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0 引言
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有效波高（Significant Wave Height）是最基本的海浪参数之一，准确获取 SWH 的信息对进一步认识复杂海洋动力学，有效提高政府规避潜在海岸灾害的能力，以及近海作业都具有重要意义[1-4]。
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浮标在海浪测量方面有着悠久的历史，由于它可以以固定的采样频率生成各种海浪参数，包括 SWH，平均周期和波向，因此至今仍在广泛使用。浮标测量的主要局限性在于空间覆盖稀疏和维护困难[5-6]。卫星遥感是一种用来获取全球范围观测数据的技术，可提供长时序、大面积的海洋参数的观测数据。根据不同的应用目的，卫星上搭载的仪器主要包括散射计、辐射计、高度计、合成孔径雷达和真实孔径雷达[7-8]。中法海洋卫星是首个实现海面风和浪同步观测任务的卫星，其上搭载的新型波谱仪 SWIM（Surface Wave Investigation and Monitoring），是一个 Ku 波段的多波束真实孔径雷达[9]。与合成孔径雷达相比，SWIM 在测量波长为 70~500 m 的海浪方向谱方面具有独特的优势[10]。
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利用 SWIM 提供的数据可进一步研究海浪演变和海气相互作用，但极少有研究对这些数据的可信度进行评估。HAUSER 等人首次对 SWIM 有效波高产品进行评估[11]，结果表明：星下点观测与标准高度计观测精度相当，倾斜波束观测结果也能令人满意，其中 10°入射角波束的观测结果与浮标观测的一致性最好。LI 等人[12]基于美国国家数据浮标中心（National Data Buoy Center）浮标和 Jason-3 高度计 SWH 数据对 HY-2B 高度计和 CFOSAT 星下点 SWH 进行了评估。实验结果表明：星下点 SWH 的精度最高，可作为全球 SWH 的可靠数据来源。LIANG 等人[13]根据 159 个 NDBC 浮标和 Jason-3 高度计数据对 SWIM 二级产品进行了精度评估。结果表明：星下点 SWH 精度良好，而倾斜波束 SWH 的精度略低于星下点 SWH。
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然而到目前为止，还未有研究对中国近海 SWIM 数据产品的精度进行评估，SWIM 产品在中国海域的可信度尚未得到证实。本研究首次尝试评估 SWIM 产品在对中国近海的可信度。第 1 章简要介绍了数据资料和评估方法。第 2 章将星下点 SWH 和倾斜波束 SWH 分别与 2020 年中国近海浮标测量值进行比较。第 3 章对全文进行了总结。
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1 数据资料与评估方法
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1.1 数据资料
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1.1.1 SWIM 波谱仪
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CFOSAT 于 2018 年 10 月 29 日成功发射，进入距地球 520 km 的太阳同步轨道。CFOSAT 搭载了 2 个全新体制的载荷，分别是散射计 CSCAT 和海浪波谱仪 SWIM，其科学目标是通过对全球海面风场和海浪进行 24 h 同步观测，从而满足全球海洋灾害性海况预警、海洋环境预报等海洋科学研究及应用的需求。SWIM 波谱仪是世界上第 1 个通过多方向位、多入射角来探测海浪方向谱及海表面风速的星载传感器。雷达频率为 Ku 波段，具有从 0°~10°的 6 个扫描波束，可进行 360°方位向扫描。
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基于自适应重跟踪算法，可从雷达回波波形信号中反演出 SWH、归一化雷达后向散射系数和风速等参数[14]。本研究重点关注的是 0°（星下点）、 6°、8°、10°入射角波束和合成波束观测的 SWH。本研究 SWIM 数据来自于国家卫星海洋应用中心 （http：//www.nsoas.org.cn/）。
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1.1.2 浮标数据
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为了保证评估的全面性和准确性，本研究使用了中国近海 39 个浮标的海浪数据作为基准数据。浮标数据由中国气象局收集并以 10 min 的间隔存档。图1 显示了每个浮标的具体位置和水深。表1 详细列出了浮标信息，包括经度、纬度、水深和离岸距离。所使用的浮标中有一半以上的离岸距离小于 50 km。
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图1 中国近海 39 个浮标位置和水深
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Fig.1 Locations of 39 buoys and bathymetry in Chinese offshore waters
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续表1
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1.2 评估方法
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由于浮标数据每 10 min 存档一次，因此匹配点之间的时间间隔选取为 5 min。不同于大量研究选择 50 km 的空间匹配窗口[15-19]，本研究为获取更多的数据匹配量，选择 100 km 的空间匹配窗口。
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本研究采用了 4 种评价指标，包括偏差（bias），均方根误差（RMSE），相关系数（R）和散射因子 （SI）。相应的计算公式如下。
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式中： 为浮标观测值；为 SWIM 数据； 为观测值的均值； 为 SWIM 数据的均值；n 为匹配的数据点总数。
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2 实验结果与对比分析
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2.1 星下点 SWH 质量评估
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本节基于前文提到的 39 个浮标的观测数据，对 2020 年 SWIM 星下点 SWH 进行评估。
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为了研究陆地干扰所造成的影响，对星下点 SWH 采用了不同的质量控制标准。图2（a）比较了未进行任何质量控制的星下点 SWH 和浮标观测 SWH。图2（b）和 2（c）分别为滤除陆地覆盖率为 100%和大于 50%时的星下点 SWH 与浮标观测 SWH。图2（d）比较了完全没有陆地干扰时的星下点 SWH 和浮标观测 SWH。
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图2 不同质量控制下的星下点 SWH 散点图
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Fig.2 Scatterplots of nadir box SWH under different quality control
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在对受陆地干扰的场景施加质量控制后，匹配数据对的数量有所减少。我们发现，星下点 SWH 的精度有了显著提高，RMSE 从 0.582 m 下降到 0.346 m，R 从 0.814 上升到 0.943，SI 从 0.459 下降到 0.182。这说明质量控制越严格，线性回归拟合曲线与对角线之间的差异就越小，数据点会紧密地聚集在对角线附近。其中滤除土地覆盖率为 50% 时的星下点 SWH 数据精度最好。对于完全没有陆地干扰的星下点 SWH，拟合直线的斜率几乎等于 1，这表明星下点 SWH 在中国近海的数据精度良好。
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图3 对不同区间下星下点 SWH 与浮标测量 SWH 进行了比较，发现当 SWH 大于 2.5 m 小于 4 m 时，bias 和 RMSE 分别低至 0.142 m 和 0.339 m，这表明 SWIM 星下点产品在中国近海的可信度较高。尽管 RMSE 随着 SWH 的增大而增大，但其仍保持在可接受的范围内。特别地，当 SWH 在 4 m 以下时， RMSE 小于 0.4 m。当 SWH 超过 4 m 时，RMSE 急剧增加，增加的原因可能是中国海的大浪相对较少。
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图3 不同 SWH 区间的统计参数及相应的匹配数据量
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Fig.3 Statistical parameters under different SWH intervals and their corresponding number of comparison pairs
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图4 展示了 2020 年每月的统计参数，总体而言，全年内评价指标始终保持在合理的范围。除 5 月外，各月的 R 值均大于 0.8，RMSE 均低于 0.45 m。 7 月和 8 月的偏差接近 0。
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图4 2020 年星下点 SWH 的月统计参数
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Fig.4 Monthly statistical parameters of nadir box SWH in 2020
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从图5 可以观察到，本研究超过一半的浮标距离海岸不到 50 km。近岸海域的星下点 SWH 精度比预期要高得多，所有统计参数都在可接受的范围内。
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图5 4 个统计参数的空间分布
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Fig.5 Spatial distribution of 4 statistical parameters
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根据图5 中 4 个参数的空间分布可得，南海的星下点观测效果最好，东海次之，渤海和黄海较差。例如，37 号浮标站点（111°E，19°N）的星下点 SWH 与浮标观测 SWH 吻合较好，bias 为 0.089 m，RMSE 为 0.201 m，R 为 0.984，SI 为 10.4%。
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星下点观测在渤海和黄海效果较差的原因可能是海水非常浅。尤其是渤海的水深只有十几米，这可能会诱发更复杂的海浪非线性动力过程，如波浪破碎，白冠和波流相互作用等[19]。因此，海面反射的回波信号可能会受到影响。此外，与其他浮标相比，渤海和黄海的浮标与陆地的距离较近，数据的质量可能会因陆地上的信噪比降低而下降。复杂的海岸线和众多的岛屿是 17 号浮标点（121.36°E， 27.48°N）数据质量较差的原因。
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2.2 倾斜波束 SWH 质量评估
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除了 6°、8°、10°波束观测的二维海浪斜率谱以外，SWIM 波谱仪在 360°方位角范围内旋转扫描，就可以得到各个方向上的谱，从而得到合成二维谱。在这一节中，我们重点关注剔除掉陆地覆盖率为 50%时的倾斜波束 SWH。
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图6 是 4 个波束的 SWH 与浮标观测 SWH 散点图。总体而言，这 4 个波束的 SWH 与浮标观测的一致性良好。匹配数据点集中在对角线附近，每条拟合线的斜率都在 0.95 左右，bias 低于 0.21 m， RMSE 低于 0.42 m，R 可达 0.9，SI 低至 0.27。其中，10°波束的估算效果最好。除此之外，还可以将图6 中的结果与图2 中的结果进行比较，可得倾斜波束 SWH 数据的质量略低于星下点 SWH 数据质量。由于差异较小，因此可认为经过质量控制后的倾斜波束 SWH 与星下点 SWH 精度相当。
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图6 4 种不同波束 SWH 散点图
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Fig.6 Scatterplots of wave spectrum SWH for 4 different beams
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图7 显示了每个 SWIM 波束的统计参数随月份变化的情况。以 10°波束为例，SWH 与浮标观测 SWH 之间的差异相对较小且稳定，8 月的 bias 最小，为 0.070 m，且大多数月份的 RMSE 都小于 0.4 m。10°波束在 10 月的 R 值最高，为 0.945，SI 值最低，为 13.7%。6°、8°波束和合成波束的结果与 10°波束结果非常相似。5 月份所有波束的 R 值都明显低于其他月份。
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图7 2020 年不同波束 SWH 月统计参数
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Fig.7 Monthly statistical parameters of off-nadir spectrum SWH in 2020 for different beams
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3 结束语
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研究海浪特性可以为近海工程、海洋开发、船舶设计、航海安全、气象预报等诸多领域提供重要的基础信息。搭载在 CFOSAT 上的 SWIM 波谱仪可以测量全球范围内的海浪参数，然而到目前为止尚未有研究证实 SWIM 产品在中国海域的可信性。本研究首次对 SWIM 二级产品在中国近海的可信度进行了评估。为保证评估的全面性，采用了中国近海 39 个浮标的海浪数据为基准数据，时间和空间匹配窗口分别为 100 km 和 5 min。
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对于星下点 SWH，采用了不同的质量控制标准来研究陆地干扰所造成的影响。通过比较发现，随着质量控制越来越严格，数据精确度也有了显著提高。在完全去除陆地干扰后，RMSE 降至 0.346 m， R 增至 0.943，SI 降至 0.182。通过对比不同 SWH 区间星下点与浮标测量的 SWH 结果，发现尽管 RMSE 随着 SWH 的增加而增大，但其仍在可接受的范围内。将星下点 SWH 与 2020 年中国近海浮标测量值进行比较，分析各月星下点 SWH 的统计参数，发现 2020 年除 5 月外，R 值均大于 0.8，这表明 SWIM 星下点产品在中国近海的可信度较高。经过评估可得尽管超过一半的浮标位于 50 km 以内的近海，但星下点 SWH 在近海的精度远高于预期。南海的星下点观测效果最好，东海次之，渤海和黄海较差，较差的原因可能是海水非常浅，海面反射的回波信号受到影响，此外，渤海和黄海的浮标距离陆地较近，数据质量也会受到影响。
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对于倾斜波束观测，通过对比 6°、8°、10°波束和合成波束 SWH 与浮标测量的结果，发现这 4个波束的 SWH 与浮标观测的一致性较好，每条拟合线的斜率都在 0.95 左右，其中 10°波束的效果最好。再将星下点测量结果与这 4 个波束测量结果进行对比，发现倾斜波束 SWH 数据的质量略低于星下点 SWH 数据质量。与星下点观测相同，本研究对比了倾斜波束 SWH 与 2020 年中国近海浮标测量值，发现每个 SWIM 波束的统计参数随月份变化非常相似。总的来说，虽然空间匹配窗口扩展到 100 km，但 SWIM 数据仍在中国近海与浮标数据具有显著的一致性。
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CFOSAT 上搭载的 SWIM 波谱仪在海洋动力环境业务监测、全球海洋环境预报、灾害性海况预警、海洋科学研究中发挥着重要作用。本研究基于浮标数据对 CFOSAT 海浪产品在中国近海进行了评估，SWIM 数据具有较高精度，其可用于数据同化等，为进一步提高海浪预报精度提供强有力的数据支持。
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参考文献
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[1] JAMES S C，ZHANG Y S，O'DONNCHA F.A Machine learning framework to forecast wave conditions[J].Coastal Engineering，2018，137：1-10.
-
[2] NITSURE S P，LONDHE S N，KHARE K C.Wave forecasts using wind information and genetic programming[J].Ocean Engineering，2012，54：61-69.
-
[3] VALCHEV N，EFTIMOVA P，ANDREEVA N.Implementation and validation of a multi-domain coastal hazard forecasting system in an open bay[J].Coastal Engineering，2018，134：212-228.
-
[4] WANG J K，AOUF L，JIA Y J，et al.Validation and calibration of significant wave height and wind speed retrievals from HY2B altimeter based on deep learning[J].Remote Sensing，2020，12（17）：2858.
-
[5] AGARWAL A，VENUGOPAL V，HARRISON G P.The Assessment of extreme wave analysis methods applied to potential marine energy sites using numerical model data[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews，2013，27（6）：244-257.
-
[6] STOPA J E，CHEUNG K F.Intercomparison of wind and wave data from the ECMWF reanalysis interim and the NCEP climate forecast system reanalysis[J].Ocean Modelling，2014，75：65-83.
-
[7] LEE H K，SHUM C K，EMERY W，et al.Validation of Jason-2 altimeter data by waveform retracking overCalifornia Coastal Ocean[J].Marine Geodesy，2010，33：304-316.
-
[8] LIU Q X，BABANIN A V，GUAN C L，et al.Calibration and validation of HY-2 altimeter wave height[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2016，33（5）：919-936.
-
[9] HAUSER D，TISON C，AMIOT T，et al.SWIM：the first spaceborne wave scatterometer[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2017，55（5）：3000-3014.
-
[10] LI H M，CHAPRON B，MOUCHE A，et al.A new ocean SAR cross-spectral parameter：definition and directional property using the global Sentinel-1 measurements[J].Journal of Geophysical ResearchOceans，2019，124：1566-1577.
-
[11] HAUSER D，TOURAIN C，HERMOZO L，et al.New observations from the SWIM radar on-board CFOSAT：instrument validation and ocean wave measurement assessment[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2021，59：5-26.
-
[12] LI X，XU Y，LIU B，et al.Validation and calibration of nadir SWH products from CFOSAT and HY-2B with satellites and in situ observations[J].Journal of Geophysical Research：Oceans，2021，126（2）：016689.
-
[13] LIANG G Z，YANG J G，WANG J G.Accuracy evaluation of CFOSAT SWIM L2 products based on NDBC buoy and Jason-3 altimeter data[J].RemoteSensing，2021，13（5）：887.
-
[14] AOUF L，DALPHINET A，HAUSER D，et al.On the assimilation of CFOSAT wave data in the wave model MFWAM：verification phase[C]//2019 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium.Yokohama：IEEE 2019.
-
[15] QUEFFEULOU P.Long-term validation of wave height measurements from altimeters[J].Marine Geodesy，2004，27：495-510.
-
[16] YOUNG I R，SANINA E，BABANIN A V.Calibration and cross validation of a global wind and wave database of altimeter，radiometer，and scatterometer measurements[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2017，34：1285-1306.
-
[17] RIBAL A，YOUNG I R.33 Years of globally calibrated wave height and wind speed data based on altimeter observations[J].Scientific Data，2019，6（1）：77.
-
[18] WAN Y，ZHANG R J，PAN X D，et al.Evaluation of the significant wave height data quality for the Sentinel-3 synthetic aperture radar altimeter[J].Remote Sensing，2020，12（18）：3107.
-
[19] JIA Y J，LIN M S，ZHANG Y G.Evaluations of the significant wave height products of HY-2B satellite radar altimeters[J].Marine Geodesy，2020，43（4）：396-413.
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摘要
研究有效波高（Significant Wave Height，SWH）的特征对海洋灾害预警和海洋生产安全具有重要意义。中法海洋卫星（China-France Oceanography SATellite，CFOSAT）上搭载的世界领先的 SWIM 波谱仪能够测量全球范围内的海浪参数。已有大量研究对 CFOSAT 海浪产品在全球范围内进行评估，然而对区域的研究相对较少。本研究采用中国近海 39 个浮标的海浪数据来评估 2020 年 SWIM 二级产品的数据质量，空间和时间匹配窗口分别为 100 km 和 5 min。结果表明：经过对陆地干扰施加不同程度的控制，SWIM 有效波高产品具有较高的精度。在完全去除陆地干扰后，星下点 SWH 与浮标观测的一致性较高，均方根误差为 0.346 m，相关系数为 0.943，散射因子为 0.182。SWIM 数据与浮标观测数据之间的总体差异随着 SWH 的增加而增大。 6°、8°、10°入射角波束和合成波束 SWH 与浮标观测一致性良好，但精度略低于星下点 SWH。这些发现都有力地证明 SWIM 二级产品在中国近海具有很高的可信度。
Abstract
Investigating the characteristics of significant wave height（SWH）is of great significance for early warning of marine disasters and the safety of marine production. The world-leading SWIM wave spectrometer onboard China-France Oceanography Satellite（CFOSAT）has the ability to provide wave properties on a global scale. However，there is a relative paucity on the coastal and regional assessments of the SWIM data. In this study，wave data from 39 buoys around Chinese offshore waters are employed to evaluate the quality of SWIM Level 2 products over 2020. Spatial and temporal matching criteria of 100 km and 5 min are applied. The results showed that after applying varying degrees of control to the land contaminations，there is a remarkable improvement in the accuracy of SWIM data. After completely filtering out the land contaminations，the nadir box SWH exhibits excellent consistency with buoy observations，where RMSE is 0.346 m，R is 0.943，and SI is 0.182. The overall difference between SWIM data and buoy observations increases with the SWH. Concerning the off-nadir observations，the spectrum SWH from 6°，8°，10° and combined SWH beams correlate well with the buoy observations，but the accuracy is slightly lowerthan the nadir box SWH. All these findings provide solid evidences that SWIM Level 2 products have strong credibility in Chinese offshore waters.
