Enhancing Marine Gravity Field Precision Using SWOT Wide-Swath Altimetry Data

YU Daocheng; HWANG Jinway; ZHU Huizhong; LUO Jia; YUAN Jiajia

doi:10.13203/j.whugis20240120

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Enhancing Marine Gravity Field Precision Using SWOT Wide-Swath Altimetry Data

Geodesy and Survey Engineering | 更新时间：2026-11-05

- Enhancing Marine Gravity Field Precision Using SWOT Wide-Swath Altimetry Data
- Geomatics and Information Science of Wuhan University Vol. 51, Issue 4, Pages: 703-713(2026)
- 作者机构：
  
  1.辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院，辽宁阜新，123000
  2.阳明交通大学土木工程系，台湾新竹，300093
  3.武汉大学测绘学院，湖北武汉，430079
  4.地球空间环境与大地测量教育部重点实验室，湖北武汉，430079
  5.湖北珞珈实验室，湖北武汉，430079
  6.安徽理工大学空间信息与测绘工程学院，安徽淮南，232001
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13203/j.whugis20240120
  CLC： P228
- Received：11 April 2025，
  
  Published：05 April 2026
- 稿件说明：
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于道成,黄金维,祝会忠，等.利用SWOT宽刈幅测高数据提升海洋重力场精度[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(4):703-713.

YU Daocheng,HWANG Jinway,ZHU Huizhong,et al.Enhancing Marine Gravity Field Precision Using SWOT Wide-Swath Altimetry Data[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(4):703-713.
于道成,黄金维,祝会忠，等.利用SWOT宽刈幅测高数据提升海洋重力场精度[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(4):703-713. DOI：10.13203/j.whugis20240120

YU Daocheng,HWANG Jinway,ZHU Huizhong,et al.Enhancing Marine Gravity Field Precision Using SWOT Wide-Swath Altimetry Data[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(4):703-713. DOI：10.13203/j.whugis20240120

摘要

地表水与海洋地形（surface water and ocean topography，SWOT）宽刈幅测高卫星以前所未有的空间分辨率和精度获取海面高度信息，为提升现有海洋重力场的精度和分辨率带来机遇。但是，目前关于SWOT反演海洋重力场的研究较少，尤其缺乏基于SWOT构建的海洋重力场精度的量化结果。基于SWOT模拟数据，研究SWOT在解算垂线偏差分量和反演海洋重力异常方面的潜力。模拟了观测精度为1.4 cm、空间分辨率为2 km×2 km的SWOT宽刈幅海面高观测值，同时模拟了传统测高卫星Jason-2和Cryosat-2数据，对比研究SWOT较传统测高卫星在反演海洋重力场方面的优势。利用最小二乘配置法（least-squares collocation，LSC）和加权最小二乘平差法（weighted least-squares adjustment，WLSA）解算垂线偏差南北向和东西向分量，并利用逆Vening-Meinesz法反演重力异常。在SWOT数据模拟过程中获取的垂线偏差分量和重力异常的“真值”用于评估计算结果的精度。为充分利用SWOT宽刈幅测高特性，将SWOT二维数据分解为沿轨迹和垂直轨迹方向的一维数据。研究结果表明，LSC解算的垂线偏差分量精度优于WLSA，平均多周期SWOT数据可有效削弱观测误差，SWOT沿轨迹数据有利于解算南北向分量，而垂直轨迹数据有利于解算东西向分量。在所研究区域，融合Jason-2和Cryosat-2数据解算的1′×1′垂线偏差南北向与东西向分量的精度均约为3 μrad，反演的1′×1′海洋重力异常精度为4.7 mGal。而SWOT将垂线偏差分量的精度提升至0.7 μrad，并将重力异常精度提升至1 mGal。研究结果表明，相较于传统测高卫星，SWOT宽刈幅测高卫星在提升海洋垂线偏差和重力场精度方面具有显著优势。

Abstract

Objectives

Surface water and ocean topography (SWOT) mission

a wide-swath altimeter satellite

measures sea surface heights (SSH) with unparalleled spatial resolution and precision

offering new opportunities to enhance the precision and resolution of the existing marine gravity fields. However

there is currently limited research on recovering marine gravity fields from SWOT

particularly with respect to quantitative assessments of the accuracy of SWOT-derived marine gravity field. We investigate the potential of SWOT in determining deflection of the vertical (DOV) and deriving marine gravity anomalies based on simulated SWOT data.

Methods

In the northern South China Sea around Dongsha Island

we generate the high-wavenumber SSH components using multi-beam depths based on the residual depth model principle

compensating for the losing high-frequency signals of the DTU21MSS model. Then we simulate wide-swath SWOT SSH observations with 1.4 cm precision and 2 km×2 km spatial resolution. In order to explore the advantages of SWOT in recovering marine gravity field over the conventional nadir-looking altimeter satellites

we also simulate SSH data for Jason-2 and Cryosat-2. To make the most of SWOT's wide-swath altimetry nature

we separate two-dimensional SSHs into along- and cross-track directions. We use least-squares collocation (LSC) and weighted least-squares adjustment (WLSA) to estimate the north and east components of DOV and derive marine gravity anomalies using inverse Vening-Meinesz formula. The “true values” of DOV components and gravity anomalies are computed within the simulation of SWOT data to evaluate the precision of the results.

Results

The LSC method outperforms WLSA in estimating the DOV components. Averaging multi-cycle SWOT data efficiently suppresses observation errors. SWOT along-track data are beneficial for estimating the north components of DOV

while the cross-track data are useful for resolving the east components. In the study area

the precision of both the north and east components of DOV estimated from the merged Jason-2 and Cryosat-2 data is about 3 μrad

thereby deriving 1′×1′ gravity anomalies with 4.7 mGal precision. Using SWOT data

the precisions of the two DOV components and gravity anomalies improve to 0.7 μrad and 1 mGal

respectively.

Conclusions

Compared to conventional altimeters

the SWOT wide-swath altimetry significantly improves the accuracy of marine DOV and gravity fields.

关键词

Keywords

references

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