好的一致性,反演精度有逐年提升的趋势,均方根误差(RMSE)为7.57 cm,相关系数为0.935;海面高度的季节性变化特征明显,秋、冬季平均海面高度偏高,夏季平均海面高度偏低,且海面高度的季节性变化与温度的季节性变化存在着相反的趋势;M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1、M4等9个分潮的振幅差为0.06~6.76 cm,其平均绝对误差(MAE)为1.60 cm,迟角差为0.03°~6.96°,其平均绝对误差为2.45°,在频域上进一步验证了GNSS-R技术监测海面高度变化的可靠性。

卫星跟踪浮标和卫星遥感海面高度中的南海涡旋结构

选择 4个南海卫星跟踪Argos漂流浮标及同期的TOPEX/Poseidon卫星遥感海面高度资料 ,研究了南海海域涡旋的活动及空间结构。这 4个Argos漂流浮标的轨迹除了基本符合各季节海盆尺度环流趋势外 ,分别在菲律宾以西、越南外海、南海中部等海域呈现出中尺度旋转轨迹。这些中尺度涡旋现象在同期的TOPEX卫星遥感海面高度异常 (SSHA)分布中得到了准确的印证 ,并在诊断得到的地转流场中对应了一系列瞬变的中尺度涡旋活动。

南海TOPEX海面高度资料的混合同化试验

应用普林斯顿海洋模式(POM)，对冬季南海由TOPEX/Poseidon得到的卫星遥感海面高度资料进行混合(blending)同化试验。混合同化的权重系数由以下两者决定：南海POM模式对冬季风强迫产生响应的海面高度场之标准方差；对应期间TOPEX海面高度资料的标准方差。同化结果表明，混合同化方法不失为一种简单而又有效的同化方案。同化得到的南海环流结构与未同化的模式响应场比较可以发现：海面高度资料的同化试验能够有效地修正南海环流的若干大尺度特征，特别是对冬季黑潮入侵南海东北部的动力过程，同化结果有了更准确的描述。同时，另一个重要的修正表现在：同化试验中瞬变的中等尺度涡旋得到加强，体现了南海海洋天气尺度涡被资料同化所“唤醒”(trigger)。这种“唤醒”不仅明显地反映在表层环流场中，对南海次表层动力、热盐结构也有一定的影响。

南海北部海面高度季节变化的机制

利用POM模式对南海环流进行了数值模拟和数值试验 ,结果表明 :南海北部SSH的变化主要应归于南海局地的动力、热力强迫和黑潮的影响 ;黑潮对南海北部SSH平均态的影响要大于对SSH异常场的影响 ;对于南海北部深水区冬季局地风应力与浮力通量的作用相反量级相同 ,黑潮对南海北部SSH的控制作用在冬季显得最重要 ,约占 50 %～ 80 % ;春季 ,夏季和秋季 ,局地风应力、浮力通量和黑潮三者都使深水区SSH上升 ,局地风应力使深水海盆SSH上升的作用约占 4 0 %～ 6 0 % ,浮力通量的作用约占 2 0 % ,黑潮的影响约占 2 0 %～ 30 % .在夏季 ,尽管南海北部深水海盆SSH达到全年最高 ,但黑潮对南海北部深水海盆SSH的贡献最小 .在广东沿岸陆架海域 ,SSH季节变化的机制与深水海盆SSH季节变化的机制不同 :春、夏季 ,局地风应力使SSH上升的作用几乎与浮力通量使SSH下降的作用相当 ;秋、冬季 ,东北季风使SSH上升的作用大于浮力通量和黑潮使SSH下降的作用 ,陆架区SSH为正 。

用TOPEX/Poseidon资料研究南海潮汐和海面高度季节变化

采用引入差比关系法对南海TOPEX/Poseidon卫星高度计资料进行了潮汐分析;根据所得潮汐调和常数对卫星高度计测得的海面高度进行潮汐订正,进而得到南海各季节的海面高度距平。结果表明,南海冬、夏季季风强盛期海面高度距平位相相反,南海中部夏季为正距平,且有2个正距平中心;冬季为负距平,且有2个负距平中心。春、秋季是不同的季风过渡期,海面高度距平分布也明显不同:南海中部春季为正距平,且只有1个正距平中心;秋季为负距平,且只有1个负距平中心。研究表明,长周期分潮Sa和Ssa的叠加值可以很好地逼近南海海面高度距平。根据平均海面和海面高度距平得到了合成的海面高度和地转流场,发现南海表层地转流总体上是气旋式的;秋、冬季表层环流的西向强化十分明显,春、夏季较弱;冬季黑潮通过吕宋海峡进入南海北部,夏季基本上没有进入南海。

基于TOPEX/Poseidon资料的南海海面高度场的时空特征分析

采用经验正交函数(EOF)分解方法,对 TOPEX/Poseidon卫星高度计在南海获得的1992年10月到1999年9月约7a的海面高度观测资料进行分析,从而获得南海海面高度距平场典型的空间分布型态及其对应的时间变化特征。结果表明,南海海面高度距平场在空间上主要表现为两种典型的分布结构:(1)由于冬、夏季风反转造成海盆尺度的涡旋结构,这种分布结构对南海海面高度距平场的方差贡献达27.46％;(2)NE-SW即吕宋-越南反相双涡结构,其方差贡献达20.37％。这两个模态都明显反映了季风的反转以及季风结构所造成的影响。同时,对各空间典型场所对应的时间系数序列进行了傅立叶谱分析,结果表明南海海面高度距平场存在多种时间尺度的变化。

热带太平洋和印度洋海面高度季节循环和年际变化的数值模拟

利用卫星海面高度计资料 ,分析了赤道太平洋和印度洋海面高度变化的季节和年际变化特征 ,并与一个耦合气候系统模式FGCM0模拟的海面高度进行比较 ,评估模式模拟海面高度季节和年际变化的能力。结果表明 ,尽管耦合模式存在一定的系统误差 ,但仍然能在相当程度上模拟出海面高度季节和年际变化的基本特征。同时为检验模式中印度尼西亚贯穿流 (ITF)对海面高度季节和年际变化的影响 ,还进行了印度尼西亚海道完全关闭的敏感性试验 ,与控制试验结果对比表明 。

用TOPEX/POSEIDON高度计数据研究南极绕极流流域海面高度的低频变化

采用TOPEX/POSEIDON(T/P)卫星高度计 1 993年 1月— 2 0 0 0年 1 2月海面高度数据 ,研究包含了整个南极绕极流流系 (40°— 6 0°S)的海面高度低频变化。首先采用EOF分解方法获取南大洋时空分布的主要模态 ,前 3个EOF模态分别占总方差的 2 4 .8%、1 3 .8%和 1 0 .7%。然后采用EMD方法分别分析了各个EOF模态的时间系数曲线的组成成分 ,对南极绕极流海域的各种时间尺度变化给出了清晰的描述 ,对于不同尺度变化所占的比例得到了定量的结果。研究结果表明 ,EOF的各个模态不仅在形态上存在差异 ,而且具有相互独立的物理背景。EOF的第一模态主要体现了以太阳辐射冬夏差异形成的年周期变化 ,另一个显著的特征就是南极绕极流从 1 993— 2 0 0 0年海面的整体上升趋势。EOF的第二模态体现了陆地地形对南极绕极流的约束作用 ,同时也显示了ENSO过程对南极绕极流 ,特别是对南太平洋的海面高度变化的影响。EOF的第三模态则体现了南极绕极流对南大洋表面风场东西方向不均匀变化的响应。同时 。

卫星遥感海面高度数据在渔场分析中的应用综述

通过对卫星测高数据进行分析,结合国内外有关海面高度数据在海洋渔场分析方面应用的文献,着重分析了海面高度数据与常规海洋外界环境因子之间的关系,概括了海面高度数据对海洋渔场资源变化的影响,并综述了西方渔业发达国家利用测高数据采用直接和间接方法在海洋渔场环境分析及渔情预报方面的研究应用与进展,最后指出我国海面高度数据在渔场分析方面的应用现状以及存在的问题,并基于国外情况,对我国今后使用卫星测高数据在渔场方面的应用研究提出了几点建议。

南海海面高度季节变化的数值模拟

比较POM模式模拟与观测 (TOPEX/Poseidon高度计资料 )的南海海面高度(SSH)的季节变化在空间分布上的一致性和差异 .结果表明 :本文使用的POM模式能较好地模拟南海SSH的季节变化 ;冬季与夏季 ,春季与秋季南海海面异常场形式完全相反 ,冬季Ekman输运造成在西海岸的堆积要比夏季在东海岸堆积更明显 ,而吕宋冷涡中心附近和吕宋海峡海面季节变化振幅最大 ;除春季以外 ,在南海绝大部分海域 ,海面高度的季节变化主要受风力的控制 ,南海海面热量通量对SSH的季节变化贡献约为 2 0 % ,风应力对SSH的季节变化的贡献约为 80 % .

南海海面高度异常与厄尔尼诺和大气环流的关系

利用经验正交函数分解和相关分析等方法分析研究了南海和赤道太平洋的海面高度异常、海面温度异常和风异常之间的相关关系。得出南海海面高度异常EOF第一模态为ENSO模态,方差贡献达到44.7%。在厄尔尼诺(El Nio)期间,整个南海海面下降,SSHA呈现不同的分布状态,本文讨论了爆发与下半年的El Nio期间南海SSHA呈现的典型分布状态。El Nio的先兆阶段南海中部为SSHA低值区,鼎盛阶段南部SSHA增大形成南高北低的分布状态,恢复阶段SSHA分布与El Nio过后是否发生La Nia密切相关。南海海面高度异常与大气环流存在明显的相关关系。El Nio期间,Hadley环流的加强使得南海东部和赤道西太平洋水交换加强,水温的降低和海水的流失使南海海面下降,Walker环流结构和强度的变化则进一步促进了南海SSH的下降。El Nio期间,南海海面高度会较常年偏低。

印度洋西北海域鸢乌贼渔场分布与海面高度的关系

根据2004年9月至2005年1月我国鱿钓船在印度洋西北海域进行鸢乌贼(Symlectoteuthis oualani-ensis)调查的数据,并结合海面高度,利用Marine explorer 4.0软件对渔获量分布及其与海面高度图进行了叠加分析。结果表明,高渔获量的中心渔场大多分布在海面高度HSS≤0的附近海域,在HSS≥0的附近海域有一定的渔获量。研究认为,中心渔场分布在冷暖涡的交汇处,但是渔场的中心偏向于HSS≤0的冷水涡一侧。

热带太平洋海面高度年代际变化的研究

采用SODA海面高度(SSH)数据研究热带太平洋海域的年代际变化。结果表明,热带太平洋海面高度场存在与太平洋年代际涛动(PDO)时间过程基本一致的年代际变化,但是SSH异常的空间分布与SST异常的是不同的。热带海域年代际变化的典型空间分布:海面高度异常在热带海域存在东西方向的反向变化,在西太平洋只有1个变化中心,而在东太平洋形成2个对称于赤道的变化中心。热带太平洋海面高度的年代际变化有2个基本周期:13 a左右的周期和30 a以上时间尺度的气候转型周期。其中13 a周期的年代际变化与ENSO年际过程无关,是热带太平洋年代际变化的重要组成部分。由于数据时间长度的限制,气候转型的时间尺度还不明确,也不清楚其是否有明显的周期性。比较热带东西太平洋年代际变化的特征,可以发现以气候转型期的年代际信号在东西太平洋几乎是同时发生的,而13 a左右周期的年代际信号在赤道附近却存在自西向东方向的传播。

南海东北海域海面高度的多尺度变异

利用8a的TOPEX/Poseidon高度计资料,采用小波分析方法,研究南海东北部海域海面高度的多尺度变异.研究得出,南海东北部海域的海面高度变化主要受3个不同时间尺度因素的影响,其中最强的是季节变化(Va)的影响,其周期范围为0 60～1 20a,它主要与海面高度的年循环相联系;其次是周期在0 17～0 45a(即2～5个月)的变化(V25)的影响,它主要与中尺度时间周期引起的海面高度变化相联系.较小的一个因素是周期在1 50～5 00a的年际变化(Vi)的影响,它主要与ElNi o事件引起的海面高度变化相联系.分析表明对8a平均而言,海面高度变化所引起的能量偏差V25的高值区主要分布在吕宋海峡以西海域,在1995,1996和1999年出现最大值;偏差Va的高值区分布在吕宋岛西北海域,在1995年出现最大值;年际偏差Vi的高值区位于台湾的西南海域,在1997～1998年ElNi o事件期间达到最大.

东亚季风在东中国海海面高度变化中的作用

应用长时间序列的CORA、COADS、CORE和SODA等高分辨率的海洋和大气再分析资料及区域海洋模式(ROMS),重点研究了中国东海及其邻近海域(简称东中国海)海面高度对1976/1977年前后东亚季风年代际跃变(减弱)的响应.结果表明,1976/1977年前后东亚季风跃变后,东中国海的海洋环流对此有明显的响应,并引起海面高度的明显变化.其中,夏季,中国黄海出现2个反气旋距平环流,东海包括济洲岛附近海域出现3个气旋性距平环流,并通过黄海暖流分支的增强,南黄海和东海沿岸及离岸流的减弱,使水体倾向于向黄海和长江口沿岸输运,这容易使得黄海和长江口沿岸海面高度上升;冬季,中国黄海南部和长江口北侧分别出现反气旋距平环流,东海东北部及济州岛附近海域出现1个气旋性距平环流,进而通过黄海沿岸流的减弱和台湾暖流的增强使水体主要向黄海、渤海输运,从而有利于相应海域海面高度偏高.由此可见,东亚季风的变异可引起东中国海海洋环流系统的异常,进而在东中国海海面高度的变化中起着重要的作用.

2006年西南大西洋鱿钓渔场与表温和海面高度距平值的关系

根据2006年1-6月中国鱿钓船在西南大西洋的生产统计和表面水温（SST）、海面高度距平值（SSHA）的资料，利用海洋地理信息系统软件Marine explorer 4．0绘制了各月产量、日产量与SST和SSHA的关系图，推测出各月渔场的最适SST和SSHA值，并经K-S检验。结果表明：1—3月中心渔场主要分布在45°S、60°W附近海域，各月最适SST分别为11～12℃、12～13℃、12～13℃；4-6月中心渔场主要分布在42°S、58°W附近海域，各月最适SST分别为11～13℃、9～11℃、8～9℃。中心渔场主要分布在SSHA=0附近海域。中心渔场分布与SST和SSHA关系极为密切，可作为渔情分析指标。