GPS浮标数据反演海浪谱的理论仿真与试验验证.pdf

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1、第36卷第7期海洋学报vo1．36，No．72014年7月ACAOCEANOLOGICASINICAJuly2014徐曦煜，王振占，叶沛，等．GPS浮标数据反演海浪谱的理论仿真与试验验证[J]．海洋学报，2014，36(7)：34—44，doi：10．3969／j．issn．0253—4193．2014．07．005XuXiyu，WangZhenzhan，YePei，eta1．TheoreticsimulationandcampaignvalidationofoceanwavespectrumretrievalfromGPSbuoymeasurementsEJ~．ActaOcean

2、ologicaSinica(inChinese)，2014，36(7)：3444，doi：10．3969／j．issn．0253—4193．2014．07．005GPS浮标数据反演海浪谱的理论仿真与试验验证徐曦煜，王振占，叶沛，许可(1．中国科学院空间科学与应用研究中心微波遥感技术重点实验室，北京100190；2．中国科学院大学，北京100039)摘要：GPS浮标作为一种新型的海洋测量设备，近年来在海面高度现场测量和星载高度计定标方面取得了重要应用。通过仿真试验对反演海浪谱的方法和流程进行研究，旨在探索从GPS浮标测量的海面高度序列中提取海浪谱的方法。首先，使用Longuest模型

3、生成了海浪波面位移时间序列，并通过Pierson-Moscowitz风浪谱对波面位移的统计特性进行约束，其随机性由相位引入。结合典型潮汐和GPS浮标仪器噪声的仿真时间序列，合成了仿真时间长度1h的1Hz(每秒1次)随机海面高度序列。然后，利用自相关函数法，进行高通滤波和数据压缩，得到了仿真的海浪谱。该仿真结果和理论海浪谱非常接近，可满足海浪谱反演的需求。最后，通过山东石岛外海的GPS浮标现场试验，验证了本文提出的反演方法的适用性。本文的研究解决了GPS浮标反演海浪谱的关键问题，丰富了海浪谱反演的手段，拓展了GPS浮标的应用领域，有望为未来我国的星载波谱仪定标服务。关键词：GPS浮标

4、；随机波面位移；P_M谱；自相关函数；高通滤波中图分类号：P731．22文献标志码：A文章编号：0253—4193(2014)07—0034—11定位技术的飞速发展，出现的一种新型海洋测量仪1引言器。将GPS天线安装在海上浮动平台(或船)上，就海浪谱是随机海浪的一个重要统计特性，它不仅可以直接测量海面高度。GPS浮标的测量原理是：通包含海浪的二阶信息，而且还直接给出海浪组成波能过GPS载波相位动态差分测量技术(RTK)获得GPS量相对于频率和方向的分布。获得海浪谱信息，不仅天线相位中心的精确空间地心坐标，结合先验或实测有助于理解海浪的本质，在环境预报、海洋工程和航的GPS天线相位中

5、心相对水面的精确高度值，得到海等领域也起着非常重要的作用。国际上对海浪谱海平面到参考椭球面的高度(海面高度)的时间采样的反演越来越重视，将于2015年前后发射的中法海序列一引。洋卫星(CFOsAT)作为新一代的海洋遥感卫星，其主GPS浮标的主要功能是获得海面高度的现场载荷SWIM就是一台雷达波谱仪，它可以快速获得测量值，该测量值可用于对星载雷达高度计测量的20kin~20km分辨率的宽刈幅全球海浪谱信息，是海面高度进行定标，对现场水文测量也有重要的参一种很有前景的新型海洋微波遥感载荷_】]。考价值。由于GPS浮标的随波性较好，在其海面高GPS浮标是自20世纪90年代初随着GPS卫星

6、度测量时间序列中包含了波浪的影响，通过对该序收稿日期：2013—07—11；修订日期：2014—04—20。基金项目：中科院国家空间中心重点培育基金(Y32114FBgS)。作者简介：徐曦煜(1979)，男，河南省内乡县人，博士，副研究员，主要从事星载雷达高度计误差分析和定标技术研究。E-mail：xu~yu@mirslab．cn7期徐曦煜等：GPS浮标数据反演海浪谱的理论仿真与试验验证列的处理可以获得海浪谱的信息。国内外近年来的数或功率谱密度描述海浪整体特征。文献中讨论了通过GPS浮标测量海面有效波高、波2．2海浪谱模型及特征周期、主波向等参数的原理和技术，且多局限于在实为了仿真

7、随机海浪，须提供“靶谱”，国际上学者验室内的造浪池的规则波的研究]，但对更重要、提出了多种海浪功率谱模型。其中，Pierson-Mos—更全面的海浪谱反演着墨甚少。本文将通过理论建cowitz谱(下文简称P_M谱)有简明的表达式和解析模和仿真试验，研究利用GPS浮标反演海浪谱的方形式的统计特性，为使仿真的条件可控，结果更易评法和流程，并用GPS浮标的海上实测数据对该方法价，本文选用P-M谱作为靶谱。P-M谱以风速或有进行验证。效波高为唯一输入参数，适用于完全成长的、由