基于测高技术的海平面记录中的纬度伪影：来源、后果与缓解措施

《Oceans》：Latitudinal Artifacts in Altimetry-Based Sea Level Records: Sources, Consequences, and Mitigation

　　

在过去的三十年中，五颗卫星相继沿参考轨道运行，构建了全球海平面测量最长的连续气候记录。其连续性得益于连续卫星之间的串联飞行得以保障。在这篇论文中，研究人员证明，Sentinel-6系列的首颗卫星（Sentinel-6 Michael Freilich）使得检测Jason-1/2/3地面段的处理异常成为可能。研究发现，高度计距离（altimeter range）重建中存在不一致性，导致其被低估了3.65毫米。在某些由卫星轨道速度决定的纬度处，高度计距离未受该异常影响。对于参考轨道，两极、赤道附近以及升轨40°S处的距离不受影响。在GDR-G版本之前的所有Jason地球物理数据记录（Geophysical Data Record, GDR）均受到所述处理异常的影响。在等待使用GDR-G标准对Jason数据进行全面重处理期间，本文提出了一种应用于使用GDR-F及更早地面段生成的Jason数据集的纬度经验校正。该校正应用于高度计距离，源自一个月的补丁Jason-3数据，且仅适用于参考轨道。此外，SWOT Nadir地面处理也受到相同的处理错误影响，并已从GDR-S2版本开始得到纠正。最后，研究人员的分析表明，该处理异常对Jason二级（Level-2）衍生产品、模型和指标的影响微乎其微。

基于测高的海平面记录中的纬度伪影：来源、后果与缓解措施

近年来，随着全球气候变化的加剧，精确监测全球海平面变化已成为气候科学研究的核心议题之一。自1992年以来，通过一系列卫星测高任务，科学家们构建了迄今为止最长的全球海平面连续气候记录。然而，维持这一记录的精确性与连续性面临着巨大的挑战。特别是，不同卫星任务之间的无缝衔接依赖于严格的任务间交叉定标，即便是几毫米的系统偏差也会显著增加全球平均海平面（Global Mean Sea Level, GMSL）趋势和加速度估计的不确定性。在此背景下，Sentinel-6 Michael Freilich（Sentinel-6MF）卫星作为最新加入参考轨道的卫星，其与Jason-3的串联飞行数据为重新审视历史测高数据的精度问题提供了前所未有的契机。研究人员在开展Sentinel-6MF与Jason-3的数据比对时发现，两者在无地理物理校正的海表面高度异常（Sea Surface Height Anomaly, SSHA）上存在意想不到的纬度带差异，这直接促使了本研究的开展。本文旨在探究这些纬度带的起源，评估其对测高数据及相关衍生产品的实际影响，并提出临时性的校正方案，以期进一步提升卫星测高数据的质量与可靠性。该研究发表于国际知名期刊《Oceans》。

为了深入剖析这一异常现象，研究人员采用了多项关键技术方法。首先，利用Sentinel-6MF与Jason-3串联飞行期间的共线数据集，通过插值到共同的理论地面轨迹，直接计算并比较了两任务的关键Level-2参数，特别是无地理物理校正的SSHA，从而排除了不同地理物理模型版本带来的潜在干扰。其次，为了追溯异常的来源，研究人员不仅对比了不同测高任务（如TOPEX、Jason系列、Sentinel-3A/B、ERS2、Envisat、SARAL/AltiKa）的均值剖面，还进行了独立任务间的交叉验证。此外，研究人员获取并处理了一个月的Jason-3补丁数据集（采用测试版GDR-F标准以修正该异常），并将其与原始GDR-F数据进行详尽的对比分析，以此量化校正前后的差异。最后，利用线性插值法构建了针对升轨和降轨的经验查找表（Look-Up Table, LUT），为临时校正提供了具体的实施方案。

研究结果

1. 2.
   纬度带的起源

2.1 Jason系列

研究人员通过对比不同测高任务的数据发现，最初在Sentinel-6MF与Jason-3的比对中观察到的两个纬度带（赤道附近约1°S至3.5°N，以及南纬40°附近的升轨）并非源于Sentinel-6MF或TOPEX。通过与独立轨道任务（如ERS2、Envisat、SARAL/AltiKa）的均值剖面比较，确认赤道处的正偏差明确来源于Jason系列卫星。尽管南纬40°的纬度带由于噪声较高且效应局限于升轨而难以通过此方法完全分离，但整体证据表明Jason系列是这两个纬度带的主要来源。

2.2 地面段异常

进一步排查将目标锁定在地面段处理流程。研究人员排除了轨道和平均海面（Mean Sea Surface, MSS）模型的因素，并将焦点集中在Ku波段距离估算上。空间分布特征暗示该异常可能与卫星径向速度有关。最终，在Jason地面段的高度计遥测数据地面重建过程中发现了一个关键异常：在某些径向轨道速度情况下，星载与地面处理中数值方法的截断步骤存在不一致。这一异常影响了所有距离、所有回波追踪算法（retracker）、Ku和C波段以及所有发布率（20赫兹和1赫兹）。测试版的补丁数据显示，该异常导致大多数纬度的距离被低估了3.65毫米，而在赤道、轨道极值点以及南纬40°附近的升轨，受影响的距离实际上为零偏差，这正是原始观测中纬度带形成的根本原因。

1. 3.
   距离纬度经验校正

在Jason数据全面重处理为GDR-G版本之前，研究人员提出了一种临时性的纬度经验校正方案。该校正基于Jason-3测试数据集，按0.25°纬度间隔分别对升轨和降轨进行平均计算得出。校正查找表涵盖了66.9°S至66.9°N的范围，用户需根据轨道方向选择相应的校正量并加到原始距离上。该校正适用于所有Jason GDR-F及更早标准的数据，且对所有波段、回波追踪算法和发布率均有效。然而，研究人员强调该校正仅限参考轨道使用，不能应用于其他轨道（如交错或漂移轨道），且由于未考虑纬度带位置和宽度的变化以及南纬40°升轨效应的非系统性，应用后可能仍存在残余异常。

1. 4.
   对全球平均海平面和二级衍生产品的影响评估

4.1 全球平均海平面

应用经验校正后，Jason-1/2/3任务测量的GMSL曲线仅出现全局偏移（例如Jason-1偏移+3.37毫米），其动态变化保持不变。这意味着该处理异常对GMSL趋势和加速度的估计没有影响，相关的不确定性预算参数也未发生改变。

4.2 Level-2 Plus (L2P) 2024

在Copernicus Marine Service的L2P产品中，由于Jason-3曾作为区域参考任务，该异常曾传播至TOPEX数据。在最新的DT24版本中，通过采用Sentinel-6MF作为区域参考，并应用基于Sentinel-6MF与Jason-3纬度平均差异的区域偏差校正，初步修正了该异常。未来的L2P重处理将受益于Jason的GDR-G重处理，实现从源头彻底校正。

4.3 同化测高数据的模型

过去30年中，受此异常影响的海面高度产品被同化到数值预报模型中，可能导致赤道区域出现毫米级的轻微偏差。此外，用于计算平均海面模型的输入数据也受到影响，但敏感性测试表明，其对最终MSS模型结果的差异影响微乎其微。

结论

早期TOPEX与Jason-1的海表面高度测量对比揭示了约14厘米的任务间偏差，其半球模式振幅约为2厘米。相比之下，本研究中分析的纬度带振幅仅为4毫米左右，低一个数量级，因此在当时并未引起主要关注。随着海平面数据集的不断改进以及Sentinel-6MF加入参考轨道，这些纬度特征的起源现已查明。与最初归因于TOPEX的假设相反，该异常源于Jason任务地面段的处理错误。重要的是，该问题与星载仪器无关，因此易于纠正。

该异常导致Jason产品提供的大多数纬度距离被低估了3.65毫米。在赤道、轨道极值点以及仅限升轨的南纬40°S附近，距离保持无偏，从而导致了最初观测到的纬度带。

该问题的校正已在Jason地面段的GDR-G版本中实现，该版本自2025年1月起已用于Jason-3数据处理。使用GDR-G的重处理活动也将追溯校正Jason-1、Jason-2和Jason-3在其整个任务寿命期间的数据。在此期间，研究人员提出了一种经验校正，以暂时缓解其在参考轨道上相应时期获取数据的影响。该纬度经验校正仅限于参考轨道，应谨慎应用，因为它并未完全解决异常。特别是，它没有考虑纬度带位置和宽度的变化，也没有考虑到并非所有升轨都在南纬40°S表现出该效应。

相同的处理异常也影响了SWOT Nadir数据集，自2025年2月部署GDR-S2版本地面段以来已得到纠正。该版本用于2025年进行的全任务重处理。

该异常的识别和解决凸显了串联任务在推进卫星测高数据准确性和一致性方面的重要性。