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利用TOPEX/Poseidon和Jason-1高度计数据提取中国南海潮汐信息

付延光 周兴华 许军 刘森波 杨磊

付延光, 周兴华, 许军, 刘森波, 杨磊. 利用TOPEX/Poseidon和Jason-1高度计数据提取中国南海潮汐信息[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(6): 901-907. doi: 10.13203/j.whugis20160128
引用本文: 付延光, 周兴华, 许军, 刘森波, 杨磊. 利用TOPEX/Poseidon和Jason-1高度计数据提取中国南海潮汐信息[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(6): 901-907. doi: 10.13203/j.whugis20160128
FU Yanguang, ZHOU Xinghua, XU Jun, LIU Senbo, YANG Lei. Extraction of Tidal Information in the South China Sea Based on TOPEX/Poseidon and Jason-1 Altimeter Data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 901-907. doi: 10.13203/j.whugis20160128
Citation: FU Yanguang, ZHOU Xinghua, XU Jun, LIU Senbo, YANG Lei. Extraction of Tidal Information in the South China Sea Based on TOPEX/Poseidon and Jason-1 Altimeter Data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 901-907. doi: 10.13203/j.whugis20160128

利用TOPEX/Poseidon和Jason-1高度计数据提取中国南海潮汐信息

doi: 10.13203/j.whugis20160128
基金项目: 

国家国际合作专项 2014DFA21710

开展卫星海洋测绘应用 WX0316005

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金 2011T05

国家自然科学基金 40706038

GNSS业务化项目 FZ0317001

详细信息
    作者简介:

    付延光, 博士生, 主要从事海洋潮汐分析与应用等方面研究。fuyanguang123@163.com

    通讯作者: 周兴华, 博士, 研究员。xhzhou@fio.org.cn
  • 中图分类号: P229

Extraction of Tidal Information in the South China Sea Based on TOPEX/Poseidon and Jason-1 Altimeter Data

Funds: 

nternational Science and Technology Cooperation Program of China 2014DFA21710

Marine Surveying and Mapping Program Based on Satellites WX0316005

Basic Scientific Research Fund of Non-profit Research Institute of China 2011T05

the National Natural Science Foundation of China 40706038

GNSS Business Project FZ0317001

More Information
  • 摘要: 基于TOPEX/Poseidon和Jason-1卫星高度计16 a原始轨道、6 a变轨轨道数据,利用同步观测期间测高数据计算中国南海海域的系统偏差,生成基于TOPEX/Poseidon高度计平均海面的统一潮高时间序列,按纬差0.1°间隔提取原始轨道2 184个正常点和变轨轨道1 626个正常点,分别对原始轨道、变轨轨道逐正常点进行调和分析及响应分析,各得到8个分潮(Q1O1P1K1N2M2S2K2)调和常数。利用交叉点处升轨、降轨不符值评估潮汐参数的稳定性,结果表明,变轨轨道交叉点处误差相对较大,多分潮总体综合预报误差RSS值为7.28 cm。通过与全球海潮模型比较表明,该结果与海潮模型在中国南海开阔海域精度表现一致,在半封闭浅水海域差异较大;与验潮站结果进行比较发现,受中国南海复杂的潮波系统、与测高星下点距离等因素影响,中国南海北部海域RSS值较大,海潮模型结果在M2分潮单分潮预报中误差RMS值较大,为13.64 cm,其余分潮均在10 cm内。
  • 图  1  T/P和Jason-1高度计卫星的海面轨迹分布

    Figure  1.  The Trajectory Distribution of T/P and Jason-1 Satellite Altimeter in the Sea Surface

    图  2  本文结果(HR)及海潮模型M2分潮振幅和迟角分布

    Figure  2.  Amplitude and Phase Distribution of M2 Tidal Constituent Estimated by HR and Tide Models

    图  3  与验潮站结果比较的8个主要分潮的RSS值

    Figure  3.  Eight Major Tidal Constituents RSS Values Compared with Tide Gauge Result

    图  4  本文结果与海潮模型在验潮站处各分潮RMS值

    Figure  4.  Each Tidal Constituent RMS Value Compared with the Ocean Tide Models

    表  1  原始轨道交叉点处升轨、降轨分潮结果比较

    Table  1.   Tidal Constituents Comparison of Ascending and Descending Rail in the Junction of Original Orbit

    分潮 分潮参数 最大偏差 最小偏差 平均绝对误差 中误差 线性函数 相关系数
    O1 H/cm 0.7 0.1 0.2 1.0 y=1.001x-0.140 0.997
    G/(°) 3.7 0.0 0.6 2.1 y=1.040x-0.856 0.999
    K1 H/cm 1.5 0.1 0.3 1.5 y=0.986x+0.607 0.997
    G/(°) 3.9 0.2 0.7 3.3 y=1.008x-2.536 0.999
    M2 H/cm 1.2 0.2 0.3 0.7 y=1.054x-0.845 0.995
    G(°) 3.2 0.1 0.8 4.7 y=1.006x-1.901 0.999
    S2 H/cm 0.6 0.0 0.2 0.6 y=0.985x+0.162 0.989
    G/(°) 10.8 0.1 1.9 5.5 y=0.996x+0.089 0.999
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    表  2  变轨轨道交叉点处升轨、降轨分潮结果比较

    Table  2.   Tidal Constituents Comparison of Ascending and Descending Rail in the Junction of Interleaved Orbit

    分潮 分潮参数 最大偏差 最小偏差 平均绝对误差 中误差 线性函数 相关系数
    O1 H/cm 4.4 0.0 1.4 2.0 y=1.006x+0.372 0.984
    G/(°) 7.7 0.2 2.4 2.9 y=1.013x-2.718 0.998
    K1 H/cm 9.8 0.7 4.5 5.1 y=0.853x+6.065 0.867
    G/(°) 26.7 0.6 9.0 10.6 y=1.020x-2.749 0.978
    M2 H/cm 5.6 0.1 2.0 2.6 y=1.045x-1.288 0.992
    G/(°) 26.6 0.4 6.9 10.0 y=0.971x+7.864 0.989
    S2 H/cm 6.4 0.2 1.7 2.1 y=0.921x+0.918 0.956
    G/(°) 335.6 0.3 11.0 13.6 y=0.812x+49.885 0.723
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    表  3  原始轨道与变轨轨道交叉点处分潮结果比较

    Table  3.   Tidal Constituents Comparison Results in the Junction of Original and Interleaved Orbits

    分潮 分潮参数 最大偏差 最小偏差 平均绝对误差 中误差 线性函数 相关系数
    O1 H/cm 3.9 0.0 1.1 1.4 y=0.932x+1.507 0.978
    G/(°) 55.8 0.0 3.3 8.7 y=0.983x+6.295 0.987
    K1 H/cm 7.1 0.2 2.3 2.8 y=0.916x+2.757 0.891
    G/(°) 40.3 0.4 3.7 7.0 y=1.002x-1.981 0.994
    M2 H/cm 5.7 0.1 1.1 1.5 y=0.975x+0.534 0.981
    G/(°) 18.2 0.1 3.9 5.6 y=0.997x+0.598 0.997
    S2 H/cm 3.8 0.0 1.1 1.4 y=0.998x+0.130 0.963
    G/(°) 73.7 0.3 11.7 17.3 y=0.966x+7.883 0.981
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    表  4  交叉点处主要分潮的预报误差/cm

    Table  4.   Major Tidal Constituents Prediction Errors in the Junction Points/cm

    交叉点 RMS RSS
    Q1 O1 P1 K1 N2 M2 S2 K2
    原始轨道 0.21 0.32 0.21 0.47 0.19 0.35 0.22 0.24 0.82
    变轨轨道 1.19 1.76 1.74 5.53 1.70 2.85 1.88 0.56 7.28
    原始轨道与变轨轨道 1.10 1.47 1.07 2.54 1.34 1.53 1.43 1.00 4.26
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  • [1] 毛文庆, 施平, 齐义泉.运用调和分析方法分离卫星高度计资料中的潮汐信息[J].海洋工程, 2002, 20(1):41-45 http://www.cqvip.com/qk/90248X/200201/6073010.html

    Mao Wenqing, Shi Ping, Qi Yiquan. Tide Separation from the Altimetry Data Using Harmonic Analysis Method[J]. The Ocean Engineering, 2002, 20(1):41-45 http://www.cqvip.com/qk/90248X/200201/6073010.html
    [2] 吴自库, 田纪伟, 吕咸青, 等.南海潮汐的伴随同化数值模拟[J].海洋与湖沼, 2003, 34(1):101-108 doi:  10.11693/hyhz200301013013

    Wu Ziku, Tian Jiwei, Lv Xianqing, et al. A Numerical Model of Tides in the South China Sea by Adjoint Method[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2003, 34(1):101-108 doi:  10.11693/hyhz200301013013
    [3] Tian J W, Zhou L, Zhang X Q, et al. Estimates of M2 Internal Tide Energy Fluxes Along the Margin of Northwestern Pacific Using TOPEX/POSEIDON Altimeter Data[J]. Geophysical Research Letters, 2003, 30(17):1889-1893 https://www.nap.edu/read/5142/chapter/5
    [4] Fang G H, Kwok Y K, Yu K J, et al. Numerical Simulation of Principal Tidal Constituents in the South China Sea, Gulf of Tonkin and Gulf of Thailand[J]. Continental Shelf Research, 1999, 19(7):845-869 doi:  10.1016/S0278-4343(99)00002-3
    [5] Yanagi T, Morimoto A, Ichikawa K. Co-tidal and Co-range Charts for the East China Sea and the Yellow Sea Derived from Satellite Altimetric Data[J]. Journal of Oceanography, 1997, 53:303-309 http://ci.nii.ac.jp/naid/10005106708
    [6] Yanagi T, Takao T, Morimaot A. Co-tidal and Co-range Charts in the South China Sea Derived from Satellite Altrimetry Data[J]. La Mer, 1997, 35:85-93
    [7] 赵云霞, 魏泽勋, 王新怡.利用T/P卫星高度计资料调和分析南海潮汐信息[J].海洋科学, 2012, 36(5):10-17 http://www.oalib.com/paper/4671304

    Zhao Yunxia, Wei Zexun, Wang Xinyi. The South China Sea Tides Analysis Based on TOPEX/Poseidon Altimetry[J]. Marine Sciences, 2012, 36(5):10-17 http://www.oalib.com/paper/4671304
    [8] 暴景阳. 基于卫星测高数据的潮汐分析理论与方法研究[D]. 武汉: 武汉大学, 2002 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y557930

    Bao Jingyang. Study on Thories and Methods of Tidal Analysis Based on Altimetry Data[D]. Wuhan: Wuhan University, 2002 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y557930
    [9] 暴景阳, 晁定波, 李建成.南中国海TOPEX/POSEIDON轨迹交叉点测高数据的潮汐调和分析[J].测绘学报, 2000, 29(1):17-23 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=chxb200001003

    Bao Jingyang, Chao Dingbo, Li Jiancheng. Tidal Harmonic Analysis near Crossovers of TOPEX/POSEIDON Ground Track in South China Sea[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2000, 29(1):17-23 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=chxb200001003
    [10] 暴景阳, 晁定波, 李建成, 等.由T/P卫星测高数据建立南中国海潮汐模型的初步研究[J].武汉大学学报·信息科学版, 1999, 24(4):341-345 http://ch.whu.edu.cn/CN/abstract/abstract4429.shtml

    Bao Jingyang, Chao Dingbo, Li Jiancheng, et al. A Preliminary Study of the Establishment of Ocean Tide Models in South China Sea from T/P Altimetry[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 1999, 24(4):341-345 http://ch.whu.edu.cn/CN/abstract/abstract4429.shtml
    [11] 汪一航. 卫星高度计资料在海洋潮汐研究中的应用[D]. 青岛: 中国科学院海洋研究所, 2008 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y2037457

    Wang Yihang. The Application in the Study of Sate-llite Altimeter Data in Ocean Tides[D]. Qingdao: Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, 2008 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y2037457
    [12] 王延强, 仉天宇, 朱学明.基于18.6年卫星高度计资料对南海潮汐的分析与研究[J].海洋预报, 2014, 31(2):35-40 doi:  10.11737/j.issn.1003-0239.2014.02.006

    Wang Yanqiang, Zhang Tianyu, Zhu Xueming. Tidal Characteristics Analysis in the South China Sea by 18.6 Years Satellite Altimetry Data[J]. Marine Forecasts, 2014, 31(2):35-40 doi:  10.11737/j.issn.1003-0239.2014.02.006
    [13] 仲昌维, 杨俊刚.基于T/P和Jason-1高度计数据的渤黄东海潮汐信息提取[J].海洋科学, 2013, 37(10):78-85 http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10423-2006181820.htm

    Zhong Changwei, Yang Jungang. Extraction of Tidal Information in the East China Sea, the Yellow Sea and the Bohai Sea Based on T/P and Jason-1 Altimeter Data[J]. Marine Science, 2013, 37(10):78-85 http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10423-2006181820.htm
    [14] 许军, 暴景阳, 章传银.联合TOPXE/Poseidon与Geosat/ERM测高资料建立区域潮汐模型的研究[J].测绘科学, 2006, 31(2):90-92 http://industry.wanfangdata.com.cn/dl/Detail/Periodical?id=Periodical_chkx200602031

    Xu Jun, Bao Jingyang, Zhang Chuanyin. Establishment of Regional Ocean Tide Model by Combination of TOPEX/Poseidon and Geosat/ERM Altimeter Data[J]. Science of Surveying and Mapping, 2006, 31(2):90-92 http://industry.wanfangdata.com.cn/dl/Detail/Periodical?id=Periodical_chkx200602031
    [15] 李培良, 左军成, 李磊, 等.南海TOPEX/POSEIDON高度计资料的正交响应法潮汐分析[J].海洋与湖沼, 2002, 33(3):287-295 http://www.oalib.com/references/17807340

    Li Peiliang, Zuo Juncheng, Li Lei, et al. Orthogonalized Convolution Method for Analysis of South China Sea Tidal Date from TOPEX/POSEIDON[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2002, 33(3):287-295 http://www.oalib.com/references/17807340
    [16] 暴景阳, 许军.卫星测高数据的潮汐提取与建模应用[M].北京:测绘出版社, 2013

    Bao Jingyang, Xu Jun. Tide Analysis from Altimeter Data and the Establishment and Application of Tide Model[M]. Beijing:Surveying and Mapping Press, 2013
    [17] 方国洪, 郑文振, 陈宗镛, 等.潮汐和潮流的分析和预报[M].北京:海洋出版社, 1986

    Fang Guohong, Zheng Wenzhen, Chen Zongyong, et al. The Analysis and Prediction of Tide and Tidal Current[M]. Beijing:Ocean Press, 1986
    [18] Cheng Y C, Aandersen O B. Multimission Empirical Ocean Tide Modeling for Shallow Waters and Polar Seas[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 2011, 116(C11):1130-1146 doi:  10.1029/2011JC007172#citedBy
    [19] Fok H S. Ocean Tides Modeling Using Satellite Altimetry[D]. Columbus: The Ohio State University, 2012 https://kb.osu.edu/dspace/handle/1811/78620
    [20] Lyard F, Lefevre F, Letellier T, et al. Modeling the Global Ocean Tides:A Modern Insight from FES2004[J]. Ocean Dynamics, 2006, 56(5-6):394-415 doi:  10.1007/s10236-006-0086-x
    [21] Egbert G D, Bennett A F, Forman M G G. TOPEX/POSEIDON Tides Estimated Using a Global Inverse Model[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 1994, 99(C12):24821-24852 doi:  10.1029/94JC01894
  • [1] 张绍成, 黄龙强, 殷飞, 侯威震.  星基反演TEC与地基GNSS TEC数据融合可行性分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(4): 557-564. doi: 10.13203/j.whugis20180293
    [2] 刘聚, 暴景阳, 许军, 周唯.  中国香港验潮站1962?2017年水位相对变化分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(7): 1065-1072. doi: 10.13203/j.whugis20180325
    [3] 汪海洪, 罗北.  计算测高卫星地面轨迹交叉点的快速数值算法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(3): 293-298. doi: 10.13203/j.whugis20140866
    [4] 张保军, 王泽民.  联合卫星重力、卫星测高和海洋资料研究全球海平面变化 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2015, 40(11): 1453-1459. doi: 10.13203/j.whugis20150230
    [5] 张胜军, 李建成, 褚永海, 孔祥雪.  基于Cryosat和Jason1GM数据的垂线偏差计算与分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2015, 40(8): 1012-1017. doi: 10.13203/j.whugis20130796
    [6] 王泽民, 车国伟, 安家春.  南极威德尔海电离层异常的综合观测及分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2015, 40(11): 1421-1427. doi: 10.13203/j.whugis20150270
    [7] 鄂栋臣, 黄继锋, 张胜凯.  南极中山站潮汐特征分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2013, 38(4): 379-382.
    [8] 金涛勇, 胡敏章, 蒋涛, 张守建.  卫星测高资料的电离层延迟改正交叉检验与误差分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2012, 37(6): 658-661.
    [9] 杨元德, 汪海洪, 鄂栋臣, 黄金维.  复杂海域ERS-1卫星测高波形的波形分类方法研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2011, 36(1): 48-50.
    [10] 金涛勇, 李建成, 王正涛, 蒋涛.  卫星测高逆气压改正及其对海平面变化的影响 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2010, 35(9): 1017-1020.
    [11] 韩英.  我国南海海面高异常时间序列分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2008, 33(2): 208-211.
    [12] 李建成, 褚永海, 姜卫平, 徐新禹.  利用卫星测高资料监测长江中下游湖泊水位变化 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2007, 32(2): 144-147.
    [13] 黄谟涛, 王瑞, 翟国君, 欧阳永忠.  多代卫星测高数据联合平差及重力场反演 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2007, 32(11): 988-993.
    [14] 许军, 暴景阳, 刘雁春.  潮汐模型对利用卫星测高数据研究海平面变化的影响 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2006, 31(6): 503-507.
    [15] 许军, 暴景阳, 刘雁春, 曹勇.  以相邻点海面高度差为观测量的沿迹调和分析新方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2006, 31(11): 1003-1006.
    [16] 文汉江, 章传银.  由ERS-2和TOPEX卫星测高数据推算的海面高异常的主成分分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2006, 31(3): 221-223.
    [17] 史红岭, 陆洋, 王勇.  CHAMP重力卫星结果在中国海及邻近海域的初步分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2003, 28(S1): 48-51.
    [18] 晁定波, 姚运生, 李建成, 徐菊生.  南海海盆测高重力异常特征及构造解释 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2002, 27(4): 343-347.
    [19] 罗佳, 李建成, 姜卫平.  利用卫星资料研究中国南海海底地形 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2002, 27(3): 256-260.
    [20] 章传银, 李建成, 晁定波.  联合卫星测高和海洋物理数据计算近海稳态海面地形 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2000, 25(6): 500-504.
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-04-02
  • 刊出日期:  2018-06-05

利用TOPEX/Poseidon和Jason-1高度计数据提取中国南海潮汐信息

doi: 10.13203/j.whugis20160128
    基金项目:

    国家国际合作专项 2014DFA21710

    开展卫星海洋测绘应用 WX0316005

    中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金 2011T05

    国家自然科学基金 40706038

    GNSS业务化项目 FZ0317001

    作者简介:

    付延光, 博士生, 主要从事海洋潮汐分析与应用等方面研究。fuyanguang123@163.com

    通讯作者: 周兴华, 博士, 研究员。xhzhou@fio.org.cn
  • 中图分类号: P229

摘要: 基于TOPEX/Poseidon和Jason-1卫星高度计16 a原始轨道、6 a变轨轨道数据,利用同步观测期间测高数据计算中国南海海域的系统偏差,生成基于TOPEX/Poseidon高度计平均海面的统一潮高时间序列,按纬差0.1°间隔提取原始轨道2 184个正常点和变轨轨道1 626个正常点,分别对原始轨道、变轨轨道逐正常点进行调和分析及响应分析,各得到8个分潮(Q1O1P1K1N2M2S2K2)调和常数。利用交叉点处升轨、降轨不符值评估潮汐参数的稳定性,结果表明,变轨轨道交叉点处误差相对较大,多分潮总体综合预报误差RSS值为7.28 cm。通过与全球海潮模型比较表明,该结果与海潮模型在中国南海开阔海域精度表现一致,在半封闭浅水海域差异较大;与验潮站结果进行比较发现,受中国南海复杂的潮波系统、与测高星下点距离等因素影响,中国南海北部海域RSS值较大,海潮模型结果在M2分潮单分潮预报中误差RMS值较大,为13.64 cm,其余分潮均在10 cm内。

English Abstract

付延光, 周兴华, 许军, 刘森波, 杨磊. 利用TOPEX/Poseidon和Jason-1高度计数据提取中国南海潮汐信息[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(6): 901-907. doi: 10.13203/j.whugis20160128
引用本文: 付延光, 周兴华, 许军, 刘森波, 杨磊. 利用TOPEX/Poseidon和Jason-1高度计数据提取中国南海潮汐信息[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(6): 901-907. doi: 10.13203/j.whugis20160128
FU Yanguang, ZHOU Xinghua, XU Jun, LIU Senbo, YANG Lei. Extraction of Tidal Information in the South China Sea Based on TOPEX/Poseidon and Jason-1 Altimeter Data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 901-907. doi: 10.13203/j.whugis20160128
Citation: FU Yanguang, ZHOU Xinghua, XU Jun, LIU Senbo, YANG Lei. Extraction of Tidal Information in the South China Sea Based on TOPEX/Poseidon and Jason-1 Altimeter Data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(6): 901-907. doi: 10.13203/j.whugis20160128
  • 卫星测高技术的出现推动了学者们对全球海洋潮汐的研究[1-3]。高度计数据的不断丰富对应用卫星高度计数据进行高精度的海洋潮汐信息提取提出了更高的要求。中国南海海域的潮波运动表现十分复杂[4],采用卫星高度计数据对中国南海海域潮汐信息进行研究具有重要的科学意义和研究价值。

    Yanagi等[5-6]、赵云霞等[7]分别采用3 a、6 a的TOPEX/Poseidon(以下简称T/P)高度计数据进行潮汐信息提取;暴景阳等[8-10]采用T/P高度计不同时段的数据对中国南海海域交叉点潮汐信息进行研究;汪一航[11]利用16 a的T/P、Jason-1原始轨道数据进行调和分析。在处理变轨轨道数据方面,王延强等[12]、仲昌维等[13]分别采用18.6 a和19 a的T/P系列高度计数据(其中采用变轨轨道数据分别为3 a和6 a)进行潮汐分析,两者采用的数据分析方法均为调和分析法,而理论上,分辨K2P1分潮需要9.18 a的高度计资料[14],6 a的变轨轨道数据可能无法完全分离。李培良等[15]利用6 a的T/P高度计数据,基于响应分析法提取了6个分潮K1O1P1M2S2N2的潮汐参数;暴景阳等[16]提出以法方程条件数作为分潮可分辨的新判据,通过仿真模拟,认为沿迹响应分析法仅需2 a的T/P高度计数据就能提取较可靠的潮汐参数,并基于高度计数据对此进行了验证。

    本文建立了T/P、Jason-1卫星高度计基准统一的潮高时间序列,并采用沿迹调和分析法及响应分析法分别对原始轨道、变轨轨道数据进行潮汐信息的提取,对交叉点处升轨、降轨提取潮汐参数的稳定性进行检验。选取中国南海海域周边距离卫星轨迹星下点较近的27个长期验潮站资料和3个全球潮汐模型(DTU10、OSU12和TPXO7.2)对8个主要分潮的精度进行评估。

    • 本文研究范围为0°~26°N,99°~121°E,图 1为T/P、Jason-1高度计在中国南海海域的轨迹分布,实线表示原始轨迹分布,虚线表示变轨轨迹分布。高度计数据采用美国国家航空和宇宙航行局(NASA)喷气推进实验室的T/P高度计MGDR-B数据与法国空间局国家研究中心(Centre National d′Etudes Spatiales, CNES)的Jason-1高度计GDR-C数据。

      图  1  T/P和Jason-1高度计卫星的海面轨迹分布

      Figure 1.  The Trajectory Distribution of T/P and Jason-1 Satellite Altimeter in the Sea Surface

      选取中国南海海域周边距离高度计星下点不大于120 km的27个长期验潮站资料,数据采样时间间隔为1 h,具有1 a及以上潮高时间序列,图 1中三角形表示验潮站位置。同时选取3个全球海洋潮汐模型(DTU10、OSU12和TPXO7.2),其空间分辨率分别为0.125°×0.125°、0.25°×0.25°和0.25°×0.25°。

    • 测高数据处理主要包含潮高计算和轨迹正常点的计算两方面。其中,潮高计算主要以平均海面作为基准面,对测高数据实施除海潮改正外的其他各项改正[16]。轨迹正常点的计算主要采用沿迹纬差0.1°间隔的方式,对潮高采用最小二乘拟合计算,经度取所有周期重复点的经度平均值。

      同步观测期间T/P周期范围是344~364周,Jason-1的周期范围是001~021周,对应时间范围是2002-01-2002-08,计算在同步观测期间T/P与Jason-1高度计在中国南海海域的平均潮高值,得到其系统偏差为5.91 cm。同步观测期间提取的T/P与Jason-1高度计的潮高偏差存在一定的地域差异,其中两者偏差最大值为9.57 cm,最小值为0.27 cm。本文将Jason-1高度计正常点处潮高减去5.91 cm,建立统一基于T/P高度计平均海面的潮高时间序列。

      实际海洋中,潮高通常表示为:

      $$ \begin{array}{l} \mathit{\zeta }\left( \mathit{t} \right){\rm{ = }}{\mathit{A}_{\rm{0}}}{\rm{ + }}\sum\limits_{\mathit{i} = 1}^\mathit{n} {{\mathit{f}_\mathit{i}}{\mathit{H}_\mathit{i}}} {\rm{cos[}}{\mathit{\delta }_\mathit{i}}\mathit{t}{\rm{ + }}\\ \;\;\;\;\;\;\;{\rm{(}}{\mathit{V}_{\rm{0}}}{\rm{ + }}\mathit{u}{\rm{) - }}{\mathit{g}_\mathit{i}}{\rm{] + }}\mathit{x}\left( \mathit{t} \right) \end{array} $$ (1)

      式中, A0为分析期间的平均海面;t为区时;fi为分潮交点因子;δi为分潮的角速率;(V0+u)为格林威治零时的平衡潮初相角;x(t)是非天文潮位,具有随机的特性,在物理学上称为噪音;Hi为分潮的平均振幅;gi为区时专用迟角。Higi为待定的潮汐调和常数。本文对长期验潮站资料以及原始轨道正常点采用调和分析[17],对变轨轨道正常点采用响应分析[15],得到4个全日分潮(Q1O1P1K1)和4个半日分潮(N2M2S2K2)的调和常数。

    • 本文主要采用单分潮预报中误差(RMS)和多分潮总体综合预报误差(RSS)对潮汐调和常数进行精度分析:

      $$ \begin{array}{l} {\rm{RMS = \{ }}\frac{{\rm{1}}}{\mathit{N}}\sum\limits_{\mathit{m}{\rm{ = 1}}}^\mathit{N} {\frac{1}{2}} {\rm{[(}}{\mathit{H}_{\rm{0}}}{\rm{cos}}{\mathit{G}_{\rm{0}}}{\rm{ - }}{\mathit{H}_\mathit{m}}{\rm{cos}}{\mathit{G}_\mathit{m}}{{\rm{)}}^{\rm{2}}}{\rm{ + }}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{{\rm{(}}{\mathit{H}_{\rm{0}}}{\rm{sin}}{\mathit{G}_{\rm{0}}}{\rm{ - }}{\mathit{H}_\mathit{m}}{\rm{sin}}{\mathit{G}_\mathit{m}}{\rm{)}}^{\rm{2}}}{\rm{]}}{{\rm{\} }}^{\frac{1}{2}}} \end{array} $$ (2)
      $$ {\rm{RSS = (}}\sum\limits_{\mathit{j}{\rm{ = 1}}}^\mathit{M} {{\rm{RMS}}_\mathit{j}^2} {{\rm{)}}^{\frac{1}{2}}} $$ (3)

      式中,N是比较点的个数;H0G0分别是本文结果或海潮模型分潮的振幅和迟角;HmGm分别是验潮站结果对应分潮的振幅和迟角;M是分潮个数。

    • 为验证提取潮汐参数的稳定性,将测高卫星原始轨道22个交叉点、变轨轨道23个交叉点以及原始轨道与变轨轨道45个交叉点处升轨与降轨提取的4个最主要分潮(O1K1M2S2)的振幅和迟角进行比较,将上升轨道结果作为x轴,下降轨道结果作为y轴,计算两者的线性函数和相关系数,并进行相关性分析,统计结果见表 1表 2表 3,表中HG分别表示分潮振幅、迟角。

      表 1  原始轨道交叉点处升轨、降轨分潮结果比较

      Table 1.  Tidal Constituents Comparison of Ascending and Descending Rail in the Junction of Original Orbit

      分潮 分潮参数 最大偏差 最小偏差 平均绝对误差 中误差 线性函数 相关系数
      O1 H/cm 0.7 0.1 0.2 1.0 y=1.001x-0.140 0.997
      G/(°) 3.7 0.0 0.6 2.1 y=1.040x-0.856 0.999
      K1 H/cm 1.5 0.1 0.3 1.5 y=0.986x+0.607 0.997
      G/(°) 3.9 0.2 0.7 3.3 y=1.008x-2.536 0.999
      M2 H/cm 1.2 0.2 0.3 0.7 y=1.054x-0.845 0.995
      G(°) 3.2 0.1 0.8 4.7 y=1.006x-1.901 0.999
      S2 H/cm 0.6 0.0 0.2 0.6 y=0.985x+0.162 0.989
      G/(°) 10.8 0.1 1.9 5.5 y=0.996x+0.089 0.999

      表 2  变轨轨道交叉点处升轨、降轨分潮结果比较

      Table 2.  Tidal Constituents Comparison of Ascending and Descending Rail in the Junction of Interleaved Orbit

      分潮 分潮参数 最大偏差 最小偏差 平均绝对误差 中误差 线性函数 相关系数
      O1 H/cm 4.4 0.0 1.4 2.0 y=1.006x+0.372 0.984
      G/(°) 7.7 0.2 2.4 2.9 y=1.013x-2.718 0.998
      K1 H/cm 9.8 0.7 4.5 5.1 y=0.853x+6.065 0.867
      G/(°) 26.7 0.6 9.0 10.6 y=1.020x-2.749 0.978
      M2 H/cm 5.6 0.1 2.0 2.6 y=1.045x-1.288 0.992
      G/(°) 26.6 0.4 6.9 10.0 y=0.971x+7.864 0.989
      S2 H/cm 6.4 0.2 1.7 2.1 y=0.921x+0.918 0.956
      G/(°) 335.6 0.3 11.0 13.6 y=0.812x+49.885 0.723

      表 3  原始轨道与变轨轨道交叉点处分潮结果比较

      Table 3.  Tidal Constituents Comparison Results in the Junction of Original and Interleaved Orbits

      分潮 分潮参数 最大偏差 最小偏差 平均绝对误差 中误差 线性函数 相关系数
      O1 H/cm 3.9 0.0 1.1 1.4 y=0.932x+1.507 0.978
      G/(°) 55.8 0.0 3.3 8.7 y=0.983x+6.295 0.987
      K1 H/cm 7.1 0.2 2.3 2.8 y=0.916x+2.757 0.891
      G/(°) 40.3 0.4 3.7 7.0 y=1.002x-1.981 0.994
      M2 H/cm 5.7 0.1 1.1 1.5 y=0.975x+0.534 0.981
      G/(°) 18.2 0.1 3.9 5.6 y=0.997x+0.598 0.997
      S2 H/cm 3.8 0.0 1.1 1.4 y=0.998x+0.130 0.963
      G/(°) 73.7 0.3 11.7 17.3 y=0.966x+7.883 0.981

      表 1可知,原始轨道交叉点处升轨、降轨分别提取的分潮调和常数相关系数达到98%以上;振幅中误差均小于2 cm,其中K1分潮最大为1.5 cm;迟角中误差均小于6°,其中S2分潮最大为5.5°,具有很好的一致性。结果表明,采用长达16 a的高度计数据进行潮汐信息提取的结果在精度方面具有绝对的优势。

      表 2可知,变轨轨道交叉点处升、降轨分潮振幅中误差均小于6 cm,其中K1分潮最大为5.1 cm; 迟角中误差较大,其中S2分潮最大为13.6°。通过与原始轨道结果相比可以看出,变轨轨道提取的调和常数相关性较差,S2分潮迟角相关性系数为72.3%。主要是因为在交叉点处升轨、降轨的分潮迟角分别为17°、353.6°,在本文数据处理过程中,两者按照335.6°的偏差进行线性拟合,导致拟合的线性函数存在较大截距,从而影响精度。若按24.4°偏差进行拟合,可得到两者相关系数为98.1%。变轨轨道进行响应分析得到的分潮结果精度较差主要是因为变轨轨道高度计数据时间序列较短。

      表 3可知,原始轨道与变轨轨道交叉点处分潮振幅中误差均小于3 cm,其中K1分潮最大为2.8 cm;分潮迟角中误差最大的是S2分潮,为17.3°。由表 3中最大偏差可知,分潮振幅最大偏差在8 cm内,具有较强的稳定性;而O1K1S2分潮迟角最大偏差分别为55.8°、40.3°和73.7°,但其平均绝对误差分别为3.3°、3.7°和11.7°,且3个分潮相关性系数均在98%以上,这主要是因为部分交叉点受高度计数据质量较差或位于浅海海域等因素影响,由原始轨道、变轨轨道分别提取的分潮调和常数相差较大,从而影响整体精度。

      对8个主要分潮(Q1O1P1K1N2M2S2K2)的RMS值和RSS值进行计算,结果列于表 4。由表 4可知,原始轨道交叉点处8个主要分潮RMS值为0.19~0.47 cm,变轨轨道交叉点为0.56~5.53 cm,原始轨道与变轨轨道交叉点为1.00~2.54 cm,变轨轨道分潮结果的精度略低于原始轨道分潮结果的精度,三者RSS值分别为0.82 cm、7.28 cm、4.26 cm。结果表明,由T/P、Jason-1卫星高度计原始轨道、变轨轨道数据分别进行调和分析、响应分析提取的潮汐信息在交叉点处符合较好。

      表 4  交叉点处主要分潮的预报误差/cm

      Table 4.  Major Tidal Constituents Prediction Errors in the Junction Points/cm

      交叉点 RMS RSS
      Q1 O1 P1 K1 N2 M2 S2 K2
      原始轨道 0.21 0.32 0.21 0.47 0.19 0.35 0.22 0.24 0.82
      变轨轨道 1.19 1.76 1.74 5.53 1.70 2.85 1.88 0.56 7.28
      原始轨道与变轨轨道 1.10 1.47 1.07 2.54 1.34 1.53 1.43 1.00 4.26
    • 为验证提取潮汐信息的可靠性,本文将3个全球海洋潮汐模型DTU10[18]、OSU12[19]和TPXO7.2[20-21]以及研究区域内27个长期验潮站分潮结果与本文结果进行比较。

      图 2为本文结果及3个海潮模型通过插值到卫星轨迹正常点得到的M2分潮振幅和迟角分布图。由图 2可以看出,本文结果与海潮模型在中国南海开阔海域具有一致的精度表现,而在中国北部湾、泰国湾等半封闭海域以及中国台湾海峡等浅水海域具有较大差异,如在星下点(23.1°N,119.4°E)处,本文结果及DTU10、OSU12和TPXO7.2的振幅分别为38.5 cm、35.84 cm、22.28 cm和49.83 cm,迟角分别为84.43°、75.77°、52.21°和91.13°。为进一步分析提取潮汐参数的精度,将本文结果及模型结果分别与验潮站结果8个主要分潮进行比较,各站RSS值见图 3

      图  2  本文结果(HR)及海潮模型M2分潮振幅和迟角分布

      Figure 2.  Amplitude and Phase Distribution of M2 Tidal Constituent Estimated by HR and Tide Models

      图  3  与验潮站结果比较的8个主要分潮的RSS值

      Figure 3.  Eight Major Tidal Constituents RSS Values Compared with Tide Gauge Result

      将研究海域按照纬度划分为南、北两部分,其中1~13号验潮站位于中国南海北部(纬度为15°~26°N),14~27号验潮站位于中国南海南部(纬度为0°~15°N)。由图 3可以看出,中国南海北部验潮站中除4号、5号和12号验潮站外,其余站RSS值均在10 cm以上;而中国南海南部验潮站中除13号、17号、19号和21号验潮站外,其余均在10 cm以下(多数在5 cm以下),表现出中国南海南部精度较高。

      事实上,中国南海潮波主要由太平洋经吕宋海峡传入,同时中国南海的潮波系统通过北面的中国台湾海峡、南面的卡里马塔海峡分别与东海和印尼潮波系统发生相互作用。在中国南海北部,4号、5号和12号验潮站模型结果平均RSS值分别为8.18 cm、4.87 cm和8.82 cm,这主要是因为4号和12号验潮站与星下点距离较近,分别为36.12 km和12.68 km,而5号验潮站位于中国台湾岛南部,该海域面向深海区,因此弱化了潮波系统的影响。另外,本文结果与海潮模型在9号和10号验潮站处RSS值具有较大差异,9号分别为8.77 cm、14.71 cm、32.83 cm和18.63 cm,10号分别为8.54 cm、9.25 cm、30.03 cm和16.03 cm;在11号验潮站各结果RSS值达到最大,分别为45.93 cm、45.70 cm、31.56 cm和50.33 cm。结合图 1可以看出,9号、10号和11号验潮站均位于中国北部湾,其中11号验潮站距离星下点111.57 km,中国北部湾属于半封闭海域,且水深较浅,具有较大的变化梯度,从而导致不同的海潮模型差异较大。在中国南海南部,17号验潮站平均RSS值为32.68 cm,主要是因为与星下点距离较远, 为86.94 km;16号验潮站位于泰国湾,19号和21号位于马六甲海峡,均属于半封闭海域,其平均RSS值分别为31.25 cm、19.33 cm和11.86 cm,与星下点距离分别为15.53 km,88.98 km和98.58 km,可以看出,此时精度与距离表现出一定的偶然性。由以上分析可知,海潮模型在浅海海域的精度受潮波系统、水深变化等多方面因素的影响,对于面向开阔海域的浅水区,不同的海潮模型能够获得稳定可靠的分潮精度但具有地域差异性,而对于封闭或半封闭海域的浅水区,不同的海潮模型之间精度差异较大,且精度较差。

      图 4是本文结果与海潮模型在验潮站处8个主要分潮的RMS值。可以看出,海潮模型DTU10与本文结果最为接近,TPXO7.2在M2分潮RMS值较大,其余分潮与本文结果类似,OSU12在Q1O1S2分潮具有相对较差的精度表现。本文结果与DTU10、OSU12和TPXO7.2在M2分潮处RMS值均达到最大,分别为10.78 cm、11.14 cm、12.40 cm和13.61 cm,其余分潮均在10 cm内,其中O1分潮在8 cm以上,K1S2分潮在4 cm以上,其余分潮在3 cm以内。

      图  4  本文结果与海潮模型在验潮站处各分潮RMS值

      Figure 4.  Each Tidal Constituent RMS Value Compared with the Ocean Tide Models

    • 本文对中国南海0°~26°N,99°~121°E海域范围,采用T/P、Jason-1卫星高度计原始轨道16 a观测数据与变轨轨道6 a观测数据进行数据预处理得到海面沿迹点潮高,并计算同步观测期间两者系统偏差,建立统一于T/P高度计平均海面的时间序列,采用纬差0.1°间隔沿迹分析获得2 184个原始轨道正常点与1 626个变轨轨道正常点,并分别进行调和分析与响应分析,得到8个主要分潮的调和常数。

      采用交叉点处升、降轨不符值对提取的潮汐参数进行分析,结果表明,交叉点处调和常数具有较高的相关性,振幅最大偏差在8 cm之内,部分迟角偏差变化较大,3种类型轨迹交叉点RSS值分别为0.82 cm、7.28 cm、4.26 cm,表明在研究区域交叉点处升轨与降轨分别提取的潮汐结果符合较好。

      本文结果联合3个海潮模型(DTU10、OSU12和TPXO7.2)与中国南海周边27个长期验潮站结果比较发现,DTU10与本文结果最为吻合,OSU12精度相对较差。受中国南海复杂潮波系统、验潮站点与星下点距离等因素的影响,中国南海北部在验潮站处结果相比南部较差。对于封闭或半封闭浅水海域,模型结果之间差异较大。因此,进一步结合更精确的水深数据、岸线数据和多源测高数据对封闭或半封闭浅水海域的潮汐性质进行研究,具有重要的实用价值和科学意义。

参考文献 (21)

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