南半球微波遙感SST與Argo浮標NST的異同分析

盧少磊，許建平,2，劉增宏,2

(1.國家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州310012；2.衛星海洋環境動力學國家重點實驗室，國家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州310012)

1 引言

海表溫度（SST）是海洋-大氣系統中的一個重要物理量，是表征海-氣熱量、動量和水汽交換的重要參量，也是氣候的指示因子之一，在海洋學研究中占有重要地位[1]。高質量的SST數據在天氣預報、氣候研究等應用中起著重要作用。獲取SST的方式目前有衛星遙感和現場觀測兩種方式，由于衛星遙感與現場觀測所用的傳感器性能和觀測深度的不同，以及近表層復雜的溫度垂直結構，和海洋不同時空尺度的變化等原因，目前為止還沒有建立起一套準確可靠、高時空分辨率的全球SST產品[2]。

為了彌補這一缺陷，最基礎但也最重要的工作之一就是根據現場觀測數據對不同傳感器反演的SST 產品進行檢驗評估，以確保它們之間的有效融合[3]。雖然國內外學者已經開展了對單一或多種傳感器反演SST的驗證工作[4-14]，但由于南半球海洋中的現場觀測資料缺乏，再加上各種傳感器的性能差異，以及不同觀測方法和觀測深度之間的差異，使得對于遙感反演SST在南半球的評估工作難以有效開展。

2000年實施的國際Argo 計劃，已經于2007年11月在全球大洋中建成了一個由3000多個Argo 剖面浮標組成的實時海洋觀測網[15]。Argo剖面浮標每10 天收集一條0—2000 m 水深范圍內的溫鹽度剖面，但考慮到對電導率傳感器的保護，常規Argo 浮標在到達水面以下5—10 m時泵抽式CTD傳感器就會停止工作，所以常規Argo 浮標只能測量到5 m 層以下的溫鹽值。為了滿足對表層溫鹽度值的需求，2008年10月份以來，國際Argo 計劃成員國在全球范圍內投放了數百個帶有非泵抽式CTD 傳感器的Argo 剖面浮標，用來彌補泵抽式CTD 傳感器的缺陷，可以高分辨率的觀測0—5 m 層的溫鹽度值，所以這種新型Argo 浮標不僅能夠提供常規的溫鹽度剖面資料，而且還可以提供海洋近表層溫度數據（Near-Surface Temperature，簡稱NST），為我們研究上述問題提供了大量實測資料。全球高分辨率海面溫度項目組（GHRSST）也已使用NST對衛星遙感SST 進行驗證[16]，也有學者將NST 應用到對印度洋海域遙感SST的驗證工作中[17]。

由于微波遙感可以穿透云層的優點，本文選擇了目前最常用的兩種微波傳感器TMI 和AMSR-E反演的SST與Argo浮標觀測的NST數據在南半球海域進行對比分析，并重點討論兩者差異的晝夜、季節與空間變化，以便為南半球乃至全球海洋多源SST融合提供可靠的統計學依據。

2 資料與方法

2.1 衛星遙感資料

2.1.1 TMI SST

熱帶降雨測量任務微波成像儀(TMI)是搭載在1997年發射的TRMM衛星上的微波輻射計，衛星采用非太陽同步軌道，觀測范圍在38 °N—38 °S 之間。本文應用資料取自微波輻射計數據集(http://www.ssmi.com)中TMI 的日平均數據，選取區域為20 °S—38 °S 之間，時間范圍取在2008年10月—2011年9月期間，其資料的空間分辨率為0.25° ×0.25°。

2.1.2 AMSR-E SST

EOS 高級微波掃描輻射計(AMSR-E)是搭載在2002年發射的Aqua 衛星上的微波輻射計，到2011年10月停止工作。衛星采用太陽同步軌道，觀測范圍可以覆蓋全球。本文應用資料同樣取自微波輻射計數據集中AMSR-E 的日平均數據，選取區域為20°—60°S 之間，時間范圍和空間分辨率都與TMI相同。

2.2 Argo浮標資料

帶有非泵抽式CTD 傳感器的Argo 浮標可以高分辨率的采集0—5 m 層之間的近表層溫度(NST)值，在0—1m層之間采樣個數一般可達4—5個。本文利用的NST 數據來源于英國海洋中心(NOC)網站（ftp://ftp.pol.ac.uk/pub/bodc/argo/NST/），時空范圍均與上述遙感數據相同。考慮到浮標穩定性及垂直分辨率問題，只利用英國海洋數據中心(BODC)、印度國家海洋信息服務中心(INCOIS)和美國華盛頓大學(UW)等三家單位提供的數據。此外，由于帶有非泵抽吸式CTD傳感器的Argo剖面浮標只占全球Argo剖面浮標總數的10%左右，在某些海域NST觀測數量較少，不具有統計意義。因此，本文選擇NST觀測數量較為集中的20°S 以南海域作為我們的研究區域。

2.3 匹配數據的生成和驗證方法

在生成匹配數據之前，需要對資料進行必要的質量控制。其中微波遙感SST數據中自帶有質量標記，所以在生成匹配數據時，只選取數據質量可靠的SST。David M 等[18]利用高分辨率CTD 資料，驗證了Argo NST精確度可達到±0.002 ℃，但是需要根據“海表面壓力”變量對浮標的壓力數據進行校正。根據Argo 剖面浮標非泵抽式CTD 傳感器的溫度觀測范圍，將溫度值不在-3 ℃—35 ℃之間的數據剔除掉[19]。經過質量校正的Argo NST數據就可以與微波遙感SST數據進行匹配了。

微波遙感SST 與Argo NST 數據的匹配，不僅需要考慮空間因素，還要考慮時間因素。空間上，水平方向選取Argo浮標測量點周圍4個遙感有效像素的平均值(其中兩個像素點必須為有效值)作為Argo浮標觀測點上的SST 值，垂直方向上由于Argo 浮標觀測層次不統一，選擇0—1 m范圍內的平均溫度值作為相應的NST 值；時間上，將時間軸依次分為白天時段（當地時間6 時—18 時）和夜晚時段（當地時間18 時至次日6 時），然后篩選出與Argo 浮標觀測在同一時段的衛星觀測數據。最后得到的匹配數據中，TMI有2189組，AMSR-E有3419組(見圖1)。

文中判斷數據之間差異的指標為平均偏差(bias)和均方差(rms)，其計算公式如下：

式中，T 指TMI 和AMSR-E 反演的SST 值，而TNST是Argo浮標觀測的NST值，i的范圍為1—n，n為匹配數據點數[8]。

值得指出的是，根據TMI/AMSR-E 兩種衛星微波輻射計的遙感原理和Argo 剖面浮標CTD 傳感器的性能，前者僅能反演海面0—1 mm 內的表皮溫度[1,20]，故文中用SST 標志；而后者可以觀測海面以下20 m上層范圍內的近表層溫度垂直結構，但文中只利用了1 m以淺的溫度平均值，故用NST標志。

圖1 匹配站位的空間分布

圖2 TMI SST與NST(a)、AMSR-E SST與NST(b)的比較

3 結果與討論

3.1 SST與NST的差異

圖2 給出了研究區域內由衛星遙感反演的SST與Argo浮標觀測的NST的點聚圖。可以看出，無論是TMI還是AMSR-E遙感反演的SST與Argo浮標觀測的NST之間均呈顯著的線性關系，相關系數分別達到了0.98和1.00。同時，TMI/AMSR-E SST與NST的差異（△T）的平均值分別為0.05 ℃與-0.04 ℃，均方差均在0.63℃左右。直接計算SST 與NST 的差值，該值介于-1℃—1℃之間的數據點占總數的91%，介于-0.5 ℃—0.5 ℃之間的數據點占總數的62%。

衛星除了提供SST數據以外，還提供了海面10 m風速、大氣水汽含量等參數。為此，我們進一步分析了風速、水汽含量對△T 的影響。顯著性檢驗表明△T與風速具有顯著的線性關系（見圖3）：在低風速時，△T 為正值，但隨著風速的增加，△T 逐漸減小，當風速達到8 m/s 左右時，△T 接近為0 ℃，而隨著風速的持續增強，平均偏差繼續減小。而當風速達到15 m/s 之后，△T 不再與風速存在線性關系。這主要是因為當風速較小時，表層海水混合不夠充分，使得SST 的變化幅度較大；而在強風速下，由于表層海水充分混合，使得SST 與NST 差異反而變小[9-12]。至于大氣水汽含量對△T 的影響（見圖4），由圖可見，△T除低大氣水汽值（＜15 mm）外基本不受其影響，而低大氣水汽值時，SST 比NST 偏大0.1℃左右。Dong等人在研究中也發現了這一現象，他們的研究認為是微波輻射計在低水汽值下使用的SST反演方法存在缺陷所致[9,11]。

圖3 TMI(a)、AMSR-E(b)SST與NST的差異隨風速的分布（單位/(m/s)）

圖4 TMI(a)、AMSR-E(b)SST與NST的差異隨大氣中水汽含量的分布（單位/mm）

值得指出的是，從圖3中可以看到，在低風速情況下，SST與NST會出現±2 ℃以上的較大差異。這主要是由海表面白天暖層效應(diurnal warm-lay)和夜晚冷皮層效應(cool-skin)的存在所致。已有研究表明，暖層效應通常可以使SST升高1℃—2 ℃，而冷皮層效應也會使SST降低0 ℃—1 ℃[20-22]，且這種溫度的變化在低風速環境下很難傳遞到海面以下1m層中，從而使得SST與NST存在較大差異。

3.2 SST與NST差異的晝夜變化

由表1的統計結果來看，SST與NST之間的差異存在明顯的晝夜變化，且兩個衛星傳感器之間的變化也不盡相同：對于TMI 來說，晝夜均方差均在0.63 ℃左右，但白天的平均偏差不到0.04 ℃，而夜晚達到了0.07 ℃；AMSR-E 白天的平均偏差和均方差略小于夜晚，分別為-0.04 ℃和0.59 ℃。

表1 晝夜統計結果

表2 季節統計結果

從表1 中可以看出，TMI 匹配數據中高風速（＞10 m/s）與低風速(＜4 m/s)的比例相當，但是由于低風速下對SST 的影響更大，所以TMI 反演的SST較NST 偏大；而AMSR-E 匹配數據中高風速與低風速相比占優勢地位，所以AMSR-E 反演的SST 較NST偏小。另外風速分布不均的影響也體現在傳感器晝夜反演差異上：TMI高風速晝夜比例相當，但低風速夜晚比白天的比例高5%，因此夜晚TMI的△T比白天的大；AMSR-E 白天高風速的優勢地位較夜晚稍微有所減弱，這使得白天AMSR-E的△T略小于夜晚。

以上結果較前人結論均有所不同，究其原因，一方面，前人研究的區域多為在德雷克海峽、45°S以南海域[9-12]，比本文研究海域要小；另一方面，Argo浮標NST數據的觀測深度處于0—1 m范圍內，而早期人們所使用的Argos表面漂流浮標觀測深度則在0.2—0.3 m 之間，且船載CTD 儀的觀測深度約為0.5 m[11-13]。

3.3 SST與NST差異的季節變化

從表2的結果來看，TMI反演的SST與NST的差異冬季最大，其平均偏差和均方差分別為0.07 ℃和0.69 ℃，夏季次之，春季最小（分別為0.01 ℃和0.64 ℃）；AMSR-E 反演的SST與NST的差異冬季最大，其平均偏差和均方差分別為-0.15 ℃和0.63 ℃，秋季次之，春季最小（分別為-0.01℃和0.65 ℃），這與李明等人[9]利用走航觀測結果得到的結論相一致。

進一步分析表明，春夏秋三個季節的△T 與風速的分布有較好的對應關系：當高風速與低風速比例相當或者低風速占優勢時，平均偏差表現為暖偏差，且低風速比例越大，偏差越大；當高風速占優勢時，平均偏差表現為冷偏差。但是根據圖3 的△T與風速的關系，兩個衛星傳感器冬季都出現了不相稱的較大差異。分析各個季節中風速與△T的關系（見圖5，只顯示了冬季，其他三個季節的與圖3 類似）可以發現，冬季△T與風速的關系與其他季節不同：冬季TMI在低風速情況下△T為-0.3 ℃左右，但隨著風速的增加，平均偏差逐漸增大，當風速達到8 m/s 左右時，平均偏差增大到0.2 ℃左右，然后隨著風速的增大逐漸趨于穩定；而冬季AMSR-E SST 在任何風速情況下較NST 均表現為冷偏差。這種異常的△T與風速關系導致了冬季SST 與NST 之間的差異達到最大。

統計表明，冬季的平均風速較其他季節提高了大約2 m/s，而低水汽情況下的匹配數也增加了30%左右。顯然冬季出現這種異常的△T與風速關系，不僅與冬季風速增加有關，而且與空氣中水汽含量的減小也有著密切的關系。

3.4 SST與NST差異的空間分布

圖5 冬季SST與NST的差異隨風速的分布（單位/m/s）

圖6 TMI SST與NST(a)、AMSR-E SST與NST(b)差異隨緯度的分布（單位/緯度）

圖6 給出了SST 與NST 差異隨緯度變化的情況。從圖中可以看出，TMI 在研究區域內大致可分為三部分：20°—25°S和35°—40°S區域內TMI SST較NST 均呈偏冷型，分別偏低0.05 ℃和0.06 ℃，而在25°—35°S范圍內則呈偏暖型，約偏高0.09 ℃；兩者差異的均方差隨緯度的增加由0.56℃遞增到0.75℃。而AMSR-E 大致可分為四部分：20°—25°S和35°—50°S 范圍內AMSR-E SST 較NST 均呈偏冷型，分別偏低0.11℃和0.08℃，25°-35°S 兩者基本相同，而在50° S 以南海域，AMSR-E SST 與NST 的關系不確定；兩者差異的均方差隨緯度的增加由0.48 ℃遞增到0.81 ℃。

統計表明，40°S 以北平均風速為7 m/s，不存在帶狀分布，所以△T 隨緯度的帶狀分布特征與風速無關。李明等[10]發現南大洋海面流速對遙感SST與由表層漂流浮標觀測的SST之間的差異有一定的影響；Verdy 等人[23]也發現，ACC 內的SST 異常會受到ACC和大氣相互作用(海平面氣壓和湍流熱流量)的影響。而△T帶狀分布的緯度范圍恰好與南半球副熱帶環流中的南赤道流、副熱帶鋒面、南太平洋流(南大西洋流或南印度洋流)和南極鋒的范圍相對應[24-25]，這也說明△T隨緯度的帶狀分布特征與海面流速和海氣相互作用等因素有著密切關系。

4 結論

衛星對全球海洋SST 的高時空分辨率觀測，為海洋與大氣科學領域的研究提供了寶貴的基礎資料，彌補了現場觀測的不足。但是，由于早期南半球海洋中的現場觀測資料十分缺乏，以及各種傳感器的性能又不盡相同，導致至今仍沒有一套準確可靠、高時空分辨率的SST 產品可以滿足各研究領域的需要。而隨著帶有非泵抽式CTD 傳感器的Argo剖面浮標的布放，為解決這一難題提供了一種有效的途徑。

這里對2008年10月—2011年9月期間由Argo剖面浮標觀測的NST，與由衛星TMI/AMSR-E 微波輻射計遙感反演的SST日平均數據進行的比較分析，使我們對南半球海域SST 與NST 之間的異同有了更深的認識，主要結論如下：

（1）南半球海洋中SST 與NST 雖存在顯著的線性關系，但兩者之間的差異（△T）還是十分明顯的；

（2）△T存在顯著的晝夜變化和季節變化，這與風速的晝夜、季節分布有關；而冬季△T的異常分布特征還與風速和水汽的變化關系密切；

（3）△T隨緯度變化呈帶狀分布的特征，主要與海面流速和海氣相互作用等因素有關。

由此可見，雖然SST與NST具有很好的相關性，但它們之間卻還存在著較大的差異，也就是說，由衛星遙感反演的海洋表皮溫度（SST）與由Argo剖面浮標或船載CTD儀觀測的海洋表層溫度（NST）不能等同看待，更不能將它們“混為一談”。而隨著國際Argo 計劃的不斷深入，Argo 剖面浮標觀測的NST 數據量將會不斷增加，或許有助于改進衛星遙感SST的反演方法，進一步提高衛星遙感SST的代表性，從而為在南半球乃至全球海域內的多源SST融合提供更加可靠的統計學依據，進而為氣候和天氣學等領域提供更為準確可靠的數據源。

致謝：感謝英國海洋中心（NOC）免費提供的Argo NST 數據，以及遙感觀測系統(Remote Sensing Systems)提供的TMI/AMSR-E SST數據。

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