中国沿海水域CMEMS多任务有效波高产品的验证

《Remote Sensing》：Validation of Multi-Mission Significant Wave Height Product from CMEMS in China’s Coastal Waters

　　

有效波高（Significant Wave Height, SWH）对海上安全和海洋学研究至关重要。本研究系统评估了由哥白尼海洋服务（Copernicus Marine Service, CMEMS）发布的多任务沿轨SWH产品在中国沿海水域的精度。验证使用了2022–2024年来自30个沿海业务浮标的现场数据。采用25 km和±30分钟的时空匹配窗口以平衡样本量和匹配精度。CMEMS的SWH产品表现出良好性能，总体偏差（Bias）为0.10 m，均方根误差（Root-Mean-Square Error, RMSE）为0.19 m，相关系数（Correlation Coefficient, CC）为0.98，离散指数（Scatter Index, SI）为0.13。空间上，误差在南部、离岸和较深水域趋于较低。所有卫星在低海况（SWH < 0.5 m）下系统性地高估了SWH，平均偏差为0.17 m，这被确定为总体误差的主要贡献者。本研究为CMEMS多任务SWH产品在中国沿海水域的验证提供了实用参考，也为复杂沿海环境中多源卫星波数据的融合与同化提供了有用参考。

### 论文解读：中国沿海CMEMS多任务有效波高产品的验证

#### 研究背景与问题

海洋波浪是海气界面动量与能量交换的主导因素，有效波高（Significant Wave Height, SWH）作为表征海况的核心参数，广泛应用于海洋学研究、海洋工程设计及航海安全。传统现场观测（如浮标、调查船）受限于空间覆盖和采样间隔，而卫星遥感（如雷达高度计、合成孔径雷达SAR、SWIM等）可实现大范围全天候观测，积累了超过40年的全球SWH数据。然而，卫星SWH产品在投入应用前必须经过严格的精度验证与校准。现有验证多依赖美国国家数据浮标中心（NDBC）的浮标，针对中国沿海水域的验证研究相对有限。中国边缘海受季风系统控制，波浪特征复杂，且受近岸地形影响显著，卫星SWH产品在该区域的性能尚未被充分评估。哥白尼海洋服务（CMEMS）发布的多任务沿轨SWH产品被广泛用于中国波浪预报同化与实时产品生成，但其在中国沿海的适用性需系统验证。为此，研究人员利用2022–2024年中国沿海30个业务浮标数据，系统评估该产品的精度。

#### 主要技术方法

研究人员采用CMEMS提供的多任务近实时（NRT）沿轨SWH产品（产品ID: WAVE_GLO_PHY_SWH_L3_NRT_014_001），该产品融合了10颗卫星（SARAL/AltiKa, CryoSat-2, CFOSAT, HY-2B, HY-2C, Jason-3, Sentinel-3A, Sentinel-3B, Sentinel-6A, SWOT nadir）的数据。现场数据来自中国自然资源部国家全球海洋观测网的30个业务浮标，时间分辨率为1小时。通过时空匹配（空间半径25 km，时间窗口±30分钟）生成配对样本，并使用偏差（Bias）、均方根误差（Root-Mean-Square Error, RMSE）、相关系数（Correlation Coefficient, CC）、离散指数（Scatter Index, SI）及泰勒图进行统计评估。同时进行了时空窗口敏感性分析，以平衡样本量与匹配精度。

#### 研究结果

**3.1 统计指标的空间分布**

通过30个浮标站点的验证，29个站点显示卫星SWH高于浮标（正偏差），仅B23站显示微弱负偏差（-0.02 m）。偏差空间分布呈现北高南低的总体格局：渤海、黄海、东海的中值偏差为0.13 m，南海中值偏差降至0.06 m。RMSE在0.14–0.29 m之间，同样呈现北高南低趋势，南海中值RMSE为0.18 m，优于渤海（0.22 m）和黄海/东海（0.19 m）。所有站点CC均高于0.94，中值为0.982。SI中值为0.11，渤海和黄海较高（中值0.18），东海和南海较低（中值0.10）。统计指标与水深和离岸距离的关系显示：偏差随水深增加而减小（r = -0.585, p < 0.001），随离岸距离增加而减小（r = -0.530, p = 0.003），但RMSE、CC、SI与水深和离岸距离的相关性较弱或不显著。在0–100 m水深范围内，偏差与水深无清晰线性关系，但水深超过100 m后偏差明显减小。

**3.2 卫星任务性能比较**

总体而言，卫星与浮标SWH高度一致（Bias 0.10 m, RMSE 0.19 m, CC 0.98, SI 0.13）。分位数-分位数（Q-Q）图显示，在低波高（SWH < 0.5 m）条件下卫星系统性高估，偏差随SWH增大而减小，在约3.5 m后再次增大。10颗卫星的偏差范围为0.07–0.14 m，其中CryoSat-2（c2）偏差最大（0.14 m），CFOSAT（cfo）次之（0.13 m），其余卫星偏差在0.07–0.09 m之间。c2和cfo的RMSE也较高（分别为0.26 m和0.21 m），其他卫星RMSE为0.16–0.19 m。CC范围为0.97–0.99，SI范围为0.11–0.16。按SWH分箱统计，所有卫星在0–0.5 m分箱的平均偏差为0.17 m，相对误差接近40%；0.5–1.0 m分箱的偏差也较大（0.09 m），且样本量最大，是总体误差的重要贡献。当SWH > 1 m时，偏差降至0.07 m，RMSE为0.20 m，SI改善至0.10，CC为0.97。泰勒图显示，c2的归一化标准偏差偏离1.0且CRMSE较大，其余9颗卫星（特别是Jason-3、HY-2B、SARAL/AltiKa）性能接近。

**3.3 统计指标的时间变化**

2022–2024年月平均偏差在0.07–0.13 m之间波动，无明显季节或年际趋势。RMSE呈现明显季节变化：春季（3–5月）和夏季（6–8月）较低（0.16–0.19 m），秋季（9–11月）和冬季（12–2月）较高（0.20–0.24 m）。SI季节变化与RMSE相反：夏季较高（0.15–0.19），冬季较低（0.09–0.12）。进一步分析表明，归一化RMSE与归一化月平均SWH强正相关（r = 0.88, p = 0.0002），归一化SI与归一化月平均SWH强负相关（r = -0.97, p < 0.0001），说明RMSE和SI的季节变化主要由季风引起的波高季节循环驱动，而非高度计测量性能的季节变化。

#### 讨论与结论

**讨论部分**：研究人员分析了环境因素对卫星SWH精度的影响。陆地污染、浅水波变换（折射、浅化、底摩擦、破碎）导致近岸波场高度异质性，引入代表性误差，使渤海等浅水区误差较大。低海况系统性高估（SWH < 0.5 m，平均偏差0.17 m）是主要误差源，其机制包括：Ku波段高度计在低波高时距离分辨率有限（约0.47 m），波形重跟踪算法难以精确估计；海况偏差（Sea-State Bias, SSB）校正模型在低波高时误差可能更大；大型浮标对低于0.2 m的波高灵敏度较低，可能导致浮标低估。不同卫星性能差异部分源于采样分布不均（如c2和cfo在浅水低海况区域样本更多）。SAR模式卫星（Sentinel-3B, Sentinel-6A）在近岸水域表现优于传统LRM模式卫星，与理论优势一致。本研究采用的固定时空窗口及部分站点样本量有限（如B10仅53个匹配对）是方法局限，未来可结合数值波浪模型和机器学习方法改进。

**结论部分**：本研究利用2022–2024年30个业务浮标，系统评估了CMEMS SWH产品在中国沿海水域的精度。CMEMS产品与浮标观测总体上吻合良好。卫星SWH普遍高估浮标测量值，平均偏差约0.10 m。卫星与现场观测的相关性一致较高，CC中值为0.98，最小值为0.94。该区域卫星SWH精度呈现显著空间趋势：南部优于北部，离岸优于近岸，深水优于浅水。10颗卫星任务在精度上存在明显差异，偏差范围为0.07–0.14 m，RMSE范围为0.16–0.26 m。误差随SWH分箱变化显著，其中0–0.5 m和0.5–1.0 m分箱对总体误差贡献较大。卫星SWH精度呈现一定季节变化，但偏差的季节变化不显著。总体而言，时间变化由RMSE和SI的季节波动主导，这些波动与季风驱动的波高季节变化相关。这些发现为CMEMS多任务SWH产品在中国沿海水域的应用以及该区域多源卫星波数据的融合与同化提供了有用参考。