[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过北欧波罗的海的现场波浪测量验证了多任务雷达高度计数据，通过剔除高后向散射、靠近陆地及结冰条件的数据，识别出可靠的卫星数据子集。验证后的高度计数据与现场有效波高（SWH）表现出极佳的一致性（RMSD：0.23–0.37 m，偏差：±0.23 m），其中CRYOSAT-2、ERS-2、JASON-1/2和SARAL的偏差低于0.06 m，而GEOSAT第一阶段数据由于存在不一致性仍未通过验证。

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.

研究动机与目标

• 评估十种在轨雷达高度计卫星在波罗的海区域的显著波高（SWH）数据的可靠性。
• 基于后向散射、靠近陆地程度和冰的存在性，识别并剔除不可靠的雷达高度计测量值。
• 评估卫星数据对之间的时间同质性与漂移，以支持长期波浪气候分析。
• 将SARAL卫星任务的表现与现场观测及其他先前任务进行验证。
• 提供一个稳健、经过验证的雷达高度计数据子集，适用于波罗的海长期波浪气候研究。

提出的方法

• 将十种卫星任务的SWH与波罗的海区域的现场浮标和声学测深仪测量数据进行交叉验证。
• 应用过滤标准：后向散射 >13.5 dB，归一化标准误差 >0.5 m，以及质心到陆地距离 <0.2°。
• 利用冰标志数据评估冰浓度对SWH精度的影响，设定10%、30%和50%的冰覆盖阈值。
• 计算每种卫星任务的雷达高度计SWH与现场SWH之间的均方根差（RMSD）和偏差。
• 通过时间序列分析评估卫星对之间的时间一致性（例如，ENVISAT/JASON-1，SARAL/JASON-2）。
• 从SARAL生成高分辨率SWH数据集，并与现场数据及先前的卫星数据流进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于现场验证，哪些雷达高度计数据子集适用于波罗的海的波浪气候研究？
• RQ2 后向散射、靠近陆地程度和冰的存在性如何影响卫星反演SWH的精度？
• RQ3 不同卫星对之间的SWH时间序列在时间稳定性与同质性方面如何？
• RQ4 SARAL卫星任务的表现与先前任务及现场测量相比如何？
• RQ5 为何尽管GEOSAT第一阶段数据属于多任务雷达高度计数据集，却仍未通过验证？

主要发现

• 后向散射 >13.5 dB、RMSD误差 >0.5 m 或陆地距离 <0.2°的卫星测量值被认为不适合用于SWH估算。
• 冰的存在从10%的冰浓度开始即影响SWH数据，且在 >30% 冰覆盖时出现显著退化。
• 经过验证的雷达高度计数据与现场测量相比，其均方根差（RMSD）为0.23–0.37 m，偏差为±0.23 m。
• CRYOSAT-2、ERS-2、JASON-1/2 和 SARAL 的偏差低于 0.06 m，表明其具有高精度和一致性。
• 在多组卫星对之间（如 ENVISAT/JASON-1、SARAL/JASON-2、ERS-1/TOPEX）观察到显著的时间漂移，表明时间序列非同质。
• SARAL 卫星数据集与现场观测及其他先前任务的数据高度一致，证实其适用于长期波浪气候分析。