利用TOPEX_Poseidon卫星高度计资料提取黄海_东海潮汐信息的研究

利用TOPEX_Poseidon卫星高度计资料提取黄海_东海潮汐信息的研究

第33卷　第4期

2002年7月

海　洋　与　湖　沼

OCEANOLOGIAETLIMNOLOGIASINICA

Vol.33,No.4July,200　2

利用TOPEX/Poseidon卫星高度计资料

提取黄海、

东海潮汐信息的研究3

董晓军　马继瑞 　　

(　　上海　200030)

　天津　300171)

提要　,对1993—1999年期间的TOPEX/Poseidon测高数据进行了质量控制和共线平差处理。在此基础上,在黄海、东海选取了1738个测高点,用最小二乘拟合法计算出12个分潮的调和常数。计算得出的M2和m1分潮的调和常数,在交叉点评估的内符精度振幅分别为214cm和018cm,迟角分别为213°和

215°。测高点与附近验潮站的这两个分潮结果相比,振幅的均方根误差小于4cm,而迟角相差

较大。这可能与验潮站的地理环境因素有关。用卫星测高数据算得的调和常数绘制的主要分潮特性图与现有常规观测得到的相应图进行了比较,在外海深水区两者符合较好;近岸由于卫星测高误差较大,所以两者符合差。

关键词　　潮汐,卫星高度计,TOPEX/Poseidon,黄海,东海中图分类号　　P731123　

从20世纪70年代起,海洋卫星测高技术的发展推动了广阔海洋的潮汐研究,特别是

1992年发射升空的TOPEX/Poseidon(简称T/P)卫星测量海面高度的综合精度达到5cm左右,明显好于其它的测高卫星(Cheney,1995),到目前为止它已经进行了7

年多的成功观测,其数据应用于物理海洋学研究(王海瑛等,1999;王东晓等,2001),包括对全球海潮模型的研究已取得丰硕成果(Cheney,1995;Shumetal,1997)。本研究首次利用该卫星,从1993年1月初开始到1999年6月底(时间跨度为615年)在黄海和东海可用的全部测高数据探讨分析潮汐调和常数的有关方法,计算黄海、东海卫星沿轨迹各测高点的主要分潮调和常数,评估在黄海、东海计算出的潮汐调和常数的结果。由于渤海地区的卫星测高资料稀少,故不包括在本文的研究范围内。

1　卫星测高资料的处理

111　海面高度的计算

本研究使用的T/P卫星测高数据是由法国空间研究中心(CNES)和美国加州工学院喷气推进实验室(PODAAE)提供的综合地球物理数据记录(MGDR)。根据卫星的精密星

3国家“九五”攀登项目,C95204205号;国家自然科学基金资助项目,49876001号。董晓军,男,出生于1969年6月,博士,助理研究员,E2mail:jrma@2631net

收稿日期:2000202227,收修改稿日期:2001204210

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4期董晓军等:利用TOPEX/Poseidon卫星高度计资料提取黄海、东海潮汐信息的研究　387

历和参考面模型(可选择为参考椭球面、大地水准面或平均海平面)可以计算出瞬时海面

相对于参考面的高度。本文采用相对于大地水准面的海面高度计算公式为:

ξ(t,λ,θ)=hsat-halt+Δh-N(λ,θ)(1)式中,λ,θ分别为t时刻卫星在参考椭球体上的星下点的经纬度;hsat为卫星到参考椭球

的距离;halt为卫星到海面的测高观测值;Δh(包括仪器改正、海况改正、大气对流层和电离层延迟、、)反变气压计效应改正);N(λ,θ112　)

1外,还增加了测高海面高度相对。另外,卫星飞行过程中,特别是当从陆地进入海洋上空时,,这时,计算得到的相对于平均海平面模型的海面高度会出现很大的异常,有时达到几十米,本文以不超过3m的标准控制这种高度计异常现象。一般

情况下根据上述这些标准剔除的数据量不到4%2)。113　共线法内插

T/P卫星采用精确重复轨道,卫星在不同的重复周期(cycle)飞行时,相同PASS(从赤道起算卫星绕地球飞行半圈)编号的地面轨迹之差一般不超过1km(图1)。但不同周期的

ikj

星下点(如Pkn与Pm和Pn与Pm)在沿轨迹方向上相差最大可能达到一个观测间隔的飞行距离(为6km左右)。共线法内插就是对于特定的PASS,将所有周期的观测数据都内插到特定的参考轨迹上,从而减小由于星下点在沿迹方向上的差异引起的海面高度误差。作为内插的第一步,首先需要选择一个标准周期。该周期内的观测数据应该比较多,以避免在内插时损失较多的数据。本文选择的是第91个周期。

i

如图1所示,对于特定的PASS,定义第M个周期的第i个观测为Pm,则参考轨迹上的第N个周期的第k个参考点Pkn在第M个周期上的对应的内插点至少有三个:相同纬度点A、相同经度点B和在第M个周期相应轨迹上的投影点C。在图1所示的小区域内,

),其中,λ可以将球面近似为平面处理。设A点的地理经纬度为(λ+λ0,θ0为轨迹升交点λ,θ+Δθ)。根据球面天文公式,得到Pk的地理经度;B点的地理经纬度为(λ+λ0+Δn点

到A、B、C三点的距离分别为:

k

θΔλPnA=Rcos

ΔθPnB=R

PnC=

kk

(2)

22

Δλθ2θ +Δ

式中,R为地球半径。

以轨迹间距为单位,将点PkB、C三点的距离系数绘于图2。从图2可以看出,n到A、

k

在中、低纬度,以纬度为自变量内插时的PknB(图2点划线)与垂直内插时的PnC(图2实线)较为接近,相差不超过10

%。当纬度接近轨道倾角时其误差快速增加,直至产生奇

1)　AVISO,19961AVISOuserhandbook:MergedTOPEX/Poseidonproducts1AVI2NT20221012CN

2)　董晓军,19991TOPEX卫星精密定轨及测高资料分析研究1博士论文,中国科学院上海天文台

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点。而以经度为自变量内插时,PknA(图2虚线)随纬度的增加而减小,但与纬度内插相比,一般情况下距离较大,但不存在奇点。本文采用了垂直内插方法。

在卫星的测高过程中,测高值和TOPEX双频高度计测得的高电离层改正都存在高频误差,本文使用5点滑动平均的方法以减小高频误差

。

图1　共线法内插原理图

Fig11　Interpolationprincipleofco2linearmethod

k

A为与Pkn相同纬度点,B为与Pn相同经度点,

图2　内插点到参考点的距离系数

Fig12　Thedistancefactorsbetween

interpolation

piontsandreferrencepiont---Pk-PknA;　- nB;PknC

C为Pkn

的投影点

2　潮汐调和分析

通过共线平差处理,得到了参考点处的海面高度时间序列。对该序列进行调和分析(方国洪等,1986)可计算出参考点处潮汐调和常数。本文考虑了12个主要分潮:O1、K1、

P1、Q1、M2、S2、K2、N2、M4、M6、MS4和周年分潮Sa。由于K1分潮的混淆周期为17312

天,与半年周期相差较小,根据谱分析原理,分离这两个谱峰需要9年的观测数据,因此作者在研究中没有分析半年周期的变化,使用分潮数的多少可能影响调和分析结果。

3　用交叉点评估卫星测高潮汐调和分析的计算精度

利用交叉点(卫星测高升降弧段地面轨迹相交处)1)处升降弧上调和常数之差可以评估调和常数的精度。在黄海、东海海区内共有10个交叉点,这10个交叉点处的调和常数差见表1。这里用m1分潮(O1分潮和K1分潮的平均值)作为全日潮的分潮(赵保仁等,1994)。对于卫星测高,可以使用交叉点残差的2来表示变量的内符精度。据此,可以

得到M2和m1分潮的振幅精度分别为214cm和018cm,迟角精度分别为213°和215°。

表1　交叉点处的调和常数差

Tab.1　Thedifferencesoftheharmonicconstantsoncrossoverpoints

升弧段编号

24062

降弧段编号

51153

N

交叉点位置

E121°53′120°27′

ΔHM2

(cm)-713514

ΔgM2

(°)118616

ΔHm1

(cm)015-015

Δgm1

(°)

017-519

26°52′34°47′

1)　ZhangBH,19861Geosat/ERMaltimeterdataanalysisfordeterminationofglobaloceanicmesoscalevariability1Doctoraldis2sertation.TheUniversityofTexas

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续表

升弧段编号

6262138138138138214214

降弧段编号

5112722951127127203

N

交叉点位置

E123°19′124°44′123°18′124°44′127°35′128°59′

ΔHM2

(cm)114-118-1182103019-216314

ΔgM2

(°)-211-215-410-410-1010-214-011312

ΔHm1

(cm)-017-11401121-111-018213112

Δgm1

(°)

018-012-018016-110511115-716316

29°44′26°55′34°49′32°22′29°41′32′29°44′RMS

4　主要分潮的结果比较

411　和验潮站的结果比较

在琉球群岛周围,从历史资料中选择了13个海岛验潮站。利用这些验潮站的常规观测结果与T/P卫星测得距验潮站最近的点分析得到的调和常数进行比较,其差值列于表

2中。从该表可见,振幅的差异较小,而迟角相差较大。为此,进一步对那霸(Naha)和宫古(Gonggu)两个站进行了分析。对于那霸站,表2中的测高点位于该验潮站的南方,而距该站北方最近的测高点与实测结果相比,M2的振幅相差为-018cm,迟角相差为019度,南北两测高点距验潮站的距离基本一致,可见,北方较南方点的比较结果有了明显的改进。进一步查看该站的地理位置,该验潮站处于岛屿的北侧且海湾开口向北,其潮波与开阔洋面的潮波传播方向有较大差异,因此造成了上述现象。另一个迟角相差较大的验潮站宫古也有类似的情况。因此,可以认为造成验潮站与测高计算的迟角相差较大的原因可能是验潮站与测高点的位置差异以及验潮站物理背景与周围海域环境的差异;另外的原因是在岛屿附近,测高点数据不连续,数据平滑处理的结果不如开阔洋面的相应结果。

表2　测高计算的调和常数与验潮站比较结果

Tab12　Thecomparisonoftheharmonicconstantscalculatedfromgaugesandaltimeterdata

验潮站名绿华山黄尾屿与那国岛宫古石垣仪闾

N　　　　E

30°49′25°56′24°25′24°48′24°20′26°20′

122°36′123°41′123°00′125°18′124°10′126°44′

N　　　　E

30°22′25°44′24°11′24°57′24°37′25°28′

122°58′124°10′123°28′125°38′123°40′126°53′

两者距离

(km)601654115313371960169718

ΔHM

2

ΔgM

2

ΔHm

1

Δgm

1

(cm)-710319418010-118-213

(°)-1817-1710-212-2317515-816

(cm)018-114-013211-216-019

(°)1017017111-2011-416119

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390　海　　洋　　与　　湖　　沼33卷

续表

验潮站名甄岛中之岛宝岛笠利湾伊平星岛座间味那霸

N　　　　E

31°51′29°50′29°09′28°27′27°03′26129°51′129°51′129°12′129°39′127°58′°40RMS

N　　　　E

31°30′30°05′29°25′28°45′°08′26°25°53′

129°55′129°10′129°08′129°28128°02′

两者距离

(km)391471191410135218

ΔHM2

(cm)-410018412-4181-014-316318

ΔgM2

(°)-9141115-34510414-17111019

ΔHm1

(cm)-4163101144-016015112210

Δgm1

(°)-014416-617-414-419-711-711714

412　和现有潮汐分潮特性图比较

图3为用T/P沿迹测高点数据算得的调和常数绘制的主要分潮等振幅线和等迟角线

图,与现有相应的潮汐分潮特性图(海洋水文图集编辑委员会,1992;Fang,1986)比较可见,37°N以南外海深水区两者符合较好;由卫星测高得出的潮汐特性图在近海也可看出无潮点的大致位置;在沿岸和37°N以北的浅水区符合较差。在外海深水区,常规观测点较少,且连续观测时间短,而卫星观测点多,且精度较高;近岸常规观测点较多,且精度较高,而卫星观测点较疏(在此海区轨迹间隔约200km,沿轨迹点间隔约6km),且近岸由于潮汐特性复杂,卫星测高误差较大。由此可见,若将两种资料结合起来使用,在外海卫星测高数据将对常规观测是一个很好的补充。

5　结果与讨论

对T/P卫星资料进行质量控制和共线平差后,在黄海、东海通过调和分析得到1738个点的M2、m1等主要分潮的调和常数,可以得出以下结论。511　共线平差采用了垂直内插法,较选用以经度或纬度为自变量的内插在理论上更为合理。512　T/P卫星测高交叉点处调和分析评估内符精度:M2和m1分潮的调和常数振幅分别为214cm和018cm,迟角分别为213°和215°。513　由T/P得到的潮汐调和常数与验潮站比较,振幅符合较好,而迟角相差较大,其原因

可能与比较使用的验潮站的地理环境有关。514　T/P卫星测高在黄海、东海外海确定的潮汐调和常数与验潮站符合较好,利用卫星测高资料可以有效地改进潮汐的研究工作。515　由T/P卫星测高得到的主要分潮特性图,在黄海、东海深水区与现有常规观测得到的相应结果符合较好,近岸两者符合较差,若将两种结果结合起来使用,在黄海、东海可以得出较理想的结果。

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4期董晓军等:利用TOPEX/Poseidon卫星高度计资料提取黄海、东海潮汐信息的研究　

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参　考　文　献

王海瑛,陆洋,许厚泽等,19991利用T/P卫星测高资料构造中国近海及邻域平均海平面和海面地形1海洋与湖沼,30

(4):403—409

王东晓,施平,扬昆等,20011南海TOPEX海面高度资料的混合同化试验1海洋与湖沼,32(1):101-109方国洪,郑文振,陈宗镛,19861潮汐和潮流的分析和预报1北京:海洋出版社,58-60赵保仁,方国洪,曹德明,19941渤、黄、东海潮汐潮流的数值模拟1(5),1-海洋水文图集编辑委员会,19921渤海、黄海、东海海洋图集(水文)-CheneyRE,19951TOPEX/Poseidon:Scientific1()-FangGuohong,19861Tidefortheto1ChinJOceanolLimnol,4(1):1-16ShumCO,1997assessmentofrecentoceantidemodels1JGeophysRes,102(C11):

TIDALINFORMATIONOFTHEYELLOWANDEASTCHINASEAS

FROMTOPEX/POSEIDONSATELLITEALTIMETRICDATA

DONGXiao2Jun,MAJi2Rui0,HUANGCheng,FANZhen2Hua0

HANGui2Jun0,XUChong2Jin0

(ShanghaiAstronomicalObservatory,TheChineseAcademyofSciences,NationalAstronomicalObservatoryCenter,

TheChineseAcademyofSciences,Shanghai,200030)

(NationalMarineDataandInformationService,Tianjin,300171)

Abstract　　ToanalyzethetidalcharacteristicsoftheYellowandEastChinaSeasbyusingaltimetricdata,qualitycon2trolwascarriedoutforallTOPEX/PoseidonSetellitealtimetricdatafromJan11993toJun11999,andprojectalgorithmwasusedforthecollineardifferences1Theharmonicconstantsof12tidalconstituentswerecalculatedatthe1783altmetricdatapointsinthestudyareausingtheleastsquarefitmethod1TheinternalcoincidenceaccuraciesoftheamplitudesofM2andm1(=(K1+O1)/2)atthecrossoverpointsare214cmand018cm,andtheaccuraciesoflagsare213°and

215°respectively1Comparedwithtidalstationsnearbythealtimetricdatapointsthedifferencesofam

plitudesofM2andm1arelessthana4cmroot2mean2squareerror,butthedifferencesinlagsarebothbigduetotheeffectsofthegeograph2

icalenvironmentandtopographyaroundthestations1Thecotidalchartsofthemajorconstituentsfromthesatellitealtimet2ricdataconformwelltothoseobtainedfromtheroutinetidalobservationsinthedeepwaterandopenoceans,buttheydonotconformaswellasthosealongthecoastalareas1IftheTOPEX/PoseidonSetellitealtimetricdataareusedfortheopenanddeepoceanswherethereisnotidalstation,andtheroutineobservationsareusedforthecoastalareas,theworldwideharmonicconstantsobtainedfromthecombinedsourceswillbebetterthanthosethatonlyuseeitherofthebothdatasources1Anyway,theresultsoftidalanalysisoftheworldwideshouldbeimprovedeffectivelyinthisway1Keywords　　Tide,Satellitealtimeter,TOPEX/Poseidon,YellowSea,EastChinaSea

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/q044.html