Himawari-8衛(wèi)星SST數(shù)據(jù)在西北太平洋的可利用率分析

胡金成，管 磊，楊銘倫

(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.山東大學(xué) 海洋研究院，山東 青島 266237)

引 言

使用衛(wèi)星觀測(cè)海表溫度(sea surface temperature, SST)開始于20世紀(jì)80年代，為人們提供了在廣泛范圍內(nèi)觀測(cè)SST的能力。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)的極軌衛(wèi)星上搭載的甚高分辨率掃描輻射計(jì)(Advanced Very High Resolution Radiometers, AVHRR)在20多年來提供了業(yè)務(wù)化的SST觀測(cè)結(jié)果[1-2]。兩顆衛(wèi)星每天不斷地測(cè)量地表四次，空間分辨率為1.1 km。基于AVHRR數(shù)據(jù)人們開展了很多研究，通過計(jì)算得到的全球SST的均方根誤差約為0.6～0.7K[3-4]，日本周邊區(qū)域SST的精度為0.6 K[5]。

第一顆地球同步運(yùn)行環(huán)境衛(wèi)星(Geostationary Operational Environmental Satellite, GOES)于1975年10月16日發(fā)射。早期的GOES是自旋穩(wěn)定的，只有10%的時(shí)間觀測(cè)地球。GOES-8作為第一艘三軸穩(wěn)定航天器，于1994年4月13日發(fā)射[6]。自發(fā)射以來， GOES-8的SST精度已經(jīng)提高到0.7 K，空間分辨率為4 km，與極軌衛(wèi)星SST相比，GOES SST的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的：GOES成像儀的頻繁采樣使得SST圖在云層移動(dòng)時(shí)更加完整；短時(shí)間內(nèi)場(chǎng)景溫度的變化有助于探測(cè)云的存在；大量的GOES觀測(cè)使得嚴(yán)格篩選無云觀測(cè)成為可能，同時(shí)保持了對(duì)晴空SST推斷的良好空間覆蓋；首次觀測(cè)到大范圍SST的日變化，討論了其對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候監(jiān)測(cè)的意義[7]。搭載在地球靜止氣象衛(wèi)星(Geostationary Meteorological Satellite, GMS)上的可見光紅外自旋掃描輻射計(jì)(Stretched-Visible Infrared Spin Scan Radiometer, S-VISSR)的SST估算也通過一種新的算法得到了改進(jìn)，均方根誤差為0.8 K[8]。

Himawari-8靜止氣象衛(wèi)星于2015年7月7日投入運(yùn)行，衛(wèi)星星下點(diǎn)位于140.7°E，觀測(cè)范圍從80°E～160°W，60°N～60°S。先進(jìn)的Himawari成像儀(Advanced Himawari Imager, AHI)是安裝在Himawari-8上的光學(xué)輻射計(jì)。它的觀測(cè)頻率為每10 min觀測(cè)一次整個(gè)區(qū)域，每2.5 min觀測(cè)一次日本附近區(qū)域。AHI有16個(gè)光譜波段，從可見光波段到紅外波段。紅外波段的空間分辨率為2 km[9]。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)的地球觀測(cè)研究中心通過10.4、11.2、8.6 μm波段數(shù)據(jù)以及10.4、11.2、3.9 μm波段數(shù)據(jù)計(jì)算得到Himawari-8海表皮溫(SSTskin)數(shù)據(jù)，兩者都是實(shí)時(shí)的[10]。SST的計(jì)算用了一種新的準(zhǔn)物理SST算法，通過求解參數(shù)化的紅外輻射傳遞方程計(jì)算了SSTskin。在云篩選方面，引入了一種基于貝葉斯推理方法的云算法[11]。Yukio Kurihara等人對(duì)從10.4、11.2、8.6 μm波段數(shù)據(jù)反演2015年6月到9月的SSTskin數(shù)據(jù)與漂流浮標(biāo)和熱帶錨定浮標(biāo)數(shù)據(jù)的比較，超過63萬對(duì)匹配數(shù)據(jù)的結(jié)果顯示，均方根誤差約為0.59 K，平均偏差為-0.16 K[12]。-0.16 K的偏差與Donlon等人所指出的海表皮溫與海表體溫之間的平均差異一致[13]。

由于不同的衛(wèi)星的性能和觀測(cè)頻段不同，因此它們觀測(cè)數(shù)據(jù)的可利用率也會(huì)不同。而且更為重要的是，受當(dāng)?shù)卮髿鉅顩r的影響，會(huì)令傳感器無法觀測(cè)SST，比如紅外傳感器受云的影響較大，無法穿過云層觀測(cè)SST，而微波傳感器則只受雨的影響，在有云的大氣狀況下依然可以觀測(cè)SST，但不能在有雨的區(qū)域觀測(cè)SST。Guan等研究分析了不同衛(wèi)星傳感器的SST可利用率，定量評(píng)估了NOAA提供的AVHRR數(shù)據(jù)、搭載于GMS的S-VISSR數(shù)據(jù)和熱帶降雨測(cè)量任務(wù)(Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM)的微波成像儀(Microwave Imager, MI)數(shù)據(jù)，定量地分析了不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)的總體可利用率，季節(jié)性變化，及其影響因素[14]。

本文對(duì)2015年發(fā)射的Himawari-8靜止氣象衛(wèi)星的SST數(shù)據(jù)可利用率進(jìn)行分析，包括了SST數(shù)據(jù)可利用率的區(qū)域分布、SST數(shù)據(jù)可利用率的季節(jié)變化、云量和海冰對(duì)其的影響。分析Himawari-8 SST數(shù)據(jù)的可利用率對(duì)使用Himawari-8 SST數(shù)據(jù)的各種研究有著參考意義。

1 數(shù)據(jù)介紹

Himawari-8衛(wèi)星于2015年7月7日投入運(yùn)行，觀測(cè)范圍從80°E～160°W，60°N～60°S。本文的研究區(qū)域選在西北太平洋(100°E～150°E，0°～50°N)，時(shí)間范圍是2015年8月—2019年7月。

本文的SST數(shù)據(jù)是Himawari-8的1 h SST數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)下載地址：ftp://ftp.ptree.jaxa.jp)，時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率為0.02°。Himawari-8 SST數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率較高，可以同時(shí)獲得大范圍內(nèi)的連續(xù)SST序列，且精度較高，與浮標(biāo)數(shù)據(jù)比較的均方根誤差在0.59 K左右，平均偏差在-0.16 K左右。因此分析Himawari-8 SST數(shù)據(jù)的可利用率對(duì)使用Himawari-8 SST數(shù)據(jù)的各種研究有著參考意義。但由于搭載在Himawari-8上的AHI傳感器是紅外傳感器，其測(cè)量結(jié)果受云的影響較大，只有在無云或云量較少的情況下才能正常觀測(cè)；同時(shí)，在高緯度區(qū)域，海冰的存在也會(huì)影響SST數(shù)據(jù)的可利用率。因此本文分析了云量和海冰對(duì)SST數(shù)據(jù)可利用率的影響。

本文的云量數(shù)據(jù)采用的是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的total cloud cover數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)下載地址：https://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/)，時(shí)間分辨率為6 h，空間分辨率為0.125°。其時(shí)空分辨率低于Himawari-8 SST數(shù)據(jù)，但也滿足在分析每日較大空間內(nèi)的云量與SST數(shù)據(jù)可利用率關(guān)系時(shí)的要求。

本文的海冰覆蓋率數(shù)據(jù)是Himawari-8 SST數(shù)據(jù)中自帶的sea ice area fraction數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源是JAXA AMSR2 SIC產(chǎn)品。時(shí)空分辨率與SST數(shù)據(jù)一致，時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率為0.02°。但在原SST數(shù)據(jù)中，該海冰覆蓋率數(shù)據(jù)只提供到2017年2月，因此分析時(shí)只選取2016年1 a中的海冰數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果和討論

搭載在Himawari-8上的AHI紅外傳感器在有云遮擋的情況下無法正常觀測(cè)到SST有效值，因此本文對(duì)SST數(shù)據(jù)的可利用率進(jìn)行分析，定義SST可利用率為SST有效值數(shù)量與全部觀測(cè)數(shù)量的比值。本章定量分析了SST可利用率的時(shí)空分布，以及云量和海冰對(duì)SST可利用率的影響。

2.1 SST可利用率的時(shí)空分布

本節(jié)分析了Himawari-8 SST可利用率的時(shí)空分布，包括不同年份、不同月份、不同區(qū)域的SST可利用率。由于不同時(shí)間、不同區(qū)域中云量的大小有所不同，SST可利用率也會(huì)隨之變化。

首先分析了SST可利用率總體上的區(qū)域差異和年度差異，圖1(a)(b)(c)(d)分別為2015年8月—2019年7月4 a的年平均SST可利用率，表示一年中每個(gè)格點(diǎn)的平均SST可利用率。4 a中的SST平均可利用率分別為44%、33%、35%、41%；可以看出SST可利用率最高的區(qū)域出現(xiàn)在15°N～25°N，140°E～150°E區(qū)域，并呈環(huán)狀向外遞減，該區(qū)域的SST平均可利用率在4 a中分別為64%、54%、57%、62%，該區(qū)域位于副熱帶高氣壓帶，云量較少；40°N～50°N，140°E～150°E區(qū)域的SST平均可利用率較低，4 a中分別為17%、15%、16%、19%，該區(qū)域除了云量較多，在冬季由于海冰的影響也會(huì)使SST可利用率降低；在其他大部分區(qū)域，80%區(qū)域的SST可利用率分布在28%～59%(除了SST可利用率最大的10%區(qū)域和最小的10%區(qū)域)。

圖1 年平均SST可利用率，(a)2015年8月—2016年7月；(b)2016年8月—2017年7月；(c)2017年8月—2018年7月；(d)2018年8月—2019年7月Fig.1 Annual average SST availability. (a) August 2015—July 2016; (b) August 2016—July 2017; (c) August 2017—July 2018; (d) August 2018—July 2019

SST可利用率除了年度變化之外，一年中的季節(jié)性變化更為明顯，于是統(tǒng)計(jì)了各個(gè)月份的SST可利用率，每個(gè)月份的SST可利用率表示4 a中4個(gè)此月份SST可利用率的均值。圖2(a)為1月份～12月份平均SST可利用率，圖2(b)分別為5°N～20°N和20°N～35°N區(qū)域月平均SST可利用率。

圖2 (a)1月份—12月份平均SST可利用率；(b)5°N～20°N和20°N～35°N區(qū)域月平均SST可利用率Fig.2 (a) Monthly average SST availability from January to December. (b) Monthly average SST availability in 5°N～20°N and 20°N～35°N

圖2(a)中每個(gè)月份的平均可利用率在32%～47%之間，最大值出現(xiàn)在4月份，最小值出現(xiàn)在7月份。日本北海道以北的白色區(qū)域受海冰影響較大，4個(gè)月份SST可利用率都為0，可以看出海冰主要出現(xiàn)在高緯度海域的1月份～4月份。SST可利用率較高的區(qū)域總體上位于5°N～35°N，在2月份～4月份時(shí)，5°N～20°N，100°E～120°E海域的SST可利用率明顯高于同緯度東部海域，而在其余的9個(gè)月份中，SST可利用率較高的海域均在130°E～150°E左右?？梢钥闯鯤imawari-8的SST有效值可利用率在5°N～35°N的區(qū)域受副熱帶高氣壓帶、熱帶輻合帶等大氣環(huán)流的影響，存在顯著的緯向變化和季節(jié)性變化，即可利用率較高的區(qū)域在4月份的范圍是5°N～20°N，而到了8月份則會(huì)向北移動(dòng)到20°N～35°N。

圖3 (a)2015年8月—2019年7月SST可利用率緯向霍夫默勒?qǐng)D；(b)2015年8月—2019年7月云量緯向霍夫默勒?qǐng)DFig.3 (a) Latitudinal Hovm?ller diagram of SST availability from August 2015 to July 2019. (b) Latitudinal Hovm?ller diagram of cloud cover from August 2015 to July 2019

2.2 云量和海冰對(duì)SST可利用率的影響

搭載在Himawari-8上的AHI傳感器無法透過云層測(cè)量SST，因此SST可利用率主要受云的影響，本文將ECMWF提供的云量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

由于SST可利用率和云量在緯向的季節(jié)性變化明顯，本文將每天相同緯度的SST可利用率、云量做平均，繪制霍夫默勒(Hovm?ller)圖。圖3(a)(b)分別為2015年8月—2019年7月SST可利用率、云量的緯向霍夫默勒?qǐng)D，橫坐標(biāo)為時(shí)間(2015年8月—2019年7月)，縱坐標(biāo)為緯度(0°～50°N)，每個(gè)點(diǎn)表示每天的緯向0.02°間隔條帶內(nèi)的平均SST可利用率和平均云量。圖中可以看出，SST可利用率分布和云量分布呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。緯向上由于受西北太平洋副熱帶高壓帶影響，SST可利用率和云量的時(shí)空分布呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化，冬季(1月—4月)有效值較多的區(qū)域主要集中在10°N～20°N之間，隨著天氣變暖副熱帶高壓帶逐漸向北移動(dòng)，而夏季(6月—9月)有效值較多的區(qū)域主要集中在20°N～30°N之間。圖中也可以看出年度間的SST可利用率的變化，即較高的年份出現(xiàn)在第一年和最后一年，較低的年份出現(xiàn)在中間兩年，與圖1的規(guī)律也一致。

由于本文選取的范圍較大，緯度跨度從0°～50°N，SST可利用率在冬季的高緯度區(qū)域不僅受云量的影響，還受海冰的影響。在海冰存在時(shí)，無法正常獲得SST數(shù)據(jù)，因此下文分析了海冰對(duì)SST可利用率的影響。圖4(a)(b)(c)(d)分別為2016年1月—2016年4月的月平均海冰覆蓋率。海冰出現(xiàn)的時(shí)間主要集中在1月份至4月份，其他月份的海冰很少。海冰出現(xiàn)的區(qū)域在37°N～50°N海域，主要集中在日本北海道以北的高緯度海域，在中國(guó)渤海的沿岸海域也有出現(xiàn)。在37°N～50°N海域，由海冰對(duì)SST可利用率造成的影響，可以用每天海冰覆蓋率大于0的海域面積與37°N～50°N海域的全部海域面積之比體現(xiàn)。將每天的該比值做月平均，1月份—4月份的37°N～50°N海域海冰面積與全部海域面積之比分別是6.2%，11.6%，10.4%，1.6%。因此，在2016年的1月份—4月份的37°N～40°N海域，分別有6.2%，11.6%，10.4%，1.6%的海域會(huì)由于海冰的存在而無法觀測(cè)SST。

圖4 月平均海冰覆蓋率 (a)2016年1月；(b)2016年2月；(c)2016年3月；(d)2016年4月Fig.4 Monthly average sea ice fraction. (a) January 2016, (b) February 2016, (c) March 2016 and (d) April 2016

3 結(jié)論

在2015年8月—2019年7月的4 a時(shí)間里，對(duì)Himawari-8 SST數(shù)據(jù)在西北太平洋(100°E～150°E，0°～50°N)的可利用率進(jìn)行了定量分析，發(fā)現(xiàn)Himawari-8 SST數(shù)據(jù)在4 a中的年平均可利用率分別為44%，33%，35%，41%。由于受云量的影響，具有較大的季節(jié)變化，每個(gè)月份的平均可利用率在32%～47%之間，最大值出現(xiàn)在4月份，最小值出現(xiàn)在7月份；Himawari-8 SST數(shù)據(jù)可利用率在5°N～35°N的區(qū)域受副熱帶高氣壓帶、熱帶輻合帶等大氣環(huán)流的影響，存在顯著的緯向變化，即可利用率較高的區(qū)域在冬季的范圍是5°N～20°N，而到了夏季則會(huì)向北移動(dòng)到20°N～35°N；Himawari-8 SST數(shù)據(jù)可利用率與云量呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，通過對(duì)大尺度范圍云量變化的分析，可以分析SST的可利用率的變化趨勢(shì)。在冬季，特別是1月份—4月份，Himawari-8 SST數(shù)據(jù)可利用率在日本北海道以北的高緯度海域以及中國(guó)渤海沿岸海域會(huì)受海冰的影響，因此在分析高緯度的Himawari-8 SST數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)考慮海冰的影響。

在本文研究的區(qū)域內(nèi)，云量和海冰是影響Himawari-8 SST數(shù)據(jù)可利用率的兩個(gè)最主要因素。在Himawari-8無法觀測(cè)SST時(shí)，使用可以穿過云觀測(cè)SST的微波傳感器數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)可以彌補(bǔ)Himawari-8 SST數(shù)據(jù)的缺失。