葛 磊, 徐永生, 尹寶樹(shù)(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 中國(guó)科學(xué)院 海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 4. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋動(dòng)力過(guò)程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266237)

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日本海西南海域現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和衛(wèi)星高度計(jì)獲取的海面高度距平的比較研究

葛 磊1, 2, 3, 徐永生1, 3, 4, 尹寶樹(shù)1, 3, 4
(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 中國(guó)科學(xué)院 海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 4. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋動(dòng)力過(guò)程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266237)

壓力傳感逆式回聲儀(pressure-sensor-equipped inverted echo sounders, PIES)可以用來(lái)測(cè)量海底壓力和聲波從海底到海面的傳播時(shí)間。海底壓力和聲波傳播時(shí)間分別被用來(lái)估計(jì)水體質(zhì)量變化(正壓)和比容變化(斜壓)對(duì)海面高度距平的貢獻(xiàn)。對(duì)由PIES在日本海西南海域現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的海面高度距平(PIES SLA)與衛(wèi)星高度計(jì)海面高度距平(Sat SLA)進(jìn)行了比較研究。利用相關(guān)分析法, 對(duì)PIES SLA和沿軌T/P衛(wèi)星、沿軌ERS-2衛(wèi)星測(cè)得的海面高度距平(TP SLA、ERS-2 SLA)進(jìn)行了比較; 對(duì)PIES SLA 和AVISO網(wǎng)格化海面高度距平進(jìn)行了比較, 估計(jì)可能的誤差來(lái)源, 并分析PIES SLA正壓部分和斜壓部分對(duì)SLA的貢獻(xiàn)。比較發(fā)現(xiàn), PIES SLA和Sat SLA的相關(guān)系數(shù)較高, 且均方根誤差較小, 并且對(duì)特定區(qū)域和特定站點(diǎn)產(chǎn)生誤差可能的原因進(jìn)行了進(jìn)一步的探討。通過(guò)研究, 有以下結(jié)論: (1)相對(duì)于灣流和黑潮地區(qū), 這一區(qū)域正壓部分對(duì)海面高度的貢獻(xiàn)相對(duì)較大; (2)如果再考慮斜壓變化對(duì)海面高度的貢獻(xiàn), PIES SLA和Sat SLA相關(guān)系數(shù)會(huì)有所提升; (3)在高能區(qū)PIES SLA和Sat SLA相關(guān)系數(shù)較高, 符合得相對(duì)比較好?？偟膩?lái)說(shuō), 在日本海地區(qū), PIES SLA和Sat SLA相關(guān)系數(shù)較高, 具有較高的一致性, 能為我國(guó)海洋二號(hào)(HY-2)等衛(wèi)星高度計(jì)的校驗(yàn)提供一種可靠的方式。該研究對(duì)于PIES的研發(fā)和設(shè)計(jì)以及對(duì)于PIES的布放位置的選擇都有一定的借鑒意義。

海面高度距平; 壓力傳感逆式回聲儀(PIES); 衛(wèi)星高度計(jì); 聲波傳播時(shí)間; 海水底部壓力

(全球變化與海氣相互作用)及中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新項(xiàng)目(Y22114101Q) [Foundation: 100 Talents Program of the Chinese Academy of Sciences, No.Y32109101L; National Natural Science Foundation of China, No.41376028; Key Topics in Innovation Engineering of the Chinese Academy of Sciences, No. KZCX2-EW-209; State Oceanic Administration, (Global change and the air sea interaction project), Knowledge Innovation Project of the Chinese Academy of Sciences, No.Y22114101Q]

回聲探測(cè)儀被廣泛地用于測(cè)量海洋深度等海洋要素, 但是其容易受極端海況、惡劣天氣、繩索傾斜等影響, 從而導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。而逆式回聲探測(cè)儀(inverted echo sounder, IES)與一般的聲波探測(cè)儀正好相反, 它將聲波發(fā)射器置于海底, 向上發(fā)射聲波, 經(jīng)海面反射后回到海底, 從而記錄聲波由海底到海面的往返傳播時(shí)間τ。如果再加上一個(gè)壓力傳感器, 用來(lái)記錄海洋底部壓力Pbot, 便構(gòu)成了壓力傳感逆式回聲儀(pressure-sensor-equipped inverted echo sounders, PIES)。由于具有觀測(cè)周期長(zhǎng)、安全性高、適合陣列式大范圍觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn), PIES已發(fā)展成為近代海洋觀測(cè)的一個(gè)重要手段, 在全球海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋環(huán)流動(dòng)力學(xué)研究以及軍事海洋學(xué)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域, 全世界大洋多個(gè)海區(qū)得到了成功應(yīng)用。

自從1969年Rossby[1]發(fā)展逆式回聲儀(inverted echo sounders, IES)以來(lái), 人們一直在發(fā)展對(duì)聲波τ的處理技術(shù), 以便從聲波τ中獲取更多的海洋信息, Meinen 和Watts[2]、Sun和 Watts[3]、Watts等[4]得到了重力經(jīng)驗(yàn)?zāi)７椒?gravest empirical mode, GEM), 能夠利用聲波τ, 來(lái)獲得海水溫度和比容異常的剖面或者廓線。

近年來(lái), 衛(wèi)星高度計(jì)發(fā)展成為了海洋觀測(cè)衛(wèi)星的基本觀測(cè)儀器之一, 其能夠?qū)θ蚝Ｑ筮M(jìn)行大面積、全天候持續(xù)觀測(cè), 對(duì)全球海洋進(jìn)行精確的測(cè)量。隨著衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)的發(fā)展, 衛(wèi)星測(cè)量海面高度(SSH)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用, 在我們認(rèn)識(shí)全球環(huán)流分布、中尺度渦、海面動(dòng)力過(guò)程、海洋風(fēng)浪的反演等研究中起著重要的作用。

Ponte[5]、Guinehut等[6]、Jayne等[7]認(rèn)為海面高度變化由以下兩個(gè)部分構(gòu)成: 由于海水質(zhì)量變化引起的正壓部分(barotropic components)和由于海水溫度、密度等變化引起的斜壓部分(baroclinic components), 有些文獻(xiàn)上也分別稱(chēng)為質(zhì)量負(fù)載變化(massloading)和比容變化(steric)。Baker-Yeboah等[8]認(rèn)為水柱中質(zhì)量變化(正壓部分)對(duì)SSH的貢獻(xiàn)和純粹由比容變化(斜壓部分)對(duì)SSH的貢獻(xiàn)均可以由PIES記錄數(shù)據(jù)來(lái)得到。也就是說(shuō)PIES能夠通過(guò)同時(shí)測(cè)量聲波τ和底部壓力Pbot, 來(lái)獲得對(duì)應(yīng)SSH的斜壓部分和正壓部分。衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量的SSH, 當(dāng)然也由正壓和斜壓兩部分組成。Fukumori等[9]認(rèn)為跟密度變化相關(guān)的斜壓部分被認(rèn)為是主導(dǎo)SSH低頻變化的主要因素, 而正壓部分則對(duì)高頻帶部分貢獻(xiàn)較大。

衛(wèi)星觀測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)得到的SSH之間的定量比較少, 因?yàn)樵陂_(kāi)放的海洋中, 難以同時(shí)獲得兩種測(cè)量方式得到SSH的正壓部分和斜壓部分。較早的一些研究中, Gilson等[10]、McCarthy等[11]對(duì)XBT數(shù)據(jù)得到的SSH距平與沿著部分衛(wèi)星測(cè)量的SSH距平進(jìn)行了比較, 以達(dá)到評(píng)估衛(wèi)星測(cè)高的目的。

這次布放在日本海(Japan/East Sea, JES)西南部區(qū)域的持續(xù)觀測(cè)達(dá)2 a之久24個(gè)PIES, 為我們比較逆式回聲儀測(cè)得的海面高度距平(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為PIES SLA)和衛(wèi)星高度計(jì)海面高度距平(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為Sat SLA)提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。本文將利用相關(guān)分析法, 利用衛(wèi)星高度數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括AVISO的T/P沿軌(along-track)海面高度距平數(shù)據(jù)產(chǎn)品、ERS-2沿軌(along-track)海面高度距平產(chǎn)品以及網(wǎng)格化的海面高度距平產(chǎn)品, 對(duì)PIES SLA和沿軌T/P衛(wèi)星、沿軌ERS-2測(cè)得的海面高度距平(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)P SLA、ERS-2 SLA)以及AVISO網(wǎng)格化海面高度距平進(jìn)行比較, 估計(jì)PIES SLA和Sat SLA之間可能的誤差來(lái)源, 并分析PIES SLA正壓部分和斜壓部分對(duì)比較結(jié)果的影響。研究發(fā)現(xiàn)在日本海地區(qū), PIES SLA和衛(wèi)星高度計(jì)SLA相關(guān)系數(shù)較高, 具有較高的一致性, 為我國(guó)海洋二號(hào)(HY-2)等衛(wèi)星高度計(jì)提供了一種比較可靠的校驗(yàn)方式。

1 數(shù)據(jù)和方法

在1999年6月到2001年7月期間, 在日本海西南海域的郁陵海盆布放了一個(gè)24個(gè)PIES的陣列, 布放的位置如圖1所示。

圖1 24個(gè)PIES站點(diǎn)的位置示意圖Fig. 1 Positions of the 24 PIES stations

對(duì)PIES測(cè)量的聲波τ和Pbot進(jìn)行處理, 獲得時(shí)間分辨率為1 h的數(shù)據(jù)。τ的分辨率是0.05 ms, PIES 的Paroscientific壓力傳感器測(cè)Pbot的精確度±0.01%,分辨率是10 Pa, 大概是0.1 cm。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)剔除異常值、去除漂移(dedrift)、去除跳躍(dejump)、深度校正(leveling)等一系列的處理后[12-14], 并且去除各種表面波的影響, 再進(jìn)行120 h (5 d)的低通濾波處理得到新的時(shí)間分辨率為1 h, 并在每天的00時(shí)和12時(shí)(UTM)重新二次采樣。對(duì)PIES測(cè)得的τ和Pbot的數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中, 之所以進(jìn)行深度校正是為了方便以后的科學(xué)分析和研究, 深度校正一般都要選擇一個(gè)參考深度, 這個(gè)參考深度根據(jù)觀測(cè)區(qū)域的不同而不同, 比如在灣流區(qū)域和大西洋的某些區(qū)域,這個(gè)深度能都達(dá)到4 500 m甚至5 000 m, 而Park等[15]等在黑潮延伸體區(qū)域, 這個(gè)深度選擇了4 000 m。因?yàn)楸敬斡^測(cè)深度大都不是太深, 并且500 m以下的斜壓部分就很弱了, 因此參考深度定為500 m。也就是說(shuō)τ 和Pbot要通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系, 轉(zhuǎn)換成為τ500和P500。

下面將討論如何由PIES測(cè)量的τ和Pbot數(shù)據(jù)得到SSH距平。PIES測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)SSH的貢獻(xiàn)可以分為兩個(gè)部分, 一部分是由于水體質(zhì)量負(fù)載變化導(dǎo)致的正壓變化, 這部分可以通過(guò)Pbot的變化得到, 一部分是由于密度變化導(dǎo)致的比容變化, 或者稱(chēng)為斜壓部分, 這部分可以通過(guò)τ得到。

我們將SSH記為η, SSH的正壓部分記為ηbt, SSH的斜壓部分記為ηbc, 而η, ηbt, ηbc三者的距平分別記為η′, η′bt, η′bc, 底部壓力記為Pbot, 將聲波傳播時(shí)間記為τ, Baker-Yeboah等[8]給出,

這里, g代表重力加速度, δ是海水溫度(T)、鹽度(S)和壓強(qiáng)(p)的函數(shù),

ηbc表示由于位勢(shì)高度異常導(dǎo)致的海面變化, 是由比容或者是跟密度相關(guān)的變化(斜壓)導(dǎo)致的海面變化。

對(duì)于ηbc來(lái)說(shuō), 去除時(shí)間平均值, 便有η斜壓部分的距平

和η正壓部分的距平。

而聲波傳播的時(shí)間是

這里,sρ代表海表層海水的密度。g代表重力加速度, c代表聲波傳播時(shí)間, c是海水溫度鹽度和壓強(qiáng)的函數(shù),

而又由于公式(1)的關(guān)系, 所以說(shuō)要由τ確定位勢(shì)高度變化, 就要使用GEM方法, 建立起τ和位勢(shì)高度變化之間的聯(lián)系。

前面提到, GEM方法首先由Meinen 和Watts[4]為了研究北大西洋海流的垂直結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)發(fā)展而來(lái),并且成功地應(yīng)用到副極地鋒面(sub antarctic front)[6],南極繞極流和黑潮小彎曲的發(fā)展[15]的研究當(dāng)中。這些區(qū)域都有兩個(gè)重要的特征, 一是在107Pa處或者更深, 有強(qiáng)的斜壓變化, 導(dǎo)致斜壓信號(hào)比較強(qiáng)。二是不同的水文廓線能夠?qū)?yīng)產(chǎn)生不同的τ。而日本海西南部地區(qū)恰恰不具備這兩點(diǎn), 于是針對(duì)這一海域空間季節(jié)信號(hào)變化和淺溫躍層的特點(diǎn), Mitchell等[16]在GEM的基礎(chǔ)上, 提出了剩余GEM(residual GEM)。把GEM捕捉溫度T的變化和比容(斜壓)的變化分別從70%和64%提升到了89%和84%。

τ經(jīng)過(guò)深度校正后得到τ500對(duì)SSH距平斜壓部分ΔH的貢獻(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 SSH距平斜壓部分ΔH與τ500對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Fig. 2 Correspondence between ΔH (baroclinic components of the SSH) and τ500

這次比較中用到了3種AVISO衛(wèi)星高度計(jì)產(chǎn)品:一個(gè)是T/P衛(wèi)星遲時(shí)沿軌海面高度距平產(chǎn)品, 一個(gè)是ERS-2衛(wèi)星遲時(shí)沿軌海面高度距平產(chǎn)品, 這兩個(gè)產(chǎn)品都是由AVISO制作和分發(fā)的(AVISO DT CorSSH and DT SLA Product Handbook, 2012)。另一個(gè)是“參考”(reference)遲時(shí)的網(wǎng)格化產(chǎn)品(reference maps of sea level anomalies, Ref-MSLA), 空間分辨率是(1/4)°× (1/4)°, 時(shí)間分辨率是7 d, 主要是融合了T/P和ERS-2,以及它們對(duì)應(yīng)后繼的Jason-1和Envisat衛(wèi)星數(shù)據(jù)。T/P衛(wèi)星軌道和ERS-2衛(wèi)星軌道與24個(gè)PIES站點(diǎn)位置示意圖如圖3所示。遲時(shí)的網(wǎng)格化衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分辨率和24個(gè)PIES站點(diǎn)位置示意圖如圖4所示。

圖3 T/P衛(wèi)星軌道和ERS-2衛(wèi)星軌道與24個(gè)PIES站點(diǎn)位置示意圖Fig. 3 Schematic of the T/P and ERS-2 orbits, and the positions of the 24 PIES stations

2 海面高度的比較

2.1 PIES SLA與TP SLA的比較

從圖3中可以看出來(lái), P1-6站點(diǎn)正好在T/P軌道掃過(guò)的區(qū)域內(nèi)。T/P衛(wèi)星周期約為10 d, 相鄰資料的空間間隔(沿軌)是5.8 km, 為了創(chuàng)建能夠與PIES SLA可比的T/P衛(wèi)星時(shí)間序列, T/P衛(wèi)星上軌道上距離P1-6站點(diǎn)最近的點(diǎn)將被確定為可比的數(shù)據(jù)點(diǎn)。P1-6站點(diǎn)處總的PIES SLA和TP SLA的對(duì)比圖見(jiàn)圖5, 從圖5中可以看出總的PIES SLA, 能夠比較好地反映TP SLA的大致趨勢(shì), 吻合度比較高, 計(jì)算兩者的相關(guān)性, 能夠達(dá)到0.914, 計(jì)算二者的均方根誤差為8.7 cm。僅僅考慮PIES BT SLA與TP SLA相比較,從圖上看出二者吻合得也很好, 但是計(jì)算兩者的相關(guān)性,稍微有點(diǎn)降低達(dá)到0.887, 但是均方根誤差為7.0 cm。僅僅考慮斜壓部分PIES BC SLA的與TP SLA的比較, 從圖上看出二者吻合的稍差, 計(jì)算兩者的相關(guān)性, 降低到了0.87, 均方根誤差也稍微增大為7.6 cm。

圖4 PIES站點(diǎn)位置和網(wǎng)格化衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率的相對(duì)位置圖Fig. 4 Positions of the PIES stations and the grid of the satellite SSH data

Teague等[17]將PIES數(shù)據(jù)得到的SSH距平與T/P高度計(jì)得到的海面距平做了比較, 結(jié)果顯示兩者符合的比較好, 但是均方根誤差達(dá)到了12 cm, 與他的結(jié)果相比, 無(wú)論是從相關(guān)性來(lái)說(shuō)還是從均方根誤差方面來(lái)講, PIES SLA與T/P SLA的比較結(jié)果都有顯著的改進(jìn)。從圖5還可以看出, 相對(duì)于灣流和黑潮地區(qū)(Book[18]), 在這一海域正壓部分對(duì)海面高度的貢獻(xiàn)相對(duì)較大, 如果再考慮斜壓變化對(duì)海面高度的貢獻(xiàn), PIES SLA和TP SLA相關(guān)系數(shù)將會(huì)進(jìn)一步提升。

2.2 PIES SLA與ERS-2 SLA的比較

從圖3中可以看出來(lái), P1-4, P2-2, P2-5, P3-1, P4-1, P4-2站點(diǎn)正好在ERS-2軌道掃過(guò)的區(qū)域內(nèi)。ERS-2周期大約為35 d。為了創(chuàng)建能夠與PIES-SSH可比的ERS-2衛(wèi)星時(shí)間序列, ERS-2衛(wèi)星上軌道上距離上述幾個(gè)站點(diǎn)最近的點(diǎn)將被確定為可比的數(shù)據(jù)點(diǎn)。以P2-5站點(diǎn)為例分析, P2-5站點(diǎn)處ERS-2衛(wèi)星SLA和PIES得到的總的SLA地對(duì)比圖見(jiàn)圖6, 從圖6中可以看出總的PIES TOTAL SLA能夠比較好地反映ERS-2 SLA的大致趨勢(shì), 吻合度比較高, 計(jì)算兩者的相關(guān)性, 能夠達(dá)到0.881, 計(jì)算二者的均方根誤差為7.62 cm。僅僅考慮PIES BT SLA與ERS-2 SLA的相比較, 從圖上看出二者吻合程度也很好, 但是計(jì)算兩者的相關(guān)性, 稍微有點(diǎn)降低達(dá)到0.851, 但是均方根誤差較小為6.8 cm。僅僅考慮PIES BC SLA 與ERS-2 SLA的比較, 從圖上看出二者吻合的稍差,計(jì)算兩者的相關(guān)性, 降低到了0.82, 均方根誤差也稍微增大為7.5 cm。從圖6看出, 相對(duì)于灣流和黑潮地區(qū)(Book[18]), 在這一海域正壓部分對(duì)海面高度的貢獻(xiàn)相對(duì)較大, 如果再考慮斜壓變化對(duì)海面高度的貢獻(xiàn), PIES SLA和ERS-2 SLA相關(guān)系數(shù)將會(huì)進(jìn)一步提升。

圖5 P1-6站點(diǎn)處T/P衛(wèi)星SLA和PIES得到的SLA地對(duì)比圖Fig. 5 Comparison of the TP SLA and PIES SLA at the P1-6 station

2.3 PIES SLA與Ref-MSLA的比較

從圖4可以看出, 大部分PIES站點(diǎn)都不在Ref-MSLA網(wǎng)格上面, 這就需要將Ref-MSLA網(wǎng)格數(shù)據(jù)插值到PIES站點(diǎn)上面去。因?yàn)镽ef-MSLA時(shí)間分辨率是7 d, 為了得到能夠比較的時(shí)間序列, 需要對(duì)PIES得到的SLA數(shù)據(jù)進(jìn)行再采樣。對(duì)于所有的24個(gè)站點(diǎn)計(jì)算相關(guān)性(因P3-2處的可比性不強(qiáng), 故未列出), 整體的相關(guān)系數(shù)從0.75到0.94, 其中相關(guān)系數(shù)低于0.8只有近岸幾個(gè)站點(diǎn), 說(shuō)明大部分站點(diǎn)PIES-SLA和Ref-MSLA吻合的還是很好的。全部站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)圖7。

從圖7中可以看出, PIES-SLA和Ref-MSLA相關(guān)系數(shù)低于0.8的站點(diǎn)只有P1-1, P2-2, P3-1和P3-3,并且這4個(gè)站點(diǎn)大都處于近岸地區(qū)。相反, 越是處于深海地區(qū)的其他站點(diǎn), PIES-SLA和Ref-MSLA的相關(guān)系數(shù)反而比較高。在近岸地區(qū), PIES-SLA和Ref-MSLA相關(guān)系數(shù)相對(duì)較低, 究其原因可能有兩個(gè): 一個(gè)是日本海的邊緣海特征, 導(dǎo)致近岸地區(qū)相關(guān)海洋活動(dòng)如浪、流等較為劇烈, 影響了衛(wèi)星高度計(jì)的精確度; 二是我們發(fā)現(xiàn)有些近岸地區(qū)站點(diǎn)P3-1正好位于陸架坡折處, 而陸架坡折處(shelf break)的大地水準(zhǔn)面(geoid)比較陡峭, 衛(wèi)星的橫向不確定性導(dǎo)致衛(wèi)星測(cè)量SLA誤差較大。并且對(duì)于同一個(gè)站點(diǎn)P1-6, 就相關(guān)系數(shù)而言, 同單個(gè)T/P衛(wèi)星相比, Ref-MSLA的精確度確實(shí)有所提升。

圖6 P2-5站點(diǎn)處ERS-2衛(wèi)星SLA和PIES得到的SLA地對(duì)比圖Fig. 6 Comparison of the ERS-2 SLA and PIES SLA at the P2-5 station

3 結(jié)論與展望

本文利用相關(guān)分析法, 對(duì)PIES SLA和沿軌T/P衛(wèi)星、沿軌ERS-2測(cè)得的海面高度距平以及AVISO網(wǎng)格化海面高度距平進(jìn)行了比較, 估計(jì)可能的誤差來(lái)源, 并分析了PIES SLA正壓部分和斜壓部分對(duì)比較結(jié)果的影響。比較發(fā)現(xiàn), PIES SLA和T/P SLA和的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.914, 均方根誤差(Root Mean Squared , RMS)為8.7 cm。PIES SLA和ERS-2 SLA的相關(guān)系數(shù)在0.75~0.90之間, 均方根誤差為7.6~ 10.7 cm。PIES SLA和AVISO網(wǎng)格化海面高度距平的相關(guān)系數(shù)在0.75到0.94之間。這些結(jié)果表明: (1)與灣流和黑潮地區(qū)斜壓部分對(duì)海面高度的貢獻(xiàn)相對(duì)較大不同, 這一區(qū)域正壓部分對(duì)海面高度的貢獻(xiàn)相對(duì)較大; (2)如果再考慮斜壓變化對(duì)海面高度的貢獻(xiàn), PIES SLA和衛(wèi)星高度計(jì)SLA相關(guān)系數(shù)會(huì)有所提升。(3)PIES SLA和衛(wèi)星高度計(jì)SLA的相關(guān)性跟海面變化信號(hào)的強(qiáng)弱有關(guān)系, 一般在高能區(qū), 或者主流區(qū), SLA和衛(wèi)星高度計(jì)SLA相關(guān)系數(shù)相對(duì)較高, 相關(guān)性較強(qiáng)。(4)在近岸地區(qū), 由于陸架坡折處大地水準(zhǔn)面(geoid)比較陡峭, 衛(wèi)星的橫向不確定性導(dǎo)致的測(cè)量誤差, 使得PIES SLA和Sat SLA相關(guān)系數(shù)相對(duì)較低?？偟膩?lái)說(shuō), 在日本海地區(qū), PIES SLA和Sat SLA相關(guān)系數(shù)較高, 具有較高的一致性, 能為海洋二號(hào)衛(wèi)星(HY-2)高度計(jì)的校驗(yàn)提供一種可靠的方式。

以往大都用驗(yàn)潮站、海上石油平臺(tái)和GPS浮標(biāo)來(lái)校驗(yàn)衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù), 而驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)大都處于近岸,因而校驗(yàn)的效果相對(duì)較差, 海上石油平臺(tái)需要高額的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用, 且存在諸多試驗(yàn)限制, 操作要求高, GPS浮標(biāo)容易受到海浪、風(fēng)的影響, 因此具有觀測(cè)周期長(zhǎng)、安全性高、適合陣列式大范圍觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)的PIES正好為我們提供了一個(gè)較好的校驗(yàn)機(jī)會(huì)。在高能區(qū)和主流區(qū), SLA和衛(wèi)星高度計(jì)SLA相關(guān)系數(shù)相對(duì)較高,相關(guān)性較強(qiáng), 這就提醒我們, 在我們使用PIES校驗(yàn)海洋二號(hào)(HY-2)衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí), 可以選擇PIES布放在高能區(qū)和斜壓部分對(duì)海面貢獻(xiàn)較大的區(qū)域來(lái)校驗(yàn)。

圖7 全部PIES站點(diǎn)PIES-SLA和Ref-MSLA的相關(guān)系數(shù)示意圖Fig. 7 Correlation coefficient of the gridded Ref-MSLA and the PIES-SLA

下一步工作可以考慮在日本海區(qū)域利用PIES數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行時(shí)間和空間相關(guān)性尺度的分析(temporal and spatial correlation scale)。

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(本文編輯: 劉珊珊)

Comparison of sea surface height anomalies derived by pressure-sensor-equipped inverted echo sounders and satellite altimetry in the Southwest Japan/East Sea

GE Lei1, 2, 3, XU Yong-sheng1, 3, 4, YIN Bao-shu1, 3, 4
(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 4. Laboratory of Ocean and Climate Dynamies, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China)

Mar., 28, 2013

sea surface height; pressure-sensor-equipped inverted echo sounder (PIES); satellite altimetry; acoustic echo time; ocean bottom pressure

Pressure-sensor-equipped inverted echo sounders (PIES) can be used to measure sea bottom pressure and the acoustic-wave propagation time from the seabed to the surface. Bottom pressure and the acoustic propagation time are used to estimate the contribution of the sea surface height anomaly (SLA) to water quality changes (positive pressure) and hematocrit changes (baroclinic), respectively. In this paper, we compare SLAs derived by PIES with SLAs derived from satellite altimetry data in the Southwest Japan/East Sea. Using correlation analysis, we compared the PIES SLAs with SLAs measured by the along-track T/P satellite (TP SLA) and the ERS-2 satellite (ERS-2 SLA). We then compared the PIES SLA and AVISO gridded SLAs to estimate possible sources of error. We also analyzed the contributions of the PIES SLA positive pressure and baroclinic aspects of the SLA. The comparison results show that the correlation coefficient of the PIES SLA and Sat SLA is relatively high, and the root mean square error is relatively small. Further, we studied data from specific regions to identify possible causes of site-specific errors. Based on our results, we draw the following conclusions: (1) with respect to the Gulf Stream and the Kuroshio region, the contribution of positive sea surface height is relatively large; (2) if we consider the contribution of baroclinic changes in sea surface height, the PIES SLA and Sat SLA correlation coefficient will improve; (3) in the high-energy zone, the PIES SLA and Sat SLA correlation coefficient is relatively high and relatively better. Overall, in the Japan/East Sea, the PIES SLA and satellite altimeter SLA correlation coefficient is relatively high with a high level of consistency, providing a reliable way for checking the operation of Ocean II satellite (HY-2) altimeters. The research results have significance for the development and design of PIES, and for the selection of the placement of PIES.

P733.1

A

1000-3096(2016)02-0128-08

10.11759/hykx20130328001

2013-03-28;

2013-04-04

中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”(Y32109101L); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41376028); 中國(guó)科學(xué)院方向項(xiàng)目(KZCX2-EW-209); 國(guó)家海洋局

葛磊(1987-), 男, 河南商丘人, 碩士研究生, 電話(huà): 15806599166, E-mail: gexinlei@126.com; 徐永生(1970-), 通信作者, 男, 山東青島人, 博士, 研究員, 從事衛(wèi)星海洋學(xué), 海洋遙感, 海洋動(dòng)力學(xué)等方面的研究工作, 電話(huà): 86-13656488817, E-mail: yongsheng.xu@qdio.ac.cn ; 尹寶樹(shù)(1963-), 男, 山東青島人, 博士, 研究員, 主要從事海洋動(dòng)力過(guò)程及數(shù)值模擬和海洋災(zāi)害研究, 電話(huà): 86-532-82898502, E-mail: bsyin@qdio.ac.cn