基于SWOT/KaRIn多方向大地水准面梯度的垂线偏差优化建模方法及其在海洋重力异常反演中的应用

《Geophysical Journal International》：Tailored method for optimizing deflection of the vertical model using multi-directional geoid gradients from SWOT/KaRIn observations

本研究针对传统垂线偏差(DOV)建模方法未能充分利用SWOT/KaRIn二维观测数据潜力的问题，提出了一种定制化优化方法。通过结合沿轨、跨轨和对角线方向的大地水准面梯度，采用基于海浪高度与海面高标准差关系的自适应加权策略，并在数据间隙区域补充先验梯度数据。结果表明，三方向梯度组合使DOV模型精度提升7.3%，17个周期数据叠加反演的重力异常精度达2.97 mGal，较单周期提升7.2%。该研究为高分辨率海洋重力场建模提供了新范式。

　　

在海洋地球物理勘探领域，精确确定垂线偏差(DOV)和重力异常对揭示海底构造特征至关重要。传统卫星测高仅能提供沿轨方向的一维观测，导致东西分量DOV精度明显低于南北分量，制约了海洋重力场模型的精细化发展。随着SWOT（表面水与海洋地形）任务的实施，其搭载的KaRIn（Ka波段雷达干涉仪）首次实现了二维海面高(SSH)观测，为突破这一瓶颈带来了新机遇。

本研究针对SWOT/KaRIn观测特点，开发了定制化的DOV优化方法。该方法创新性地融合了沿轨(ATD)、跨轨(CTD)和对角线方向(DFD/DBD)的大地水准面梯度，建立了海浪高度(SWH)与SSH标准差的经验函数来自适应确定权重。为解决SWOT/KaRIn特有的20公里星下间隙和边缘间隙问题，研究团队还提出了基于混合平均海面模型的间隙填充策略和重叠区域加权平均算法。

关键技术方法包括：1）基于最小二乘配置(LSC)和加权最小二乘估计(WLSE)的DOV建模；2）利用逆Vening-Meinesz(IVM)方法将DOV转换为重力异常；3）多周期观测数据的加权叠加处理；4）使用XGM2019e作为参考重力场模型的移去恢复技术。验证数据涵盖菲律宾海区域的船测重力数据（808,011个点）和全球重力模型（S&S V32.1、DTU21）。

4.1 多方向梯度组合与自适应加权模型

研究发现三方向梯度组合(ATD+CTD+DFD)效果最优，DOV北分量和东分量精度分别达到0.36角秒和0.50角秒。自适应加权策略使重力异常反演精度提升0.30 mGal（7.3%），显著优于传统等权处理方法。

4.2 间隙与重叠区域模型优化

通过补充间隙区域梯度数据，DOV模型中的菱形间隙和条纹现象得到有效消除。在间隙区域，重力异常精度提升0.15 mGal；在重叠区域，因纬度增加而扩大的重叠区域也通过梯度平均算法获得0.15 mGal的精度改善。

4.3 多周期观测叠加分析

17个周期数据叠加使重力异常反演精度达到2.97 mGal，较单周期观测提升7.2%。对比验证显示，一年期SWOT/KaRIn观测数据反演结果与基于三十年传统测高数据的模型精度相当，且在海底山、海沟等复杂地形区域表现出更优性能。

研究证实，SWOT/KaRIn二维观测有效解决了传统测高东西分量精度不足的问题。定制化方法通过多方向梯度融合、自适应加权和间隙补偿等创新策略，显著提升了海洋重力场模型的精度和分辨率。该成果为未来高分辨率海洋地球物理研究提供了重要技术支撑，标志着卫星测高技术进入了二维观测的新时代。随着SWOT/KaRIn观测数据的持续积累，有望在海底构造识别和海洋资源勘探领域发挥更大价值。