北極區(qū)域SMAP與SMOS亮度溫度數(shù)據(jù)交叉對比與定標

黃森文，何連，何溪怡，惠鳳鳴

1.中山大學 測繪科學與技術(shù)學院,珠海 519082;

2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海),珠海 519082

1 引言

北極是對全球氣候變化響應(yīng)和反饋敏感的地區(qū)之一。作為極地氣候系統(tǒng)的重要組成部分，北極海冰是“北極放大”效應(yīng)中最活躍的因素，是全球氣候變化的敏感指示器和放大器（趙進平 等，2015）。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)表明，近四十年以來北極海冰的面積和厚度都在快速減少（Kwok，2018；柯長青 等，2013），同時融冰季節(jié)時長增加（趙杰臣等，2017）。監(jiān)測北極海冰及其變化對氣候變化預(yù)測、全球能量平衡、極地航行等應(yīng)用具有重要的科學和現(xiàn)實意義。

微波輻射計具有全天時、全天候的觀測能力，且不受極夜的影響，能夠獲取海冰的密集度、類型、厚度以及冰面積雪厚度等關(guān)鍵參數(shù)，是北極海冰監(jiān)測的重要手段之一。土壤水分和海洋鹽度SMOS（Soil Moisture and Ocean Salinity）和土壤水分主被動SMAP（Soil Moisture Active Passive）衛(wèi)星分別由歐洲航天局和美國宇航局研制，均搭載了L波段微波輻射計，發(fā)射時間分別為2009 年11 月和2015年1月。不同于GCOM?W1的AMSR?2、FY?3系列的MWRI、DMSP 系列的SSMIS 等常用多波段輻射計，SMAP 和SMOS 的工作波長更長，能夠?qū)崿F(xiàn)薄冰區(qū)海冰厚度（Kaleschke 等，2016）、海冰密集度（Gabarro等，2017；Mills和Heygster，2011）、冰面積雪厚度（Maa? 等，2013）等關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測。通過融合SMOS 和SMAP 數(shù)據(jù)，可以獲取長時間序列L波段亮度溫度數(shù)據(jù)和海冰參數(shù)產(chǎn)品，為北極海冰快速變化研究提供數(shù)據(jù)支撐。然而，兩者在成像模式、觀測角度、過境時刻和射頻干擾消除等方面存在較大差異。這些差異使得兩者的亮度溫度觀測數(shù)據(jù)不一致，最終將影響海冰關(guān)鍵參數(shù)及其變化趨勢的監(jiān)測結(jié)果。因此，系統(tǒng)性地評估和對比SMAP 和SMOS 亮度溫度，通過傳感器之間的交叉定標來校正偏差，保證兩者觀測數(shù)據(jù)的可靠性和一致性，有助于降低傳感器性能差異對于海冰參數(shù)反演結(jié)果的影響，對于北極海冰變化及長時間趨勢監(jiān)測至關(guān)重要。

國內(nèi)外研究者對SMOS 和SMAP 亮度溫度觀測數(shù)據(jù)進行了較多的對比研究。Bindlish 等（2016，2017）篩選準同步觀測的SMAP 和SMOS 大氣層頂亮度溫度，發(fā)現(xiàn)在陸地區(qū)域SMAP 低于SMOS 約2.7 K，在海洋區(qū)域兩者較為接近。Al?Yaari 等（2017）對全球陸表SMAP 地表亮度溫度和SMOS大氣層頂表觀亮度溫度進行對比，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)地表類型下前者比后者低約2—4 K，在高緯度區(qū)域兩者偏差可達10 K。Wu 等（2020）評估了SMOS L3 和SMAP L3 亮度溫度在全球陸地區(qū)域一致性，結(jié)果表明SMAP 亮度溫度比SMOS 的低0—5 K，兩者的均方根誤差在2—8 K，且兩者之間的偏差和均方根誤差受到地表類型的影響。在北極區(qū)域，Huntemann 等（2016）對2015 年冬季SMAP L1B 地表亮度溫度和SMOS L1C 大氣層頂表觀亮度溫度的日均值進行比較，發(fā)現(xiàn)SMAP 的亮度溫度比SMOS的低約5 K。Pa?ilea 等（2019）則對2015 年冬季SMAP L1B 和SMOS L1C 的大氣層頂表觀亮度溫度進行分析，發(fā)現(xiàn)水平和垂直極化的均方根誤差分別為2.70 K和2.81 K。Schmitt和Kaleschke（2018）對2015 年—2017 年SMOS L1B 和SMOS L1C數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)海冰區(qū)域兩者偏差在4—5 K，在海水區(qū)域偏差在6—7 K。盡管SMOS 和SMAP 數(shù)據(jù)的對比分析存在較多研究，但由于采用的數(shù)據(jù)等級、研究區(qū)域、研究時間的差異，使得不同研究結(jié)果存在一定差異。同時，北極區(qū)域的長時間序列SMAP 與SMOS 亮度溫度對比分析以及兩者之間的交叉定標研究較為欠缺。

本研究以北緯55°N 以上的北極海域作為研究區(qū)域，選取2015 年—2020 年的SMAP 和SMOS 數(shù)據(jù)，分析SMAP 與SMOS 亮度溫度的一致性及其在不同季節(jié)和海表類型的變化，以SMAP觀測數(shù)據(jù)為基準，通過線性公式對SMOS的亮度溫度定標，獲取長時間序列輻射性能一致的亮度溫度數(shù)據(jù)集。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 SMAP L1B亮度溫度數(shù)據(jù)

土壤水分主被動SMAP（Soil Moisture Active Passive）衛(wèi)星由美國宇航局NASA 于2015 年1 月31 日成功發(fā)射，其搭載了L 波段的微波輻射計，工作頻率為1.41 GHz，入射角為固定的40°，觀測幅寬約為1000 km，空間分辨率約為40 km，重訪周期為2—3 d，輻射測量精度優(yōu)于1.3 K（Piepmeier等，2017；Peng 等，2019）。SMAP 在太陽同步軌道運行，降軌為當?shù)貢r間上午6：00，升軌為當?shù)貢r間下午6：00。SMAP衛(wèi)星具備探測和識別射頻干擾RFI（Radio Frequency Interference）的能力，能夠有效地檢測并減緩RFI 的影響（Piepmeier 等，2014）。

本文采用SMAP L1B（Version 5）數(shù)據(jù)產(chǎn)品（數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址為https://nsidc.org/data/SPL1BTB［2021?11?02］），時間范圍為2015 年10 月—2020年10月。SMAP L1B數(shù)據(jù)提供了經(jīng)過RFI過濾的大氣層頂表觀亮度溫度和經(jīng)過大氣校正后的地表亮度溫度數(shù)據(jù)。本文選取大氣層頂表觀亮度溫度用于分析，并采用均值采樣將觀測值投影到北半球EASE?Grid 2.0 投影坐標系下，網(wǎng)格大小25 km。對每個網(wǎng)格，取一天內(nèi)所有觀測值的平均值作為該網(wǎng)格當日的觀測值，生成逐日的亮度溫度數(shù)據(jù)。

2.2 SMOS L1C亮度溫度數(shù)據(jù)

土壤水分和海洋鹽度SMOS（Soil Moisture and Ocean Salinity）衛(wèi)星由歐洲航天局ESA 于2009 年11 月2 日成功發(fā)射。SMOS 搭載了L 波段綜合孔徑干涉全極化微波輻射計，工作頻率為1.4 GHz，能夠提供多角度觀測的亮度溫度數(shù)據(jù)，入射角度范圍為0°—70°，空間分辨率約為43 km（Kerr 等，2010），其輻射測量精度為2.5—5.8 K（McMullan等，2008；Corbella等，2011）。SMOS在太陽同步軌道運行，降軌為當?shù)貢r間下午6：00，升軌為當?shù)貢r間上午6：00。

本文采用SMOS L1C（V724）數(shù)據(jù)產(chǎn)品（數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址為ftps://smos?diss.eo.esa.int［2021?11?02］），數(shù)據(jù)投影為ISEA（Icosahedron Snyder Equal Area）4H9網(wǎng)格，每個網(wǎng)格單元為正六邊形，網(wǎng)格大小為15 km。為了與SMAP 數(shù)據(jù)進行對比分析，選取入射角度為37.5°—42.5°觀測值的平均值作為SMOS 40°的觀測值，并通過均值采樣將其投影到北半球EASE?Grid 2.0 投影坐標系下，網(wǎng)格大小25 km。對于每個25 km 網(wǎng)格，一天之內(nèi)觀測值的數(shù)量在100—300，首先去除偏離平均值兩個標準差以上的觀測值，然后取平均值作為該網(wǎng)格當天的觀測值，最終生成逐日的亮度溫度數(shù)據(jù)。

不同于SMAP 衛(wèi)星，SMOS 衛(wèi)星沒有搭載探測和識別RFI 的儀器，其觀測值容易受到RFI 的影響。為了降低RFI和異常值的影響，首先對包含超過300 K 亮度溫度值的快照數(shù)據(jù)（Snapshot）進行去除，然后根據(jù)數(shù)據(jù)的太陽反射、月亮反射、RFI等質(zhì)量標簽對異常數(shù)據(jù)進行去除（Al Bitar 等，2017；Kaleschke等，2017）。

2.3 海冰類型數(shù)據(jù)

為了探討不同海冰類型下SMOS 和SMAP 亮度溫度的差異，選取OSISAF海冰類型產(chǎn)品OSI?403?d（數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址ftp://osisaf.met.no/archive/ice/type/［2021?11?02］）對海冰類型進行劃分（Breivik 等，2012）。OSI SAF 采用SSMIS 和AMSR?2 微波輻射計19 GHz和37 GHz光譜梯度比以及ASCAT微波散射計作為輸入數(shù)據(jù)，將海表分為一年冰、多年冰、無法區(qū)分類型的海冰和開闊水域4種類型，數(shù)據(jù)空間分辨率為10 km，通過眾數(shù)采樣方法采樣到北半球25 km EASE?Grid 2.0 網(wǎng)格下。由于受到夏季（5—9 月）海冰融化的影響，OSI?403?d 海冰類型產(chǎn)品在夏季無法區(qū)分一年冰和多年冰，只能分類成海冰和開闊水域兩種類型。圖1給出了研究區(qū)域及2016年1月份海冰分類圖。

圖1 研究區(qū)域及2016年1月海冰類型分布圖Fig.1 Research area and sea ice type map on January，2016

2.4 亮度溫度一致性分析

本文將SMAP 和SMOS 數(shù)據(jù)統(tǒng)一重投影至北半球25 km EASE?Grid 2.0 投影坐標系下，生成逐日的亮度溫度數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，按照月尺度計算SMAP 與SMOS 亮度溫度的偏差（Bias）、均方根誤差RMSD（Root Mean Squared Deviation）、Pearson相關(guān)系數(shù)（r），用來表征SMAP 和SMOS 數(shù)據(jù)之間的一致性。每個參數(shù)的定義為

2.5 亮度溫度交叉定標

為了獲取輻射性能一致的亮度溫度數(shù)據(jù)，需要對不同傳感器亮度溫度之間的偏差進行定標。由于SMAP 的輻射精度較高，并且不受到RFI 的影響，本文將以SMAP 亮度溫度為基準對SMOS 亮度溫度進行定標。根據(jù)SMAP 和SMOS 亮度溫度觀測值的散點圖，采用線性公式進行交叉定標，即：

式中，TB'SMOS代表定標后的SMOS亮度溫度；TBSMOS代表原始SMOS亮度溫度；a和b分別表示SMAP和SMOS亮度溫度線性擬合的斜率和截距。

為了獲取定標系數(shù)a和b，通過SMAP 亮度溫度TBSMAP和SMOS 原始亮度溫度TBSMOS的關(guān)系，即TBSMAP=a×TBSMOS+b，采用最小二乘進行求解。針對水平極化和垂直極化，可以分別得到定標系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 SMAP與SMOS亮度溫度交叉對比

3.1.1 海冰類型對一致性參數(shù)的影響

為了分析SMAP 和SMOS 亮度溫度的一致性，以2016 年1 月為 例，圖2 給 出了SMAP 與SMOS 亮度溫度在不同極化和海冰類型條件下的散點圖。

圖2 2016年1月不同海表類型SMAP與SMOS亮度溫度密度散點圖（虛線表示1∶1線，實線表示擬合曲線）Fig.2 Density scatter plots between the brightness temperatures derived from SMAP and SMOS for different sea ice types，January 2016（Dash line indicates 1∶1 line while solid line represents fitted line）

從圖2 中可以看到，SMAP 和SMOS 亮度溫度觀測值存在顯著的線性關(guān)系。整體（不區(qū)分海冰類型）的散點圖存在兩個密度較高的區(qū)域，亮度溫度較高的區(qū)域?qū)?yīng)海冰區(qū)域，亮度溫度較低的區(qū)域?qū)?yīng)海水區(qū)域。對于水平極化，整體的偏差（Bias）和均方根誤差（RMSD）分別為2.33 K 和4.66 K。不同海冰類型的偏差和均方根誤差差異較大，多年冰偏差和均方根差最小，分別為0.93 K和2.56 K；一年冰次之，分別為1.65 K和4.52 K；開闊水域的Bias和RMSD最大，分別為3.41 K和5.23 K。

垂直極化下的不同海冰類型的偏差和均方根誤差變化趨勢與水平極化一致，即多年冰小于一年冰小于開闊水域。但是，對于垂直極化，SMAP和SMOS 之間的Bias 和RMSD 要高于水平極化。例如，對于整體，垂直極化偏差和RMSD 分別為4.16 K 和5.43 K，高于水平極化的值，說明水平極化的一致性高于垂直極化的一致性。

3.1.2 一致性參數(shù)的空間分布

為了分析SMAP 與SMOS 亮度溫度一致性的空間分布特征，計算SMAP 和SMOS 亮度溫度日均值在月尺度上的相關(guān)系數(shù)、偏差和RMSD。圖3 給出了2016 年1 月相關(guān)系數(shù)、偏差和均方根誤差的空間分布。圖中黑色線表示海冰邊緣線，用于區(qū)分海冰和海水，同期海冰分類圖如圖1所示。

圖3 2016年1月SMAP與SMOS亮度溫度一致性參數(shù)空間分布圖（黑線代表從OSISAF提取的海冰月平均邊緣線）Fig.3 Spatial distribution of Pearson correlation coefficient，Bias and RMSD between SMAP and SMOS brightness temperature data for January，2016（Black bold lines indicate monthly averaged sea ice edge derived from OSISAF data）

從圖3中可以看到，海冰和開闊水域的一致性指標相差比較大。對于相關(guān)系數(shù)（圖3（a）和圖3（d）），開闊水域的相關(guān)系數(shù)較低，而在海冰覆蓋區(qū)域相關(guān)系數(shù)較高，達到0.8 以上。但是，海冰區(qū)域內(nèi)部相關(guān)系數(shù)也存在較大的空間差異，可能原因是冬季海冰內(nèi)部亮度溫度變化動態(tài)范圍小，使得相關(guān)系數(shù)偏低。相比之下，偏差和均方根誤差在開闊水域較高，在海冰區(qū)域較低，并且兩者在開闊水域和海冰區(qū)域內(nèi)部的空間上的變化差異較小。水平極化下的偏差和RMSD 小于垂直極化，與圖2 的結(jié)果一致。此外，海冰區(qū)域的偏差和RMSD 呈現(xiàn)明顯的環(huán)狀分布，這可能與SMAP 與SMOS衛(wèi)星的觀測次數(shù)在緯度上的差異有關(guān)。

3.1.3 一致性參數(shù)的季節(jié)變化特征

為了分析SMOS 和SMAP 一致性隨著季節(jié)的變化，圖4給出了不同極化和不同海冰類型下的偏差和RMSD 隨著時間的變化。由于夏季（5—9 月）無法區(qū)分一年冰和多年冰，只區(qū)分海冰和海水。

圖4 2015年10月至2020年10月每月的整體、一年冰、多年冰和開闊水域的偏差和均方根誤差Fig.4 Monthly Bias and RMSD for all of the measurements（ALL），first?year ice（FYI），multi?year ice（MYI）and open water（OW）during the period from October，2015 to October，2020

從圖4 中可以看到，偏差和RMSD 均呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化特征。對于水平極化，整體的偏差和RMSD 在2 月最低，在6 月或7 月最高；開闊水域的偏差在3—4 K，RMSD在4—6 K；一年冰的偏差在1—2 K，RMSD在4—7 K，從10月至次年2月逐漸降低，從2—4 月逐漸升高；多年冰的偏差在0—1.5 K，10—次年1 月逐漸升高，然后降低，從2—4月逐漸升高，而RMSD在2—3 K，變化相對平穩(wěn)。對于垂直極化，整體的偏差在3—4 K，RMSD在5—6 K。垂直極化下不同海冰類型的偏差變化趨勢較為相近，10—次年1月逐漸增加，1—2月逐漸減少，3—4 月逐漸增加。多年冰的偏差范圍為3—4 K，RMSD范圍為3—5 K；一年冰偏差變化范圍為3—4 K，RMSD范圍為5—8 K；開闊水域偏差范圍為3—5 K，RMSD 變化范圍為5—6 K。與水平極化相比，垂直極化下的偏差和RMSD隨時間變化更小。

3.2 SMAP與SMOS亮度溫度交叉定標

3.2.1 SMOS亮度溫度交叉定標系數(shù)

以SMAP亮度溫度為參考，根據(jù)海冰類型逐月對SMOS亮度溫度進行線性回歸獲取回歸系數(shù)，圖5給出了交叉定標系數(shù)（斜率和截距）隨著時間的變化?？梢钥吹?，整體的交叉定標系數(shù)最為穩(wěn)定，其次是一年冰，而多年冰和開闊水域的定標系數(shù)隨著季節(jié)的變化較大。另外，夏季海冰的定標系數(shù)也比較穩(wěn)定。

圖5 2015年10月至2020年10月整體、一年冰、多年冰和開闊水域的定標系數(shù)Fig.5 Time series of slope and intercept values for all of the measurements（ALL），first?year ice（FYI），multi?year ice（MYI）and open water（OW）during the period from October，2015 to October，2020

研究發(fā)現(xiàn)，盡管開闊水域和多年冰的定標系數(shù)和整體的定標系數(shù)存在較大差異，但是在開闊水域或多年冰亮度溫度區(qū)間內(nèi)，其定標結(jié)果與整體定標系數(shù)的定標結(jié)果具有較好的一致性。以2017 年1 月的多年冰為例，多年冰水平極化定標系數(shù)和整體的定標系數(shù)存在較大差異，其中多年冰斜率為0.779，截距為52.097，而整體的定標斜率為1.013，截距為?4.506。然而，在多年冰亮度溫度集中分布的區(qū)間內(nèi)（統(tǒng)計結(jié)果顯示，SMOS 多年冰水平極化亮度溫度分布在233—250 K），兩種定標系數(shù)的結(jié)果相差不到2 K。因此，可以采用整體的定標系數(shù)對SMOS數(shù)據(jù)進行交叉定標，而不需要劃分海表類型分別進行定標。

從圖5可以看到，整體的定標系數(shù)盡管變化比較穩(wěn)定，仍然具有明顯的季節(jié)變化特征，水平極化斜率在1.000—1.025 之間波動，截距在?5.410—?3.035之間波動，而垂直極化斜率在0.996至1.015之間波動，截距在?5.136—?3.649波動。同時，定標系數(shù)年際間相同月份內(nèi)變化較小。因此，將2015—2020 年的數(shù)據(jù)按照月份進行回歸，得到每個月的定標系數(shù)，如表1所示。

表1 水平和垂直極化每月平均交叉定標系數(shù)Table 1 Averaged calibration coefficients for H and V polarizations for each month

為了評估定標系數(shù)的精度，根據(jù)每個月的定標系數(shù)對SMOS原始亮度溫度進行校正，然后計算定標后SMOS 亮度溫度與SMAP 亮度溫度之間的RMSD。由于采用線性公式進行定標，兩者之間的偏差期望為0。表2 給出了不同海表類型在不同月份下的平均RMSD。由于夏季無法區(qū)分一年冰和多年冰，因此給出了海冰的RMSD。從表中可以看到，定標之后SMOS 和SMAP 亮度溫度之間的RMSD 明顯降低，數(shù)據(jù)一致性得到顯著提高。以1 月份為例，對于垂直極化，整體的RMSD 由定標前的約6.0 K（圖4）降低到定標后的約3.5 K（表2）；對于水平極化，整體的RMSD 由定標前的約5.5 K（圖4）降低到定標后的約為4.0 K（表2）。

表2 不同極化和海冰類型下定標后SMOS亮度溫度與SMAP亮度溫度之間均方根誤差每月的均值Table 2 RMSD between calibrated SMOS and SMAP brightness temperatures for different sea ice types at H and V polarizations

總體而言，冬季多年冰的定標精度最高，水平極化的RMSD 小于3 K，垂直極化的RMSD 小于2 K；開闊水域定標精度次之，水平極化和垂直極化的RMSD 分別在4.0 K 和3.7 K 左右；一年冰的定標精度最低，水平極化和垂直極化的RMSD分別在4.5 K 和4.0 K 左右。不同海冰類型定標精度的差異可能是由于大氣下行輻射、開闊水域海表風速、海冰漂移等因素綜合造成的。由于介電常數(shù)的差異，多年冰、一年冰和海水的反射率逐漸升高，地物反射的大氣下行輻射逐漸增加，不同觀測時間大氣條件的差異最終影響大氣層頂亮度溫度（De Lannoy 等，2015）。對于開闊水域，水平極化和垂直極化亮度溫度對風速的敏感性分別可以達到0.3 K/（m/s）和0.2 K/（m/s）（Yueh 等，2010），不同觀測時間風速的變化會影響兩顆衛(wèi)星觀測值的一致性。另外，海冰區(qū)域多年冰和一年冰的定標差異還可能在于一年冰漂移速度大于多年冰（Kwok 等，2013），由于多年冰更加穩(wěn)定，因此其定標結(jié)果更好。在季節(jié)上，冬季定標精度較好，夏季的定標精度較低，這可能是夏季的大氣條件、海表風速變化更大。另外，垂直極化的定標精度要優(yōu)于水平極化的定標精度，這與在全球陸地和海洋的研究結(jié)果較為一致（https://nsidc.org/sites/default/files/smap_l1_assessment_report_20200808_v 4_urs.pdf[2022?04?07]）。這種現(xiàn)象可能的原因在于大氣對于垂直極化的影響更?。―e Lannoy 等，2015），開闊水域風速對水平極化的影響大于垂直極化（Yueh等，2010）以及海冰表面積雪對水平極化的影響更大（Markus和Cavalieri，2000；Matzler等，1984）等因素。

研究結(jié)果表明，定標系數(shù)具有明顯的季節(jié)特征，因此推薦采用逐月的方式進行交叉定標。作為對比，獲取了采用所有數(shù)據(jù)（不考慮年份和月份）的定標系數(shù)，水平極化的斜率和截距分別為1.013和?4.447，垂直極化的斜率和截距分別為1.003和?4.448。精度驗證結(jié)果表明，采用整體數(shù)據(jù)獲取定標系數(shù)的方式在不同海冰類型與月份的偏差比逐月定標方式有所增加，進一步證實了逐月定標方式的合理性。

3.2.2 SMOS亮度溫度交叉定標結(jié)果驗證

根據(jù)不同月份的定標系數(shù)，可以對SMOS亮度溫度進行定標，得到定標后的亮度溫度。圖6給出了2016 年1 月1 日SMOS 原始日均值亮度溫度、定標后的SMOS 亮度溫度以及SMAP 日均值亮溫的對比結(jié)果。可以看到，SMOS 原始日均值亮度溫度和SMAP 日均值亮溫在空間上的分布較為一致，但是兩者在亮度溫度范圍存在較大差異。SMOS 原始亮度溫度明顯要高于SMAP亮度溫度，對于水平極化和垂直極化，兩者的溫度差異分別為2 K 和4 K，而定標之后兩者的亮度溫度較為一致。

圖6 2016年1月1日北極區(qū)域亮度溫度空間分布Fig.6 Maps of brightness temperatures from SMOS，calibrated SMOS，SMAP on January 1，2016

為進一步分析定標的效果，以2016 年1 月為例，圖7 給出了SMOS 原始亮度溫度、定標后SMOS 亮度溫度以及SMAP 亮度溫度的直方圖，以及定標后SMOS 亮度溫度與SMAP 亮度溫度偏差的直方圖?？梢钥吹剑饲癝MOS 和SMAP 亮度溫度直方圖存在明顯的偏差，而定標之后兩者基本沒有偏差，直方圖分布較為一致。需要注意的是，在亮度溫度較低的區(qū)域（主要是開闊水域），SMAP 的亮度溫度較為集中，而SMOS 的亮度溫度變化范圍較大，這主要與SMOS的輻射精度較低有關(guān)。從圖7（c）可以看出，SMAP 與定標之后SMOS偏差均值接近于0，范圍在±2 K。

圖7 2016年1月原始SMOS、定標后SMOS和SMAP亮度溫度及偏差分布直方圖Fig.7 Histograms of original SMOS，calibrated SMOS and SMAP brightness temperatures and their bias values，January 2016

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)性對比了2015 年—2020 年北極區(qū)域SMAP 與SMOS 亮度溫度，分析了兩者的偏差和均方根誤差的空間和季節(jié)變化特征，并分析了極化、海冰類型對于偏差和均方根誤差的影響。結(jié)果表明，整體上SMAP 亮度溫度要低于SMOS 亮度溫度，水平極化和垂直極化分別低2.0—3.0 K和3.0—4.5 K；不同海冰類型的偏差和均方根誤差差異較大，多年冰偏差和均方根誤差最小，一年冰次之，開闊水域偏差和均方根誤差最大；水平極化的偏差和均方根誤差低于同等海冰類型下垂直極化的值。另外，SMAP 和SMOS 之間的偏差和均方根誤差具有明顯的季節(jié)變化特征，但年際之間的差異較小。

本文采用線性公式對SMOS的亮度溫度定標到SMAP 的觀測值下，分析了不同海冰類型定標系數(shù)的差異。結(jié)果表明，盡管不同海冰類型的定標系數(shù)差異較大，但是和整體不區(qū)分海冰類型的定標系數(shù)定標結(jié)果較為一致，并且每個月份的定標系數(shù)結(jié)果在不同年份之間變化較少，因此可以針對每個月采用統(tǒng)一的定標系數(shù)對SMOS亮度溫度數(shù)據(jù)進行交叉定標。定標驗證結(jié)果表明，多年冰定標精度較高，一年冰區(qū)域定標精度相對較低；水平極化定標精度略低于垂直極化定標精度；冬季定標精度高于夏季定標精度。

由于SMOS 數(shù)據(jù)時間范圍為2009 年至今，SMAP 數(shù)據(jù)時間范圍為2015 年至今，本文的結(jié)果可以用于對SMOS進行交叉定標，獲取長時間序列的亮度溫度數(shù)據(jù)，用于北極區(qū)域海冰參數(shù)監(jiān)測。此外，本文主要針對北極區(qū)域進行研究，所采用的方法可以應(yīng)用于南極區(qū)域，支持南極海冰的監(jiān)測研究。

志 謝感謝美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心提供了SMAP亮度溫度數(shù)據(jù)，歐洲航天局提供了SMOS亮度溫度數(shù)據(jù)，歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織提供北極海冰類型數(shù)據(jù)。