海表鹽度數(shù)據(jù)SMAP 衛(wèi)星遙感監(jiān)測研究

黃妍(國家海洋局三沙海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，海南 ?？?570311)

0 引言

鹽度(即氯化鈉等被溶解物質(zhì)在海水中的質(zhì)量比值)是度量構(gòu)成海洋水環(huán)境主要化學構(gòu)成變化的重要指標，是描述海洋基本性質(zhì)的重要變量之一。其與溫度共同影響著海水的密度，從而導致海洋環(huán)流以及不同水團的形成。海表鹽度不僅對海洋熱鹽輸運、全球海洋降水估計、海洋混合過程、陸海相互作用以及氣候預報等研究具有重要作用，而且在中小尺度現(xiàn)象及近岸海洋科學研究中具有廣泛的應用[1][2]。海表鹽度的傳統(tǒng)觀測是通過走航、浮標、平臺等手段來獲取，但觀測到的海表鹽度數(shù)據(jù)在時間和空間上有局限性，無法描述較大時空尺度的海表鹽度變化情況。海表鹽度衛(wèi)星遙感是目前唯一可行的大范圍、連續(xù)觀測方法，它克服了鹽度現(xiàn)場觀測手段遠遠不能滿足全球觀測和研究的問題。目前可使用的衛(wèi)星遙感海表鹽度數(shù)據(jù)主要來自SMOS、Aquarius 和SMAP 衛(wèi)星，其中Aquarius 因供電系統(tǒng)問題于2015 年6 月7 日停止工作[1][2]。

SMAP 衛(wèi)星于2015 年1 月31 日在美國加利福尼亞范登堡航天發(fā)射基地發(fā)射。目前，SMAP 已在軌運行5 年，國內(nèi)外針對SMAP 海表鹽度數(shù)據(jù)已開展一定的研究，但相對于SMOS、Aquarius 衛(wèi)星而言，SMAP 海表鹽度還具有很大的研究潛力和前景。本文對SMAP 問世后的主要相關(guān)研究進展進行回顧和評述，旨在通過對SMAP 海表鹽度數(shù)據(jù)的相關(guān)研究現(xiàn)狀分析，為我國SMAP 海表鹽度遙感數(shù)據(jù)應用研究提供參考。

1 SMAP及其海表鹽度數(shù)據(jù)

SMAP 是美國宇航局(NASA)專用于全球土壤濕度和凍融監(jiān)測的衛(wèi)星。SMAP 衛(wèi)星飛行在太陽同步晨昏軌道上，軌道高度為685km，軌道周期為98.46min，傾角為98.12°，升交點為地方時下午6 點，重訪周期為3 天。SMAP 載有2 個儀器：L 波段雷達及輻射計，用于觀測土壤水分并確定同一區(qū)域的凍融狀態(tài)。雷達和輻射計在外部共享一個可旋轉(zhuǎn)的天線，在內(nèi)部有不同的信號處理設(shè)備。兩者共用一個直徑為6m 的大孔徑反射式天線，衛(wèi)星對地觀測的刈幅約為1000km，測量結(jié)果可應用到天氣和氣候預測、干旱、洪水以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力等方面。但從2015年7 月起，雷達停止工作[2][3]。

SMAP 衛(wèi)星海洋鹽度產(chǎn)品可從遙感系統(tǒng)(Remote Sensing System,RSS)獲取，主要有L2C 和L3 級兩種海表鹽度產(chǎn)品，L2C為條帶數(shù)據(jù)，L3 為網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，包括日均產(chǎn)品(實際為8 天滑動平均)和月均產(chǎn)品(包括未過濾和已過濾雨水影響兩種月均產(chǎn)品)，其空間分辨率為0.25°，L3 產(chǎn)品是對L2C 產(chǎn)品進行質(zhì)量控制后所得，剔除了質(zhì)量標記為5，6和7的鹽度數(shù)據(jù)以及風速大于20m/s 時的鹽度數(shù)據(jù)，均為NetCDF 格式。

2 基于SMAP海表鹽度數(shù)據(jù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

作為AquariusSAC-D 衛(wèi)星的接棒者，SMAP 的發(fā)射升空引起了國內(nèi)外眾多研究者的關(guān)注。SMAP 衛(wèi)星已在軌運行5 年，目前已有一定的基于SMAP 海表鹽度數(shù)據(jù)開展的研究工作，其研究成果集中發(fā)表于近兩年。本文對2016 年至今國內(nèi)外主要期刊上發(fā)表的與SMAP 海表鹽度數(shù)據(jù)相關(guān)的研究成果進行了統(tǒng)計和分析，結(jié)果如圖1 所示。目前針對SMAP 海表鹽度數(shù)據(jù)的研究內(nèi)容主要集中在質(zhì)量評估與優(yōu)化、海洋水動力過程分析、海洋預報等方面，其中水動力過程分析主要涉及河流沖淡水變化、較小時間尺度的振蕩現(xiàn)象、ENSO、入侵流和海氣相互作用等方面，而SMAP 海表鹽度數(shù)據(jù)在質(zhì)量評估與優(yōu)化方面和水動力過程分析的應用較為廣泛，海洋預報最少。

圖1 基于SMAP海表鹽度數(shù)據(jù)的相關(guān)研究統(tǒng)計

2.1 質(zhì)量評估與優(yōu)化

數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣是SMAP 海表鹽度數(shù)據(jù)能在海洋科學研究中發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外相關(guān)研究集中在質(zhì)量評估與優(yōu)化，且研究區(qū)域為大尺度的開闊海域，在局部海域的評估較少。曹凱翔等[1]以全球海域為區(qū)域，基于Argo 數(shù)據(jù)對SMAP 和SMOS 衛(wèi)星海表鹽度產(chǎn)品進行了質(zhì)量評估和交叉比對，發(fā)現(xiàn)SMAP 產(chǎn)品更接近于Argo 實測數(shù)據(jù)。梁文浩等[2]利用中國東海的走航CTD 實測數(shù)據(jù)對SMAP 海表鹽度產(chǎn)品進行驗證，結(jié)果表明夏季和冬季SMAP 資料與實測SSS 資料的均方根誤差分別為3.55 和1.14。王藝晴等[3]以西太平洋為研究區(qū)域，利用Argo 數(shù)據(jù)對SMAP 海表面鹽度產(chǎn)品的反演質(zhì)量在空間上和季節(jié)上進行評估，發(fā)現(xiàn)SMAP 海表鹽度產(chǎn)品與Argo 實測數(shù)據(jù)具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，且變化趨勢基本一致。Tang 等[4]基于Argo 實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在熱帶和中緯度海域SMAP 海表鹽度產(chǎn)品的月偏差精度可低至0.2PSU，Bao 等也發(fā)現(xiàn)相近結(jié)果[5]，SMAP可同浮標一樣觀測到鹽度的月內(nèi)變化情況，因受陸地和RFI 的影響，SMAP 海表鹽度反演算法在西部地中海區(qū)比東部地中海區(qū)表現(xiàn)更優(yōu)。Bao 等[5]發(fā)現(xiàn)在高緯度地區(qū)SMAP 海表鹽度數(shù)據(jù)的均方根誤差比SMOS 的低。Menezes 等[6]的結(jié)果表明SMAP在阿拉伯海和孟加拉灣能很好地反演其海表鹽度，而且在紅海結(jié)果更好，相較于Argo 數(shù)據(jù)其相關(guān)性在0.81～0.93，均方根差為0.38～0.67。Grodsky 等[7]的研究評估了在西北太平洋海區(qū)SMAP 海表鹽度數(shù)據(jù)精度因受海表溫度和陸地的影響程度。Qin 等[8]對比評估了SMOS 和SMAP 衛(wèi)星海表鹽度的數(shù)據(jù)質(zhì)量，并分析其誤差來源。Sharma 等[9]、Rajabi-Kiasari 等[10]和Fore等[11]利用用不同方法進行SMAP 海表鹽度反演結(jié)果的優(yōu)化。David 等[12]改進了SMAP 海表鹽度的估算方法，并用于獲取局部區(qū)域河流羽流的鹽度變異性的新信息。

2.2 海洋水動力過程分析

海表鹽度是全球水循環(huán)和大洋環(huán)流動力研究中的重要指標之一，在海洋動力循環(huán)和全球氣候變化中發(fā)揮著極其重要的作用。梁文浩等[2]利用SMAP 海表鹽度產(chǎn)品在該區(qū)域進行SSS的分布特征分析以及長江沖淡水的擴散研究。Bulusu 等[13]通過SMAP 海表鹽度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了孟加拉灣海表鹽度季節(jié)內(nèi)振蕩現(xiàn)象的存在，討論了該區(qū)域海表鹽度變化與ENSO、印度洋偶極子及海氣相互作用的關(guān)系。Bahiyah 等[14]利用SMAP 遙感數(shù)據(jù)對爪哇海及其附近海域的海表鹽度分布進行特征分析及其動力因素分析。Nichols 等[15]利用SMAP 探究北極區(qū)域的海表鹽度的變異性，并計算地表平流淡水通量和評估其探測淡水通量的能力。Grodsky 等[16]基于SMAP 海表鹽度觀測到大西洋熱帶幅合帶的月內(nèi)振蕩特征并進行動力特征分析。Neerja 等[17]發(fā)現(xiàn)在2015-2016 年期間利用SMAP 海表鹽度在熱帶太平洋能很好地監(jiān)測到中部低鹽西部高鹽的厄爾尼諾事件。Grodsky 等[18]基于SMAP 海表鹽度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)東地中海黎凡特盆地海表鹽度明顯增加的現(xiàn)象并分析其動力因素。Chacko等[19]利用SMAP 海表鹽度數(shù)據(jù)在印度洋首次詳細闡明了因氣旋強迫帶來的海表鹽度的響應。Grodsky 等[7]基于SMAP 海表鹽度觀測到了緬因灣的冬季入侵流，并從環(huán)流動力學和風場的角度對其進行動力分析。

2.3 海洋預報

大面的、連續(xù)的、高時空分辨率的SMAP 海表鹽度數(shù)據(jù)將有助于預報模式的優(yōu)化和提高。Martin 等[20]探究基于SMAP 和SMOS 海表鹽度的同化數(shù)據(jù)對海洋預報系統(tǒng)進行改進和優(yōu)化的成果。鄒穎俊等[21]為彌補現(xiàn)場觀測空間分辨率不足的問題，利用SMAP 海表鹽度觀測資料評價了HYCOM 全球海洋預報系統(tǒng)的初始場精度及預報技巧。Qin 等人[8]也發(fā)現(xiàn)經(jīng)回歸分析方法校正后的每日SMAP SSS 更接近實測數(shù)據(jù)，且可用于高分辨率預報模型中。

3 結(jié)語

衛(wèi)星遙感作為獲取大范圍的、連續(xù)觀測的海表鹽度數(shù)據(jù)的有效手段，SMAP 海表鹽度數(shù)據(jù)自問世以來受到了不小的關(guān)注，目前已有的研究內(nèi)容主要集中在質(zhì)量評估與優(yōu)化、海洋水動力過程分析和海洋預報等方面?？偟膩碚f，研究成果較少且以國外為主，所涉及的應用研究方面還較少，局部近海區(qū)域的應用也偏少，但基于目前的研究成果來看，SMAP 海表鹽度數(shù)據(jù)具有獨特的質(zhì)量優(yōu)勢、良好的應用價值和不錯的研究潛力。