[論文レビュー] Validation of the multi-mission altimeter data for the Baltic Sea region

N. A. Kudryavtseva, Tarmo Soomere|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2016

Ocean Waves and Remote Sensing被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、バルト海における地上波浪測定と比較して、複数ミッションのレーダー高度計データを検証し、高バックプロセス、陸上に近接する、および氷の存在する状態を除外することで、信頼性の高い衛星データのサブセットを同定した。検証済み高度計データと地上観測波浪高（SWH）との間に優れた一致が得られ、RMSDは0.23–0.37 m、バイアスは±0.23 mであった。CRYOSAT-2、ERS-2、JASON-1/2、SARALはバイアスが0.06 m未満であり、良好な性能を示したが、GEOSAT Phase 1のデータは一貫性の欠如のため、未検証のまま残っている。

ABSTRACT

We present a complete cross-validation of Significant Wave Heights (SWH) extracted from altimetry data from all ten existing satellites with available in situ (buoy and echosounder) wave measurements for the Baltic Sea basin. The main purpose is to select an adequate altimetry data subset for a subsequent evaluation of the wave climate. The satellite measurements with the backscatter coefficients >13.5, errors in the SWH normalized standard deviation >0.5 m and snapshots with centroids closer than 0.2 degrees to the land are not reliable. The ice flag usually denotes the ice concentration of >50%. The presence of ice affects the SWH data starting from concentrations 10%, but substantial effects are only evident for concentrations >30%. The altimetry data selected based on these criteria have very good correspondence with in situ data, except for GEOSAT Phase 1 data (1985-1989) that could not be validated. The root-mean-square difference and bias of altimetry and in situ data are in the range of 0.23-0.37 and +-0.23 m, respectively. The bias for CRYOSAT-2, ERS-2, JASON-1/2 and SARAL is below 0.06 m. The SWH time series from several satellite pairs (ENVISAT/JASON-1, SARAL/JASON-2, ERS-1/TOPEX) exhibit substantial mutual temporal drift and part of them evidently are not homogeneous in time. A new high-resolution SWH data set from the SARAL satellite reveals a very good correspondence with the in-situ data and with the data stream from previous satellites.

研究の動機と目的

• 10機の運用高度計衛星から得られる波浪高（SWH）データのバルト海地域における信頼性を評価すること。
• バックプロセス、陸上に近接する場所、および氷の存在に基づいて、信頼性の低い高度計測定値を同定・除外すること。
• 長期間の波浪気候分析のため、衛星データ同士の時間的均質性とドリフトを評価すること。
• SARAL衛星ミッションの性能を地上観測と比較して検証すること。
• バルト海における長期間の波浪気候研究に適した、信頼性の高い高度計データのサブセットを提供すること。

提案手法

• バルト海全域における地上ブイおよびエコゾンダ測定と比較して、10機の衛星ミッションから得られるSWHを相互に検証する。
• フィルタリング基準の適用：バックプロセス >13.5 dB、標準誤差の正規化値 >0.5 m、陸上からの重心距離 <0.2°。
• 氷フラグデータを用いて、氷濃度がSWH精度に与える影響を評価し、10%、30%、50%の閾値を設定した。
• 各衛星ミッションについて、高度計SWHと地上SWHとの間で、平均二乗誤差（RMSD）とバイアスを計算した。
• 時間系列解析を用いて、衛星ペア（例：ENVISAT/JASON-1、SARAL/JASON-2）間の時間的整合性を評価した。
• SARALから高解像度のSWHデータセットを構築し、地上観測および過去の衛星データストリームと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上観測による検証に基づき、バルト海における波浪気候研究に適した高度計データサブセットはどれか？
• RQ2 バックプロセス、陸上に近接する場所、氷の存在が、衛星由来SWHの精度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 異なる衛星ペア間でのSWH時間系列の時間的安定性と均質性はいかほどか？
• RQ4 SARAL衛星ミッションの性能は、過去のミッションおよび地上観測と比較してどの程度か？
• RQ5 GEOSAT Phase 1のデータは、複数ミッション高度計データセットに含まれているにもかかわらず、なぜ検証されていないのか？

主な発見

• バックプロセス >13.5 dB、RMSD誤差 >0.5 m、または陸上からの距離 <0.2°の衛星測定値は、SWH推定に不適切とされた。
• 氷の存在は10%の濃度からSWHデータの精度に影響を及ぼし、30%以上の濃度では顕著な劣化が認められた。
• 検証済み高度計データは、地上観測と比較して、平均二乗誤差（RMSD）が0.23–0.37 m、バイアスが±0.23 mの良好な一致を示した。
• CRYOSAT-2、ERS-2、JASON-1/2、SARALはバイアスが0.06 m未満であり、高い精度と一貫性を示した。
• 複数の衛星ペア（例：ENVISAT/JASON-1、SARAL/JASON-2、ERS-1/TOPEX）間で顕著な時間的ドリフトが観察され、時間系列が非均質であることが示された。
• SARAL衛星データセットは、地上観測および過去の衛星データと優れた一致を示し、長期間の波浪気候分析に信頼性があることを確認した。