基于統(tǒng)計學方法遙感衛(wèi)星西北太平洋海表 溫鹽精度分析與特征研究

張林科，豆靖林*，牛 原

（1.河南省有色金屬地質礦產局第一地質大隊，河南 鄭州 450016；2.江蘇海洋大學海洋技術與測繪學院，江蘇 連云港 222005）

海表鹽度（Sea Surface Salinity，SSS）和海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）對于海洋動力學及其相關研究具有重要意義，關系著整個海洋的未來發(fā)展。對于海表溫鹽的現(xiàn)場觀測主要采用浮標、觀測船或平臺等手段，雖然觀測精度較高，但是無法實現(xiàn)全天時、大范圍觀測，存在明顯的技術短板。遙感衛(wèi)星的大力發(fā)展為大范圍觀測海表溫鹽提供了可能性，但是遙感衛(wèi)星觀測的海表溫鹽產品質量精度有待檢驗和分析。

針對遙感衛(wèi)星獲取的海表溫鹽產品質量的評估，國內外學者進行了很多相關研究。TSUTOMU H等[1]評估了來自AMSR-2（Advanced Microwave Scanning Radiometer-2）的海面溫度數(shù)據，從與浮標資料的比較來看，平均偏差為0.21°C，均方根誤差為0.49 °C。RATHEESH S等[2]通過比較SMOS（Soil Moisture and Ocean Salinity）和Argo浮標數(shù)據，發(fā)現(xiàn)SMOS衛(wèi)星的海表鹽度產品質量良好，均方根誤差為0.36 psu。在赤道印度洋和南印度洋，SMOS衛(wèi)星的SSS數(shù)據質量較好，而阿拉伯海和孟加拉灣的數(shù)據質量較差，可能是由于陸地污染和強風造成的SSS反演誤差所致。SMOS衛(wèi)星任務是遠程探測陸地上的土壤濕度和海洋表面的鹽度[3-4]。HIROTO A[5]等將水瓶座觀測到的海面鹽度與Argo浮標進行了比較，以評估衛(wèi)星SSS數(shù)據的質量，相對于Argo鹽度而言，均方根誤差在0.41～0.52 psu之間。FOURNIER S等[6]在 北 冰洋基于船舶現(xiàn)場觀測鹽度對SMAP（Soil Moisture Active Passive）衛(wèi)星鹽度數(shù)據進行研究，結果表明鹽度偏差隨著海水溫度的升高而變大。BAO S等[7]利用浮標觀測數(shù)據對Aquarius、SMOS和SMAP三種遙感衛(wèi)星產品的精度進行了評估，研究表明Aquarius遙感衛(wèi)星月平均海表鹽度產品質量最好，SMOS和SMAP在開闊海域40°S—40°N與現(xiàn)場實測數(shù)據吻合較好。TANG W等[8]利用Argo浮標等儀器對SMAP遙感衛(wèi)星數(shù)據進行了分析，實驗表明SMAP遙感衛(wèi)星鹽度數(shù)據在地中海區(qū)域受到較大干擾，主要來自陸地射頻干擾（Radio Frequency Interference，RFI）和土地污染。王素娟等[9]對FY-3C海表溫度產品及質量進行檢驗，結果表明質量等級為優(yōu)的海表溫度數(shù)據，白天和夜間的平均偏差分別為-0.181°C和-0.061°C，均方根誤差分別為0.851°C和0.81°C。王新新等[10]采用 Argo 浮標數(shù)據評估了 Aquarius遙感衛(wèi)星 L2級海表鹽度產品在中國南海的精度，結果表明Aquarius遙感衛(wèi)星數(shù)據在南海的精度為0.62 psu 。之后王新新等[11]對SMOS衛(wèi)星數(shù)據在中國近海岸的準確度進行評估，結果表明SMOS衛(wèi)星鹽度數(shù)據在南海的均方根誤差為1.2 psu。黃明海等[12]通過Argo浮標數(shù)據驗證Aquarius衛(wèi)星海表鹽度遙感產品數(shù)據在不同大洋的精度，結果表明L3級產品較L2級產品精度有很大提升。李永虹等[13]對南海區(qū)域Aquarius遙感衛(wèi)星海表鹽度V4產品精度進行探討，發(fā)現(xiàn)Aquarius遙感衛(wèi)星海表鹽度V4產品與走航及Argo鹽度的均方根誤差分別為0.47 psu和0.73 psu，V4產品整體表現(xiàn)優(yōu)于V3版本。路澤廷等[14]對SMOS衛(wèi)星海表鹽度不同級別產品進行精度分析，結果表明與 Argo實測數(shù)據相比平均偏差為-0.028 psu。曹凱翔等[15]基于Argo實測數(shù)據比較了SMAP遙感衛(wèi)星與SMOS遙感衛(wèi)星海表鹽度產品的質量，結果表明兩者日均、月均產品的空間分布特征一致，全球范圍內平均偏差在±0.5 psu之間，標準差為0 ～ 1 psu。王藝晴等[16]比較了SMAP衛(wèi)星海表鹽度產品在西太平洋區(qū)域的精度，結果表明兩者之間具有極顯著的正相關關系。

目前，傳統(tǒng)溫鹽測量無法滿足科研、工作等需求，通過遙感衛(wèi)星觀測海表溫鹽成為未來數(shù)據獲取的一種趨勢，而對于遙感衛(wèi)星海表溫鹽產品質量精度的研究相對較少，故開展遙感衛(wèi)星海表溫鹽產品質量評估與分析工作意義非凡。

1 數(shù)據與方法

1.1 研究區(qū)域

本文選取的研究區(qū)域位于太平洋西北部（128°E—160°E，10°N—30°N），臨近中國東海海域，北鄰日本領土，向南靠近菲律賓海，橫跨北回歸線，氣候特征顯著，在海洋研究上具有重要地位。由于遙感衛(wèi)星觀測會受到陸地RFI的影響，所以研究海域盡量遠離陸地，以保證溫鹽數(shù)據的觀測精度。實驗所用到的Argo浮標ID為2902703（132.26°E，16.13°N）和2902983（149.83°E，27.42°N），以提供每日溫鹽數(shù)據。

1.2 實驗數(shù)據

本文采用的海表鹽度數(shù)據來源于美國宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）SMAP遙感衛(wèi)星，該衛(wèi)星于2015年1月31日在美國發(fā)射，搭載了直徑為6 m的大孔徑反射式天線的雙極化L波段微波輻射計，衛(wèi)星對地觀測的刈幅約為1 000 km[17]。SMAP遙感衛(wèi)星主要任務是進行土壤濕度方面的研究，但其搭載L波段微波輻射計能夠獲得海表鹽度產品。實驗所用數(shù)據級別為L3級，包括月平均和8日平均海表鹽度網格產品，分辨率為25 km×25 km，海表溫度數(shù)據來源于AMSR和MODIS（Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer）多傳感器衛(wèi)星，采用微波和紅外技術，分辨率為9 km×9 km，數(shù)據來源于Remote Sensing System網 站（http://www.remss.com/）。為了檢驗遙感衛(wèi)星溫度產品的質量，選取Argo浮標溫鹽數(shù)據作為驗證數(shù)據。本文所用到的Argo浮標每日溫鹽數(shù)據來自法國海洋開發(fā)研究院的GDAC服務器（ftp://ftp.ifremer.fr/ifremer/argo/dac），月平均海表鹽度產品來自中國Argo實時資料中心（http://www.argo.org.cn/）[18]，空間分辨率為1°×1°，深度為最接近海面5 m處的數(shù)據,研究時間跨度為2018年1月至12月。Argo 是專用于海洋次表層溫、鹽、深剖面測量的浮標。Argo 計劃的觀測目標是快速、準確、大范圍地收集精度分別為 0.5℃和 0.01 psu的海水溫鹽資料[19-20]。盡管Argo浮標測量的是海表面到2 000 m深的剖面SSS數(shù)據，仍可用Argo浮標的最表層鹽度數(shù)據來評估遙感衛(wèi)星SSS數(shù)據產品質量[21]。

1.3 技術流程

技術流程如圖1所示。首先將下載好的遙感衛(wèi)星溫鹽產品與Argo浮標溫鹽產品進行時空匹配，研究區(qū)域存在一些大小不一的海島，需要將這些位置的觀測值剔除，以減小誤差。進行月平均海表鹽度產品檢驗時，為了保證遙感衛(wèi)星海表鹽度產品與Argo網格海表鹽度產品空間分辨率一致，故對遙感衛(wèi)星海表鹽度產品進行線性插值，將0.25°×0.25°插值1°×1°網格分辨率，以便于后續(xù)實驗；對于每日海表溫鹽數(shù)據的時空匹配的處理，采用最近點、最近時匹配法，遵循最大空間匹配半徑不超過0.25°，時間匹配不超過24 h，以保證檢測結果的準確性。然后將處理好的海表溫鹽數(shù)據采用最小二乘線性回歸法進行評估，對遙感衛(wèi)星海表溫鹽產品的質量精度及相關性進行檢驗。最后對西北太平洋海域遙感衛(wèi)星海表溫鹽產品的精度誤差及時空分布特征進行研究分析。

圖 1 技術流程圖

1.4 質量評定方法

對于遙感衛(wèi)星海表溫鹽產品的評估方法主要是采用統(tǒng)計學中的最小二乘線性回歸法，即

式中，Yst和Ast分別為遙感衛(wèi)星溫鹽數(shù)據和Argo溫鹽數(shù)據。通過最小二乘線性回歸方程計算相關系數(shù)R來評估Argo溫鹽數(shù)據與遙感衛(wèi)星溫鹽數(shù)據的相關性。遙感衛(wèi)星海表溫鹽和Argo實測溫鹽數(shù)據相關的程度取決于相關系數(shù)R值，R值越大，說明兩者之間越相關；反之相關程度越低。使用平均偏差和均方根誤差來評估遙感衛(wèi)星溫鹽與Argo實測溫鹽數(shù)據之間的偏差和遙感衛(wèi)星溫鹽的精度，計算公式如下。

式中，n代表樣本點總數(shù)；BIAS為平均偏差；RMSE為均方根誤差。

2 結果與分析

2.1 遙感衛(wèi)星溫鹽產品評估與分析

對2018年SMAP遙感衛(wèi)星海表鹽度數(shù)據進行年平均處理，然后與Argo年平均海表鹽度數(shù)據進行比對，結果表明（圖2），年平均海表鹽度平均偏差為0.088 psu，均方根誤差為0.113 psu，且兩者總體趨勢一致，相關系數(shù)R為0.978。圖3表示SMAP遙感衛(wèi)星年平均海表鹽度偏差分布圖，可以看出偏差在-0.3～0.1 psu之間，且在西北部偏差較大，達到-0.3 psu，可能與陸地RFI的影響有關。圖4是2018年4月SMAP遙感衛(wèi)星月平均海表鹽度產品和Argo月平均海表鹽度產品散點對比圖，其中平均偏差為0.103 psu，均方根誤差為0.131 psu，相關系數(shù)為0.952。從月平均海表鹽度偏差圖（圖5）來看，偏差在-0.3 ～ 0.2 psu之間，從圖中海表鹽度的偏差分布來看，在（15°N，135°E）附近海表鹽度偏差較大，可能和渦旋、洋流等海水的活動有關，造成了海面粗糙度的變化，從而影響了SMAP衛(wèi)星亮溫的觀測。相對來說，年平均海表鹽度數(shù)據精度更高，偏差更小。且鹽度偏差也可能是由海水介電常數(shù)、校正算法、反演算法選取等因素引起的。

圖 2 SMAP與Argo年平均海表鹽度產品散點對比圖

圖 3 SMAP與Argo年平均海表鹽度偏差圖

圖 4 SMAP與Argo月均海表鹽度產品散點對比圖

圖 5 SMAP與Argo月均海表鹽度偏差圖

為了驗證西太平洋海域不同季節(jié)SMAP遙感衛(wèi)星海表鹽度數(shù)據產品的精度，分別對不同季節(jié)海表鹽度進行質量評定。結果如表1所示，SMAP遙感衛(wèi)星海表鹽度產品春、秋兩季優(yōu)于夏、冬兩季，偏差較小。因為夏、冬兩季的海水蒸發(fā)量與降水量較春、秋兩季變化量大，降低了亮溫觀測的敏感度，所以影響了遙感衛(wèi)星海表鹽度的反演，導致數(shù)據產品的誤差變大。圖6為不同季節(jié)SMAP衛(wèi)星與Argo海表鹽度產品散點對比圖，從圖中可以看出SMAP衛(wèi)星鹽度數(shù)據與Argo鹽度數(shù)據整體上趨于一致，具有正相關性。且春、秋兩季的散點數(shù)據更靠近于擬合線，數(shù)據質量更好。

表1 不同季節(jié)西太平洋海域SMAP遙感衛(wèi)星海表鹽度 精度評定

圖6 西北太平洋海域不同季節(jié)SMAP與Argo海表鹽度產品散點對比圖

圖7是西北太平洋海域不同季節(jié)SMAP與Argo海表鹽度數(shù)據偏差分布圖，可以看出春、夏、秋、冬四季偏差基本集中在±0.2 psu以內，但是在靠近日本的西北角偏差較大，一度達到-0.5 psu，考慮到可能是受陸地RFI的影響導致衛(wèi)星觀測的誤差。冬季偏差較大，其中在（17°N，150°E）附近海域偏差較明顯，考慮是受到渦旋活動的影響。秋季西北部海域偏差較大，除了考慮陸地RFI的影響，渦旋、海流等活動也可能是主要影響因素。

圖7 西北太平洋海域不同季節(jié)SMAP與Argo海表鹽度產品偏差分布圖

選取Argo浮標每日散點數(shù)據來驗證SMAP遙感衛(wèi)星8日平均海表鹽度產品質量，日平均海表鹽度平均偏差為0.113 psu，均方根誤差為0.147 psu，相關系數(shù)為0.778。圖8、圖9表示SMAP衛(wèi)星和Argo每日海表鹽度時序變化和偏差，可以看出2018年SMAP衛(wèi)星每日海表鹽度和Argo實測鹽度整體趨勢一致，除了8月以外，整體誤差較小，約在±0.2 psu以內。夏季相對于其他季節(jié)來看，SMAP海表鹽度偏差較大，在0.2 psu以上。8月份偏差甚至超過0.4 psu，可能是由于夏季海水蒸發(fā)量大，加上海水的活動頻繁，影響了L波段亮溫的觀測，導致了SMAP衛(wèi)星海表鹽度反演誤差增大。

圖8 西北太平洋海域SMAP衛(wèi)星和Argo每日海表鹽度時序變化及偏差圖（ID:2902703）

圖9 西北太平洋海域SMAP衛(wèi)星和Argo每日海表鹽度時序變化及偏差圖（ID: 2902983）

SMAP衛(wèi)星海表鹽度數(shù)據與 Argo浮標海表鹽度數(shù)據存在偏差的原因：（1）SMAP衛(wèi)星會受到宇宙背景輻射、大氣輻射、降水蒸發(fā)和海面風浪等因素的影響，降低亮溫觀測的敏感度，進而影響海表鹽度的反演；（2）在靠近海岸、港口等海域也會受到陸地RFI的影響，從而造成海表鹽度反演的誤差；（3）SMAP衛(wèi)星和Argo浮標觀測數(shù)據處理方式的不同，Argo浮標觀測的海表鹽度為單點瞬時值，而 SMAP衛(wèi)星海表鹽度數(shù)據多是插值平均處理的網格化產品；（4）SMAP衛(wèi)星和Argo浮標觀測深度的不同，Argo浮標觀測的是海表面下幾米深度的海表鹽度，而SMAP衛(wèi)星觀測的是海表面下幾厘米深度的海表鹽度； (5) SMAP衛(wèi)星的鹽度反演方法為半經驗反演算法，算法上還有待優(yōu)化。

遙感衛(wèi)星每日海表溫度產品是通過微波和紅外技術聯(lián)合觀測獲得，空間分辨率較高，海表溫度日均產品均方根誤差為0.221 °C，平均偏差為0.18 °C，相關系數(shù)為0.956。通過與Argo浮標實測海表溫度的比對，得到結果如圖10和圖11所示。從圖10（a）、圖11（a）中可以看出，西北太平洋海域海表鹽度隨季節(jié)變化較為明顯，夏季海表溫度高，冬季海表溫度低。通過對2018年1—12月的海表溫度時序變化進行分析，可以看出遙感衛(wèi)星和Argo觀測的海表溫度整體上趨于一致。從圖10（b）、圖11（b）中可以看出海表溫度偏差基本集中在±0.4 psu之間，5月和6月偏差較小，3月和12月偏差較大。造成海表溫度存在偏差的原因除了遙感衛(wèi)星和Argo浮標觀測數(shù)據處理方式的不同和觀測深度的不同以外，主要還是與遙感衛(wèi)星的觀測容易受到大氣、海面狀況和電磁波等海—氣、?！憦碗s因素的干擾有關。

圖10 西北太平洋海域遙感衛(wèi)星和Argo每日海表溫度時序變化及偏差圖（ID:2902703）

圖11 西北太平洋海域遙感衛(wèi)星和Argo每日海表溫度時序變化及偏差圖（ID: 2902983）

2.2 遙感衛(wèi)星溫鹽時空特征分析

通過對遙感衛(wèi)星的海表溫鹽產品進行對比驗證，發(fā)現(xiàn)遙感衛(wèi)星大范圍觀測溫鹽是可行的，且質量精度較高，故本節(jié)主要是對遙感衛(wèi)星的海表溫鹽時空分布特征進行分析。圖12是西北太平洋海域海表鹽度分布圖，可以看出海表鹽度在32.5～35.5 psu，具有明顯的緯度分布特征，隨著緯度的增高，海表鹽度也隨之增大，且在25°N—30°N，海表鹽度自東向西依次變大，形成高鹽度帶。在10°N—15°N，海表鹽度相對較低，形成低鹽度帶。圖13表示海表鹽度隨緯度變化圖，可以看出隨著緯度的增加，海表鹽度有向上遞增趨勢，但在19°N附近海表鹽度有明顯下降，可能與渦旋的運動有關。圖14表示西北太平洋海域遙感衛(wèi)星海表溫度分布圖，可以看出海表溫度在26～30°C，低緯度海域海表溫度高于高緯度海表溫度。在（22°N，132°E）附近海域，出現(xiàn)了渦旋狀低鹽區(qū)，其海表鹽度明顯低于周圍區(qū)域1～2°C，很可能是冷渦活動造成的。而在（20°N，150°E）附近海域，海表溫度普遍較高達到30°C，可能是受到暖渦活動的影響，導致局部海表溫度的升高。為了量化海表溫度與緯度變化的關系，對海表溫度的緯度分布特征進行分析（圖15），可以看出海表溫度與緯度成相反關系，隨著緯度的升高，海表溫度降低，緯度分布特征顯著。綜合來看，緯度相差20°，海表鹽度相差2 psu左右，海表溫度相差3°C，海表溫度較海表鹽度隨緯度變化幅度明顯。

圖 12 西北太平洋海域遙感衛(wèi)星海表鹽度分布圖

圖 13 西北太平洋海域遙感衛(wèi)星海表鹽度隨緯度變化圖

圖 14 西北太平洋海域遙感衛(wèi)星海表溫度分布圖

圖 15 西北太平洋海域遙感衛(wèi)星海表溫度隨緯度變化圖

3 結 論

本文以Argo浮標現(xiàn)場觀測數(shù)據作為驗證依據，基于統(tǒng)計學上的最小二乘線性回歸法對西北太平洋海域遙感衛(wèi)星的海表溫鹽產品進行質量評估，并對其偏差進行了分析，最后研究了西北太平洋海域海表溫鹽時空分布特征，得出如下結論。

（1）在西北太平洋海域，SMAP遙感衛(wèi)星年平均、月平均、8日平均海表鹽度產品均方根誤差分別為0.113 psu、0.131 psu、0.147 psu，平均偏差分別為0.088 psu、0.103 psu、0.113 psu，相關系數(shù)分別為0.978、0.952、0.778。從結果來看，遙感衛(wèi)星海表鹽度產品精度較高，具有正相關性。通過對海表鹽度偏差進行分析，發(fā)現(xiàn)年平均海表鹽度數(shù)據偏差較小，且偏差原因主要是遙感衛(wèi)星和

Argo浮標觀測數(shù)據處理方式的不同和觀測深度的不同，以及宇宙背景輻射、大氣輻射、降水蒸發(fā)、海面風浪和陸地RFI等復雜因素的干擾有關。

（2）遙感衛(wèi)星海表溫度日均產品均方根誤差為0.221 °C，平均偏差為0.18 °C，相關系數(shù)為0.956。通過對2018年1—12月的海表溫度時序變化進行分析，可以看出遙感衛(wèi)星和Argo觀測的海表鹽度整體上趨于一致，夏季海表溫度高，冬季海表溫度低，具有季節(jié)變化特征。數(shù)據上遙感衛(wèi)星海表溫度除個別月份偏差超過0.4°C以外，大部分偏差在±0.4°C之間，5月、6月偏差較小，3月、12月偏差較大。造成海表溫度存在偏差的原因主要還是與遙感衛(wèi)星的觀測容易受到大氣、海面狀況和電磁波等海—氣、?！憦碗s因素的干擾有關。

（3）從西北太平洋海域海表溫鹽分布來看，海表鹽度大多集中在32.5～35.5 psu，海表溫度在26～30°C，且具有明顯的緯度分布特征，隨著緯度的增高，海表鹽度隨之增大，海表溫度隨之減小。受到冷暖渦的影響，會造成海表溫鹽的異常變化以及明顯的渦旋狀分布。