利用FY-3B MWRI遙感數(shù)據(jù)反演南極海冰表面積雪厚度

閆忠男， 龐小平，2， 季青，2， 肖澤輝

1. 武漢大學(xué) 中國(guó)南極測(cè)繪研究中心, 武漢 430079;2. 自然資源部極地測(cè)繪科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430079

1 引 言

海冰表面積雪厚度是冰凍圈和全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分（Kern 和Ozsoy，2019），在海洋、海冰和大氣的能量傳輸中起著關(guān)鍵的作用（Markus和Cavalieri，1998）。南極海冰表面積雪厚度對(duì)海冰的生長(zhǎng)與消融產(chǎn)生重要的影響（Webster等，2018）。在海冰生長(zhǎng)季，由于雪層較低的熱傳導(dǎo)率，海冰的生長(zhǎng)將極大地受到積雪厚度的抑制（Sturm 等，2002），而在海冰消融季，雪層高反照率正反饋這一主導(dǎo)性的物理過(guò)程很大程度上延緩了海冰的消融（Maykut，1986）。因而，監(jiān)測(cè)和理解南極冰上積雪厚度的變化對(duì)海冰和全球氣候變化研究具有重要意義。然而，受限于南極極端的環(huán)境，目前人們對(duì)南極大尺度海冰表面積雪厚度變化的認(rèn)識(shí)顯得不足。

相對(duì)傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方法，海冰表面積雪厚度遙感反演方法具有低成本、大范圍、長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。海冰表面積雪厚度遙感反演的基本原理是依據(jù)被動(dòng)微波傳感器接收的能量隨著積雪厚度的增加（雪層散射增強(qiáng)）而減少，進(jìn)而通過(guò)構(gòu)建亮溫?cái)?shù)據(jù)與積雪厚度間的回歸模型實(shí)現(xiàn)的。Markus 和Cavalieri（1998）使用1992 年和1993 年威德?tīng)柡?、別林斯高晉海以及阿蒙森海的走航觀測(cè)積雪厚度與SSM/I （Special Sensor Microwave/Imager）不同頻段亮溫?cái)?shù)據(jù)的垂直梯度比進(jìn)行回歸分析，首次構(gòu)建了南極海冰表面積雪厚度遙感反演模型。隨后，Comiso等（2003）將該算法推廣至AMSR-E（Advanced Microwave Scanning Radiometer）被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)，反演并繪制了2002 年7 月和8 月南極大尺度積雪厚度分布圖。通過(guò)ASPeCt（Antarctic Sea Ice Processes and Climate）船測(cè)積雪厚度數(shù)據(jù)和SSM/I 積雪厚度產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，Markus等（2011）發(fā)現(xiàn)兩者總體的一致性較好，但東南極海冰區(qū)較差。Worby等（2008）基于冰站實(shí)測(cè)積雪厚度數(shù)據(jù)的對(duì)比研究中也出現(xiàn)了類(lèi)似的結(jié)果，即東南極區(qū)域AMSR-E 積雪厚度產(chǎn)品嚴(yán)重低估實(shí)際雪深（約2.3 倍）。這種差異被認(rèn)為是冰的粗糙度造成的（Markus 等，2006；Powell 等，2006；Stroeve等，2006）。Kern等（2011）使用2004年南極威德?tīng)柡！?006 年別林斯高晉海的走航觀測(cè)積雪厚度數(shù)據(jù)對(duì)AMSR-E 積雪厚度產(chǎn)品進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果也表明AMSR-E 積雪厚度產(chǎn)品低估了實(shí)際雪深，差異在20 cm之內(nèi)。

當(dāng)前，國(guó)外學(xué)者在南極海冰表面積雪厚度遙感反演研究中已取得了一定成果?；谏鲜鲅芯砍晒?，美國(guó)宇航局（NASA）、德國(guó)不萊梅大學(xué)和漢堡大學(xué)（UB/UH-SICCI）以及美國(guó)雪冰數(shù)據(jù)中心（NSIDC） 分 別 基 于SSM/I、AMSR-E 和AMSR-2（Advanced Microwave Scanning Radiometer 2）被動(dòng)微波數(shù)據(jù)發(fā)布了南極海冰表面積雪厚度遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品。然而，目前中國(guó)還沒(méi)有基于自主衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)布的南極海冰表面積雪厚度遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品。FY-3系列衛(wèi)星（FY-3A/3B/3C/3D）是國(guó)家氣象局和國(guó)家衛(wèi)星氣象中心主導(dǎo)的第二代極軌氣象衛(wèi)星（楊軍 等，2009），其中FY-3B 衛(wèi)星在軌時(shí)間最長(zhǎng)，形成了良好的長(zhǎng)時(shí)序觀測(cè)數(shù)據(jù)。FY-3B 搭載的MWRI（Micro Wave Radiometer Imager）被動(dòng)微波傳感器可用于反演海冰密集度（吳展開(kāi) 等，2020）、陸地積雪覆蓋（王功雪 等，2017）和北極海冰表面積雪厚度（Li 等，2019）等參數(shù)，但目前FY-3B MWRI 應(yīng)用于南極海冰表面積雪厚度反演的研究仍是空白。

為此，本文嘗試聯(lián)合FY-3B MWRI 亮溫?cái)?shù)據(jù)和南極浮標(biāo)觀測(cè)的積雪厚度數(shù)據(jù)，探究基于國(guó)產(chǎn)FY-3B 數(shù)據(jù)反演南極海冰表面積雪厚度的最佳方案，并通過(guò)與現(xiàn)有國(guó)外發(fā)布的AMSR-2 積雪厚度產(chǎn)品的比較，分析亮溫對(duì)海冰表面積雪厚度遙感反演的影響。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 FY-3B MWRI亮溫和海冰密集度數(shù)據(jù)

本文使用的2016 年FY-3B MWRI 亮溫和海冰密集度數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家衛(wèi)星氣象中心風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)（http://data.nsmc.org.cn［2021-07-28］）。FY-3B MWRI 包含10.65 GHz、18.7 GHz、23.8 GHz、36.5 GHz和89 GHz 5個(gè)頻段，每個(gè)頻段有垂直極化（V）和水平極化（H）兩種模式。FY-3B MWRI 在南極地區(qū)每天約有28 軌條帶觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括14 個(gè)升軌數(shù)據(jù)和14 個(gè)降軌數(shù)據(jù)。在使用數(shù)據(jù)前，需要進(jìn)行5 個(gè)方面的預(yù)處理，包括亮溫定標(biāo)、地理校正、重投影、日合成以及陸地掩模處理，結(jié)果如圖1（a）所示。

FY-3B MWRI 南極海冰密集度數(shù)據(jù)的反演算法為NT2（NASA Team 2）（王曉雨 等，2018），空間分辨率為12.5 km，時(shí)間分辨率為1 d（圖1（b））。

2.2 GCOM-W1 AMSR-2 亮溫、海冰密集度及積雪厚度數(shù)據(jù)產(chǎn)品

本文采用美國(guó)NSIDC 發(fā)布的2016 年GCOMW1 AMSR-2 L3亮溫?cái)?shù)據(jù)（含6.93 GHz、10.65 GHz、18.7 GHz（圖1（c））、23.8 GHz、36.5 GHz和89 GHz 6個(gè)頻段的垂直極化（V）和水平極化（H）兩種模式數(shù)據(jù)）、NT2 算法反演的海冰密集度（圖1（d））和積雪厚度產(chǎn)品與FY-3B MWRI 亮溫?cái)?shù)據(jù)及其反演的積雪厚度進(jìn)行對(duì)比分析。GCOM-W1 AMSR-2數(shù)據(jù)空間分辨率為12.5 km，時(shí)間分辨率為1 d，投影方式為極方位投影，可從NSIDC網(wǎng)站下載（http://nsidc.org［2021-07-28］）。

圖1 2016年8月5日 FY-3B MWRI 和GCOM-W1 AMSR-2 18.7 GHz垂直極化亮溫和海冰密集度Fig. 1 18.7 GHz vertical polarization brightness and sea ice concentration of FY-3B MWRI and GCOM-W1 AMSR-2 on August 5， 2016

2.3 南極海冰表面積雪厚度浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證FY-3B MWRI積雪厚度反演結(jié)果，本文采用2016年德國(guó)阿爾弗雷德魏格納研究所（AWI）部署在南大洋的漂移浮標(biāo)積雪觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括浮標(biāo)2016S31（2016 年1 月16 日—2017 年1 月25 日）、浮標(biāo)2016S37（2016年1月18日—2016年12月24日）以及浮標(biāo)S2016S40（2016年1月25日—2016年9月14 日）（http://www.meereisportal.de［2021-07-28］）。這些冰基積雪觀測(cè)浮標(biāo)主要分布在南極威德?tīng)柡?，積雪厚度測(cè)量精度為1 cm。除了觀測(cè)積雪厚度，浮標(biāo)傳感器還記錄了位置（經(jīng)緯度）和氣溫等環(huán)境信息。為了便于比較，本文將浮標(biāo)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)位置匹配后，對(duì)于同一天且分布于相同遙感像元內(nèi)浮標(biāo)記錄的積雪厚度測(cè)量值（2 個(gè)及以上）進(jìn)行平均處理，以平均值代表該像元內(nèi)浮標(biāo)觀測(cè)的積雪厚度。根據(jù)該時(shí)空匹配準(zhǔn)則進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果顯示，單個(gè)遙感像元進(jìn)行平均處理的浮標(biāo)積雪厚度測(cè)量值的數(shù)量最少為2個(gè)，最多為24個(gè)，平均值為11個(gè)。

2.4 南極海冰表面積雪厚度遙感反演算法

利用被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)反演海冰表面積雪厚度的基本原理是根據(jù)被動(dòng)微波傳感器接收的海冰表面能量隨著積雪厚度的增加而減?。ǚe雪下墊面海冰輻射能量在積雪層中散射增加），再由微波頻段37 GHz 與19 GHz 在積雪層中的散射差異來(lái)估算海冰表面積雪厚度的方法（Comiso 等，2003；Kelly等，2003）。

式中，hs為積雪厚度（單位為cm）；a、b為線性回歸模型系數(shù)（單位為cm）；TB（37V）、TB（19V）為傳感器接收的37 GHz 和19 GHz 垂直極化遙感觀測(cè)的亮度溫度，TBow（37V）與TBow（19V）來(lái)自開(kāi)闊海域的亮溫均值（系點(diǎn)），C為海冰密集度。根據(jù)式（1）—式（3），海冰表面積雪厚度與遙感反演模型系數(shù)（a和b）、被動(dòng)微波亮溫（TB（37V）和TB（19V））、系點(diǎn)值（TBow（37V）與TBow（19V））以及海冰密集度（C）有關(guān)。其中，C由被動(dòng)微波亮溫反演得到（Markus和Cavalieri，2009）。

Markus 和Cavalieri （1998） 利 用 被 動(dòng) 微 波SSM/I 數(shù)據(jù)首次構(gòu)建了南極海冰表面積雪厚度的遙感反演模型（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Markus98 模型，回歸模型系數(shù)a=-2.34 cm，b=-771 cm），Comiso 等（2003）將該算法推廣至AMSR-E 數(shù)據(jù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Comiso03 模型，回歸模型系數(shù)a=2.9 cm，b=-782 cm）。為了避免低緯度地區(qū)海水溫度的影響，本文選擇緯度65° S 以上海域作為采樣區(qū)，采用7 日滑動(dòng)平均窗口計(jì)算動(dòng)態(tài)系點(diǎn)值（TBow（37V）與TBow（19V））（Lavergne 等，2019；Chen等，2022）。2016 年FY-3B 動(dòng)態(tài)系點(diǎn)如圖2 所示，可以看出，參與海冰表面積雪厚度遙感估算的系點(diǎn)值存在時(shí)間變化，相對(duì)于傳統(tǒng)使用的固定系點(diǎn)值，動(dòng)態(tài)系點(diǎn)TBow（37 V） 與TBow（19 V） 均高于固定系點(diǎn)，TBow（37 V）的動(dòng)態(tài)系點(diǎn)與固定系點(diǎn)最大差距為4.4 K，而TBow（19 V）的動(dòng)態(tài)系點(diǎn)與固定系點(diǎn)最大差距達(dá)到3.5 K。

圖2 2016年FY-3B動(dòng)態(tài)系點(diǎn)（TBow（37V）與TBow（19V））變化圖Fig. 2 Change of FY-3B dynamic tie points in 2016（TBow（37V）與TBow（19V））

被動(dòng)微波的穿透能力具有一定局限性，37 GHz和19 GHz微波的穿透深度的上限是50 cm，因此利用被動(dòng)微波反演海冰表面積雪厚度的上限為50 cm（Comiso 等，2003；Li 等，2019）。本文在浮標(biāo)積雪厚度觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程中，剔除了積雪厚度大于50 cm 的點(diǎn)，將被動(dòng)微波遙感像元內(nèi)的浮標(biāo)數(shù)據(jù)平均處理后，最終1506 個(gè)像元用于評(píng)估反演的FY-3B MWRI 積雪厚度精度。此外，由于白天溫度高時(shí)，積雪呈現(xiàn)濕潤(rùn)狀態(tài)，而夜晚溫度降低，濕雪重新凍結(jié)，雪粒徑變大，這會(huì)導(dǎo)致被動(dòng)微波數(shù)據(jù)反演海冰表面積雪厚度的高估。根據(jù)前人研究，采用5 日滑動(dòng)平均的方法，以降低因雪粒徑、雪密度、極端天氣等不確定因素對(duì)FY-3B MWRI 積雪厚度反演結(jié)果的影響（Comiso等，2003）。

3 結(jié)果與討論

3.1 FY-3B MWRI南極海冰表面積雪厚度

利用FY-3B MWRI 數(shù)據(jù)反演南極海冰表面積雪厚度，涉及到前述Markus98（Markus和Cavalieri，1998）和Comiso03（Comiso 等，2003）兩種積雪厚度模型。本文基于2016 年AWI 浮標(biāo)觀測(cè)的積雪厚度數(shù)據(jù)，對(duì)兩種積雪厚度模型下FY-3B MWRI被動(dòng)微波數(shù)據(jù)反演的積雪厚度進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如表1 所示。與3 個(gè)浮標(biāo)觀測(cè)的積雪厚度的對(duì)比結(jié)果顯示，基于FY-3B MWRI 亮溫和海冰密集度數(shù)據(jù)，采用Markus98 模型、Comiso03 模型反演的積雪厚度均存在一定的誤差，均方根誤差偏高，這可能是由于浮標(biāo)的記錄周期較長(zhǎng)，記錄了部分濕雪（春、夏季節(jié)）和多年冰表面積雪導(dǎo)致。3 個(gè)浮標(biāo)的積雪厚度數(shù)據(jù)匯總對(duì)比結(jié)果顯示，模型反演的積雪厚度均低于浮標(biāo)觀測(cè)的積雪厚度。其中，Comiso03 模型相對(duì)于Markus98 模型反演結(jié)果整體偏優(yōu)，偏差為-1.72 cm，均方根誤差相對(duì)較小。因此，對(duì)于FY-3B MWRI 被動(dòng)微波數(shù)據(jù)，使用Comiso03 模型反演積雪厚度的精度較Markus98 模型要好，為此，下文即采用Comiso03 模型反演南極海冰表面FY-3B MWRI時(shí)序積雪厚度。

圖3 為基于Comiso03 模型的2016 年FY-3B MWRI南極海冰表面積雪厚度在日尺度和月尺度的時(shí)間序列。在月尺度上，2月南極海冰表面積雪最厚為26.1 cm，而5月最薄為12.4 cm。在日尺度上，夏季進(jìn)入消融期，較薄海冰和積雪先消融殆盡，海冰在2月達(dá)到范圍和面積的最小值（卞林根和林學(xué)椿，2005），表面積雪厚度在2 月15 日達(dá)到最高峰，此時(shí)僅僅存在少量較厚的積雪分布于威德?tīng)柡Ｎ鞅焙Ｓ蛞约捌渌Ｓ蚪０秴^(qū)域，平均厚度達(dá)到30.8 cm。隨后，氣溫進(jìn)一步增加，積雪融化，海冰表面積雪厚度逐漸降低。海冰從2月進(jìn)入凍結(jié)階段（張辛 等，2014），海冰增長(zhǎng)，新雪較薄，南極海冰表面積雪厚度繼續(xù)降低，并在4 月27 日達(dá)到最低值，平均厚度為11.4 cm。到了冬季，積雪的積累速率加快，在羅斯海、別林斯高晉海和阿蒙森海等區(qū)域出現(xiàn)較厚積雪，南極海冰表面積雪厚度增加，8 月5 日達(dá)到最高值，平均厚度為16.4 cm。春季初期，海冰進(jìn)一步增長(zhǎng)，但積雪積累速率下降，南極海冰表面積雪厚度開(kāi)始降低。后因氣溫升高，積雪消融，表面積雪厚度在10 月17日達(dá)到最低值，平均厚度為11.3 cm。

表1 不同積雪厚度模型下FY-3B MWRI反演的積雪厚度精度對(duì)比Table 1 Comparison of snow depth retrieved by different snow depth models based on FY-3B MWRI

圖3 基于Comiso03模型的2016年FY-3B MWRI積雪厚度時(shí)間序列Fig. 3 The result of FY-3B MWRI snow depth in 2016 based on Comiso03 Model

3.2 FY-3B MWRI 南極海冰表面積雪厚度與GCOM-W1 AMSR-2積雪厚度產(chǎn)品比較

FY-3B MWRI南極海冰表面積雪厚度與GCOMW1 AMSR-2 積雪厚度產(chǎn)品的差異如圖4 所示。整體上兩者間具有相似的積雪厚度變化趨勢(shì)，差值范圍為-2—8 cm。結(jié)合FY-3B MWRI 積雪厚度與GCOM-W1 AMSR-2積雪厚度產(chǎn)品不同時(shí)期的各月差異（表2）可以看出，兩組積雪厚度的較大差異主要分布在1 月、2 月以及12 月，偏差范圍為3.09—6.10 cm，均方根差異范圍為9.44—12.45 cm，而在8月和9月較小，均方根差異均為3.81 cm?？偟膩?lái)說(shuō)，積雪積累期和穩(wěn)定期（4—10 月），F(xiàn)Y-3B MWRI 積雪厚度與GCOM-W1 AMSR-2 積雪厚度產(chǎn)品差異較小，偏差為-0.81 cm，均方根差異為4.06 cm，相關(guān)系數(shù)為0.93。但在積雪的消融期（11—3 月），兩者間的差異較大，主要表現(xiàn)為FY-3B MWRI 積雪厚度高于GCOM-W1 AMSR-2 積雪厚度產(chǎn)品，偏差為2.76 cm，均方根差異為8.08 cm，相關(guān)系數(shù)為0.85。對(duì)FY-3B MWRI 與GCOM-W1AMSR-2共同覆蓋的約兩千萬(wàn)個(gè)像元積雪厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，兩者間相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.90，偏差僅為-0.11 cm。

圖4 2016年MWRI和AMSR-2 積雪厚度及18.7 GHz、36.5 GHz頻段垂直極化亮溫日平均差異Fig. 4 Difference of daily average snow depth and vertical polarization brightness temperature at 18.7 GHz and 36.5 GHz between MWRI and AMSR-2 in 2016

表2 2016年FY-3B MWRI積雪厚度與GCOM-W1 AMSR-2積雪厚度產(chǎn)品不同時(shí)期的各月差異Table 2 Monthly difference between FY-3B MWRI snow depth and GCOM-W1 AMSR-2 snow depth product in different periods in 2016

為了進(jìn)一步分析FY-3B MWRI 積雪厚度和GCOM-W1 AMSR-2 積雪厚度產(chǎn)品在時(shí)空上差異情況，分別對(duì)比了兩組積雪厚度2016年春、夏、秋、冬以及全年在南極5個(gè)主海區(qū)的差異（表3），并分別選取了2016年春夏秋冬（11月15日、1月15日、4月15日、7月15日）各一景日尺度的積雪厚度結(jié)果進(jìn)行比較（圖5）。由表3 可知，2016 年，在威德?tīng)柡?、羅斯海、別林斯高晉海和阿蒙森海FY-3B MWRI 積雪厚度偏低，而在南極印度洋扇區(qū)、西太平洋扇區(qū)GCOM-W1 AMSR-2積雪厚度產(chǎn)品偏低，兩者的較大差異主要分布別林斯高晉海和阿蒙森海，均方根差異為6.23 cm。別林斯高晉海和阿蒙森海FY-3B MWRI 積雪厚度在春季、秋季和冬季均低于GCOM-W1 AMSR-2積雪厚度產(chǎn)品，均方根差異范圍為5.22—6.05 cm，而在夏季高于GCOM-W1 AMSR-2 積雪厚度產(chǎn)品，均方根差異為12.6 cm。結(jié)合圖5發(fā)現(xiàn)：

圖5 2016年1月15日、4月15日、7月15日和11月15日FY-3B MWRI積雪厚度和GCOM-W1 AMSR-2積雪厚度產(chǎn)品的空間差異Fig. 5 Spatial difference between FY-3B MWRI snow depth and GCOM-W1 AMSR-2 snow depth product on January 15， April 15，July 15 and November 15，2016

表3 2016年FY-3B MWRI積雪厚度與GCOM-W1 AMSR-2積雪厚度產(chǎn)品不同季節(jié)、海域的差異Table 3 Difference between FY-3B MWRI snow depth and GCOM-W1 AMSR-2 snow depth product in different seasons and sea areas in 2016

（1）兩者整體空間分布情況一致，較淺的積雪主要分布于東南極（低于15 cm），較深的積雪主要分布于威德?tīng)柡Ｎ鞅辈亢蛣e林斯高晉海（超過(guò)40 cm），積雪的空間分布與Eicken （1994）、Kwok 和Maksym（2014）等在南極的觀測(cè)結(jié)果一致。在夏季、秋季和冬季，威德?tīng)柡７e雪厚度明顯高于其他海域，但在春季，別林斯高晉海海冰表面積雪厚度更深。

（2） FY-3B MWRI 積 雪 厚 度 和GCOM-W1 AMSR-2積雪厚度產(chǎn)品的差異在春季和夏季較為明顯，存在局部區(qū)域FY-3B MWRI積雪厚度明顯高于GCOM-W1 AMSR-2積雪厚度產(chǎn)品的情況，而在秋季和冬季保持較高的一致性。FY-3B MWRI 積雪厚度和GCOM-W1 AMSR-2積雪厚度產(chǎn)品的差異主要分布在威德?tīng)柡１辈亢蜄|南極冰邊緣區(qū)，F(xiàn)Y-3B MWRI 積雪厚度偏高，最大差異可達(dá)到10 cm，這種現(xiàn)象在冬季和春季較為明顯。考慮到GCOMW1 AMSE-E 積雪厚度數(shù)據(jù)產(chǎn)品在東南極存在嚴(yán)重低估現(xiàn)象（Worby 等，2008），本研究FY-3B MWRI反演的積雪厚度在東南極區(qū)域更加接近真實(shí)情況。

3.3 亮溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)海冰表面積雪厚度反演的影響

FY-3B MWRI 和GCOM-W1 AMSR-2 積雪厚度在1 月至3 月、11 月以及12 月存在一定差異，而海冰表面積雪厚度算法對(duì)被動(dòng)微波亮溫具有較高的敏感性（Brucker 和Markus，2013），本文對(duì)MWRI 與AMSR-2 傳感器在18.7 GHz、36.5 GHz 頻段垂直極化觀測(cè)的亮溫差異進(jìn)行比較，進(jìn)而分析該差異對(duì)反演海冰表面積雪厚度的影響。由表4和圖4 可以看出，MWRI 亮溫低于AMSR-2，但具有較高的相關(guān)性（唐曉彤 等，2020；Du 等，2014），偏差分別達(dá)到-4.23 K、-5.50 K，均方根差異分別為5.17 K、6.37 K，相關(guān)系數(shù)分別為0.97、0.96。由MWRI 與AMSR-2 亮溫差值的時(shí)間序列可以看出，4 月至9 月，兩者間的亮溫差異較小，在1 月至3月、11月至12月相差較大，這與積雪厚度差異的情況一致。

表4 2016年FY-3B MWRI和GCOM-W1 AMSR-2 18.7 GHz、36.5 GHz頻段垂直極化亮溫比較Table 4 Comparison of vertical polarization brightness temperature at 18.7 GHz and 36.5 GHz between FY-3B MWRI and GCOM-W1 AMSR-2 in 2016

為了進(jìn)一步分析MWRI與AMSR-2亮溫差異對(duì)海冰表面積雪厚度遙感反演的影響，本文開(kāi)展了以下4方面實(shí)驗(yàn)：

（1）向MWRI 18.7 GHz垂直極化亮溫添加-5—5 K（步長(zhǎng)為1 K）的擾動(dòng)，其他輸入?yún)?shù)不變，反演的海冰表面積雪厚度與MWRI 積雪厚度進(jìn)行比較。

（2）向MWRI 36.5 GHz垂直極化亮溫添加-5—5K（步長(zhǎng)為1 K）的擾動(dòng)，其他輸入?yún)?shù)不變，反演的海冰表面積雪厚度與MWRI 積雪厚度進(jìn)行比較。

（3）使用AMSR-2 18.7 GHz 垂直極化亮溫替換MWRI 18.7 GHz 垂直極化亮溫，其他輸入?yún)?shù)不變，反演的海冰表面積雪厚度與MWRI 積雪厚度進(jìn)行比較；

（4） AMSR-2 36.5 GHz 垂直極化亮溫替換MWRI 36.5 GHz垂直極化亮溫，其他參數(shù)不變，反演的海冰表面積雪厚度與MWRI 積雪厚度進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn)（1）和（2）的結(jié)果如圖6 所示：當(dāng)18.7 GHz垂直極化亮溫受到擾動(dòng)時(shí)，反演的積雪厚度結(jié)果和原積雪厚度的偏差與擾動(dòng)呈正相關(guān)，年平均敏感性為1.59 cm/K，而當(dāng)36.5 GHz 垂直極化亮溫受到擾動(dòng)時(shí)，則呈負(fù)相關(guān)，年平均敏感性為1.65 cm/K，因此 MWRI 在18.7 GHz、36.5 GHz 上0.5 K 靈敏度（噪聲等效溫差）可造成積雪厚度反演結(jié)果-1.62—1.62 cm 的不確定性。敏感性在不同的月份存在差異，18.7 GHz 和36.5 GHz 垂直極化亮溫的敏感性月變化趨勢(shì)相同，在1 月、2 月較高（2 cm/K 左右），在4 月、5 月較低（1.5 cm/K 左右）。敏感性的整體變化趨勢(shì)與積雪厚度月變化相同（圖3），這是因?yàn)榉e雪厚度遙感反演的原理基于18.7 GHz和36.5 GHz 垂直極化亮溫的差異，差異越大積雪厚度越大，因此在積雪厚度較薄的月份，亮溫變化的影響也越小。

圖6 FY-3B MWRI被動(dòng)微波亮溫對(duì)南極海冰表面積雪厚度反演的敏感性Fig. 6 Sensitivity of FY-3B MWRI passive microwave brightness temperature to the retrieval of snow depth on sea ice

實(shí)驗(yàn)（3）和（4）的結(jié)果如表5 所示：當(dāng)替換18.7 GHz 垂直極化亮溫時(shí)，反演的積雪厚度結(jié)果變高（偏差為2.28 cm），均方根差異為7.55 cm；當(dāng)替換36.5 GHz 垂直極化亮溫時(shí)，反演的積雪厚度變小（偏差為-9.55 cm），均方根差異為10.76 cm；兩者均與理論上的均方根差異值接近（8.22 cm、10.51 cm）。

表5 被動(dòng)微波亮溫對(duì)FY-3B MWRI積雪厚度反演的影響Table 5 Effects of passive microwave brightness temperature on FY-3B MWRI snow depth retrieval

總體而言，36.5 GHz 垂直極化亮溫對(duì)海冰表面積雪厚度反演影響相對(duì)較大，而18.7 GHz 垂直極化亮溫影響相對(duì)較小。結(jié)合表4，AMSR-2 與MWRI 5.17 K、6.37 K 的亮溫差異可造成7.55 cm、10.76 cm的積雪厚度差異。

4 結(jié) 論

開(kāi)展基于FY-3B 被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)的南極海冰表面積雪厚度的遙感反演研究，對(duì)于應(yīng)用中國(guó)自主衛(wèi)星數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)南極冰雪環(huán)境具有重要意義。本文利用FY-3B MWRI 18.7 GHz、36.5 GHz頻段垂直極化亮溫和海冰密集度數(shù)據(jù)，采用動(dòng)態(tài)系點(diǎn)值更新了固定系點(diǎn)值，反演并評(píng)估了基于Markus98 模型和Comiso03 模型南極海冰表面積雪厚度的精度，并與GCOM-W1 AMSR-2積雪厚度產(chǎn)品進(jìn)行比較，探討了亮溫對(duì)FY-3B MWRI 被動(dòng)微波遙感反演海冰表面積雪厚度的影響，主要結(jié)論如下：

（1）經(jīng)AWI 南極積雪浮標(biāo)驗(yàn)證的結(jié)果表明，基于FY-3B MWRI 18.7 GHz、36.5 GHz垂直極化亮溫及海冰密集度數(shù)據(jù)，采用 Comiso03 模型反演的積雪厚度結(jié)果較Markus98 模型更好，偏差為-1.72 cm。2016 年南極海冰表面平均積雪厚度在2月15日達(dá)到最高值，平均積雪厚度為30.8 cm，在10月17日達(dá)到最低值，平均積雪厚度為11.3 cm。

（2）FY-3B MWRI 反演的積雪厚度與GCOMW1 AMSR-2 積雪厚度產(chǎn)品整體上具有較好的一致性。在積雪積累期和穩(wěn)定期（4—10 月），兩者間差異較小，在積雪消融期（11—次年3月），差異較大。FY-3B MWRI 積雪厚度和GCOM-W1 AMSR-2積雪厚度產(chǎn)品的差異主要分布在威德?tīng)柡１辈亢蜄|南極冰邊緣區(qū)，表現(xiàn)為FY-3B MWRI 積雪厚度厚于GCOM-W1 AMSR-2積雪厚度，兩者間最大差異達(dá)到10 cm。

（3）FY-3B MWRI 18.7 GHz、36.5 GHz 垂直極化亮溫明顯低于GCOM-W1 AMSR-2，兩者間的差異隨時(shí)間的變化與兩者積雪厚度差異的時(shí)間變化情況保持一致。積雪厚度被動(dòng)微波遙感反演算法對(duì)亮溫具有較高的敏感性，18.7 GHz 垂直極化亮溫對(duì)MWRI 積雪厚度反演影響相對(duì)較小，而36.5 GHz垂直極化亮溫影響相對(duì)較大。AMSR-2 與MWRI 5.17 K、6.37 K 的亮溫差異可造成7.55 cm、10.76 cm的積雪厚度差異。

本文嘗試應(yīng)用FY-3B MWRI 被動(dòng)微波亮溫?cái)?shù)據(jù)，利用動(dòng)態(tài)系點(diǎn)更新了固定系點(diǎn)值，使用Comiso03 積雪厚度模型反演的南極海冰表面積雪厚度與NSIDC發(fā)布的GCOM-W1 AMSR-2積雪厚度產(chǎn)品具有較好的一致性。FY-3B 被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)反演南極海冰表面積雪厚度的研究，可為今后應(yīng)用更多國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)研究南大洋海冰與氣候變化的研究提供參考。值得注意的是，由于氣候快速變化，現(xiàn)有積雪厚度反演模型因構(gòu)建時(shí)間久遠(yuǎn)缺乏現(xiàn)實(shí)性，在后續(xù)的工作中，會(huì)通過(guò)收集多源積雪厚度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，重構(gòu)更適用于FY 系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)的南極海冰表面積雪厚度遙感反演模型，進(jìn)而獲得長(zhǎng)時(shí)序、大范圍、更準(zhǔn)確的南極海冰表面積雪厚度時(shí)空變化信息。