基于Aquarius數(shù)據(jù)的粗糙海面L波段輻射模型研究?

王 進(jìn)， 張 杰， 王 晶

(1.中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100； 2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所， 山東 青島 266061；3.青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院， 山東 青島 266071)

海洋鹽度是描述海洋物理性質(zhì)的基本參數(shù)，是影響海洋動(dòng)力環(huán)境和海-氣相互作用的一個(gè)關(guān)鍵因子[1]。鹽度遙感衛(wèi)星SMOS(Soil Moisture and Ocean Salinity)發(fā)射之前，海面鹽度數(shù)據(jù)獲取依賴于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)手段，數(shù)據(jù)主要集中于近海和航路附近。Argo計(jì)劃的實(shí)施一定程度上改善了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)空間覆蓋的問題，但Argo觀測(cè)網(wǎng)中浮標(biāo)的分布密度的平均距離為3°×3°，而且Argo浮標(biāo)完成一個(gè)剖面的測(cè)量需約10 d時(shí)間，其測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率較低[2]。自1970年代，研究者開展了一系列現(xiàn)場(chǎng)和機(jī)載實(shí)驗(yàn)，研究利用遙感手段實(shí)現(xiàn)海洋鹽度觀測(cè)的可能，為基于星載平臺(tái)的海表鹽度遙感測(cè)量積累了經(jīng)驗(yàn)[3-7]。

鹽度遙感衛(wèi)星SMOS和Aquarius的入軌運(yùn)行，使人類獲得了從太空監(jiān)測(cè)海洋表面鹽度的能力[8-9]。SMOS和Aquarius鹽度衛(wèi)星在數(shù)天內(nèi)即可覆蓋全球海域，為海洋科學(xué)研究提供了長(zhǎng)時(shí)間序列、高時(shí)空分辨率和覆蓋率的鹽度遙感數(shù)據(jù)。SMOS和Aquarius均工作于L波段，其對(duì)海表鹽度變化的敏感性為0.2～0.8 K。

亮溫中與海表鹽度變化相關(guān)的部分僅有數(shù)K[10]。星載鹽度計(jì)觀測(cè)亮溫?cái)?shù)據(jù)中除了與海表鹽度有關(guān)的平靜海面亮溫之外，還包括了粗糙海面亮溫輻射。粗糙海面輻射亮溫是輻射計(jì)觀測(cè)角、極化狀態(tài)、風(fēng)速風(fēng)向、風(fēng)浪譜、泡沫覆蓋率等參量的復(fù)雜函數(shù)。粗糙海面亮溫輻射與海表鹽度無關(guān)，相當(dāng)于鹽度信息提取中的“噪聲”。針對(duì)星載鹽度計(jì)SMOS和Aquarius數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證研究表明，粗糙海面亮溫是鹽度反演的一個(gè)重要誤差源，需要進(jìn)行校正[11-12]。

自1970年代Thomann[3]開展L波段微波輻射計(jì)觀測(cè)鹽度變化實(shí)驗(yàn)以來，研究者發(fā)展了若干理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵悦枋鯨波段粗糙海面輻射特性，主要包括理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢深?。理論模型主要有雙尺度模型(Two-Scale Model，TSM)和小斜率近似(Small Slope Approximation，SSA)模型[13]，其計(jì)算過程復(fù)雜，難以直接用于星載鹽度計(jì)數(shù)據(jù)處理。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕捎靡恍┈F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，獲得粗糙海面亮溫信號(hào)與風(fēng)速、風(fēng)向、波高等參量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，建立描述粗糙海面輻射特性的地球物理模型函數(shù)(Geophysical Model Function，GMF)[14-15]，其模型的準(zhǔn)確度受到實(shí)驗(yàn)區(qū)域、周期等現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)條件的限制，數(shù)據(jù)的代表性難以保證。星載鹽度計(jì)發(fā)射入軌后，又有研究者基于星載鹽度計(jì)亮溫發(fā)展了一些新的粗糙海面輻射模型[16-17]。這些模型建立過程中均使用了NCEP再分析產(chǎn)品提供風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，但再分析數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率相對(duì)較低，難以獲得與鹽度計(jì)觀測(cè)時(shí)空同步的風(fēng)場(chǎng)信息。為了解決這一問題，本文選擇星載掃描微波輻射計(jì)WindSat與星載鹽度計(jì)Aquarius進(jìn)行匹配，以發(fā)展粗糙海面輻射模型。WindSat與Aquarius兩顆衛(wèi)星的降交點(diǎn)地方時(shí)僅相差7min，(6：00和6：07)；軌道傾角僅相差0.7°(98°和98.7°)，且地面足印面積相當(dāng)，相似的軌道參數(shù)保證了兩者數(shù)據(jù)的有效匹配；而且WindSat作為全極化微波輻射計(jì)，可測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向、SST等參數(shù)，提供與Aquarius觀測(cè)時(shí)空同步的海氣參量。最終本文利用Aquarius和WindSat匹配數(shù)據(jù)，建立了一個(gè)L波段粗糙海面輻射參數(shù)化模型，進(jìn)而將其用于海表鹽度反演，并將反演結(jié)果與Argo浮標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)與時(shí)空匹配

(1)Aquarius數(shù)據(jù)。研究中使用的Aquarius數(shù)據(jù)是L2級(jí)SCI數(shù)據(jù)產(chǎn)品(V3.0)，提取了Aquarius輻射計(jì)觀測(cè)的大氣層頂(Top of Atmosphere，TOA)亮溫?cái)?shù)據(jù)。TOA亮溫是對(duì)輻射計(jì)天線溫度TA(Antenna Temperature)進(jìn)行RFI、法拉第旋轉(zhuǎn)以及天線方向圖等校正后獲得的，其包含了粗糙海面、宇宙天體以及大氣等微波輻射的貢獻(xiàn)。為防止陸地及海冰對(duì)亮溫?cái)?shù)據(jù)的污染，研究中剔除了陸地或海冰占視場(chǎng)面積大于0.1%的數(shù)據(jù)。

(2)WindSat數(shù)據(jù)。WindSat是美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室NRL(Naval Research Laboratory)于2003年發(fā)射的世界上第一顆星載全極化微波輻射計(jì)，用于驗(yàn)證全極化微波輻射計(jì)的風(fēng)場(chǎng)反演能力。WindSat數(shù)據(jù)采用RSS(Remote Sensing System)提供的最新版本(V7.01)數(shù)據(jù)產(chǎn)品；其空間分辨率為25 km，數(shù)據(jù)產(chǎn)品中包括SST、中/低頻通道反演的10m風(fēng)速、水汽和云液水含量、雨率、風(fēng)向以及全天候(All-Weather)風(fēng)速產(chǎn)品[18]。

(3)海面有效波高數(shù)據(jù)。前期有研究者發(fā)現(xiàn)，粗糙海面輻射/散射信號(hào)除了受海面風(fēng)場(chǎng)影響之外，還受到海面波浪的影響[16-17]。本文在發(fā)展粗糙海面地球物理函數(shù)模型過程中，采用了Aquarius L2數(shù)據(jù)產(chǎn)品中所包含的有效波高數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)來源于NOAA WaveWatch-3模型的有效波高產(chǎn)品。Aquarius地面處理系統(tǒng)將有效波高數(shù)據(jù)通過時(shí)空插值，獲得Aquarius鹽度計(jì)掃描位置的有效波高值。

(4)海面鹽度數(shù)值模式數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)的獨(dú)立性，建立輻射參數(shù)化模型過程中沒有采用Aquarius鹽度計(jì)的反演結(jié)果，而是采用Aquarius L2數(shù)據(jù)產(chǎn)品中包含的HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model)模式提供的海面鹽度數(shù)據(jù)。

(5)NCEP再分析數(shù)據(jù)。NCEP再分析數(shù)據(jù)由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research，NCAR)提供，時(shí)空分辨率分別為6 h和1°，數(shù)據(jù)格式為GRIB格式，包含壓強(qiáng)、溫度、濕度和高度剖面數(shù)據(jù)。NCEP剖面數(shù)據(jù)的層數(shù)為26層，其中大氣壓1000至900百帕每25百帕為一層，900至100百帕每50百帕為一層，100百帕到10百帕每10～30百帕為一層。

(6)數(shù)據(jù)時(shí)空匹配。研究中分別提取了WindSat升軌和降軌的SST、觀測(cè)經(jīng)緯度和時(shí)間等信息。采用的時(shí)空窗口為25 km和1 h，在60°S～60°N范圍內(nèi)對(duì)Aquarius和WindSat數(shù)據(jù)進(jìn)行了匹配，要求Aquarius觀測(cè)位置周圍4個(gè)WindSat網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)據(jù)均為有效反演，并將WindSat數(shù)據(jù)線性插值到Aquarius觀測(cè)位置上，對(duì)2012年5322軌的Aquarius數(shù)據(jù)與WindSat數(shù)據(jù)進(jìn)行了匹配實(shí)驗(yàn)，獲得匹配數(shù)據(jù)共1749253組。Aquarius和WindSat的匹配數(shù)據(jù)可覆蓋全球海域，平均匹配率約40%。

NCEP再分析數(shù)據(jù)與Aquarius遙感數(shù)據(jù)的匹配采用時(shí)空雙線性插值方法，將NCEP大氣剖面插值到Aquarius掃描位置，用于大氣輻射亮溫的計(jì)算。

1.2 粗糙海面發(fā)射率提取

由輻射傳輸理論可知，Aquarius測(cè)量的大氣層頂(TOA，Top of Atmosphere)亮溫?cái)?shù)據(jù)可以表示為：

TB=TBU+τTs(εflat+εrough)+τ(1-(εflat+εrough))(TBD+τ·TCOS)，

(1)

其中：TBU為大氣上行輻射亮溫；TBD為大氣下行輻射亮溫；τ為大氣透射率，以上三項(xiàng)可利用NCEP大氣剖面數(shù)據(jù)結(jié)合Liebe大氣輻射模型計(jì)算，該模型可適用于1～1 000 GHz頻率范圍內(nèi)的大氣輻射計(jì)算[19]；Tcos為宇宙背景輻射和天體輻射，根據(jù)Aquarius鹽度反演算法ATBD文檔取為3 K[20]；Ts為海表溫度，由WindSat微波輻射計(jì)提供；εflat為平靜海面發(fā)射率，可由海水介電常數(shù)模型進(jìn)行計(jì)算；εrough為粗糙海面發(fā)射率。本文采用WindSat觀測(cè)的SST數(shù)據(jù)和HYCOM鹽度數(shù)據(jù)，結(jié)合Klein-Swift[21]模型計(jì)算平靜海面發(fā)射率，進(jìn)而可通過下式提取H/V極化粗糙海面發(fā)射率εrough，(2)式中TB為星載鹽度計(jì)測(cè)量亮溫，其他參數(shù)的意義與(1)式相同。

(2)

1.3 粗糙海面輻射特性參數(shù)化模型

利用(2)式提取的無雨條件下的粗糙海面發(fā)射率，通過分析粗糙海面發(fā)射率與風(fēng)速、相對(duì)風(fēng)向和有效波高的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，建立描述粗糙海面發(fā)射率的參數(shù)化模型。

研究中的風(fēng)速范圍取2～25 m/s，間隔1 m/s。風(fēng)速下限沒有取到0值的原因在于，輻射計(jì)/散射計(jì)能直接觀測(cè)的是海面粗糙度而不是海面風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)海面粗糙度變化不明顯，所以輻射/散射計(jì)在低風(fēng)速時(shí)測(cè)量精度不高。風(fēng)向范圍為0～360°、間隔10°。目前散射計(jì)和全極化微波輻射計(jì)提取風(fēng)向的精度約20°，取20°以下的風(fēng)向間隔意義不大。有效波高的取值范圍為0～10 m，間隔1 m。因此，形成24×36×11共9 504個(gè)網(wǎng)格，將1 749 253組數(shù)據(jù)按照其風(fēng)速、風(fēng)向和有效波高數(shù)據(jù)，存放到相應(yīng)數(shù)據(jù)網(wǎng)格中并進(jìn)行了平均，剔除了網(wǎng)格內(nèi)數(shù)據(jù)量少于5個(gè)的網(wǎng)格點(diǎn)。最終獲得了在各種海氣條件下，L波段粗糙海面發(fā)射率平均值，并將其表示為與相對(duì)風(fēng)向的余弦函數(shù)關(guān)系：

Δep(ws,wd,swh)=ep0(ws,swh)+ep1(ws,swh)cosφ+ep2(ws,swh)cos2φ

(3)

其中Δe為粗糙海面發(fā)射率；p為極化狀態(tài)，epi(i=0，1，2)為各種風(fēng)速、有效波高條件下的擬合系數(shù)。epi為風(fēng)速和有效波高的函數(shù)，當(dāng)風(fēng)速和有效波高數(shù)據(jù)已知時(shí)，可通過查表的方式確定各階擬合系數(shù)epi，進(jìn)而計(jì)算海表發(fā)射率。

2 L波段粗糙海面輻射特性分析

2.1 海面輻射與風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系

本文對(duì)各種海面有效波高條件下提取的粗糙海面發(fā)射率進(jìn)行了平均，獲得了粗糙海面發(fā)射率與海面風(fēng)速和風(fēng)向的關(guān)系。結(jié)果表明，粗糙海面發(fā)射率中包含了海面風(fēng)向信息，且隨著海面風(fēng)速的增大，粗糙海面發(fā)射率對(duì)風(fēng)向的依賴也更為明顯。當(dāng)風(fēng)速低于10 m/s時(shí)，風(fēng)向引起的粗糙海面發(fā)射率變化小于0.000 3，相當(dāng)于0.1K的亮溫變化；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到15 m/s時(shí)，風(fēng)向引起的粗糙海面發(fā)射率變化可達(dá)0.003，相當(dāng)于1K的亮溫變化，是低風(fēng)速時(shí)的10倍。相對(duì)于輻射計(jì)百K量級(jí)的亮溫?cái)?shù)據(jù)，風(fēng)向?qū)α翜氐挠绊戄^小，因此雙極化微波輻射計(jì)并不適合風(fēng)向提取。

圖1 粗糙海面發(fā)射率與相對(duì)風(fēng)向的關(guān)系 (左：H極化；右：V極化)Fig.1 Relationship of emissivityand relative wind direction (left: H-pol; right: V-pol)

由上圖可知，H/V極化海面發(fā)射率對(duì)海面風(fēng)向響應(yīng)存在差別。對(duì)于H極化分量，在10 m/s以下較低風(fēng)速條件時(shí)，順風(fēng)向的海面發(fā)射率高于側(cè)風(fēng)向發(fā)射率，即存在正的順風(fēng)-側(cè)風(fēng)各向異性(Positive upwind-crosswind asymmetry，PUC)；而風(fēng)速高于10 m/s時(shí)，順風(fēng)向的海面發(fā)射率低于側(cè)風(fēng)向發(fā)射率，即存在負(fù)的順風(fēng)-側(cè)風(fēng)各向異性(Negative upwind-crosswind asymmetry，NUC)；V極化對(duì)風(fēng)向的響應(yīng)與H極化相反，即在低風(fēng)速下存在NUC現(xiàn)象，而在高風(fēng)速下存在PUC現(xiàn)象。這種H/V海面發(fā)射率對(duì)風(fēng)向的不同響應(yīng)，與其他學(xué)者的研究結(jié)果吻合[16，22]。同時(shí)，15 m/s以上的高風(fēng)速下提取的粗糙海面發(fā)射率曲線噪聲大于低風(fēng)速情況。這是由于15 m/s以上的高風(fēng)速數(shù)據(jù)明顯少于較低風(fēng)速的數(shù)據(jù)，其僅相當(dāng)于5 m/s風(fēng)速時(shí)數(shù)據(jù)的1/6左右，因此，高風(fēng)速條件下提取的粗糙海面發(fā)射率數(shù)據(jù)噪聲較大。

圖2為各種有效波高條件下，0階擬合系數(shù)ep0隨海面風(fēng)速的變化關(guān)系。不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速在7 m/s以下時(shí)，ep0受有效波高影響較??；當(dāng)風(fēng)速上升時(shí)，各曲線有分離的趨勢(shì)，說明有效波高的影響在增大。在各波高條件下，各擬合系數(shù)均隨著風(fēng)速的增大而上升。

圖3為不同海面有效波高條件下海面發(fā)射率一階和二階擬合參數(shù)eH1,2和eV1,2隨海面風(fēng)速的變化曲線。圖中可見，由于5 m以上有效波高的數(shù)據(jù)量少，其擬合參數(shù)偏離了其他條件下的擬合系數(shù)，這在eH1和eV1圖線中尤為明顯。

圖2 系數(shù)ep0與海面風(fēng)速的關(guān)系 (左：H極化；右：V極化)

圖3 ep1，p2系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系 (左：H極化；右：V極化)

2.2 海面輻射與有效波高的關(guān)系

海面波浪同樣影響海面粗糙度，進(jìn)而影響星載微波輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)。本文利用提取的粗糙海面發(fā)射率和后向散射系數(shù)，在0～360°風(fēng)向范圍內(nèi)進(jìn)行了平均，以研究不同風(fēng)速條件下，粗糙海面輻射特性對(duì)海面有效波高的響應(yīng)特性。圖4為粗糙海面發(fā)射率與有效波高的關(guān)系。可以看出，海面有效波高的取值范圍受海面風(fēng)速影響，在5 m/s的較低風(fēng)速條件下，海面波高沒有7 m以上的數(shù)據(jù)；在15 m/s高風(fēng)速條件下，海面波高沒有2 m以下的數(shù)據(jù)。在相同的海面有效波高條件下，H/V極化粗糙海面發(fā)射率均隨著風(fēng)速的增大而上升；且隨著風(fēng)速的增大，海面發(fā)射率增大的也更快。在海面風(fēng)速一定的條件下，粗糙海面發(fā)射率隨有效波高增大有增大的趨勢(shì)，但并不明顯。

圖4 不同風(fēng)速下海面發(fā)射率與有效波高的關(guān)系(左：H極化；右：V極化)

3 海表鹽度反演與精度檢驗(yàn)

3.1 海表鹽度反演

利用上面建立的GMF模型，由海面亮溫?cái)?shù)據(jù)中提取平靜海面亮溫貢獻(xiàn)：

(4)

(5)

3.2 鹽度反演結(jié)果誤差分析

本文利用±5d、±50 km的時(shí)空窗口對(duì)反演結(jié)果與Argo數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，得到無雨條件下匹配數(shù)據(jù)14 926組，對(duì)鹽度反演誤差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

圖5為利用本文發(fā)展的參數(shù)化模型反演的海表鹽度分布，可見反演結(jié)果與海面鹽度的空間分布特征吻合。赤道南北副熱帶海域存在著2個(gè)高鹽水域，鹽度值在35以上，大西洋海域的鹽度高于太平洋海域；赤道海域海表鹽度明顯低于副熱帶海域；總體而言鹽度隨緯度呈馬鞍形雙峰分布。由散點(diǎn)圖可知，鹽度反演誤差主要分布于-1～1范圍內(nèi)；與Argo數(shù)據(jù)相比反演結(jié)果存在約-0.1的系統(tǒng)誤差，標(biāo)準(zhǔn)差為0.48，相關(guān)系數(shù)為0.89。海表鹽度較高時(shí)反演誤差較小，34以下低鹽區(qū)域的反演精度較低。自2011年6月Aquarius發(fā)射入軌以來，有若干研究者采用鹽度現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)Aquarius在全球[23-25]以及印度洋[26]、中國(guó)南海[27]等海域的精度進(jìn)行了檢驗(yàn)，這些工作表明Aquarius反演結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)比較的標(biāo)準(zhǔn)差0.38～0.62，與本文的結(jié)果相當(dāng)。

本文在緯度60°S～60°N范圍內(nèi)，按1°間隔統(tǒng)計(jì)了鹽度反演平均偏差及標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)?？梢婝}度反演偏差在高緯度較大，特別是在南北半球西風(fēng)帶區(qū)域；±40°之內(nèi)的低緯度海域鹽度反演標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于0.4。

圖5 鹽度反演值分布(左)和鹽度反演值與Argo數(shù)據(jù)的比較(右)

圖6 鹽度反演平均偏差和±1倍標(biāo)準(zhǔn)差的緯度分布

下圖是Argo測(cè)量的海表溫度、鹽度隨緯度的分布曲線。由圖可知，34psu海表鹽度主要分布區(qū)域?yàn)槟媳本?0°以上的南大洋西風(fēng)帶和北太平洋海域，該區(qū)域海面溫度一般不高于15℃；同時(shí)該區(qū)域常年受西風(fēng)帶影響，海面波高和風(fēng)速較大。數(shù)值模擬的結(jié)果表明，L波段亮溫對(duì)海面鹽度的敏感性隨SST的增大而增大[28-29]，因此該海域較低的海表面溫度，降低了L波段亮溫對(duì)鹽度的敏感度，從而導(dǎo)致該海域反演誤差較大；另外本文發(fā)展的參數(shù)化粗糙海面輻射模型在高風(fēng)速下誤差大于低風(fēng)速，也導(dǎo)致40°以上海域的反演誤差較大。

圖7 Argo測(cè)量的海面鹽度與溫度的緯度分布

為進(jìn)一步分析海面風(fēng)速對(duì)反演結(jié)果的影響，在2～20 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)按1 m/s風(fēng)速間隔對(duì)鹽度反演誤差與風(fēng)速關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。如圖8所示，在海面風(fēng)速4～10 m/s范圍內(nèi)，鹽度反演算法偏差基本為0，標(biāo)準(zhǔn)差約0.3～0.5范圍內(nèi)，表明此時(shí)粗糙海面模型準(zhǔn)確的描述了海面亮溫對(duì)風(fēng)速的響應(yīng)。當(dāng)風(fēng)速高于10 m/s時(shí)，平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差均隨風(fēng)速的增大而增大，風(fēng)速每增大1 m/s，平均偏差約增大0.06，標(biāo)準(zhǔn)差約增大0.1，表明本文發(fā)展的粗糙海面模型在高風(fēng)速下性能有待完善。反演結(jié)果的正偏差說明粗糙海面模型高估了風(fēng)致粗糙海面亮溫，導(dǎo)致計(jì)算的平靜海面亮溫過低，進(jìn)而高估了海面鹽度值。此外當(dāng)風(fēng)速小于4 m/s時(shí)，鹽度反演的標(biāo)準(zhǔn)差略大于4 m/s以上風(fēng)速的情況。產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能的原因在于，本文用于鹽度精度驗(yàn)證的Argo浮標(biāo)的鹽度測(cè)量深度為5 m，而星載鹽度計(jì)測(cè)量的是海表1 cm處的鹽度值；當(dāng)海表風(fēng)速較小時(shí)，風(fēng)致海水垂直混合作用較小，鹽度垂向梯度較大，從而導(dǎo)致反演結(jié)果與Argo鹽度值差異較大。另外微波輻射計(jì)在低風(fēng)速條件下觀測(cè)風(fēng)速精度下降，影響了海面輻射GMF模型的精度，也是導(dǎo)致鹽度誤差增大的原因。

圖8 反演誤差與風(fēng)速的關(guān)系

4 結(jié)語

本文利用Aquarius和WindSat微波輻射計(jì)匹配數(shù)據(jù)，發(fā)展了一種描述粗糙海面L波段微波輻射的參數(shù)化模型，基于該模型分析了粗糙海面在不同風(fēng)速、風(fēng)向和波高條件下的輻射特性，發(fā)現(xiàn)粗糙海面輻射H極化分量在10 m/s以下風(fēng)速時(shí)，存在正的順風(fēng)-側(cè)風(fēng)各向異性(PUC)，而風(fēng)速高于10 m/s時(shí)，存在負(fù)的順風(fēng)-側(cè)風(fēng)各向異性(NUC)；粗糙海面輻射V極化分量變化特征與H極化相反；在海面風(fēng)速一定的條件下，粗糙海面發(fā)射率隨有效波高增大有增大的趨勢(shì)。進(jìn)而利用該模型進(jìn)行了海表鹽度反演，并利用Argo實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)反演結(jié)果的平均偏差為-0.1，標(biāo)準(zhǔn)差為0.48，低緯度海域反演結(jié)果優(yōu)于中高緯度海域，反演結(jié)果受到海表溫度和風(fēng)速等條件的影響。結(jié)果表明，本文發(fā)展的參數(shù)化模型可以比較準(zhǔn)確的描述12m/s以下風(fēng)速條件下的粗糙海面輻射，但在高風(fēng)速條件下對(duì)粗糙海面亮溫存在高估，反演誤差可超過1。

致謝：感謝美國(guó)國(guó)家航空航天局、Remote Sensing System (RSS)、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)為本文提供數(shù)據(jù)支持。

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