西北太平洋紅外輻射計(jì)海表溫度數(shù)據(jù)交叉比對(duì)分析*

奚 萌 宋清濤, 林明森, 鄒 斌, 李文君 徐玉柱

(1. 國(guó)家海洋局國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心 北京 100081; 2. 國(guó)家海洋局空間海洋遙感與應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081;3. 國(guó)家海洋局國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 大連 116023)

海表溫度(sea surface temperature, SST)作為海洋環(huán)境基礎(chǔ)參數(shù)之一, 其精確測(cè)量及時(shí)空變化規(guī)律可準(zhǔn)確反映海-氣相互作用和全球氣候變化。目前獲取海表溫度有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和衛(wèi)星遙感兩種方式?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)易受到海況、儀器、船只和人員等多種因素的制約,獲取的數(shù)據(jù)量有限且覆蓋范圍小。衛(wèi)星遙感探測(cè)分為熱紅外遙感和被動(dòng)微波遙感: 熱紅外遙感產(chǎn)品空間分辨率高達(dá) 1.1km, 但其空間覆蓋率易受到天氣條件制約; 被動(dòng)微波遙感產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)全天候觀測(cè), 但空間分辨率低至25km且在近岸海域易受到陸地信號(hào)干擾(蔣興偉等, 2010)?？傮w而言, 相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè), 衛(wèi)星遙感具有可實(shí)現(xiàn)大面積同步測(cè)量、獲取速度快、更新周期短、信息量大等優(yōu)勢(shì)。為制作出高時(shí)空分辨率和高精度的全天候近實(shí)時(shí)海表溫度產(chǎn)品, 需克服單一衛(wèi)星傳感器獲取數(shù)據(jù)存在的局限性和差異性, 結(jié)合不同衛(wèi)星傳感器的特點(diǎn), 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合。進(jìn)行數(shù)據(jù)融合前首先要對(duì)選取的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)和交叉比對(duì)分析。

近年來, 國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者研究紅外輻射計(jì)反演海表溫度并開展了真實(shí)性檢驗(yàn), 如, Barton等(2006)將西澳大利亞海域的 GLI、AVHRR、AATSR和MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)與Argo實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差均優(yōu)于 0.6°C, 分析認(rèn)為低風(fēng)速狀況下紅外數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生較大誤差。Sakaida等(2006)對(duì) GLI海表溫度數(shù)據(jù)反演算法進(jìn)行改進(jìn), 與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)發(fā)現(xiàn), 白天和夜間的平均偏差分別為 0.03°C、–0.01°C,均方根誤差分別為 0.66°C、0.70°C。Hosoda等(2007)評(píng)估了西北太平洋MODIS海表溫度數(shù)據(jù)區(qū)域性算法,認(rèn)為風(fēng)速對(duì)反演精度的大小有重要影響; MODIS海表溫度與浮標(biāo)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果顯示白天和夜間的平均偏差分別是–0.04/–0.01°C(Terra/Aqua)和–0.05/–0.14°C,均方根誤差分別是 0.65/0.70°C和 0.66/0.65°C。高郭平等(2001)利用覆蓋率較高年份的現(xiàn)場(chǎng)資料驗(yàn)證了1/12°分辨率的Pathfinder產(chǎn)品質(zhì)量, 發(fā)現(xiàn)兩者偏差小于等于 0.5°C的數(shù)據(jù)占所分析資料的 67.6%, 均方根誤差約為0.61°C。管磊等(2002)對(duì)ESR-1/ATSR數(shù)據(jù)反演的海表溫度與浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行印證, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 在熱帶太平洋, 三通道雙觀測(cè)角算法反演的ATSR海表溫度與浮標(biāo)海表溫度的平均偏差為–0.22°C, 標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.25°C; 在西北太平洋, 平均偏差為–0.51°C, 標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.61°C。孫鳳琴等(2007)選取西北太平洋海域的Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)AVHRR、MODIS和TMI海表溫度白天數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證, 總體的平均偏差在±0.2°C之間, 均方根誤差在 0.6—0.9°C。由于沒有使用多年長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù), 多數(shù)研究并沒能全面的評(píng)價(jià)多源紅外數(shù)據(jù)及實(shí)測(cè)之間在時(shí)空尺度上的差異及產(chǎn)生原因。

本文交叉比對(duì)分析了 AVHRR Pathfinder/NOAA(以下簡(jiǎn)稱為 Pathfinder)、MODIS/Terra(以下簡(jiǎn)稱為Terra)和 MODIS/Aqua(以下簡(jiǎn)稱為 Aqua)三個(gè)紅外輻射計(jì)海表溫度數(shù)據(jù)的空間分布, 評(píng)定出三種產(chǎn)品的差異以及使用條件, 為融合產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的取舍和數(shù)據(jù)權(quán)重的分配提供參考, 用以提高融合產(chǎn)品的數(shù)據(jù)質(zhì)量; 同時(shí)也展示了西北太平洋海域比對(duì)分析結(jié)果的空間分布和差異, 日后可以結(jié)合我國(guó)衛(wèi)星紅外輻射計(jì)海表溫度數(shù)據(jù)和相關(guān)數(shù)據(jù)融合算法, 為預(yù)報(bào)和應(yīng)用等部門提供高時(shí)空分辨率、高精度的海表溫度融合產(chǎn)品。

1 數(shù)據(jù)源

本文使用的數(shù)據(jù)源為三個(gè)紅外輻射計(jì)海表溫度數(shù)據(jù)(Pathfinder、Terra和Aqua)和Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù), 研究時(shí)間范圍為 2003—2009年, 研究區(qū)域范圍為西北太平洋海域(0°—60°N, 100°—160°E)。西北太平洋副熱帶高壓是臺(tái)風(fēng)高發(fā)區(qū), 黑潮途經(jīng)該海域蜿蜒北上,氣候和水動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜多變, 是研究海表溫度紅外數(shù)據(jù)精度檢驗(yàn)的理想海域。

1.1 AVHRR Pathfinder/NOAA

搭載在 NOAA極軌系列衛(wèi)星上的 AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)傳感器(Kilpatricket al, 2001)具有5個(gè)觀測(cè)通道(可見光、近紅外和紅外光譜“窗區(qū)”, 見表 1)。其中通道 1、2為反照率, 通道 3、4、5為亮溫。從 NOAA-15開始,AVHRR的通道數(shù)由5個(gè)增加到6個(gè), 將第三通道分為3a和3b兩個(gè)通道, 3a通道的中心波長(zhǎng)為1.6μm, 對(duì)冰、雪的分辨能力較強(qiáng), 適用于白天; 3b通道的中心波長(zhǎng)為 3.7μm, 受太陽反射輻射干擾嚴(yán)重, 適用于夜間, 與3a通道交替工作。掃描角為±55.4°, 掃描刈幅為2800km。其最新版本AVHRR Pathfinder 5.3數(shù)據(jù)集, 使用全新的陸地掩模, 將空間分辨率修改為1/24°×1/24°, 同時(shí)包括海冰和風(fēng)速等輔助數(shù)據(jù)以支持海表溫度數(shù)據(jù)。Pathfinder提供了1981—2014年的全球海表溫度數(shù)據(jù), 每天按照升降軌生成兩組數(shù)據(jù),對(duì)應(yīng)白天和夜間。在進(jìn)行資料反演時(shí)采用逐級(jí)質(zhì)量控制方法, 最終的產(chǎn)品中包含有質(zhì)量標(biāo)識(shí)文件(7代表最高質(zhì)量等級(jí), 0代表最底質(zhì)量等級(jí))。本文選取質(zhì)量標(biāo)記為4—7的海表溫度作為有效數(shù)據(jù)。

表1 AVHRR波段特征(奚萌, 2011)Tab.1 Characteristics of AVHRR bands (Xi, 2011)

1.2 MODIS/Terra和MODIS/Aqua

MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)是美國(guó)國(guó)家航空航天局對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)(EOS)計(jì)劃中最有特色的傳感器之一(Minnettet al, 2002)。MODIS擁有36個(gè)光譜通道, 覆蓋可見光、近紅外和熱紅外三個(gè)波段, 擁有250m、500m、1000m三個(gè)不同的空間分辨率, 掃描刈幅為2330km。MODIS在紅外大氣窗口的5個(gè)波段(見表2)可用來反演海表溫度。其熱紅外窗口的第31、32波段與AVHRR/NOAA的第 4、5波段基本對(duì)應(yīng), 中紅外窗口的第 20波段與AVHRR/NOAA的第3波段相似。此外MODIS在中紅外窗口還擁有第 22、23兩個(gè)窄波段, 這些波段可為海表溫度觀測(cè)提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

Terra衛(wèi)星發(fā)射于1999年12月18日, 是EOS計(jì)劃中第一顆裝載有 MODIS傳感器的衛(wèi)星, 于每日地方時(shí)間上午10:30分過境; Aqua衛(wèi)星于2002年5月4日發(fā)射, 于每日地方時(shí)間下午1:30分過境。它們的運(yùn)行軌道都是太陽同步近極地軌道, 軌道高度近似700km, 可確保低軌道地球觀測(cè)的基本需求。

兩顆衛(wèi)星的 MODIS三級(jí)產(chǎn)品由逐日產(chǎn)品(分為白天和夜間數(shù)據(jù))、8天平均產(chǎn)品、月平均產(chǎn)品和年平均產(chǎn)品組成; 空間分辨率分為 1/12°×1/12°和 1/24°×1/24°。本文使用的MODIS海表溫度產(chǎn)品為逐日產(chǎn)品,空間分辨率為 1/24°×1/24°, 全球數(shù)據(jù)格點(diǎn)數(shù)為8640×4320。

表2 MODIS波段特征Tab.2 Characteristics of MODIS bands

1.3 Argo

Argo計(jì)劃是旨在快速、準(zhǔn)確的收集全球海洋上層的海水溫度、鹽度和海流剖面資料, 于 1998年推出的全球海洋觀測(cè)項(xiàng)目(Roemmichet al, 2000; Argo Science Team, 2001)。圖1是2003—2009年研究海域Argo浮標(biāo)的觀測(cè)點(diǎn)分布圖, 這些觀測(cè)點(diǎn)均經(jīng)過質(zhì)量控制并插值到與紅外數(shù)據(jù)相同空間分辨率的空間網(wǎng)格。由于選取的空間網(wǎng)格分辨率更高, 相比用于微波傳感器比對(duì)分析的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(奚萌等, 2016), 此次空間覆蓋率從每年 23%左右下降到不足 1%, 下降幅度較大。7年間共計(jì)獲得觀測(cè)數(shù)據(jù)56327個(gè), 僅能夠覆蓋研究海域的4.03%左右, 其中日本海南部海域觀測(cè)頻次較高, 而在中國(guó)南海南部、東海、黃海、渤海和鄂霍茨克海等海域幾乎沒有獲得有效的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 2003—2009年Argo浮標(biāo)海表溫度觀測(cè)點(diǎn)數(shù)分布Fig.1 Distribution of SST observation points of Argo during 2003 to 2009

2 研究方法

2.1 匹配方法

本文選取水深 0—1m范圍內(nèi)的 Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù),先剔除無質(zhì)量標(biāo)識(shí)或包含錯(cuò)誤地理及時(shí)間信息的數(shù)據(jù), 并參考Marcello等(2004)的做法對(duì)其進(jìn)行修訂和剔除; 再根據(jù)空間就近點(diǎn)原則, 將經(jīng)緯度信息和時(shí)間信息逐日插值到空間分辨率為 1/24°×1/24°均勻網(wǎng)格上。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)包含多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí), 需進(jìn)行算術(shù)平均后作為網(wǎng)格點(diǎn)觀測(cè)值保留。由于海表溫度融合產(chǎn)品是以紅外和微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)制作的, 其時(shí)間分辨率往往分為白天、夜間和單天平均, 因此紅外數(shù)據(jù)與浮標(biāo)數(shù)據(jù)的匹配點(diǎn)選擇12小時(shí)作為時(shí)間窗口。空間窗口的匹配參考Bailey等(2006)的方法, 具體如下: (1)以Argo浮標(biāo)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)為中心, 選取5×5的空間網(wǎng)格作為空間窗口匹配紅外數(shù)據(jù); (2)統(tǒng)計(jì)空間窗口內(nèi)的有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)N(即有海表溫度觀測(cè)值的網(wǎng)格點(diǎn)個(gè)數(shù))和非陸地?cái)?shù)據(jù)總數(shù)M, 要求N>M/2+1且N≥2, 以保證空間均值的代表性; (3)計(jì)算有效數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差σ, 剔除±(1.5×σ)之外的數(shù)據(jù),以減少較異常數(shù)據(jù)對(duì)均值計(jì)算的影響; (4)重新計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)差, 并計(jì)算方差系數(shù) CV=標(biāo)準(zhǔn)差/均值,若CV≤0.15, 則通過均勻性判識(shí)。

由于三個(gè)紅外輻射計(jì)海表溫度產(chǎn)品都是相同空間分辨率的均勻網(wǎng)格產(chǎn)品, 本文對(duì)相同時(shí)間窗口內(nèi)的同一空間網(wǎng)格點(diǎn)紅外輻射計(jì)海表溫度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行匹配。

2.2 比對(duì)方法

本文對(duì)海表溫度匹配點(diǎn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行平均偏差、絕對(duì)偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和均方根誤差的統(tǒng)計(jì)分析(奚萌等, 2016)。平均偏差bias計(jì)算公式為式中S和I表示不同紅外輻射計(jì)或Argo浮標(biāo)的海表溫度數(shù)據(jù),Si表示第i個(gè)匹配點(diǎn)海表溫度數(shù)據(jù)的大小,n表示匹配點(diǎn)海表溫度數(shù)據(jù)總數(shù), 是兩種數(shù)據(jù)的系統(tǒng)偏差之間差異程度的量度; 絕對(duì)偏差abs_bias計(jì)算公式為由于離差被絕對(duì)值化,不會(huì)出現(xiàn)正負(fù)抵消的情況, 因此能更好的反映系統(tǒng)偏差的實(shí)際情況; 標(biāo)準(zhǔn)偏差 STD(standard deviation)計(jì)算公式為標(biāo)準(zhǔn)偏差反映了觀測(cè)的海表溫度數(shù)據(jù)之間的偏差相對(duì)于其平均偏差的離散程度, 標(biāo)準(zhǔn)偏差越大則海表溫度數(shù)據(jù)的偏差分布越分散; 均方根誤差RMSE (root mean square error)計(jì)算公式為對(duì)產(chǎn)品之間特大或特小誤差非常敏感, 能夠很好的反映出觀測(cè)結(jié)果的精密度。

3 結(jié)果與分析

3.1 紅外輻射計(jì)海表溫度數(shù)據(jù)分布

圖2為2003—2009年在研究海域三個(gè)紅外輻射計(jì)的海表溫度觀測(cè)點(diǎn)分布, 其中 Pathfinder共有788 800 356個(gè)觀測(cè)點(diǎn), 平均每天可以覆蓋研究區(qū)域20.23%左右的海域, 相比于其他兩個(gè)輻射計(jì)觀測(cè)點(diǎn)最少, 單天覆蓋率只有其他兩個(gè)輻射計(jì)的 65%左右,主要是由于制作三級(jí)海表溫度產(chǎn)品時(shí)進(jìn)行質(zhì)量控制剔除數(shù)據(jù)造成的; Terra共有1 219 951 965個(gè)觀測(cè)點(diǎn),平均每天可以覆蓋研究區(qū)域 30.14%左右的海域;Aqua共有1 185 598 399個(gè)觀測(cè)點(diǎn), 平均每天可以覆蓋研究區(qū)域31.39%左右的海域, 覆蓋率與Terra相當(dāng)。

紅外輻射計(jì)單天的空間覆蓋率遠(yuǎn)低于微波輻射計(jì), 這是由于微波輻射計(jì)觀測(cè)海表溫度不受云覆蓋的影響。但是, 紅外輻射計(jì)不受陸地電磁波干擾, 可提供微波產(chǎn)品中無法使用的近岸海域數(shù)據(jù)。三個(gè)紅外數(shù)據(jù)在渤海海域和日本海西北部觀測(cè)頻次最高, 基本保證每?jī)商熘辽佾@得一次觀測(cè)數(shù)據(jù); 在西北太平洋10°—30°N之間海域, 由于較少受到云雨天氣影響導(dǎo)致觀測(cè)頻次較高; 黃巖島東北部海域、根室海峽南部相比其周圍海域觀測(cè)頻次較高。

按照上述2.1的匹配方法, 圖3所示為三個(gè)紅外輻射計(jì)與 Argo浮標(biāo)的海表溫度數(shù)據(jù)匹配點(diǎn)分布,Pathfinder與 Argo浮標(biāo)在研究區(qū)域共有 12 104個(gè)匹配數(shù)據(jù), Terra與Argo浮標(biāo)在研究區(qū)域共有17296個(gè)匹配數(shù)據(jù); Aqua與Argo浮標(biāo)在研究區(qū)域共有17 413個(gè)匹配數(shù)據(jù), Pathfinder與浮標(biāo)的匹配點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)少于其他兩個(gè)輻射計(jì), 匹配點(diǎn)空間分布基本一致。圖4所示分別為 Terra與 Pathinder、Aqua與 Pathfinder和 Terra與Aqua的海表溫度數(shù)據(jù)匹配點(diǎn)分布。7年時(shí)間范圍內(nèi), Terra與Pathinder共有407 282 243個(gè)匹配數(shù)據(jù);Aqua與Pathfinder共有422 888 372個(gè)匹配數(shù)據(jù); Terra與Aqua共有501 542 089個(gè)匹配數(shù)據(jù)。輻射計(jì)的匹配點(diǎn)分布基本和觀測(cè)點(diǎn)分布成比例, 由于 Pathfinder的觀測(cè)點(diǎn)少, 相應(yīng)的和Terra與Aqua的匹配點(diǎn)也更稀少,圖4a和圖4b除在20—30°N部分海域比圖4c的匹配點(diǎn)略多, 在其他海域匹配點(diǎn)都少于圖4c。

圖3 2003—2009年紅外輻射計(jì)與Argo浮標(biāo)海表溫度匹配點(diǎn)分布Fig.3 SST matching points between infrared radiometer and Argo during 2003 to 2009 a: Pathfinder vs Argo, b: Terra vs Argo, c: Aqua vs Argo

圖4 2003—2009年紅外輻射計(jì)海表溫度匹配點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of SST matching points of infrared radiometer during 2003 to 2009 a: Terra vs Pathfinder, b: Aqua vs Pathfinder, c: Terra vs Aqua

圖5為2009年1月17日三個(gè)紅外輻射計(jì)白天和夜間的海表溫度; 圖6和圖7分別為2009年1月和7月三個(gè)紅外輻射計(jì)的月平均海表溫度和海表溫度梯度(蔣興偉等, 2013)。受云雨天氣影響, 輻射計(jì)逐日產(chǎn)品空間覆蓋率低, 難以獲取連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù), 在應(yīng)用中受限。三個(gè)輻射計(jì)的月平均產(chǎn)品基本可以覆蓋整個(gè)西北太平洋海域, 鄂霍茨克海的西部海域由于1月份有海冰覆蓋, 因此沒有海表溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)(圖6a—c)。相比周圍海域, 鄂霍茨克海海域(145°E, 55°N)的觀測(cè)頻次較低且海表溫度也較低。和微波輻射計(jì)相比, 紅外輻射計(jì)空間分辨率更高, 由于觀測(cè)頻次偏低導(dǎo)致數(shù)據(jù)離散度高, 梯度分布偏高, 紅外數(shù)據(jù)月平均海表溫度梯度分布結(jié)果幾倍于微波數(shù)據(jù)的結(jié)果, 且包含很多中小尺度噪聲, 如不進(jìn)行低通濾波處理則噪聲會(huì)很明顯, 紅外數(shù)據(jù)無法像微波輻射計(jì)一樣直接通過梯度分布觀測(cè)海表溫度變化趨勢(shì)。由圖5—7所示,定性比較三個(gè)紅外輻射計(jì)的逐日、月平均海表溫度分布和海表溫度梯度分布, 發(fā)現(xiàn)三個(gè)傳感器均能在空間上反映西北太平洋海域的海表溫度變化趨勢(shì), 并且比較一致。

3.2 紅外輻射計(jì)與實(shí)測(cè)海表溫度數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果

圖5 2009年1月17日紅外輻射計(jì)海表溫度分布Fig.5 Daily SST of infrared radiometer on January 17, 2009 a: Pathfinder白天, b: Pathfinder夜間, c: Terra白天, d: Terra夜間, e: Aqua白天, f: Aqua夜間

圖6 2009年1月和7月紅外輻射計(jì)月平均海表溫度分布Fig.6 Monthly averaged SST distribution of infrared radiometer for January 2009 and July 2009 a: Pathfinder 1月, b: Pathfinder 7月, c: Terra 1月, d: Terra 7月, e: Aqua 1月, f: Aqua 7月

表3—5為三個(gè)紅外數(shù)據(jù)分別與Argo浮標(biāo)匹配點(diǎn)海表溫度的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果, 包括匹配點(diǎn)數(shù)量、平均偏差、絕對(duì)偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和均方根誤差, 結(jié)果發(fā)現(xiàn),Pathfinder、Terra、Aqua與 Argo浮標(biāo)的平均偏差分別為–0.07°C、–0.14°C、–0.15°C, Terra和 Aqua略差于 Pathfinder。Pathfinder、Terra、Aqua 與 Argo 浮標(biāo)的絕對(duì)偏差分別為 0.50°C、0.49°C 和 0.52°C;Pathfinder、Terra、Aqua與 Argo浮標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為 0.68°C、0.66°C 和 0.69°C; Pathfinder、Terra、Aqua與 Argo浮標(biāo)的均方根誤差分別為 0.69°C、0.67°C和0.71°C。三個(gè)傳感器紅外數(shù)據(jù)與Argo浮標(biāo)的比對(duì)結(jié)果基本一致, 本文統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果與其他學(xué)者(高郭平等, 2001; Bartonet al, 2006; 孫鳳琴等,2007; Hosodaet al, 2007)分析結(jié)果基本一致, 但研究區(qū)域紅外數(shù)據(jù)比對(duì)分析結(jié)果略差于全球數(shù)據(jù), 主要是由于研究海域多有渦旋和鋒面, 所以海表溫度時(shí)空變化比全球數(shù)據(jù)更劇烈。相比于微波數(shù)據(jù)與 Argo浮標(biāo)的比對(duì)結(jié)果(奚萌等, 2016), 微波輻射計(jì)AMSR-2、TMI、WindSat在研究海域的平均偏差分別為 0.15°C、0.03°C 和 0.04°C; 均方根誤差分別為0.73°C、0.80°C 和 0.73°C, 紅外數(shù)據(jù)的精度更高。

圖7 2009年1月和7月紅外輻射計(jì)月平均海表溫度梯度分布Fig.7 Monthly averaged SST gradient distribution of infrared radiometer for January 2009 and July 2009 a: Pathfinder 1月, b: Pathfinder 7月, c: Terra 1月, d: Terra 7月, e: Aqua 一月, f: Aqua 7月

表3 Pathfinder與Argo浮標(biāo)海表溫度匹配點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Tab.3 SST statistics of matching points between Pathfinder and Argo

表4 Terra與Argo浮標(biāo)海表溫度數(shù)據(jù)匹配點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Tab.4 SST statistics of matching points between Terra and Argo

表5 Aqua與Argo浮標(biāo)海表溫度數(shù)據(jù)匹配點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Tab.5 SST statistics of matching points between Aqua and Argo

圖8—10為2003—2009年三個(gè)紅外輻射計(jì)白天、夜間及晝夜平均數(shù)據(jù)與Argo浮標(biāo)匹配點(diǎn)海表溫度平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和數(shù)量的逐月演變, 結(jié)果發(fā)現(xiàn): 三個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果變化曲線基本一致, 數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定;Terra和 Aqua分別與 Argo浮標(biāo)的負(fù)偏差更為明顯,Pathfinder的平均偏差更接近Argo觀測(cè)結(jié)果; 相對(duì)于Argo浮標(biāo), 三個(gè)紅外輻射計(jì)的海表溫度都存在明顯的季節(jié)變化, 白天的平均偏差均是夏季為正、冬季為負(fù), 偏差都在±0.4°C之間, 夜間的平均偏差基本均為負(fù)偏差, 冬季比夏季的偏差更大; 晝夜平均的平均偏差偏離度減小, 但依然存在明顯的季節(jié)性變化, 這與微波輻射計(jì)與Argo浮標(biāo)的比對(duì)分析結(jié)果一致(奚萌等,2016)。Pathfinder的分析結(jié)果與Reynolds等(2007)的分析也基本一致。以 Argo數(shù)據(jù)為基準(zhǔn), 可以看出,Terra白天數(shù)據(jù)偏低, Aqua夜間數(shù)據(jù)偏低, 這是衛(wèi)星的過境時(shí)間不同造成的, 正可反映海表溫度的日變化過程; 標(biāo)準(zhǔn)偏差同樣也存在周期變化, 夏季的標(biāo)準(zhǔn)偏差略大于冬季的結(jié)果; Argo浮標(biāo)數(shù)量逐年增加, 與紅外數(shù)據(jù)的匹配點(diǎn)數(shù)量也逐漸增多, 但數(shù)據(jù)量的多少并未影響比對(duì)分析結(jié)果的穩(wěn)定性。

圖 11為海表溫度誤差棒分析結(jié)果, 展示的是在1°C溫度區(qū)間內(nèi)紅外數(shù)據(jù)與 Argo浮標(biāo)的匹配點(diǎn)個(gè)數(shù)、平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差。三個(gè)紅外數(shù)據(jù)與Argo浮標(biāo)匹配點(diǎn)主要分布在 10—31°C, 占匹配點(diǎn)總數(shù)的近97%, 最為集中的 27—30°C占匹配點(diǎn)總數(shù)的 47%左右。在各個(gè)溫度區(qū)間, 紅外數(shù)據(jù)與 Argo浮標(biāo)的平均偏差都比較一致(±0.2°C)。在 24—30°C 溫度區(qū)間,Pathfinder與 Argo浮標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于 0.7°C, 占匹配點(diǎn)總數(shù)的 63.59%。在 21—31°C和 26—29°C的溫度區(qū)間, Terra與Argo浮標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別小于0.7°C和 0.6°C, 占匹配點(diǎn)總數(shù)的 75.93%和 33.04%。在 23—30°C和27—29°C溫度區(qū)間, Aqua與Argo浮標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別小于 0.7°C和 0.6°C, 占匹配點(diǎn)總數(shù)的68.24%和27.56%。由此可見, 在相同的標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi), Terra比Pathfinder和Aqua有更寬的溫度區(qū)間。總體上, 三種融合數(shù)據(jù)與浮標(biāo)數(shù)據(jù)的偏差程度和離散程度均較小, 數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。與微波數(shù)據(jù)與 Argo浮標(biāo)的比對(duì)結(jié)果不同(奚萌等, 2016), 紅外數(shù)據(jù)與浮標(biāo)數(shù)據(jù)比對(duì)沒有出現(xiàn)低溫區(qū)正偏差高溫區(qū)負(fù)偏差的現(xiàn)象, 數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定。如果單從溫度區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)偏差比較, 部分區(qū)間的紅外數(shù)據(jù)與 Argo浮標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差略差于微波數(shù)據(jù)與 Argo浮標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差, 這是因?yàn)榧t外數(shù)據(jù)的空間分辨率更高、匹配的空間窗口選擇的更小, 如果紅外數(shù)據(jù)選取與微波數(shù)據(jù)一樣的匹配窗口, 則標(biāo)準(zhǔn)偏差會(huì)進(jìn)一步降低并小于微波數(shù)據(jù)。

圖8 2003—2009年紅外輻射計(jì)與Argo浮標(biāo)海表溫度匹配點(diǎn)平均偏差逐月演變Fig.8 Analysis of monthly SST bias in the matching points between infrared radiometer and Argo during 2003 to 2009

圖9 2003—2009年紅外輻射計(jì)與Argo浮標(biāo)海表溫度匹配點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差逐月演變Fig.9 Analysis of monthly SST standard deviation of matching points between infrared radiometer and Argo during 2003 to 2009

圖10 2003—2009年紅外輻射計(jì)與Argo浮標(biāo)海表溫度匹配點(diǎn)數(shù)量逐月演變Fig.10 Quantitative analysis of monthly SST of matching points between infrared radiometer and Argo during 2003 to 2009

造成海表溫度紅外數(shù)據(jù)與浮標(biāo)數(shù)據(jù)偏差的原因主要有以下幾方面: (1)Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)得是水下1m的水體溫度, 而紅外輻射計(jì)測(cè)量的是水下 1μm 左右海表層溫度, 盡管對(duì)Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量校正,但由于觀測(cè)深度不同仍會(huì)產(chǎn)生偏差(Ricciardulliet al,2004)。(2)皮溫與體溫的大小依賴于海面風(fēng)、浪和光照時(shí)間, 海面發(fā)出長(zhǎng)波輻射使皮層冷卻, 同時(shí)從海洋到大氣的潛熱和感熱輸送, 也使皮層冷卻, 因此一般皮溫比體溫低(Robinson, 1985)。(3)白天由于太陽輻射的加熱作用, 海表溫度升高, 皮溫比體溫變化更大,故紅外數(shù)據(jù)要高于浮標(biāo)數(shù)據(jù), 而夜間輻射冷卻效應(yīng)則導(dǎo)致相反結(jié)果, 這種差異在晴空尤其明顯。(4)西北太平洋海域海洋表層和次表層的溫度差異存在明顯的季節(jié)變化, 皮溫與體溫的差異在冬季比夏季更小,這也是紅外數(shù)據(jù)和浮標(biāo)數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差的原因。(5)紅外輻射計(jì)海表溫度產(chǎn)品與Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)匹配的時(shí)間窗口為12小時(shí)和24小時(shí), 在晝夜溫差明顯的海域, 觀測(cè)時(shí)間的差異必然會(huì)影響檢驗(yàn)精度。(6)Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)是 1/24°×1/24°的觀測(cè)網(wǎng)格內(nèi)所有單點(diǎn)觀測(cè)的瞬時(shí)海表溫度平均值, 而紅外輻射計(jì)海表溫度是網(wǎng)格化反演結(jié)果, 即 1/24°×1/24°的觀測(cè)網(wǎng)格內(nèi)觀測(cè)海表溫度的平均值。在海表溫度梯度變化較大的區(qū)域, 遙感數(shù)據(jù)與浮標(biāo)數(shù)據(jù)差異值會(huì)更大。由于西北太平洋海域有黑潮經(jīng)過, 產(chǎn)生許多渦旋和鋒面, 所以該海域海表溫度時(shí)空變化較為劇烈。(7)紅外輻射計(jì)的定標(biāo)存在誤差及衰減的現(xiàn)象, 也可能對(duì)反演結(jié)果造成誤差(Waltonet al, 1998)。

圖11 2003—2009年紅外輻射計(jì)與Argo浮標(biāo)海表溫度匹配點(diǎn)誤差棒分析Fig.11 Analysis of SST error bar of matching points between infrared radiometer and Argo during 2003 to 2009

3.3 紅外輻射計(jì)海表溫度數(shù)據(jù)交叉比對(duì)結(jié)果

表6—8分別為三個(gè)紅外輻射計(jì)海表溫度數(shù)據(jù)交叉比對(duì)后匹配點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果, Pathfinder與Terra、Aqua的平均偏差略大于Terra和Aqua之間的平均偏差, 而絕對(duì)偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和均方根誤差都略好于Terra和Aqua的相互比對(duì)結(jié)果。

圖12—14比較了三個(gè)紅外輻射計(jì)之間的逐月演變統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果, 在整個(gè)研究時(shí)間范圍內(nèi)數(shù)據(jù)質(zhì)量保持穩(wěn)定。紅外輻射計(jì)交叉比對(duì)的平均偏差逐月演變與 Argo浮標(biāo)的比對(duì)結(jié)果不同, 沒有明顯的季節(jié)性變化, 月份之間平均偏差不超過±0.4°C, 紅外數(shù)據(jù)之間比對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)偏差也均小于與Argo浮標(biāo)比對(duì)的結(jié)果。Aqua和 Pathfinder之間的平均偏差白天偏差不明顯,夜間為負(fù)偏差; Terra和Aqua之間的平均偏差白天為負(fù)偏差, 夜間為正偏差, 單天平均后平均偏差趨近于0。三個(gè)紅外輻射計(jì)白天的標(biāo)準(zhǔn)偏差交叉比對(duì)結(jié)果也存在季節(jié)性差異變化, 如夏季偏大冬季偏小, 但遠(yuǎn)沒有與 Argo浮標(biāo)比對(duì)時(shí)季節(jié)變化明顯, 而且夜間的比對(duì)結(jié)果也無明顯季節(jié)性變化。Terra和 Pathfinder、Aqua和Pathfinder逐月演變曲線在2005年6月開始有明顯變化, 之后又趨于穩(wěn)定, 這是由于在2005年6月之前Pathfinder是基于搭載在NOAA-17衛(wèi)星上的

AVHRR傳感器重處理反演的海表溫度, 在此之后使用的是NOAA-18衛(wèi)星搭載的AVHRR傳感器處理的數(shù)據(jù), 兩顆衛(wèi)星過境時(shí)間的改變導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)偏差產(chǎn)生了變化。冬季的云覆蓋面積最大, 致使其紅外數(shù)據(jù)匹配點(diǎn)數(shù)量最少。紅外輻射匹配點(diǎn)數(shù)量的多少也未影響比對(duì)分析結(jié)果的穩(wěn)定性。

表6 Terra與Pathfinder海表溫度匹配點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Tab.6 SST statistics of matching points between Terra and Pathfinder

表7 Aqua與Pathfinder海表溫度數(shù)據(jù)匹配點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.7 SST statistics of matching points between Aqua and Pathfinder

表8 Terra與Aqua海表溫度數(shù)據(jù)匹配點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.8 SST statistics of matching points between Terra and Aqua

圖12 2003—2009年紅外輻射計(jì)海表溫度匹配點(diǎn)平均偏差逐月演變Fig.12 Monthly SST bias of matching points of infrared radiometer during 2003 to 2009

圖13 2003—2009年紅外輻射計(jì)海表溫度匹配點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差逐月演變Fig.13 Monthly SST standard deviation of matching points of infrared radiometer during 2003 to 2009

圖14 2003—2009年紅外輻射計(jì)海表溫度匹配點(diǎn)數(shù)量逐月演變Fig.14 Quantitative analysis of monthly SST of matching points of infrared radiometer during 2003 to 2009

由圖 15所示, 三個(gè)紅外輻射計(jì)之間的匹配點(diǎn)均主要分布在23—31°C, 占匹配點(diǎn)總數(shù)的69.3%, 其中26—30°C的匹配點(diǎn)占總數(shù)的53.8%。在高于30°C的匹配點(diǎn), 三個(gè)紅外輻射計(jì)之間開始有明顯負(fù)偏差(個(gè)別匹配區(qū)間偏差大于2.0°C, 如圖15a、c), 標(biāo)準(zhǔn)偏差甚至大于0.5°C, 但匹配點(diǎn)稀少, Terra和Pathfinder大于31°C的匹配點(diǎn)占總量的0.66%, Aqua和Pathfinder大于33°C的匹配點(diǎn)占總量的0.01%, Terra和Aqua大于31°C的匹配點(diǎn)占總量的2.29%。在小于30°C的溫度區(qū)間, 三個(gè)紅外輻射計(jì)之間的平均偏差較一致(±0.1°C之間), 標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.5°C, 甚至絕大多數(shù)溫度區(qū)間小于 0.4°C。說明三種紅外數(shù)據(jù)之間的偏差程度和離散程度都較小, 數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。在低溫區(qū)域(3—8°C區(qū)間), 微波數(shù)據(jù)與 Argo浮標(biāo)存在較大的正偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差, WindSat與TMI之間也有較明顯的正偏差(奚萌等, 2016), 而紅外輻射計(jì)之間以及與 Argo浮標(biāo)的比對(duì)過程中都沒有出現(xiàn)這種情況, 說明在高緯海域紅外輻射計(jì)反演的海表溫度質(zhì)量要明顯好于微波數(shù)據(jù)。

由圖16a和b可以看出, Pathfinder與Terra、Aqua在高緯海域存在負(fù)偏差, 在低緯海域存在正偏差, 偏差部分均勻過渡。由圖16c可以看出, Terra和Aqua在低緯海域負(fù)偏差偏大, 尤其是近岸海域較明顯; 北緯 20°以上海域除了黑潮延伸體海域平均偏差略大(0.15°C 左右), 其他海域偏差均小于±0.1°C。主要原因是Terra和Aqua每天衛(wèi)星的過境時(shí)間不同, 造成白天負(fù)偏差(圖 12a)而夜間正偏差(圖 12b), 而晝夜平均后正負(fù)偏差互抵(圖12c)。

圖15 2003—2009年紅外輻射計(jì)海表溫度匹配點(diǎn)誤差棒分析Fig.15 SST error bars of matching points of infrared radiometer during 2003 to 2009

如圖16和17所示, 近岸海域水汽、氣溶膠等復(fù)雜的大氣條件, 較高的泥沙懸浮物含量, 以及上升流、波浪破碎等諸多海洋動(dòng)力因素, 均會(huì)對(duì)衛(wèi)星傳感器接收海面輻射產(chǎn)生影響, 從而給遙感反演海表溫度帶來誤差, 進(jìn)而導(dǎo)致紅外數(shù)據(jù)之間在近岸差異較大, 數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。從圖 17的三個(gè)輻射計(jì)之間的均方根誤差分布得出, Pathfinder和Terra的均方根誤差分布平均, 差異最小, 但有一些離散點(diǎn)的均方根誤差偏大, 甚至大于1°C, 這可能是由于Terra數(shù)據(jù)在進(jìn)行云檢驗(yàn)時(shí)誤將云邊緣的云頂溫度標(biāo)識(shí)為海表溫度,繼而保留在產(chǎn)品數(shù)據(jù)中造成的。Terra和Aqua的均方根誤差分布差異略大于Terra和Pathfinder、Aqua和Pathfinder之間的比對(duì)結(jié)果, 尤其是在低緯和黑潮延伸體海域。通過均方根誤差分布可更清晰的發(fā)現(xiàn)比對(duì)數(shù)據(jù)之間的差異, 不會(huì)因?yàn)闀円蛊骄谏w產(chǎn)品間的差異。在低緯近岸海域, Pathfinder和Terra沒有明顯的均方根誤差, 而二者與 Aqua之間卻存在較大的均方根誤差。從平均偏差和均方根誤差的空間分布來看, 紅外輻射計(jì)之間海表溫度的差異遠(yuǎn)小于微波輻射計(jì)之間海表溫度的差異(奚萌等, 2016)。

由以上交叉比對(duì)分析結(jié)果可以看出, 三個(gè)紅外輻射計(jì)的海表溫度數(shù)據(jù)質(zhì)量接近, 均能很好的反映研究區(qū)域海表溫度變化趨勢(shì), 反演精度也優(yōu)于微波輻射計(jì)反演的結(jié)果, 但近岸和云邊緣數(shù)據(jù)在應(yīng)用過程中仍需加強(qiáng)質(zhì)量控制。

4 結(jié)論與討論

本文對(duì)西北太平洋海域2003—2009年的三個(gè)紅外輻射計(jì)(Pathfinder, Terra和 Aqua)海表溫度產(chǎn)品以及 Argo浮標(biāo)的產(chǎn)品特性進(jìn)行介紹, 并進(jìn)行了交叉比對(duì)分析。通過計(jì)算研究區(qū)域的紅外輻射計(jì)白天和夜間海表溫度分布、月平均海表溫度分布和溫度梯度分布、紅外數(shù)據(jù)和Argo浮標(biāo)的觀測(cè)點(diǎn)分布、統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的逐月演變曲線、海表溫度誤差棒分析、以及紅外輻射計(jì)之間的匹配點(diǎn)分布、平均偏差分布和均方根誤差分布, 評(píng)估了紅外輻射計(jì)產(chǎn)品的特性。結(jié)果表明:

(1) 紅外數(shù)據(jù)與Argo浮標(biāo)的平均偏差在±0.02°C之間, 均方根誤差小于 0.7°C。但是紅外數(shù)據(jù)與浮標(biāo)數(shù)據(jù)存在季節(jié)性變化, 白天的平均偏差均表現(xiàn)為夏季為正、冬季為負(fù); 夜間的平均偏差基本均為負(fù)偏差,冬季比夏季的偏差大; 紅外數(shù)據(jù)與浮標(biāo)數(shù)據(jù)的均方根誤差在冬季較小, 夏季較大。

圖16 2003—2009年紅外輻射計(jì)海表溫度匹配點(diǎn)平均偏差分布Fig.16 SST bias of matching points of infrared radiometer during 2003 to 2009 a: Terra vs. Pathfinder, b: Aqua vs. Pathfinder, c: Terra vs. Aqua

圖17 2003—2009年紅外輻射計(jì)海表溫度匹配點(diǎn)均方根誤差分布Fig.17 SST RMSE of matching points among infrared radiometer during 2003 to 2009 a: Terra與Pathfinder, b: Aqua與Pathfinder, c: Terra與Aqua

(2) 過境時(shí)間的差異會(huì)明顯影響統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,以紅外或微波遙感作為輸入數(shù)據(jù)制作海表溫度融合產(chǎn)品時(shí), 需要考慮時(shí)間窗口的選取對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響并合理處理海表溫度日變化。

(3) 盡管 Pathfinder是重處理數(shù)據(jù), 對(duì)云覆蓋海域數(shù)據(jù)進(jìn)行了更嚴(yán)格的剔除, 但是并沒有明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量, 觀測(cè)結(jié)果與Terra和Aqua反演結(jié)果的平均偏差(±0.1°C)和標(biāo)準(zhǔn)偏差(0.5°C)差異很小, 與 Argo 浮標(biāo)比對(duì)結(jié)果沒有明顯不同, 也說明三個(gè)紅外輻射計(jì)在空間尺度上均能比較一致的反映西北太平洋海域的海表溫度變化趨勢(shì), 數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定。

(4) 紅外數(shù)據(jù)和微波數(shù)據(jù)相比, 不僅有效提高了產(chǎn)品空間分辨率(1/24°和 1/4°)和特征分辨率, 且數(shù)據(jù)質(zhì)量更優(yōu)于微波數(shù)據(jù)(均方根誤差分別為 0.5°C和0.7°C), 在高緯海域紅外數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)負(fù)偏差, 可彌補(bǔ)微波數(shù)據(jù)在近岸海域沒有觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺陷, 但紅外產(chǎn)品在近岸海域的精度需要更多的現(xiàn)場(chǎng)匹配數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證。但微波數(shù)據(jù)可彌補(bǔ)云覆蓋海域無法獲取有效紅外觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺陷, 提高產(chǎn)品的空間覆蓋率。所以, 合理利用紅外和微波海表溫度數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn), 可制作高精度、高時(shí)空分辨率全覆蓋的海表溫度融合產(chǎn)品。

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