Επικύρωση του Σημαντικού Ύψους Κύματος

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 18:42, 6 Ιανουαρίου 2018

Επικύρωση του Σημαντικού Ύψους Κύματος (Significant Wave Height-SWH), προϊόν του υψομετρητή HY-2

Πρωτότυπος τίτλος: Validation of the Significant Wave Height Product of HY-2 Altimeter

Συγγραφείς: Chuntao Chen, Jianhua Zhu, Mingsen Lin, Yili Zhao, He Wang, Jin Wang

Δημοσιεύθηκε: Remote Sensing, 2017, 30th of September

Εισαγωγή

Παραδοσιακά η παρατήρηση των ωκεάνιων κυμάτων πραγματοποιείται κυρίως μέσω σημαντήρων, πλοίων επιθεώρησης και σταθμών παλίρροιας, και η κάλυψη είναι πολύ περιορισμένη. Αυτές οι μέθοδοι, ωστόσο, δεν μπορούν να ικανοποιήσουν τις ανάγκες της τρέχουσας υψηλής ταχύτητας ανάπτυξης της οικονομίας και της επιστημονικής έρευνας. Η υψομετρία (altimetry) λύει αποτελεσματικά αυτό το πρόβλημα, καθώς μπορεί να παρέχει παρατηρήσεις μεγάλης κλίμακας, σχεδόν συγχρονισμένες, υψηλής χωρικής και χρονικής διάρκειας. Οι υψομετρητές (altimeters) έχουν καταφέρει συνεχείς μετρήσεις ύψους κύματος για περισσότερα από 20 χρόνια. Επιπλέον, τα συγκεκριμένα δεδομένα έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως. Η αλλαγή από πειραματικούς σε επιχειρησιακούς δορυφόρους παρατήρησης ωκεανών ήταν σημαντική. Η λειτουργία του δορυφορικού υψομετρητή ωφελείται από τη συνεχή βελτίωση της ακρίβειας μέτρησης και των μεθόδων βαθμονόμησης και επικύρωσης. Με τη βελτίωση της ακρίβειας των παρατηρήσεων των υψομετρητών και των μεθόδων επεξεργασίας, τα δεδομένα που παράγονται έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε διάφορους τομείς, όπως η κυκλοφορία των ωκεανών, οι παλίρροια των ωκεανών, οι μεσαίες κλίμακες, τα ανοδικά ρεύματα, οι μετωπικές στροφές και η γεωδαιτική ισοπέδωση. Επιπλέον, η εφαρμογή των μετρήσεων υψόμετρου SWH σε αριθμητικά μοντέλα ωκεανού έχει αυξηθεί ιδιαίτερα. Τα δεδομένα SWH του υψομετρητή ταχύτητας παράδοσης ERS-2 (από τον Ιανουάριο του 1996) και του ENVISAT αφομοιώθηκαν σε μοντέλα αριθμητικών κυμάτων ECMWF. Ο θετικός αντίκτυπος της αφομοίωσης δεδομένων SWH των δορυφορικών υψομετρικών μετρητών σε μοντέλα αριθμητικών κυμάτων εκτιμήθηκε σε παράκτια και σε παγκόσμια κλίμακα. Τα δεδομένα ανωμαλίας ύψους θαλάσσιας επιφανείας (sea surface height anomaly-SSHA) μπορούν να εξομοιωθούν με το ωκεανικό μοντέλο του Princeton (Princeton Oceanic Model-POM), το οποίο βελτίωσε το δυναμικό ύψος της επιφάνειας της θάλασσας και τα αποτελέσματα του πεδίου βαθέων ρευμάτων στη Θάλασσα της Ανατολικής Κίνας. Τα συγχωνευμένα δεδομένα SWH από τους HY-2, Jason-1/2 και ENVISAT μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση των χαρακτηριστικών του SWH στις θάλασσες της Κίνας και τα παρακείμενα ύδατα. Η επιτυχία της αφομοίωσης δεδομένων πολλαπλών δορυφόρων σε παγκόσμια και περιφερειακή κλίμακα εξαρτάται από δύο βασικές συνθήκες. Η πρώτη είναι η βελτίωση της ακρίβειας των παρατηρήσεων του υψομετρητή και των μεθόδων επεξεργασίας δεδομένων. Η δεύτερη είναι ο προσδιορισμός της ακρίβειας και των σφαλμάτων των μετρήσεων SWH από διάφορους υψομετρητές. Τα σχέδια βαθμονόμησης και επικύρωσης συνήθως εκτελούνται μετά την εκκίνηση επιχειρησιακών δορυφορικών υψομετρητών. Με βάση αυτά τα σχέδια, αυτές οι μετρήσεις συντεταγμένων ύψους θαλάσσιας επιφανείας (SSH), SWH και αντίστροφης κατακρήμνισης, βαθμονομούνται και επικυρώνονται κατά τη διάρκεια ειδικών λειτουργιών φάσης ανάθεσης. Απαιτείται επομένως μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της ποιότητας των εκτιμώμενων γεωφυσικών παραμέτρων, καθώς οι ηλεκτρονικές μεταβολές των μετατοπίσεων και των αισθητήρων μπορούν να επηρεάσουν την ποιότητα των μετρήσεων. Τα αποτελέσματα της επικύρωσης των ανέμων και των κυμάτων ENVISAT RA-2 πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια της ESA RA-2 από την ομάδα διασταύρωσης βαθμονόμησης και επικύρωσης (cross-calibration and validation team-CCVT) κατά τη διάρκεια της φάσης έναρξης του ENVISAT, όπως και μετρήσεις SWH και ανέμου από ERS-1/2, TOPEX / POSEIDON και Jason-1/2, τα οποία αποτελούσαν αποτελέσματα μακροχρόνιας επικύρωσης. Από τότε που ξεκίνησε το HY-2, έχουν δημοσιευθεί αρκετά έργα που αξιολογούν την ακρίβεια του HY-2 SWH. Ορισμένα έργα επικεντρώθηκαν στην προκαταρκτική βαθμονόμηση του HY-2 SWH λίγο μετά την εκτόξευσή του. Ορισμένα έργα εστίασαν στη μέθοδο διόρθωσης του HY-2 SWH. Συμπεραίνεται ότι ο HY-2 τείνει να υπερεκτιμά τη χαμηλή στάθμη της θάλασσας και να υποτιμά τα ύψη των κυμάτων σε όλο το υπόλοιπο ύψος, ειδικά για την κατάσταση «υψηλής θάλασσας». Η συνολική αρνητική απόκλιση είναι 0,2 m και η RMS είναι 0,3 m. Όλες αυτές οι μελέτες χρησιμοποίησαν 50 χλμ. χωρική και ½ της ώρας χρονικό παράθυρο για συνεγκατάσταση, αλλά το σφάλμα που προκλήθηκε από το χωρικό παράθυρο δεν συζητήθηκε. Σε αυτή τη μελέτη, τα δεδομένα SWH της ζώνης Ku του HY-2 επικυρώθηκαν στα τα δεδομένα SWH από τον σημαντήρα NDBC και εγκρίθηκαν διαδοχικά από τα στοιχεία SWH της ζώνης Jason-2 Ku για μια μακροπρόθεσμη περίοδο. Ένας τύπος γραμμικής παλινδρόμησης παρασχέθηκε για να εξασφαλίσει ότι τα δεδομένα SWH από το HY-2A μπορούν να λειτουργούν με άλλα δεδομένα δορυφορικής υψομετρίας. Επιπλέον, η αβεβαιότητα των μετρήσεων HY-2 SWH υπολογίστηκε με συνεκτικές μετρήσεις NDBC SWH. Παρακάτω περιγράφονται οι μέθοδοι αντιστοίχισης δεδομένων, οι παράμετροι στατιστικών στοιχείων και η μέθοδος παλινδρόμησης που χρησιμοποιήθηκε.

Υλικό

Ο HY-2 ξεκίνησε από την Κίνα στις 16 Αυγούστου 2011. Πετάει σε υψόμετρο 971 χιλιόμετρα και γωνία κλίσης τροχιάς 99,34 μοιρών, μια γωνία που επιτρέπει την μέτρηση πιο κοντά στους πόλους. Τα φορτία τηλεπισκόπησης περιλαμβάνουν ένα μικροσκοπικό σκεδομετρητή, ένα υψομετρικό ραντάρ, ένα ραδιόμετρο μικροκυμάτων σάρωσης και ένα ραδιόμετρο μικροκυμάτων τριών συχνοτήτων. Ο υψομετρητής ραντάρ χρησιμοποιείται για την ανίχνευση του ύψους της επιφάνειας της θάλασσας (SSH), του SWH και της ταχύτητας ανέμου της επιφάνειας της θάλασσας (SSW). Σε αυτή την εργασία, τα δεδομένα HY-2 SWH είναι προϊόντα Level 2 IGDR (αρχείο προσωρινών γεωφυσικών δεδομένων) που διανέμονται από την National Satellite Ocean Application Service (NSOAS), της Κρατικής Διοίκησης Ωκεανών της Κίνας. Τα δεδομένα IGDR περιλαμβάνουν κυρίως τα SWH, SSH, SSW και τις σχετικές παραμέτρους διόρθωσης, οι οποίες χρησιμοποιήθηκαν κατά κύριο λόγο για τον υπολογισμό του SSH. Πάνω από 4 έτη δεδομένων HY-2 IGDR (Κύκλος 1 έως Κύκλος 110, από 1 Οκτωβρίου 2011 έως 19 Δεκεμβρίου 2015) χρησιμοποιούνται εδώ. Κατά τη διάρκεια του κύκλου 40, ο δορυφόρος HY-2 αλλάζει τον αισθητήρα ύψους του από τον κύριο (Alt-A) στον εφεδρικό (Alt-B). Στη συνέχεια, υπάρχουν μόνο 65 δεδομένα περάσματος στον Κύκλο 40 (από το Pass 1 στο Pass 61) και μόνο 305 δεδομένα στον Κύκλο 41 (από το Pass 81 στο Pass 386). Για να επικυρωθούν τα δεδομένα SWH της ζώνης Ku του HY-2, συλλέχθηκαν τα δεδομένα από τον Jason-2 για σύγκριση. Ο Jason-2 ανέλαβε και συνέχισε τις αποστολές TOPEX / Poseidon και Jason-1 το 2008, σε συνεργασία με τις εταιρείες CNES, Eumetsat, NASA και NOAA. Το Jason-2 έχει γωνία κλίσης τροχιάς 66,04 °, έτσι όλες οι συγκρίσεις εντοπίζονται από 66,04°N έως 66,04°S. Στην παρούσα εργασία, τα δεδομένα Jason-2 SWH είναι προϊόντα επιπέδου 2 GDR (καταγραφή γεωφυσικών δεδομένων) που διανέμονται από το CNES -AVISO. Τα δεδομένα ύψους του Jason-2 συλλέγονται από τον Κύκλο 119 έως τον Κύκλο 268, ένα χρονικό εύρος που είναι σχεδόν το ίδιο με αυτό των δεδομένων του HY-2 που αναφέρθηκαν παραπάνω. Για τα δεδομένα και των δύο, HY-2 και Jason-2, χρησιμοποιούνται οι μετρήσεις της ζώνης Ku SWH. Τα δεδομένα του σημαντήρα θεωρούνται γενικά ότι είναι υψηλής ποιότητας και έχουν χρησιμοποιηθεί για την επικύρωση των δεδομένων SWH. Τα δεδομένα σημαντήρα που χρησιμοποιούνται εδώ θεωρούνται ως "αληθή", δηλαδή κάθε σφάλμα είναι αμελητέο. Τα δεδομένα SWH του σημαντήρα αποκτώνται από το Εθνικό Κέντρο Κυκλοφορίας Δεδομένων των ΗΠΑ (NDBC), το οποίο παρείχε η NOAA, από τον Οκτώβριο του 2011 έως τις 19 Δεκεμβρίου 2015.

Μεθοδολογία

Χρησιμοποιώντας ένα χωρικό - χρονικό παράθυρο, δημιουργείται το σύνολο δεδομένων συνεγκατάστασης για την υψομετρική επικύρωση SWH. Το πεδίο των ωκεάνιων κυμάτων ποικίλει χρονικά και χωρικά. Οι μετρήσεις λαμβάνονται σχετικά με τη χρονική μεταβολή του πεδίου κύματος σε μια σταθερή θέση σημαντήρα, ενώ οι μετρήσεις του υψομέτρου λαμβάνονται κατά τη χωρική μεταβολή του πεδίου κύματος στο πέρας του χρόνου. Επομένως, η επιλογή χωροχρονικού παραθύρου διαδραματίζει βασικό ρόλο στην επικύρωση SWH, γεγονός που μπορεί να επηρεάσει την τελική ακρίβεια του SWH. Τα κριτήρια συνεγκατάστασης των 30 λεπτών για το χρονικό παράθυρο και τα 50 χλμ. για το χωρικό παράθυρο έχουν υιοθετηθεί ευρέως από το 1988. Η επικύρωση των μετρήσεων T / P, ENVISAT, Jason-1 και Jason-2 SWH χρησιμοποίησε επίσης αυτά τα κριτήρια. Σε αυτή την εργασία, το χωροχρονικό παράθυρο είναι το ίδιο παράθυρο που χρησιμοποιείται για τη σύγκριση της ακρίβειας του υψομετρητή HY-2 με αυτό των NDBC και Jason-2 στην περιοχή SWH των 0,5-11 m. Για τις συγκρίσεις NDBC, τα συνεγκατεστημένα δεδομένα επιλέγονται όταν η απόσταση προσέγγισης του τροχού εδάφους του υψομέτρου είναι μικρότερη από 50 km, εντός χρονικού πλαισίου 0,5 ωρών. Για τα δεδομένα εναλλασσόμενου ραντάρ εκτιμάται ότι η απόσταση μεταξύ του υψομετρητή και του σημαντήρα είναι μικρότερη από 50 χιλιόμετρα και επίσης λαμβάνεται ο μέσος όρος των δεδομένων του υψομετρητή. Για διασταυρούμενες συγκρίσεις υψομέτρου, επιλέγονται ζεύγη δορυφορικών δεδομένων όταν το χρονικό παράθυρο επιλέγεται ως 0.5 ώρα και 50 χλμ. σε κάθε πλευρά του σημείου διέλευσης, προκειμένου να φιλτράρονται οι επιπτώσεις μεταβλητότητας χρόνου και χώρου. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται ως διαγράμματα διασποράς καθώς επίσης και σε πίνακες, παρέχοντας τον αριθμό των δεδομένων που αναλύθηκαν, τη μέση τιμή μεροληψίας, το RMS του HY-2 SWH και άλλου ύψους ή δείκτη SWH, την κλίση και την παρακέντηση της γραμμικής παλινδρόμησης μεταξύ των HY-2 SWH (άξονας x) και άλλες μετρήσεις (άξονας y). Δεδομένου ότι τα δεδομένα σημαντήρα/Jason-2 SWH αντιμετωπίζονται ως αληθή, η παλινδρόμηση των δεδομένων του υψομετρητή στα δεδομένα σημαντήρα/Jason-2 είναι μια καλή επιλογή όσον αφορά τα δεδομένα του υψόμετρου HY-2 ως εξαρτημένη μεταβλητή και τα δεδομένα των σημαντήρων/Jason-2 ως ανεξάρτητη μεταβλητή. Η κλίση και η παρεμπόδιση μπορούν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν για την άμεση διόρθωση του HY-2 SWH (το διορθωμένο SWH ισούται με την κλίση πολλαπλασιασμένη με τη μέτρηση συν την παρεμπόδιση).

Επικύρωση με NDBC

Υπάρχουν περισσότεροι από 300 σημαντήρες NDBC, οι οποίοι μπορούν να παρέχουν δεδομένα για τα ωκεάνια κύματα, αλλά κυρίως κοντά στην ακτή. Έτσι, χρησιμοποιήσαμε αρχικά το εύρος τιμών απόστασης μεταξύ των σημαντήρων και των ακτών για να φιλτράρουμε τους σημαντήρες NDBC. Εκτός από σημαντήρες που είναι πολύ κοντά στην ακτή, οι σημαντήρες που κυμαίνονται σε απόσταση άνω των 50 χιλιομέτρων δεν χρησιμοποιήθηκαν. Στην συνέχεια, με τη χρήση της μεθόδου παραθύρου χωροχρόνου που αναφέρεται στην παραπάνω ενότητα, επιτεύχθηκε η εγκατάσταση σημαντήρων NDBC. Τελικά τοποθετήθηκαν 50 σημαντήρες NDBC, οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επικύρωση των προϊόντων HY-2 SWH. Οι θέσεις των 50 σημαντήρων παρουσιάζονται στο Σχήμα 1.

Σχήμα 1:Χάρτης των εγκατεστημένων σημαντήρων του NDBC.

Ο αριθμός των εγκατεστημένων δεδομένων είναι 4838 για τις συγκρίσεις NDBC εντός του χρονικού παραθύρου των 0,5 h και του χωρικού παραθύρου 50 km. Η ακρίβεια του HY-2 SWH παρουσιάζεται στο Σχήμα 2, στο Σχήμα 3 και στο Σχήμα 4 και τα στατιστικά αποτελέσματα δίδονται στον Πίνακα 1, Γραμμή 2. Σε σύγκριση με τους σημαντήρες NDBC SWH, τα αποτελέσματα HY-2 SWH δίνουν χαμηλότερες τιμές όσον αφορά ολική θαλάσσια κατάσταση, ενώ δίνουν υψηλότερες τιμές όταν η κατάσταση της θάλασσας είναι πιο ήπια.

Σχήμα 2:Η συστηματική απόκλιση, συγκριτικά μεταξύ των αποτελεσμάτων HY-2 SWH και NDBC SWH.

Σχήμα 3:Η μέση τετραγωνική ρίζα (RMS) του HY-2 SWH έναντι του NDBC SWH. Η κόκκινη γραμμή είναι το RMS του HY-2 SWH έναντι του NDBC SWH και η μπλε γραμμή είναι το RMS του διορθωμένου HY-2 SWH έναντι του NDBC SWH.

Σχήμα 4:Διάγραμμα διασποράς του HY-2 SWH έναντι NDBC SWH.

Πίνακας 1:Στατιστικά αποτελέσματα για συγκρίσεις υψομετρητή και σημαντήρα SWH: απόκλιση, τετραγωνικές ρίζες, γραμμική παλινδρόμηση, κλίση και παρεμπόδιση.

Η μέση τιμή των διαφορών είναι -0.10 m με 0.33 m RMS και 0.30 διορθωμένη RMS (RMS-C). Χρησιμοποιώντας μια προσαρμογή γραμμικής παλινδρόμησης, ο τύπος γραμμικής παλινδρόμησης είναι hs, NDBC = 1.070 × hs, HY-2 - 0.0278. Η γραμμική παλινδρόμηση που διορθώθηκε HY-2 SWH έναντι NDBC SWH παρουσιάζεται στον Πίνακα 1, Γραμμή 2, και το RMS από 0,33 έως 0,30 m. Τα αποτελέσματα της διόρθωσης δείχνουν ότι ο τύπος γραμμικής παλινδρόμησης είναι χρήσιμος για την αύξηση της ακρίβειας των δεδομένων SWH του υψομετρητή HY-2.

Επικύρωση με JASON-2

Ο αριθμός των εγκατεστημένων δεδομένων είναι 8716 για τις συγκρίσεις Jason-2 SWH (όπως φαίνεται στο σχήμα 5) μέσα στο χρονικό παράθυρο των 0,5 h και το χωρικό 50 km στην περιοχή SWH 0,5-11 m.

Σχήμα 5:Χάρτης των σημείων διέλευσης του HY-2 έναντι των σημείων διέλευσης του Jason-2.

Η ακρίβεια του HY-2 SWH φαίνεται στο Σχήμα 6, στο Σχήμα 7 και στο Σχήμα 8 και τα στατιστικά αποτελέσματα δίδονται στον Πίνακα 1, Γραμμή 3. Σε σύγκριση με τα δεδομένα Jason-2 SWH, η μέση τιμή των διαφορών είναι -0,21 m, με 0,42 m RMS και διορθωμένο RMS 0,36 m. Χρησιμοποιώντας μια προσαρμογή γραμμικής παλινδρόμησης, ο τύπος γραμμικής παλινδρόμησης είναι hs, J2 = 1.030 χ hs, ΗΥ-2 + 0.1280, όπου hs, J2 είναι Jason-2 SWH. Η γραμμική παλινδρόμηση που διορθώθηκε HY-2 SWH έναντι Jason-2 SWH παρουσιάζεται στον Πίνακα 1, Γραμμή 5, και το RMS μειώνεται στα 0,36 m.

Σχήμα 6:Η συστηματική απόκλιση, συγκριτικά μεταξύ των αποτελεσμάτων HY-2 SWH και Jason-2 SWH.

Σχήμα 7:Η μέση τετραγωνική ρίζα (RMS) του HY-2 SWH έναντι του Jason-2 SWH. Η κόκκινη γραμμή είναι το RMS του HY-2 SWH έναντι του Jason-2 SWH και η μπλε γραμμή είναι το RMS του διορθωμένου HY-2 SWH έναντι του Jason-2 SWH.

Σχήμα 8:Διάγραμμα διασποράς του HY-2 SWH έναντι Jason-2 SWH.

Συμπεράσματα

Χρησιμοποιώντας δεδομένα NDBC και δεδομένα Jason-2, επικυρώθηκε η ακρίβεια των μετρήσεων HY-2 SWH. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα ανεπεξέργαστα δεδομένα HY-2 SWH έχουν ακρίβεια παρόμοια με αυτή των διεθνών λειτουργικών δεδομένων Jason-1/2 SWH. Χρησιμοποιώντας έναν τύπο γραμμικής παλινδρόμησης, η ακρίβεια του διορθωμένου HY-2 SWH είναι προφανώς βελτιωμένη, υποδεικνύοντας τη σκοπιμότητα χρήσης μιας γραμμικής παλινδρομικής φόρμουλας για τη διόρθωση του HY-2 SWH. Η τιμή του HY-2 SWH είναι υψηλότερη στην κατάσταση χαμηλής στάθμης της θάλασσας και χαμηλότερη σε ολική κατάσταση της θάλασσας. Χρησιμοποιώντας ανάλυση προϋπολογισμού σφάλματος, η ακρίβεια του HY-2 SWH είναι 0,17 ± 0,04 m, η οποία αξιολόγησε την αβεβαιότητα αφού διορθώθηκε με μετρήσεις NDBC. Η ακρίβεια του HY-2 SWH δεν έχει σημαντική διαφορά ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος σε ολικές θαλάσσιες καταστάσεις, αλλά στη μέση κυματική κατάσταση της θάλασσας, η τιμή RMS του HY-2 SWH αυξάνεται με το γεωγραφικό πλάτος από νότο προς βορρά.

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]