近日美国科学家Chelton Dudley B 在《Journal of Atmospheric and Oceanic Technology》发表SWOT研究成果，重点分析了SWOT卫星Ka波段雷达干涉仪海面高度（SSH）、流速和涡度估算的噪声影响。研究结果揭示了KaRIn表现超过预期，并展示了这项技术对海洋表面动力学观测的重大贡献。
SWOT卫星于2022年12月成功发射，搭载的KaRIn仪器通过对50公里宽的两个平行观测带进行SSH测量，首次提供了全球海面高度的二维视图。KaRIn的高分辨率数据产品为全球海洋动力学研究提供了新的契机，研究结果表明其在2公里网格上的噪声标准差为0.40厘米，比预发射预期精度提高了2.3倍。
通过平滑处理，如果将KaRIn数据的3公里观测区域扩大至与传统高度计10公里的空间分辨率相当，此时残余噪声的标准差降至0.12cm。这个值比传统卫星高度计的噪声要低近一个数量级。这项技术突破使得我们可以通过SSH数据推导出表面海流速度和涡度，从而揭示海洋中小尺度动力学过程的细节。
KaRIn测量海面高度误差波数频谱分析
尽管KaRIn表现出优异的噪声控制能力，测量误差仍会影响通过SSH估算的速度和涡度，尤其是在小波长的尺度上。通过对数据进行二维平滑处理，可以有效减小噪声影响。研究发现，随着半功率滤波器的截止波长增加，噪声水平显著下降，信噪比（S/N）大幅提升。特别是对于速度和涡度的估算，随着波长从17公里（速度）和35公里（涡度）增加，信号变得更加清晰，允许研究人员捕捉到8.5公里和17.5公里的细节特征。
SWOT数据中加利福尼亚洋流系统的海面高度、地转速度和涡度分布
KaRIn的噪声控制和信号增强超出了预期。早期数据分析显示，KaRIn数据的速度估算分辨率比预发射估计提高了45%，涡度估算提高了35%。 尽管涡度计算中由于需要进行SSH的二阶微分导致噪声放大，但在大部分情况下，这些测量结果仍具有重要的科学价值。特别是在高能量的中尺度和亚中尺度洋流中，KaRIn可以提供前所未有的分辨率能力，帮助科学家进一步探索海洋中的细微动态过程。
研究还指出，观测带边缘处的边缘效应会对估算结果产生影响，尤其是在涡度估算中，边缘效应对噪声的放大更为明显。这限制了每条50公里观测带的有效测量区域。然而，通过增加平滑波长，边缘效应影响可以减小，确保观测带中间区域的数据质量更高。
此外，SWOT卫星的采样周期约为21天，由于相邻观测带采样间隔较长，时间平均化处理可能会导致采样误差。这种误差源于中尺度和亚中尺度海洋现象在时间和空间上的快速变化，未来需要进一步研究如何在多次卫星过境时减小这些误差的影响。
参考文献：
D. B. Chelton, “A Postlaunch Update on the Effects of Instrumental Measurement Errors on SWOT Estimates of Sea Surface Height, Velocity, and Vorticity,” Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, vol. 41, no. 9, pp. 865–888, Sep. 2024, doi: 10.1175/JTECH-D-24-0035.1.
