Материалы 17-й Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, ИКИ РАН, 2019 год

(http://conf.rse.geosmis.ru)

Статистический анализ продукта спутниковой альтиметрии DT2018 в прибрежной зоне и в открытом море в околополярном регионе

Наумов Л.М. (1,2,3), Гордеева С.М. (1,2,3), Белоненко Т.В. (1)
(1) Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
(2) Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМУ), Санкт-Петербург, Россия
(3) Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва, Россия
На сегодняшний день наиболее полную оценку изменения уровня Мирового океана (МО) можно получить по альтиметрическим данным. Существует множество работ, посвященных исследованию современных трендов в уровне МО, а также динамической структуры океана, в которых используются данные спутниковой альтиметрии. В связи с этим весьма актуальным является проблема валидации альтиметрических данных. Известно, что на данный момент спутниковые альтиметрические измерения имеют хорошее качество в низких и умеренных широтах. Однако не так много работ посвящено оценке качества альтиметрических продуктов севернее 60˚ с.ш. В частности, можно выделить работу, по результатам которой можно утверждать, что данные альтиметрии имеют приемлемое качество в Северной Атлантике, однако, на акватории российской Арктики качество альтиметрических данных пока оставляет желать лучшего.
Цель данной работы – оценка качества новейшего альтиметрического продукта DT18 для Северо-Атлантического региона путем сравнения данных спутниковой альтиметрии и инструментальных данных об уровне с мареографных постов.
Цель настоящей работы - оценка качества альтиметрических продукта DT18 как в прибрежной зоне, так и в открытом океане в приполярном регионе. Для оценки в прибрежной зоне дополнительно привлекался продукт ESA cci initiative. Для оценки качества указанных выше продуктов в прибрежном регионе было произведено сравнение альтиметрических данных с данными береговых мареографических станций. Для сравнения в открытом океане использовались данные поверхностных дрифтеров NOAA. Также для адекватного сравнения альтиметрических данных с данными дрифтеров необходимо учесть агеострофические эффекты, воздействующие на дрифтер, в первую очередь - Экмановский дрейф. Для его учета в настоящей работе использована поправка, взятая из сервиса Copernicus, которая рассчитывалась по модели ECMWF.
Продукт DT18 от AVISO представляет собой значения аномалий уровня относительно средних значений в узлах регулярной сетки с пространственным разрешением 0.25˚x0.25˚, временной дискретностью – 1 сутки за период с 01.01.1993 по 31.12.2017. Альтиметрические измерения получены со спутников Topex/Poseidon и Jason (период обращения 10 дней), GFO (17 дней), ERS-1, ERS-2 и Envisat (35 дней), проведена коррекция данных на закон «обратного барометра», приливы и различные эффекты атмосферы, тропосферы и ионосферы. Хотя измерения спутников Topex/Poseidon и Jason доступны только до 66° широты, данные GFO° доступны до 72° широты, а ERS-1, ERS-2 и Envisat – до 81,5° широты. Таким образом, области Мирового океана, расположенные в высоких широтах, также покрыты альтиметрическими измерениями. Для представления комбинированных данных в продукте DT18 от AVISO на сетке применялся метод оптимальной интерполяции с применением различных фильтров. Возникает вопрос о качестве этих данных ввиду того, что альтиметрические измерения в широтах севернее 66° с.ш. получены со спутников, период обращения которых существенно превышает период обращения большинства несущих альтиметры спутников в низких широтах. Продукт ESA cci initiative создается схожим с DT18 образом, используются данные этих-же спутников, однако, ESA использует свою динамическую коррекцию (DAC), основанную на атмосферных моделях ECMFW, и свой интерполяционный алгоритм.
Для валидации использовались данные об абсолютном значении уровня на шести выбранных береговых станциях, расположенных на побережье Норвегии (Рёрвик, Бодё, Харстад, Кабелвааг, Хаммерфест, Анденес) с месячной дискретностью за период с января 1993 по декабрь 2017 гг., предоставленные сервисом PSMSL. Альтиметрические данные выбирались для района 60-75˚ с.ш. и 0-30˚ в.д. в точках сетки, ближайших к мареографным станциям по методу ближайшего соседа (nearest neighbor), и также приводились к среднемесячной дискретности.
В ходе работы выявлено, что в прибрежной зоне как DT18, так и ESA cci initiative хорошо воспроизводят изменения уровня при месячном осреднении, средняя ошибка порядка трех сантиметров. Однако, при использовании статистических тестов Фишера и Стьюдента, были выявлены расхождения между альтиметрией и инструментальными данными как по среднему значению, так и по дисперсии, которые в большей степени характерны для продукта DT18. При анализе спектров исследуемых рядов был сделан вывод о более сглаженном характере спектров рядов альтиметрических данных по сравнению со спектрами данных натурных наблюдений, что, вероятно, обусловлено интерполяцией данных спутниковых треков в сетку.
В открытом море ошибка данных альтиметрии увеличилась и составила 10-20 см. Статистические тесты, как и сравнение эмпирических функций распределения данных альтиметрии и дрифтеров и сравнение их с нормальным законом распределения, не дали положительных результатов. Также при анализе пространственного распределения среднеквадратического отклонения был сделан вывод о наличии специфической “бриллиантовой” структуры распределения ошибки, которая может быть связана, также как и сглаживание спектров, с интерполяцией спутниковых треков в узлы регулярной сетки.

Проект выполнен при финансовой поддержке гранта РНФ № 18-17-00027 «Вихревая динамика Лофотенской котловины и ее роль в переносе термохалинных свойств вод в Норвежском море».

Ключевые слова: Спутниковая альтиметрия, DT18, статистическое сравнение, высокие широты
Литература:
  1. Белоненко Т. В., Колдунов В. В., Старицын Д. К., Фукс В. Р., Шилов И. О. Изменчивость уровня северо-западной части Тихого океана. СПб.: Изд-во СМИО-ПРЕСС, 2009. 309 с.
  2. Малинин В. Н. Уровень океана: настоящее и будущее. СПб.: РГГМУ, 2012. 260 с.
  3. Douglas B. C., Peltier W. R. The puzzle of global sea-level rise // Phys. Today. 2002. 55. 35–40.
  4. Mitchum G. T., Cheney R., Fu L.-L. The future of sea surface height observations. In Observing the oceans in the 21st century (ed. C. J. Koblinsky & N. R. Smith). Melbourne, Australia: Bureau of Meteorology, 2001. Р. 604.
  5. Кубряков А. А., Станичный С. В. Оценка качества восстановления поверхностной геострофической циркуляции Черного моря по данным спутниковой альтиметрии на основе сопоставления с дрифтерными измерениями. // Исследование Земли из космоса. 2013. №3. С. 3-12.
  6. Rio M.-H., and F. Hernandez. A mean dynamic topography computed over the world ocean from altimetry, in situ measurements, and a geoid model // J. Geophys. Res. 2004. No. 109, C12032, doi:10.1029/ 2003JC002226.
  7. Volkov D. L., M.-I. Pujol. Quality assessment of a satellite altimetry data product in the Nordic, Barents, and Kara seas // J. Geophys. Res. 2012. No. 117, C03025, doi:10.1029/2011JC007557.
  8. Global ocean gridded L4 sea surface heights and derived variables reprocessed (1993-ongoing). URL: http://marine.copernicus.eu/services-portfolio/access-to-products/?option=com_csw&view=details&product_id=SEALEVEL_GLO_PHY_L4_REP_OBSERVATIONS_008_047 (дата обращения: 24.09.2018).
  9. Peltier W.R 2004 Global Glacial Isostasy and the Surface of the Ice-Age Earth: The ICE-5G(VM2) model and GRACE. Ann. Rev. Earth. Planet. Sci. 2004. 32,111-149. http://psmsl.org/train_and_info/geo_signals/gia/peltier/drsl250.PSMSL.ICE5Gv1.3_VM2_L90_2012b.txt
  10. ERA-Interim. URL: https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/archive-datasets/reanalysis-datasets/era-interim (дата обращения: 24.09.2018).
  11. Ocean Reanalysis/analysis. URL: https://www.ecmwf.int/en/research/climate-reanalysis/ocean-reanalysis (дата обращения: 05.09.2018).
  12. Gibbs-SeaWater (GSW) Oceanographic Toolbox. URL: http://www.teos-10.org/software/ (дата обращения: 24.09.2018).

Дистанционные исследования поверхности океана и ледяных покровов

312