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

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».