世界典型半封闭海域卫星测高数据非潮汐高频信号去混淆研究

For semi-enclosed marginal seas, the sea level variation has strong high-frequency components due to mismatch between inflow and outflow as well as the reflection of boundaries. According to the Nyquist law, high-frequency signals less than two satellite cycles can lead to aliasing errors in the altimeter observations. The aliasing errors may produce artificial mesoscale signals in altimeter-mapped Level 3 gridded products. Due to the irregularly of non-tidal high-frequency motions, their aliasing errors are difficult to be removed, which have become a major challenge to further improve the accuracy of altimeter observations. In this proposal, non-tidal high-frequency motions will be extracted using bottom pressure data, tidal-gauge data and model simulations to suppress aliasing errors in altimetry observations in the four typical semi-enclosed marginal seas which are Japan Sea, South China Sea, Mediterranean Sea and Gulf of Mexico. Development of a new generation wide-swath interferometry altimetry has been included in the 14th National Five-Year Plan. The implementation of this project will provide a reference for resolving similar problems for future satellite observations.

对于半封闭边缘海，由于流入和流出海盆的海水在时间上不匹配和边界的反射作用，海面存在着较强的高频变化。根据尼奎斯特（Nyquist）定律，海洋中小于两个卫星周期的海面高频变化能够在高度计观测中产生混淆误差。这种混淆误差会导致高度计三级时-空融合的格网产品中存在虚假的中尺度信号。由于非潮汐海面高频变化的不规则性，产生的混淆误差较难去除，已经成为进一步改善高度计观测的一个主要障碍。本项目综合利用海底压力数据、验潮站数据以及海洋模式对日本海、南海、地中海和墨西哥湾四个典型半封闭边缘海的非潮汐高频信号进行分析与提取，并用于降低高度计观测中的混淆误差。发展新一代宽刈幅干涉测高卫星将被列入国家十四五规划，本项目对其高频混淆误差的消除也具有借鉴作用。

海洋卫星高度计具有覆盖全球的能力，能够大尺度、高精度、周期性地测量海面变化，已经成为海洋科学、气候变化等研究的重要观测工具（Zhao and Xu et al 2021）。传统卫星高度计对海洋的观测有两点不足之处，1）仪器噪音的影响使之只能观测到尺度在100公里以上的海洋信号; 2) 时-空采样频率不足导致的混叠误差。基金主持人早些年曾经定量分析了高度计仪器噪音对分辨率产生的影响，并提出了一套降低噪音的方法，成果发表在JPO上（Xu and Fu 2012）。本基金项目旨在分析和解决第2个问题。非周期性混叠误差会导致高度计的三级格网化产品中存在虚假的中尺度信号（Xu et al 2007）。由于非潮汐海面高频变化的不规则性，其产生的混叠误差较难去除，已经成为进一步改善高度计观测性能的一个主要障碍。在本基金的资助下，主持人提出了一系列降低混叠误差的方法，并通过与验潮站和漂流浮标（drifter）的观测比较证明了改善后的高度计产品及其反演的速度的准确性都比校正前的有所提高。例如，本项目提出了利用EOF方法对地中海海域的非潮汐海面变化高频号进行提取，并与原始的空间均值法去高度计混叠信号比较，发现经EOF方法校正后，高度计对西地中海环流和涡旋的观测精度有所改善（Hu and Xu 2000）；本项目还发现用底压数据校正混叠误差的效果要优于验潮站数据(Li and Xu 2017)。目前，解决混叠问题的有效途径之一是发展新一代宽刈幅干涉高度计，申请人参与了国内标定干涉高度计的机载试验，并提出了利用稳定海浪场的时-空能量特性来标定干涉高度计的方法。以上成果都发表在国际知名SCI期刊上面。本基金的预计目标是发表文章不少于5篇，其中 SCI 文章不少于3篇， 培养研究生不少于2名。在本基金项目的支持下，共发表了13篇文章， 其中8篇SCI文章（其中一篇的 impactor factor > 9）， 5篇中文核心期刊，培养了3名博士，3名硕士， 1名博士后，完成了项目的预期指标。 本项目提出的方法可以用于其它类似海域的高度计观测混叠误差校正，完成的基金工作对于改善高度计数据产品质量，推广其应用有重要的意义。