SMAP衛(wèi)星海表鹽度產(chǎn)品精度評定與全球海表鹽度特征分析

牛 原，邱志偉，劉瑞翔，吳振宇，常宇佳，潘春天

(1.江蘇海洋大學(xué) 海洋技術(shù)與測繪學(xué)院，江蘇 連云港222005；2.江蘇省海洋資源開發(fā)研究院，江蘇 連云港 222005；3.連云港市氣象局，江蘇 連云港 222005)

0 引言

海表鹽度(sea surface salinity,SSS)在全球水循環(huán)和氣候系統(tǒng)中起著重要作用[1]，是研究海洋變化及其氣候效應(yīng)重要的物理量之一。獲得海表鹽度資料的方式有傳統(tǒng)觀測和衛(wèi)星遙感[2-3]。傳統(tǒng)觀測資料依靠人工量測[4]或者通過浮標(biāo)等觀測平臺獲得，鹽度資料精度較高，但數(shù)據(jù)覆蓋面小，獲取耗時(shí)耗力。遙感衛(wèi)星的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了海表鹽度大范圍觀測[5-6]。Aquarius、SMOS和SMAP是3種可以提供海表鹽度產(chǎn)品的遙感衛(wèi)星，其中SMAP是目前在軌運(yùn)行的、主要提供海表鹽度產(chǎn)品的衛(wèi)星[7]。

通過遙感衛(wèi)星獲取全球海表鹽度數(shù)據(jù)已成為研究海洋的主要手段，因此開展衛(wèi)星鹽度產(chǎn)品的精度評估與偏差分析有重要的現(xiàn)實(shí)意義。國內(nèi)外學(xué)者針對局部海域Aquarius、SMOS和SMAP等三種遙感衛(wèi)星的海表鹽度產(chǎn)品精度進(jìn)行了評估[8-14]；對偏差原因進(jìn)行分析，如TANG et al[15]認(rèn)為SMAP衛(wèi)星鹽度數(shù)據(jù)在地中海區(qū)域受到較大的陸地射頻干擾；分析鹽度分布特征，如WU et al[16]利用SMAP衛(wèi)星研究發(fā)現(xiàn)長江口附近海域的海表鹽度較低，且具有明顯的季節(jié)變化特征。本文對2018年SMAP衛(wèi)星鹽度產(chǎn)品進(jìn)行月均、日均精度評定、偏差分析及全球鹽度分布特征的研究，為遙感衛(wèi)星鹽度產(chǎn)品的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文采用SMAP衛(wèi)星海表鹽度L3級日均和月均產(chǎn)品，時(shí)間為2018年1月—12月，數(shù)據(jù)來源于Remote Sensing System網(wǎng)站 (http:∥www.remss.com/)，分辨率均為0.25°×0.25°。

驗(yàn)證數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括Argo實(shí)時(shí)散點(diǎn)鹽度數(shù)據(jù)和月均網(wǎng)格化鹽度產(chǎn)品，時(shí)間均為2018年1月—12月。其中Argo實(shí)時(shí)散點(diǎn)數(shù)據(jù)來自法國海洋開發(fā)研究院(Global Data Assembly Centre,GDAC)服務(wù)器(ftp:∥ftp.ifremer.fr/ifremer/argo/dac)，測量精度為±0.01[17-18]；月均網(wǎng)格化產(chǎn)品來自于中國Argo實(shí)時(shí)資料中心(http：∥www.argo.org.cn/)[19]，空間分辨率為1°×1°。以0～5 m深度內(nèi)、數(shù)據(jù)質(zhì)量正常(質(zhì)量標(biāo)記為1)的Argo鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品來評估SMAP衛(wèi)星鹽度產(chǎn)品精度[20]。用于檢驗(yàn)SMAP日均產(chǎn)品精度的Argo共4個(gè)，其中3個(gè)位于太平洋海域，浮標(biāo)ID分別為2901306、1901161和5902232；1個(gè)位于地中海海域，浮標(biāo)ID為1900959。

1.2 技術(shù)流程

采用最近點(diǎn)、最近時(shí)匹配方法將SMAP衛(wèi)星日均鹽度產(chǎn)品與Argo實(shí)時(shí)散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空匹配，匹配遵循1 d/0.25°的時(shí)空窗口。采用二維線性插值法將SMAP衛(wèi)星月均鹽度產(chǎn)品插值為1°×1°分辨率的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，與Argo月均網(wǎng)格化產(chǎn)品進(jìn)行時(shí)空匹配。為減少偏差，上述匹配均剔除異常數(shù)據(jù)，即Argo和SMAP鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品中海域范圍內(nèi)為空值的點(diǎn)。對SMAP日均和月均鹽度產(chǎn)品進(jìn)行精度評定、相關(guān)性檢驗(yàn)和偏差分析，在此基礎(chǔ)上分析全球海表鹽度分布特征，具體流程見圖1。

圖1 技術(shù)流程圖Fig.1 Technical flow chart

1.3 精度評定、相關(guān)性檢驗(yàn)與偏差分析方法

精度評估指標(biāo)有平均偏差BIAS、標(biāo)準(zhǔn)差STD和均方根誤差RMSE，計(jì)算公式為：

(1)

(2)

(3)

式中：SSMAP表示SMAP衛(wèi)星鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品；SArgo表示Argo鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

相關(guān)系數(shù)R表征SMAP衛(wèi)星鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品與Argo鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品的相關(guān)性，R值越大，表明兩者之間相關(guān)性越高；反之相關(guān)性越低。利用配對樣本t檢驗(yàn)法對相關(guān)性進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

(4)

(5)

文中偏差值為SMAP衛(wèi)星鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品與 Argo 鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品的差值，用來衡量全球范圍內(nèi)SMAP衛(wèi)星鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品的準(zhǔn)確度。偏差越小，說明SMAP衛(wèi)星鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品準(zhǔn)確度越高，反之準(zhǔn)確度越低。

2 結(jié)果與分析

2.1 月均鹽度產(chǎn)品的精度評定

SMAP衛(wèi)星月均鹽度產(chǎn)品與Argo月均網(wǎng)格化鹽度產(chǎn)品的匹配點(diǎn)數(shù)為31 718個(gè)，精度評定結(jié)果如表1所示，BIAS為0.11，RMSE為0.17，STD為 0.17。t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，給定檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.01，p值小于0.01,有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；R為0.98，說明SMAP衛(wèi)星月均產(chǎn)品與Argo月均網(wǎng)格化鹽度產(chǎn)品顯著相關(guān)。2018年SMAP與Argo月均海表鹽度產(chǎn)品散點(diǎn)圖顯示，數(shù)據(jù)總體趨勢一致(圖2)，表明SMAP衛(wèi)星月均鹽度產(chǎn)品與Argo月均網(wǎng)格化鹽度產(chǎn)品的偏差較小，該數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度較高。

圖2 2018年SMAP與Argo月均海表鹽度產(chǎn)品散點(diǎn)對比圖Fig.2 Comparison of monthly averaged sea surface salinity products between SMAP and Argo in 2018

表1 2018年SMAP月均海表鹽度產(chǎn)品精度評定Tab.1 Accuracy assessment of monthly averaged sea surface salinity products of SMAP in 2018

分別對2018年1—12月各月份SMAP衛(wèi)星鹽度產(chǎn)品進(jìn)行精度評定，結(jié)果見表2。BIAS在0.19～0.24之間，RMSE在0.30～0.53之間，STD在0.30～0.52 之間，R在0.92以上；其中1月和12月的BIAS、RMSE以及STD的值較其他月份明顯偏大，而R值明顯偏小。4月和5月鹽度產(chǎn)品的RMSE、BIAS和STD相對于其他月份較低，R也超過了0.96。

圖3為1—12月SMAP與Argo鹽度產(chǎn)品散點(diǎn)圖，可以看出各月份數(shù)據(jù)整體均趨于一致，其中1月和12月的數(shù)據(jù)較離散，5月和6月的數(shù)據(jù)較集中，與精度評定結(jié)果一致(表2)。從圖3中還可以看出，在鹽度為31.0～32.0和37.0～38.0的海域，SMAP數(shù)據(jù)產(chǎn)品離散程度較高，偏差較大。

圖3 不同月份SMAP與Argo海表鹽度產(chǎn)品散點(diǎn)對比圖Fig.3 Comparison of sea surface salinity products between SMAP and Argo in different months

表2 不同月份SMAP衛(wèi)星海表鹽度精度評定Tab.2 Sea surface salinity accuracy assessment of SMAP in different months

對2018年各月份SMAP衛(wèi)星和Argo月均鹽度產(chǎn)品偏差進(jìn)行分析可以看出，偏差在-1.0～1.0之間，靠近大陸、海岸和大河口的海域偏差較大，普遍在0.4以上；中緯度海域偏差較小；在赤道海域，9、10、11月相對于3、4、5月的偏差大；兩極附近海域的鹽度偏差較大，可達(dá)到1.0(圖4)。

(a)1月

由圖5可知，與Argo鹽度產(chǎn)品相比，SMAP海表鹽度產(chǎn)品的偏差在高緯度海域較大，在低緯度海域較小。

圖5 2018年SMAP與Argo全球海表鹽度偏差隨緯度變化圖Fig.5 Deviation changes of global sea surface salinity with latitude between SMAP and Argo in 2018

2.2 日均鹽度產(chǎn)品精度評定

SMAP衛(wèi)星日均產(chǎn)品的精度評定結(jié)果如表3所示，BIAS為0.23，RMSE為0.28，STD為0.26，R為0.81，2018年SMAP與Argo日均海表鹽度產(chǎn)品散點(diǎn)圖顯示，數(shù)據(jù)總體趨勢一致(圖6)。

圖6 2018年SMAP與Argo日均海表鹽度產(chǎn)品散點(diǎn)對比圖Fig.6 Comparison of daily averaged sea surface salinity products between SMAP and Argo in 2018

表3 2018年SMAP日均海表鹽度產(chǎn)品精度評定Tab.3 Accuracy assessment of daily averaged sea surface salinity products of SMAP in 2018

對太平洋海域SMAP日均海表鹽度產(chǎn)品和Argo鹽度產(chǎn)品進(jìn)行比較可知，兩種數(shù)據(jù)產(chǎn)品的海表鹽度均集中在33.6～35.6之間，整體變化趨勢一致(圖7a)；SMAP日均鹽度產(chǎn)品精度偏差在-0.6～0.6之間，其中4—9月偏差較其他月份大(圖7b)。

圖7 太平洋海域SMAP與Argo日均海表鹽度產(chǎn)品對比圖Fig.7 Comparison of daily average sea surface salinity products between SMAP and Argo in the Pacific Ocean

考慮到地中海特殊的地理位置，對2018年地中海SMAP和Argo日均海表鹽度產(chǎn)品進(jìn)行比較可知，兩種數(shù)據(jù)產(chǎn)品的海表鹽度均集中在37.5～40.5之間，整體變化趨勢一致(圖8a)；SMAP日均鹽度產(chǎn)品精度偏差在-1.5～1.0之間，除6月外，其他月份鹽度偏差較大(圖8b)。

圖8 地中海SMAP與Argo日均海表鹽度產(chǎn)品對比圖Fig.8 Comparison chart of daily average sea surface salinity products between SMAP and Argo in the Mediterranean

2.3 全球海表鹽度特征分析

從圖9可以看出，全球海表鹽度分布在25.0～40.0之間，其中大部分海域海表鹽度在35.0左右。

從大洋分布來看，大西洋海表鹽度普遍高于太平洋和印度洋，且各大洋海表鹽度空間分布不均勻。在印度洋北部、北太平洋西部等大洋邊緣的近岸、大河口、海灣等海域呈現(xiàn)明顯的低鹽；各大洋靠近兩極的海域海表鹽度也較低。海表鹽度的最高值多出現(xiàn)在一些海盆中，如紅海和地中海。

從緯度分布來看，全球海表鹽度具有明顯的沿緯度方向呈帶狀分布特征(圖10)。南、北半球中低緯海域海表鹽度呈明顯的高值帶狀分布；赤道海域海表鹽度呈低值帶狀分布。從高緯到低緯，在南半球海表鹽度呈先增大后變小的趨勢；在北半球海表鹽度呈先變小后增大再變小的趨勢，在40°N附近，鹽度達(dá)到最小值，分布規(guī)律和圖9一致。

圖9 SMAP衛(wèi)星2018年全球海表鹽度分布圖Fig.9 Global sea surface salinity distribution map of SMAP in 2018

圖10 2018年SMAP全球海表鹽度隨緯度變化圖Fig.10 Global sea surface salinity changes with latitude of SMAP in 2018

3 結(jié)論

本文以Argo鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品作為驗(yàn)證，對2018年SMAP衛(wèi)星日均和月均海表鹽度產(chǎn)品進(jìn)行精度評定，計(jì)算全球海表各月份鹽度數(shù)據(jù)偏差并分析鹽度的分布特征，得到如下結(jié)果：

(1)SMAP衛(wèi)星月均海表鹽度產(chǎn)品的精度值：RMSE為0.17，BIAS為0.11，STD為0.17，R=0.98，各月份精度值為BIAS在0.19～0.24之間，RMSE在0.30～0.54之間，STD在0.30～0.53之間，R在0.92以上?？傮w上SMAP衛(wèi)星月均海表鹽度產(chǎn)品精度良好，但低鹽區(qū)(31.0～32.0)和高鹽區(qū)(37.0～38.0)數(shù)據(jù)偏差較大。

(2)SMAP衛(wèi)星日均海表鹽度產(chǎn)品的精度值：RMSE為0.28，BIAS為0.23，STD為0.26，R=0.81，偏差較月均產(chǎn)品大。其中，太平洋海域SMAP日均鹽度產(chǎn)品的偏差在-0.6～0.6之間，地中海海域偏差在-1.5～1.0之間。

(3)全球海表鹽度在25.0～40.0之間，鹽度低值多位于大洋邊緣近岸海域，鹽度高值多位于地中海等海盆海域。從大洋鹽度分布來看，大西洋海表鹽度普遍高于太平洋和印度洋，且各大洋海表鹽度空間分布不均勻。從高緯到低緯，南半球海表鹽度呈先增大后變小的趨勢；北半球海表鹽度呈先變小后增大再變小的趨勢；全球海表鹽度具有明顯的沿緯度方向帶狀分布的特征。