HY-2A卫星雷达高度计数据的全球统计评价及质量分析

彭海龙，林明森，穆博，周武

(1.中国海洋大学 信息科学与工程学院，山东 青岛 266100;2.国家卫星海洋应用中心，北京 100081)

HY-2A卫星雷达高度计数据的全球统计评价及质量分析

彭海龙1，2，林明森2，穆博2，周武2

(1.中国海洋大学 信息科学与工程学院，山东 青岛 266100;2.国家卫星海洋应用中心，北京 100081)

自HY-2A卫星发射以来，针对HY-2A卫星雷达高度计产品的交叉定标、真实性检验及质量评估工作一直在持续开展。本文主要以HY-2A卫星高度计第44周期的IGDR产品数据为例，通过使用全球分布图、二维直方图和每日均值统计的方法完成了与Jason-2 IGDR产品的比对验证，同时对主要环境校正参数及地球物理产品的数据质量稳定性进行了分析，结果显示高度计产品数据质量较稳定，此外利用HY-2A卫星升降轨交叉点海面高度差、与Jason-2卫星交叉点海面高度差以及沿轨海平面异常数据分析的方法进行了HY-2A卫星高度计观测系统的性能评估，结果显示，HY-2A卫星海面高度精度约为7.48 cm，精度接近Jason-2，能满足海洋应用与科学研究的需要。

海洋二号卫星;HY-2A；高度计;全球统计;海平面异常

1 引言

HY-2A卫星于2011年8月16日在太原卫星发射中心成功发射并于9月28日进入其最终轨道，它是我国首颗海洋动力环境探测卫星，搭载了雷达高度计、微波散射计、扫描微波辐射计及校正辐射计4种微波遥感器，卫星轨道为太阳同步轨道，倾角99.34°，降交点地方时为6：00 am，卫星在寿命前期采用重复周期为14 d的回归冻结轨道，高度971 km，周期104.46 min，雷达高度计作为其主载荷之一，主要用于获取海面高度、有效波高和海面风速3种主要的地球物理参数。目前HY-2A卫星高度计分发的产品主要为IGDR产品，产品以14 d周期为单位发布，每个周期有386个轨迹文件。每个周期数据的产品质量及数据精度是不相同的，法国CNES网站针对Jason-2，Jason-1、ENVISAT等均提供了每周期的数据产品质量报告[1]，为用户进行长时间序列的数据应用评价提供了参考，而国内有关HY-2A高度计数据质量分析公开发表文章很少。本文主要参考国外卫星的数据质量评估方法，以HY-2A卫星高度计第44周期IGDR产品1 Hz数据为分析对象，通过与同时间Jason-2 IGDR数据互比，分析了有效波高、后向散射系数、电离层延迟、湿对流层延迟等参数数据质量，最后通过HY-2A卫星升降轨交叉点海面高度差及与Jason-2卫星交叉点海面高度差评估了HY-2A卫星的数据质量及精度。

2 数据源情况

HY-2A卫星高度计数据使用了第44周期14 d观测数据，时间范围为2013年5月25日01：56：32至2013年6月8日01：56：37，作为比对的同时间范围Jason-2高度计IGDR数据周期含177周期至178周期，对应的时间范围为2013年5月25日01：53：20至2013年6月8日02：14：25。图1为HY-2A卫星高度计第44周期数据地面轨迹覆盖情况，图中沿轨迹方向一段空白线为数据丢失区域。HY-2A卫星观测范围为82°S～82°N，而Jason-2观测范围为南北纬66°，考虑到高纬度地区海况及海冰等因素影响，进行直方图比较及每日统计平均比较分析研究中Jason-2和HY-2A卫星数据仅有海洋上且空间范围位于南北纬50°间的测量数据值被保留，这里使用了产品中可得到的表面类型信息(surface_type)，降雨标识及海冰标识在数据选择中没有使用，南北纬50°范围内的海冰影响在这里认为可以忽略，全球分布图则使用卫星实际观测范围内数据。

图1 HY-2A与Jason-2卫星高度计数据轨迹覆盖情况Fig.1 HY-2A and Jason-2 satellite altimeter data track coveragea.HY-2A卫星高度计第44周期轨迹覆盖情况，b.对应时间周期的Jason-2轨迹覆盖情况a.HY-2A satellite altimeter tracks covering for cycle 44，b.the corresponding time period Jason-2 tracks coverage

3 测量数据编辑标准

通过数据编辑的方式可以剔除掉高度计测量中精度较低的值，得到高质量的有效观测结果，对不同的参数，编辑标准按最大值和最小值阈值的方式定义，至少有一个参数不在这些阈值范围内时，测量值就需要被编辑剔除，这些阈值在卫星寿命内要求保持为常数。本文中使用的编辑标准为HY-2A卫星用户手册中IGDR产品中所定义的标准。表1列出了与HY-2A高度计测距校正相关的参数的编辑阈值。高度计测量反演相关参数表编辑阈值见表2。

表1 HY-2A卫星高度计数据测距校正项编辑标准

表2 HY-2A卫星高度计测量反演相关参数编辑标准

4 主要地球物理参数分析

通过与Jason-2数据进行比较可以监控HY-2A高度计地球物理参数的数据质量稳定性，可以探测到可能出现的质量异常变化，本文针对HY-2A高度计IGDR产品中主要相关参数进行系统性比较分析。此外通过比对分析两个高度计任务用于测距校正的环境校正项的一致性是进行不同卫星高度计交叉定标工作的一个重要步骤[5]。全球数据分布图，直方图都是表示数据资料变化情况的一种主要工具。利用全球数据分布图、直方图对比分析，可以比较直观地看出两种卫星高度计产品在相同时间周期内数据质量特性的分布状态的差异，时间序列的逐日均值统计图也可以反映出数据产品的质量稳定状态，下面将通过相同时间范围内的全球数据分布图、直方图分布及逐日均值统计的方法进行相关参数的质量分析。

4.1 测距有效性

HY-2A卫星高度计IGDR中的测距(range)高频数据频率为20 Hz，1 Hz数据是由高频数据计算得到，产品中Ku波段测距观测数量(range_numcal_ku)这个变量表示高频数据中有效的测距观测值数量，利用IGDR数据中的测距观测值数量参数可以分析HY-2A卫星高度计测距有效性的空间分布特征。HY-2A卫星高度计测距有效的一个重要辨别标准为测距数量大于等于10，否则视为测距无效。图2显示了HY-2A卫星高度计测距20 Hz观测值数量小于10的数据分布，可以看出测距无效区域只要集中在高纬度地区域，主要受高纬地区海冰的影响，在南海及以南海域出现的大片测距无效区域初步分析由于受浅水及大量岛屿的影响。

4.2 有效波高

图3a为HY-2A与Jason-2同时间段Ku波段有效波高分布直方图的比较，红色曲线为HY-2A高度计有效波高直方图分布，绿线为Jason-2直方图分布，二者直方图分布特征基本一致，总体上来看，HY-2A相对于Jason-2有效波高值偏低，但在有效波高小于2 m时，HY-2A较Jason-2有效波高值偏高。图3b为HY-2A和Jason-2 Ku波段有效波高逐日均值时序曲线图，蓝线为Jason-2，红线为HY-2A，可以发现HY-2A高度计和Jason-2 Ku波段有效波高具有一致的趋势特征，但HY-2A测量结果偏小，偏差为8 cm。图4为HY-2A和Jason-2 Ku波段有效波高全球分布图，二者空间分布上显示出了极强的一致性，尤其是在南半球西风带浪高较大区域。

图2 HY-2A卫星高度计测距20 Hz观测值数量小于10的数据分布Fig.2 The distribution of 20 Hz range data observations numbers less than 10 for HY-2A satellite altimeter

图3 HY-2A和Jason-2 Ku波段有效波高统计分析图Fig.3 HY-2A and Jason-2 Ku-band significant wave height statistical analysis charta.数据直方图比较图，b.逐日均值时序曲线图比较a.Histogram data comparing，b.daily monitoring of ku-band significant wave height for HY-2A and Jason-2

图4 HY-2A和Jason-2 Ku波段有效波高全球分布图Fig.4 Global distribution of the Ku-band significant wave height for HY-2A and Jason-2a.HY-2A有效波高，b.Jason-2有效波高a.HY-2A significant wave height，b.Jason-2 significant wave height

4.3 后向散射系数

HY-2A和Jason-2 Ku波段后向散射系数统计分析图如图5所示，图5a为两高度计后向散射系数直方图分布，两者直方图分布吻合较好，均值偏差为0.057 dB，但HY-2A小于10 dB数据的数量要多于Jason-2，图5b为逐日均值时序图，总体反映了两者间较好的趋势特征，图6为HY-2A和Jason-2 Ku波段后向散射系数全球分布图，二者空间分布上显示出了较好的一致性。

4.4 双频电离层校正

图7为HY-2A和Jason-2双频电离层校正值统计分析结果，图7a为数据分布直方图，通过比较可以看到二者有一定相似特征，均值偏差为0.4 cm，但直方图分布上还有一定的差异，图7b为逐日平均时序图，两者总体上呈现出较好的趋势性，HY-2A测量结果偏高，图8为二者双频电离层校正全球分布图，从图中可以看出二者有一定的相似度，但HY-2A电离层空间分布与Jaosn-2相比显得较杂乱，HY-2A双频电离层校正算法应该可以进一步优化。

4.5 校正辐射计湿对流层延迟

图9为HY-2A卫星校正辐射计和Jason-2卫星AMR辐射计湿对流层延迟反演结果的统计分析结果，图9a为直方图分布，基本相似，但在左侧小值区域差别较大，图9b为逐日均值时序曲线比较，其中蓝线与绿线分别为Jason-2 AMR 辐射计反演结果与ECMWF模型反演结果，二者有非常一致的趋势性，红线和黄线分别表示HY-2A校正辐射计反演结果与NCEP模型反演结果，二者一致性趋势性稍差，图10为二者辐射计湿对流层延迟全球分布图，虽然整体上较一致，但在高纬度区域有一定差别。

图5 HY-2A和Jason-2 Ku波段后向散射系数统计分析图Fig.5 HY-2A and Jason-2 Ku-band backscattering coefficient analysis charta.数据直方图比较，b.逐日均值时序曲线图比较a.Histogram data comparing，b.daily monitoring of ku-band backscattering coefficient for HY-2A and Jason-2

图7 HY-2A和Jason-2双频反演电离层校正项统计分析图Fig.7 HY-2A and Jason-2 dual-frequency ionosphere correction analysis charta.数据直方图比较，b.逐日均值时序曲线图比较a. Histogram data comparing，b.daily monitoring of dual-frequency ionosphere correction for HY-2A and Jason-2

图8 HY-2A和Jason-2双频电离层校正全球分布图Fig.8 Global distribution of the dual-frequency ionosphere correction for HY-2A and Jason-2a.HY-2A双频电离层图，b.Jason-2双频电离层图a.HY-2A dual-frequency ionosphere correction，b.Jason-2 dual-frequency ionosphere correction

图9 HY-2A和Jason-2校正辐射计湿对流层统计分析图Fig.9 HY-2A and Jason-2 wet troposphere from radiometer analysis charta.数据直方图比较，b.逐日均值时序曲线图比较a.Histogram data comparing，b.daily monitoring of wet troposphere for HY-2A and Jason-2

图10 HY-2A和Jason-2校正辐射计湿对流层延迟全球分布图Fig.10 Global distribution of the wet troposphere from radiometer for HY-2A and Jason-2a.HY-2A校正辐射计湿对流层延迟，b.Jason-2 AMR辐射计湿对流层延迟a.HY-2A wet troposphere from radiometer，b.Jason-2 wet troposphere from radiometer

5 HY-2A卫星高度计性能分析

海面高度是卫星高度计最主要的产品，海面高度产品精度直接反映了卫星高度计的海面测量能力，交叉点海面高度差值的统计值常被用来评估高度计及数据质量和监视系统性能[6]，本文针对HY-2A卫星高度计第44周期数据，采用沿轨海平面异常(SLA)图对比分析，升降轨自交叉点海面高度差值及与Jason-2高度计交叉点海面高度差值分析的方法分析了HY-2A卫星高度计海面高度的精度。在使用了交叉点海面高度差值统计分析前先按照测量数据编辑标准进行数据剔除后得到有效观测数据集。表3给出了两种卫星高度计在计算海面高度异常时所使用的参数情况。

表3 高度计海平面异常计算参数一览表

5.1 沿轨海平面异常分析

相对于平均海平面CLS MSS01的HY-2A卫星高度计海平面异常图(见图11a)很好的捕获了所有海洋变化特征(西边界流、拉尼娜等)，与相对于平均海平面CLS MSS2011的Jason-2卫星高度计海平面异常图(见图11b)表现出相同的海洋变化特征。HY-2A海平面异常的标准偏差为12.7 cm，Jason-2海平面异常的标准偏差为11.0 cm。这里需要注意的是二者使用的平均海平面模型不同，Jason-2所使用平均海平面模型CLS MSS2011精度要优于HY-2A所使用的平均海平面模型CLS MSS01。两种模型的标准偏差差异为1.6 cm，均值偏差为1 cm[9]。

为进一步分析二者差异，海平面异常值大于30 cm的有效数据分布图如图12所示，二者表现了相同的空间分布，但可以明显看出图12a中HY-2A卫星海面异常大于30 cm的有效数据要多于Jason-2卫星有效数据。

5.2 自交叉点分析

通过分析交叉点海面高度差值可以评估高度计数据质量和海面高度测量性能，理想情况是交叉点处海面高度差的均值接近等于0，标准偏差很小。Jason-2卫星计算交叉点所选取的最大时间间隔为10 d[1]，即±5 d，本文中HY-2A卫星升、降轨交叉点处海面高度差选择最大时间间隔为6 d，即±3 d，空间上选取南北纬50°内数据，这样可以使海面高度受海平面变化的影响最小。数据分析采用3-δ标准进行数据剔除，避免受到数据中残留的可疑值影响，卫星高度计在深海大洋、低海况变化区域的观测精度能真实反映出其海面高度观测性能，这里我们使用国际通用筛选标准：南北纬50°之间，水深大于1 000 m，海平面异常低于20 cm的编辑条件进行精度评估[7]。图13为自交叉点海面高度差值的折线图，均值为2.9 mm，标准偏差为7.48 cm。图14为交叉点海面高度差的地理分布，未见明显的地理性偏差。

5.3 与Jason-2交交点比较分析

HY-2A与Jason-2交叉点海面高度差的计算使用了与HY-2A自交叉点相同的数据处理方法，图15显示出两个高度计海面高度具有较好的一致性，但在30°～50°S之间区域海面高度差值略大，其他区域地理空间分布上无明显偏差。图16为两高度计交叉点海面高度差值图，图中显示，在深海区域，低海洋变化区域交叉点海面高度差值的均值为9.6 mm，标准偏差为6.9 cm，结果接近国外文献提供的Envisat与Jason-2交叉点精度水平：在纬度小于50°、低海洋变化及水深大于1 000 m的数据选取条件下，标准偏差5.7 cm[8]。

6 结论

卫星高度计数据的交叉定标和质量评估对于数据的应用非常重要，本文通过分析HY-2A第44周期IGDR产品与Jason-2卫星数据的统计结果以及利用交叉点海面高度差开展了HY-2A卫星高度计数据质量和性能评估工作，结果显示HY-2A卫星高度计在海上具有很好的观测性能。HY-2A卫星高度计海平面异常结果与Jason-2海平面异常结果一致性非常好，都很好的捕获了所有海洋变化特征，HY-2A卫星升、降轨海面高度差值的标准偏差为7.48 cm，均值为2.9 mm，与Jason-2高度计的交叉点比对结果显示标准偏差为7 cm，均值为6.5 mm，进一步比对分析相关地球物理校正项，结果显示大多数校正项都呈现了与Jason-2较一致的特征，但在高海况区域，特别是南半球中高纬度地区，某些校正参数结果有一些差异。总体来看，HY-2A卫星高度计的性能非常接近Jason-2所提供的海面高度数据将具备非常强的科学研究及应用能力。

图11 HY-2A和Jason-2 海平面异常全球分布图Fig.11 Global distribution of sea level anomaly for HY-2A and Jason-2a.HY-2A海平面异常图，b.Jason-2 海平面异常图a.HY-2A sea level anomaly maps，b.Jason-2 sea level anomaly maps

图12 HY-2A和Jason-2 海平面异常大于30 cm的有效数据Fig.12 Valid data(SSH-MSS) difference greater than 30 cm of HY-2A and Jason-2a.HY-2A海平面异常大于30 cm数据分布，b.Jason-2海平面异常大于30 cm数据分布a.HY-2A altimeter，b.Jason-2 altimeter

图13 HY-2A升降轨自交叉点海面高度差Fig.13 Differences at crossovers for HY-2A ascending and descending passes

图14 HY-2A升降轨自交叉点海面高度差地理分布Fig.14 Geographical distribution of differences at crossovers for HY-2A ascending and descending passes

图15 HY-2A与Jason-2交叉点海面高度差地理分布Fig.15 Geographical distribution of SSH differences at crossovers for HY-2A and Jason-2

图16 HY-2A与Jason-2交叉点海面高度差Fig.16 SSH difference at crossovers for HY-2A and Jason-2

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Global statistical evaluation and performance analysis of HY-2A satellite radar altimeter data

Peng Hailong1，2，Lin Mingsen2，Mu Bo2，Zhou Wu2

(1.InformationScienceandEngineeringCollege，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China; 2NationSatelliteOceanApplicationService，Beijing100081，China)

Since the satellite launched，the cross-calibration，validation and quality assessment for HY-2A satellite radar altimeter product have been ongoing. In this paper，we finish the verification work that HY-2A satellite altimeter 44th cycle IGDR product data was compared with Jason-2 IGDR through global distribution，two-dimensional histogram and the daily average methods. While the main environmental parameters and geophysical product data quality analysis showed that data quality are stable. In addition，the analysis of the SSH differences at crossovers between HY-2A ascending and descending tracks，the SSH differences at HY-2A and Jason-2 and sea Level Anomaly (SLA) along track have been done to evaluate performance of HY-2A satellite altimeter observation system，the results showed that sea surface height accuracy is about 7.48 cm，close to Jason-2. It can meet the needs of marine applications and scientific research．

HY-2A; altimeter; global statistic; sea level abnormal

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.006

2014-03-06；

2014-06-15。

海洋公益性行业科研专项(201305032)；国家国际科技合作专项项目(2014DFA21710)。

彭海龙(1976—)，男，新疆石河子人，副研究员，博士研究生，主要从事海洋微波卫星定标与真实性检验工作。E-mail:phl@mail.nsoas.org.cn

P715.6

A

0253-4193(2015)07-0054-13

彭海龙，林明森，穆博，等. HY-2A卫星雷达高度计数据的全球统计评价及质量分析[J]. 海洋学报，2015，37(7): 54-66，

Peng Hailong，Lin Mingsen，Mu Bo，et al. Global statistical evaluation and performance analysis of HY-2A satellite radar altimeter data[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(7): 54-66，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.006