微波輻射計反演海表面溫度和風場研究進展

朱恩澤，周俊浩，彭 洋（.解放軍理工大學氣象海洋學院，0；.解放軍95455部隊氣象臺，563000）

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微波輻射計反演海表面溫度和風場研究進展

朱恩澤1，周俊浩1，彭 洋2
（1.解放軍理工大學氣象海洋學院，211101；2.解放軍95455部隊氣象臺，563000）

摘要：海表面溫度（SST）和海面風場是重要的海面氣象水文參數，與海面的大部分物理過程關系密切。衛星遙感探測技術可以同時獲得全球范圍內的海表面溫度和海面風場數據。其中，微波輻射計遙感海表面溫度和風場具有不受云層遮擋的優勢，本文就其發展過程作簡要介紹。

關鍵詞：海表面溫度；海面風場；微波輻射計；反演；研究進展

0　引言

海表面溫度（sea surface temperature，SST）影響著海氣之間的動量、熱量以及水汽交換過程，是大氣和海洋學研究中的重要參數。海表面溫度是構建天氣和氣候預測模型的外強迫項，其對于氣候變化的研究有著重要意義。海表面風場是研究海浪、海氣邊界層、海洋水團、海氣相互作用以及海洋循環的重要因素，是形成海洋環流和海浪的主要和直接的動力，起著調節海洋和大氣間熱通量、水汽通量的作用，與全球氣候變化、全球環境、海洋軍事發展以及海洋航行安全等有著密切關系。海面風場在研究地區和全球天氣與氣候變化中有著重要意義。隨著衛星遙感技術的發展，獲取全球范圍內具有空間和時間連續性的海表面溫度和風場數據成為了可能。衛星測量SST和海面風場的手段主要包括紅外遙感和微波遙感。紅外遙感主要基于分裂窗技術。相對于微波遙感手段而言，紅外遙感具有較高的空間分辨率，但是其易受大氣狀況尤其是云層遮擋的影響，影響著反演的精度或造成反演的空白；微波遙感可以提供全天候條件下的測量，能在一定程度上克服云等因素的干擾，具有獨特的優勢。

1　衛星遙感原理

衛星微波遙感有主動和被動方式之分。主動微波遙感的傳感器主要有雷達高度計、微波散射計以及合成孔徑雷達等，它們通過發射電磁波獲取海面反饋信息進行要素反演。主動微波遙感器探測要素較少，頻率比較單一，而且功耗較大。被動微波遙感的典型傳感器是微波輻射計（radiometer），它不發射電磁波，只接受來自目標物的微波輻射信號，從中提取目標物的信息。微波輻射計能夠探測海面風場、海面溫度、海冰面積、降水強度、大氣水汽含量、云中液態水含量等海面環境參數。傳統微波輻射計只能測量第一和第二Stokes參數，而極化微波輻射計還能夠測量第三和第四Stokes參數。多極化微波輻射計能夠測量三個Stokes參數，為全極化微波輻射計能夠測量所有四個Stokes參數。

2　微波輻射計反演海表面溫度研究進展

自1962年美國發射裝載2通道微波輻射計的衛星“水手2號”（Mariner-2）之后，美國、蘇聯、日本、印度以及歐洲一些國家先后發射了載有微波輻射計的對地觀測衛星。1972年12月美國發射雨云5號（Nimbus-5）衛星，搭載多通道掃描微波輻射計（Scanning Multichannel Microwave Radiometer，SMMR）。1987年 開 始，美國陸續發射了國防氣象系列衛星（Defense Mtetorological Satellite Program，DMSP），其中的F8星搭載了專用微波輻射成像儀（Special Sensor Microwave Imager， SSM/I）。由于這些早期的微波輻射計精度較差，同時缺少適合反演海表面溫度的低頻通道，所以它們的觀測結果無法達到實際應用需要的精度標準。1997年，美國NASA和日本NASDA聯合研制了熱帶降雨測量衛星（Tropical Rainfall Measuring Mission，TRMM）搭載微波輻射成像儀（TRMM Microwave Imager， TMI），其擁有10.7GHz的低頻通道，成為第一個能夠較準確測量海溫的星載微波輻射計，但是它的觀測范圍為僅為40°S～40°N。2002年5月，美國發射Aqua衛星，搭載先進微波掃描輻射計（Advanced Microwave Scanning Radiometer，AMSR-E），AMSR-E是第一個能準確觀測全球海溫的微波輻射計，它擁有比TMI更低的6.9 GHz通道，對海溫的觀測精度更高。2011年，AMSR-E停止運行，一年之后，同一系列的微波輻射計AMSR-2傳感器搭載日本發射的GCOM-W1衛星升空，接替AMSR-E執行對地觀測任務。2003年1月，美國成功發射Coriolis衛星，搭載全球第一顆星載全極化微波輻射計WindSat，其擁有與AMSR-E相近的6.8 GHz頻段，雖然它的主要任務是觀測海面風場，但是也有著較高的海溫測量精度。

目前在軌的能夠提供海表面溫度測量的典型的微波輻射計主要有多波段微波輻射成像儀TRMM（Microwave Imager，TMI），專用微波輻射成像儀SSMI/S（Special SensorMicrowave Imager/ Sounder），風微波輻射計WindSat，先進微波掃描輻射計AMSR-2（AdvancedMicrowave Scanning Radiometer 2），以及全球降水測量衛星（Global Precipitation Measurement，GPM）衛星上搭載的微波成像儀GMI（GPM Microwave Imager）傳感器。

我國的星載微波輻射計研制工作起步較晚。2008年首次發射的風云三號系列衛星搭載了微波成像儀MWRI，成為我國星載微波輻射計的開端。2011年8月，海洋2號（HY-2A）衛星發射升空，搭載了微波輻射計，其海面溫度測量精度達到1 K。

3　微波輻射計反演海表面風場研究進展

微波輻射計測量海表面風速的歷史很久。1978年6月美國發射海洋一號衛星（SeaSAT-A），搭載的多通道微波掃描輻射計SMMR能夠遙感海面風速信息（Njoku E G，1980）。從此，星載微波輻射計成為測量海面風速的主要方法之一。1987年美國發射的國防氣象衛星DMSP搭載特種微波輻射計SSM/I，它能夠提供穩定的海面風速反演產品。1997年11月，微波成像儀TMI搭載熱帶降水測量衛星TRMM發射升空，它能夠提供全天候的海面風速觀測結果。2002年高級微波掃描輻射計AMSR-E搭載于Aqua衛星發射升空，能夠獲取全球范圍的海表面風速信息。2012年5月，高級微波掃描輻射計2型AMSR2發射升空，接替AMSR-E的觀測任務。2011年8月，我國第一顆海洋動力環境衛星海洋2號（HY-2A）發射升空，其搭載的掃描微波輻射計可獲取海面風速信息。

傳統的微波輻射計可以反演海面風速，但是無法獲取海面風向信息。理論研究及實驗結果表明，目標輻射的第三Stokes參數不為零，并且呈周期性變化。研究證明用前三個Stokes參數可以反演出海面風速和風向，如果使用第四個Stokes參數，還可以不受法拉第旋轉的影響。因此，在陸基和機載實驗完成后，星載極化輻射計的研制工作逐步展開。2003年1月，美國美國國家海軍研究實驗室和海軍空間技術中心共同研制的全球第一顆星載全極化微波輻射計WindSat搭載Coriolis衛星發射升空，標志著微波輻射計的發展進入了新的時代，它能夠同時獲取全部4個Stokes參數，成為首個既能測量海面風速又能測量海面風向的星載輻射計。

4　總結

經過半個世紀的發展，微波輻射計觀測海表面溫度和風場的技術已經比較成熟，不受云層影響的優勢使微波輻射計資料成為資料融合的重要源數據。全極化微波輻射計的出現使得同時測量海面風速和風向成為可能。我國星載微波輻射計的發展相對滯后，但已經取得一定成果。總的來看，微波輻射計有著廣闊的發展前景。

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Advances in spaceborne microwave radiometer retrieval of sea surface temperature and wind vector

Zhu Enze1，Zhou Junhao1，Peng Yang2
（1.meteorological and Oceanographic Institute， PLA University of Science and Technology， 211101；2.95455 PLA meteorological station，563000）

Abstract：Sea surface temperature and sea surface wind vector are both important oceanic meteorological and hydrological parameters.They are closely related with most of the physical processes in the ocean. Satellite remote sensing is able to acquire global sea surface temperature and wind vector information at the same time.Spaceborne microwave radiometer is not affected by cloud covering.This paper introduced the research advances.

Keywords：sea surface temperature；sea surface wind vector；microwave radiometer；retrieval；research advances