基于海洋二号微波散射计-雷达高度计的南中国海-北印度洋宽刈幅混合浪、涌浪融合反演方法的研究

The South China Sea and North Indian Ocean are the main waters for the 21st -Century Maritime Silk Road. Due to the harsh sea conditions affected by strong monsoon, it is of great importance to obtain the accurate wave field from the observations. The study will propose a novel method to achieve a wide swath wave field with high spatial coverage and high temporal and spatial resolution by fusing the HY2 scatterometer and altimeter observations. The feasibility experiment shows that the wave fusion gives a 0.4-0.5m absolute error when compared to buoys in China offshore. Meanwhile, in this study, a method of separating the swell from waves by using the HY2 scatterometer and altimeter observations is also presented. The comparison to the NDBC buoy shows good accuracy under the swell dominant condition. After the acquisition of the wide swath wave field and swell using the methods above, the characteristics of wave and swell in South China Sea and North Indian Ocean will be studied, such as Year/month average, monthly anomaly, spatial and temporal variations.

南中国海-北印度洋是“21世纪海上丝绸之路”所经过的主体海域。该海域受强盛季风影响海况恶劣，因此获取准确海浪观测实况对航行及其他海上活动具有重要意义。本研究原创性提出了一种融合海洋二号卫星微波散射计与雷达高度计观测获取宽刈幅、高空间覆盖、高时空分辨率混合浪有效波高场的融合方法，显著改善了海浪观测空间覆盖率低等方面的局限，并建立简化算法完成了可行性研究，通过与中国近海浮标的对比，其有效波高绝对误差为0.4m-0.5m。同时，针对目前涌浪观测的缺陷，本研究也提出了一种融合卫星微波散射计与雷达高度计的风浪-涌浪分离方法，与NDBC浮标的对比表明其在涌浪主导情况下具有良好的精度。最终使用上述微波散射计与雷达高度计的混合浪融合方法以及涌浪分离方法，获得南中国海-北印度洋海域混合浪有效波高及涌浪的历史数据集，在此基础给出该海域各浪级逐月的出现概率、年/月平均有效波高以及时空变异特性等特征。

本研究首先基于我国业务化海浪观测浮标，完成了我国首颗海洋动力环境卫星海洋二号A卫星（HY-2A）雷达高度计有效波高、微波散射计海面风速在我国近海的产品精度评估。其中雷达高度计有效波高平均绝对误差为0.3-0.5m，微波散射计海平面风速平均绝对误差为1.6-1.8m/s。本研究针对浮标、卫星雷达高度计等海浪观测手段空间覆盖率低的局限，本文提出一种基于HY2卫星微波散射计与雷达高度计数据获取宽刈幅、高空间覆盖、高时空分辨率海浪有效波高场的融合方法。该方法通过风浪关系将微波散射计海面风场转化为同刈幅风浪场，利用与微波散射计观测相匹配的雷达高度计有效波高观测数据对此风浪场进行订正，最终获取高空间覆盖、高时空分辨率海浪宽刈幅有效波高融合场。使用此方法获得的HY2有效波高融合场在西北太平洋海域逐日平均覆盖率能够达到61%。在与中国近海浮标与NDBC大洋浮标的海浪观测的对比中，有效波高融合场平均绝对误差为0.3m-0.5m，表明该融合方法得到的有效波高场在拥有高空间覆盖、高时空分辨率的同时也具有较高的精度。同时，本研究完成了基于HY2A卫星散射计风场与雷达高度计的涌浪分离算法，即通过风浪与混合浪的能量差，来获得涌浪的估计。并基于上述宽刈幅融合算法和涌浪分离算法，完成了对中国近海-西北太平洋以及北印度洋海浪情况的分析，给出了上述海域的混合浪、涌浪的时空分布特征以及与对应的天气系统的关系。最后，本研究利用上述宽刈辐融合算法，制作了中国近海-西北太平洋逐日有效波高数据集，并按照我国海洋业务化需求，进行了多项业务化应用研发工作，包括国家业务化海浪预警报以及南北极考察业务保障中。