HY-2A校正微波輻射計(jì)水汽數(shù)據(jù)的精度檢驗(yàn)和校正

孫 浩，范士杰，劉焱雄，彭秀英，史 航

（1.中國石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，山東 青島 266580；2.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061）

海洋是水汽交換的主要場所，大氣中84%的水汽來源于海洋，并為陸地輸送了37.5%的降水，因此對(duì)海洋大氣水汽含量的監(jiān)測尤為重要。然而，由于海洋環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)水汽觀測布設(shè)的站位稀少、觀測范圍有限且費(fèi)用昂貴[1]。海洋二號(hào)（HY-2A）衛(wèi)星是我國第一顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星，搭載的校正微波輻射計(jì)（CMR）具備海洋水汽探測功能[2]，可以豐富海洋水汽觀測手段，提高海洋水汽觀測的時(shí)間和空間分辨率。

針對(duì)HY-2A CMR水汽數(shù)據(jù)的精度驗(yàn)證，由于HY-2A原始數(shù)據(jù)不對(duì)外共享，目前尚未出現(xiàn)國外學(xué)者的相關(guān)研究。國內(nèi)學(xué)者WANG Z Z[3]等推導(dǎo)了HY-2A CMR亮溫與大氣路徑延遲的函數(shù)關(guān)系，并利用歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）數(shù)據(jù)模擬CMR亮溫和計(jì)算路徑延遲，結(jié)果表明CMR反演的大氣濕延遲精度優(yōu)于1 cm；ZHANG D H[4-5]等利用WANG Z Z[3]等推導(dǎo)的大氣路徑延遲與CMR亮溫的函數(shù)模型對(duì)HY-2A數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演實(shí)驗(yàn)，再將得到的大氣路徑延遲分別與ECMWF數(shù)據(jù)和Jason-2的AMR數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其差異分別為1.47 cm和1.27 cm；WANG J[6]等將HY-2A CMR數(shù)據(jù)與無線電探空數(shù)據(jù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，CMR亮溫的不確定性將給大氣路徑延遲帶來1.5 cm的影響；ZHAO J[7]等利用兩年HY-2A CMR的在軌數(shù)據(jù)與ECMWF數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示CMR與ECMWF計(jì)算的大氣路徑延遲的差異為1.3～2.1 cm；LIU Y[8]等利用兩個(gè)月印度洋船載GNSS大氣可降水量（PWV）數(shù)據(jù)對(duì)HY-2A CMR反演的PWV進(jìn)行精度驗(yàn)證，二者差異為0.8 mm。

目前國內(nèi)對(duì)HY-2A CMR水汽產(chǎn)品的精度檢驗(yàn)主要是針對(duì)標(biāo)識(shí)為海洋的數(shù)據(jù)，即海水面上空的大氣路徑延遲或PWV（海面水汽數(shù)據(jù)），而對(duì)海冰、陸地等特殊標(biāo)識(shí)的CMR水汽數(shù)據(jù)的研究較少。本文以ECMWF數(shù)據(jù)為參考，對(duì)HY-2A CMR的海洋、海冰、陸地等不同標(biāo)識(shí)的水汽數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面的精度檢驗(yàn)，分析了CMR海面水汽數(shù)據(jù)精度的時(shí)空分布特征，進(jìn)而對(duì)海冰、陸地等特殊標(biāo)識(shí)的異常水汽數(shù)據(jù)進(jìn)行了誤差分析，并嘗試尋求一種合理的校正方法。

1 HY-2A CMR水汽數(shù)據(jù)預(yù)處理

HY-2A CMR是一個(gè)三頻（18.7 GHz、23.8 GHz、37.0 GHz）微波輻射計(jì)。其水汽反演的基本原理為；通過多元線性回歸模型將天線溫度轉(zhuǎn)化為亮溫，再利用全球經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫建立亮溫與PWV之間的經(jīng)驗(yàn)回歸模型，進(jìn)而反演得到大氣水汽含量信息[9-10]。本文實(shí)驗(yàn)采用的CMR水汽產(chǎn)品是由國家海洋衛(wèi)星中心提供的二級(jí)數(shù)據(jù)（Level-2B），以HDF格式存儲(chǔ)[11]。

在進(jìn)行HY-2A CMR水汽數(shù)據(jù)檢驗(yàn)前，需進(jìn)行的數(shù)據(jù)預(yù)處理工作包括；①根據(jù)不同的研究對(duì)象（海面水汽數(shù)據(jù)或陸地、海冰等水汽數(shù)據(jù)），剔除CMR原始數(shù)據(jù)中標(biāo)識(shí)為降雨、陸地或海冰的數(shù)據(jù)；②CMR水汽數(shù)據(jù)還存在部分粗差需要剔除，該部分粗差數(shù)據(jù)點(diǎn)的PWV均為3.277 m；③為限制無雨條件，剔除液態(tài)水含量大于0.2 mm的數(shù)據(jù)。

2 基于ECMWF的水汽信息提取

ERA-Interim是ECMWF于2006年提出的數(shù)值氣象模型，能提供全球1979-2019年的氣象再分析數(shù)據(jù)。截至2019年8月31日停止服務(wù)前，該模型每個(gè)月更新一次。ERA-Interim數(shù)據(jù)可通過ECMWF的官網(wǎng)下載[12]。本文采用的是ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)提供的格網(wǎng)點(diǎn)上空柱狀水汽總量（TCWV），其時(shí)間分辨率為6 h，水平格網(wǎng)分辨率為0.125°×0.125°。利用格網(wǎng)點(diǎn)TCWV計(jì)算HY-2A CMR水汽數(shù)據(jù)點(diǎn)處PWV的方法為；忽略格網(wǎng)點(diǎn)TCWV和CMR水汽數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程差異，直接利用CMR水汽數(shù)據(jù)點(diǎn)所在格網(wǎng)4個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的TCWV，進(jìn)行雙線性內(nèi)插得到該數(shù)據(jù)點(diǎn)的PWV[13]，記為ECMWF/PWV并用于CMR水汽數(shù)據(jù)的精度檢驗(yàn)。

3 HY-2A CMR水汽數(shù)據(jù)的精度檢驗(yàn)

本文利用ECMWF數(shù)據(jù)對(duì)HY-2A CMR水汽數(shù)據(jù)進(jìn)行較全面的精度檢驗(yàn)，主要包括標(biāo)識(shí)為海洋的海面水汽數(shù)據(jù)以及標(biāo)識(shí)為陸地+海冰的異常水汽數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)CMR陸地+海冰異常水汽數(shù)據(jù)的誤差分布進(jìn)行了分析，并嘗試進(jìn)行系統(tǒng)性偏差校正。

3.1 CMR海面水汽數(shù)據(jù)的精度評(píng)價(jià)

本文對(duì)2015年不同季節(jié)的4個(gè)月（1月、4月、7月、10月）的HY-2A CMR數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到標(biāo)識(shí)為海洋的海面水汽數(shù)據(jù)共190 116個(gè)，將其與ECMWF/PWV進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖1所示，可以看出，HY-2A CMR海面水汽數(shù)據(jù)與ECMWF/PWV的相關(guān)系數(shù)大于99%，說明二者具有很高的相關(guān)性；相對(duì)于ECMWF/PWV，CMR海面水汽數(shù)據(jù)的平均偏差為0.02 mm，表明CMR海面水汽數(shù)據(jù)與ECMWF/PWV的一致性很好，不存在明顯的系統(tǒng)偏差；其RMSE為2.11 mm，與國內(nèi)相關(guān)研究成果[7,10]基本一致，驗(yàn)證了本文計(jì)算方法的正確性。

圖1 HY-2A CMR海面水汽數(shù)據(jù)與ECMWF/PWV的對(duì)比

1）CMR海面水汽數(shù)據(jù)精度的空間分布特征。2015年上述4個(gè)月的HY-2A CMR海面水汽數(shù)據(jù)的空間分布如圖2所示。為進(jìn)一步分析CMR海面水汽數(shù)據(jù)精度在空間分布上的變化，按緯度每10°劃分，分析CMR海面水汽數(shù)據(jù)精度在不同緯度上的變化，結(jié)果如圖3所示，可以看出，CMR海面水汽數(shù)據(jù)相對(duì)于ECMWF/PWV的精度（STD、RMSE）變化在中低緯度基本一致，且大致以0～10°區(qū)間對(duì)稱分布；隨著緯度的升高，STD、RMSE數(shù)值變小，北極海域下降為2 mm左右，南極海域下降至1 mm；CMR海面水汽數(shù)據(jù)的STD、RMSE在[0°,10°]區(qū)間的精度最差，最大值為2.62 mm，在南極海域的精度最高，最小值為1.17 mm，且南極海域的精度優(yōu)于北極海域，南半球的精度略優(yōu)于北半球。

圖2 HY-2A CMR海面水汽數(shù)據(jù)的空間分布

圖3 HY-2A CMR海面水汽數(shù)據(jù)精度隨緯度的變化

2）不同季節(jié)CMR海面水汽數(shù)據(jù)精度的變化。將2015年上述4個(gè)月的CMR海面水汽數(shù)據(jù)分別與ECMWF/PWV進(jìn)行對(duì)比，得到CMR海面水汽數(shù)據(jù)誤差的時(shí)空分布如圖4所示；對(duì)上述4個(gè)月的CMR海面水汽數(shù)據(jù)誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示，可以看出，4個(gè)月CMR海面水汽數(shù)據(jù)與ECMWF/PWV的差異均在±5 mm之內(nèi)，1月CMR海面水汽數(shù)據(jù)的RMSE略小于其余3個(gè)月，4月、7月和10月CMR海面水汽數(shù)據(jù)的RMSE基本一致，表明HY-2A CMR海面水汽數(shù)據(jù)的精度變化無明顯季節(jié)性特征。

表1 HY-2A CMR海面水汽數(shù)據(jù)的誤差統(tǒng)計(jì)

圖4 HY-2A CMR海面水汽數(shù)據(jù)誤差的時(shí)空分布

3.2 CMR陸地+海冰異常水汽數(shù)據(jù)的誤差分析和偏差校正

HY-2A CMR數(shù)據(jù)受足跡（約40 km）影響，在穿越海陸交接處或海冰時(shí)，足跡探測的信號(hào)同時(shí)包含陸地或海冰和海洋信號(hào)，由于它們的輻射特征不一致，導(dǎo)致最終的CMR數(shù)據(jù)異常。目前大多數(shù)研究選擇將該類異常水汽數(shù)據(jù)刪除，但這樣會(huì)造成大量數(shù)據(jù)的丟失，尤其是在極地海域。因此，本文以ECMWF/PWV為參考，對(duì)2015年HY-2A CMR數(shù)據(jù)預(yù)處理得到的標(biāo)識(shí)為陸地+海冰的異常水汽數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，并進(jìn)行系統(tǒng)性偏差校正。

本文以6；00的ECMWF/PWV為參考，選取CMR水汽數(shù)據(jù)的時(shí)間窗口為5；30～6；30，提取相應(yīng)的CMR陸地+海冰異常水汽數(shù)據(jù)點(diǎn)，其空間分布如圖5所示，可以看出，陸地+海冰異常水汽數(shù)據(jù)主要分布在南極海域，按經(jīng)度可劃分為60°W附近和120°W附近兩個(gè)區(qū)域。本文再分別計(jì)算兩個(gè)區(qū)域CMR陸地+海冰異常水汽數(shù)據(jù)相對(duì)于ECMWF/PWV的偏差，誤差序列如圖6所示，其中實(shí)線為線性擬合結(jié)果。

圖5 2015年CMR陸地+海冰異常水汽數(shù)據(jù)分布

對(duì)上述HY-2A CMR陸地+海冰異常水汽數(shù)據(jù)的誤差序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)， CMR異常水汽數(shù)據(jù)與ECMWF/PWV之間存在明顯的線性偏差影響。由圖6可知，兩個(gè)區(qū)域CMR水汽誤差系統(tǒng)性偏差的初值分別為21 mm和13 mm，變化率分別為-0.000 52和-0.000 14。本文利用上述擬合的線性偏差模型，嘗試對(duì)HY-2A CMR陸地+海冰異常水汽數(shù)據(jù)進(jìn)行線性校正，并對(duì)校正后的水汽進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，可以看出，60°W附近和120°W附近兩個(gè)區(qū)域CMR陸地+海冰異常水汽數(shù)據(jù)在進(jìn)行線性校正后，CMR水汽相對(duì)于ECMWF/PWV的平均偏差約在±1 mm以內(nèi)，RMSE分別為2.65 mm和1.69 mm，與正常的CMR海面水汽數(shù)據(jù)的精度基本一致。

圖6 2015年CMR陸地+海冰異常水汽數(shù)據(jù)的誤差序列

表2 校正后HY-2A CMR陸地+海冰異常水汽數(shù)據(jù)的誤差統(tǒng)計(jì)/mm

4 結(jié) 語

目前全球海洋水汽數(shù)據(jù)極度匱乏，HY-2A CMR水汽產(chǎn)品是一種重要的數(shù)據(jù)源。利用ECMWF數(shù)據(jù)，本文對(duì)HY-2A CMR海面水汽和陸地+海冰異常水汽數(shù)據(jù)進(jìn)行了較全面的精度檢驗(yàn)，分析了CMR海面水汽數(shù)據(jù)精度變化的時(shí)空分布特征，對(duì)陸地+海冰異常水汽數(shù)據(jù)的誤差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并進(jìn)行了線性偏差校正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明；①標(biāo)識(shí)為海洋的CMR海面水汽數(shù)據(jù)與ECMWF/PWV的平均偏差和RMSE分別為0.02 mm和2.11 mm，CMR海面水汽數(shù)據(jù)與ECMWF/PWV具有很好的一致性，而標(biāo)識(shí)為陸地+海冰的CMR異常水汽數(shù)據(jù)存在明顯的線性系統(tǒng)偏差，兩個(gè)區(qū)域（60°W附近和100°W附近）系統(tǒng)偏差的初值分別為21 mm和13 mm，變化率分別為-0.000 52和-0.000 14；②對(duì)HY-2A CMR海面水汽數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行時(shí)空特征分析發(fā)現(xiàn)，CMR海面水汽數(shù)據(jù)的精度變化趨勢大致以0～10°區(qū)間對(duì)稱分布，隨緯度的增加而精度升高，且南半球精度略優(yōu)于北半球，對(duì)2015年不同季節(jié)的CMR海面水汽數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析發(fā)現(xiàn)，CMR海面水汽數(shù)據(jù)與ECMWF/PWV的差異均在±5 mm之內(nèi)，1月CMR海面水汽數(shù)據(jù)的RMSE略小于其余3個(gè)月，4月、7月和10月CMR海面水汽數(shù)據(jù)的RMSE基本一致，CMR海面水汽數(shù)據(jù)的精度變化無明顯季節(jié)性特征；③對(duì)2015年CMR陸地+海冰異常水汽數(shù)據(jù)進(jìn)行線性系統(tǒng)偏差校正，校正后兩個(gè)區(qū)域（60°W附近和100°W附近）CMR水汽的RMSE分別為2.65 mm和1.69 mm，與CMR海面水汽數(shù)據(jù)的精度基本一致，由于HY-2A CMR陸地+海冰異常水汽數(shù)據(jù)主要分布在極地區(qū)域，因此校正后的CMR水汽產(chǎn)品可為極地天氣監(jiān)測和分析預(yù)報(bào)、氣候變化等研究提供更多高質(zhì)量的水汽數(shù)據(jù)。