多源星載輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)對(duì)比分析

李宇恒孫偉富曹凱翔孟俊敏張 杰

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島266590;2.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061)

海表溫度(Sea Surface Temperature,SST)是研究海洋的重要參數(shù)之一,是全球氣候變化的關(guān)鍵指標(biāo),廣泛應(yīng)用于氣候變化監(jiān)測(cè)、大氣模擬等方面研究[1]。監(jiān)測(cè)SST的分布和時(shí)空變化規(guī)律,對(duì)理解海洋溫度升高對(duì)全球環(huán)境變化有重要意義[2]。目前,獲取SST的方式有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和衛(wèi)星遙感兩種方式,其中遙感探測(cè)又分為紅外遙感和微波遙感。基于浮標(biāo)、科考船等獲取的實(shí)測(cè)溫度資料,不足以支撐全球范圍內(nèi)大尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列、連續(xù)的SST時(shí)空變化分析。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以其覆蓋面積廣,連續(xù)、實(shí)時(shí)、全天候的觀測(cè)等優(yōu)勢(shì),在SST時(shí)空變化分析上發(fā)揮著重要的作用,是目前全球海洋SST研究的重要技術(shù)手段。

SST紅外傳感器主要包括先進(jìn)甚高分辨率輻射計(jì)(Advanced Very High Resolution Radiometer,AVHRR),中等分辨率輻射計(jì)(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)和可見(jiàn)光紅外輻射計(jì)組合儀(Visible Infrared Imaging Radiometer,VIIRS)等;SST微波傳感器主要包括Windsat,全球降水測(cè)量微波成像儀(GPM Microwave Imager,GMI)和高級(jí)微波掃描輻射計(jì)2(Advanced Microwave Scanning Radiometer 2,AMSR2)等[3]。SST紅外遙感獲取的SST空間分辨率高,但是易受到云和氣溶膠等的影響;SST微波遙感相比紅外遙感,可以克服云和氣溶膠的影響,但是其數(shù)據(jù)空間分辨率較低,且在近岸海域由于陸地信號(hào)的干擾易產(chǎn)生噪聲[4]。

對(duì)于SST產(chǎn)品的精度估計(jì)和對(duì)比分析,國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者做了大量的工作:針對(duì)紅外輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)(簡(jiǎn)稱紅外SST數(shù)據(jù))的精度驗(yàn)證,Barton和Pearce[5]將全球成像儀(The Global Imager,GLI)、AVHRR、先進(jìn)的沿軌掃描輻射計(jì)(The Advanced Along Track Scanning Radiometer,AATSR)和MODIS數(shù)據(jù)與Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差均優(yōu)于0.60℃;Tu等[6]使用船測(cè)和浮標(biāo)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)VIIRS SST精度,驗(yàn)證結(jié)果表明VIIRS數(shù)據(jù)的精度較高,均方根誤差介于0～0.60℃;張精英等[7]基于Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)MODIS-Aqua、MODIS-Terra和VIIRS三種紅外SST數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)定,結(jié)果表明北極地區(qū)紅外SST數(shù)據(jù)的誤差普遍高于全球總體水平,且VIIRS在北極的覆蓋率、有效觀測(cè)天數(shù)及與浮標(biāo)的匹配結(jié)果為3種紅外輻射計(jì)中為最優(yōu);奚萌等[8]基于Argo數(shù)據(jù)對(duì)AVHRR、MODIS-Terra和MODIS-Aqua進(jìn)行精度評(píng)價(jià),結(jié)果表明,三者的平均偏差分別為-0.07,-0.14和-0.15℃,均方根誤差小于0.80℃,3種紅外SST數(shù)據(jù)之間的平均偏差均±0.10℃,均方根誤差小于0.60℃;劉伊格等[9]利用Argo數(shù)據(jù)從時(shí)間和空間尺度對(duì)VIIRS進(jìn)行檢驗(yàn)分析,白天數(shù)據(jù)接近Argo數(shù)據(jù),夏季偏差大于冬季。

針對(duì)微波輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)(簡(jiǎn)稱微波SST數(shù)據(jù))的精度驗(yàn)證,Stammer等[10]對(duì)熱帶降雨觀測(cè)衛(wèi)星(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)微波成像儀(TRMM Micrawave Imager,TMI)進(jìn)行了精度評(píng)定,平均偏差為0.18℃,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.54℃;Gentemann等[11]基于TAO/TRITON對(duì)TMI進(jìn)行精度評(píng)定,平均偏差為-0.07℃,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.57℃;Chelton和Wentz[12]基于TMI數(shù)據(jù)對(duì)AMSR-E進(jìn)行驗(yàn)證,平均偏差為0.06℃,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.56℃;奚萌等[13]利用Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)2013年和2014年3個(gè)微波輻射計(jì)海表溫度產(chǎn)品(AMSR2,TMI和WindSat)進(jìn)行精度評(píng)定,發(fā)現(xiàn)AMSR2的微波SST數(shù)據(jù)質(zhì)量比TMI和WindSat的海表溫度數(shù)據(jù)更接近Argo數(shù)據(jù);孫偉富等[14]基于Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)AMSR2,GMI,Windsat和海洋二號(hào)衛(wèi)星(HY-2A RM)等星載微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)價(jià),結(jié)果表明北極地區(qū)誤差均大于全球平均水平,AMSR2數(shù)據(jù)精度較好。

目前,研究主要集中在區(qū)域性紅外輻射計(jì)或微波輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)的精度分析,較少系統(tǒng)針對(duì)全球范圍星載輻射計(jì)觀測(cè)能力的評(píng)價(jià)。本文針對(duì)2018年紅外輻射計(jì)(MODIS,VIIRS和AVHRR)和微波輻射計(jì)(AMSR2,GMI和WindSat)SST數(shù)據(jù),研究各衛(wèi)星SST數(shù)據(jù)的全球覆蓋情況,利用Argo數(shù)據(jù)評(píng)估SST產(chǎn)品的精度,并進(jìn)行微波產(chǎn)品、紅外產(chǎn)品和Argo數(shù)據(jù)的交叉比對(duì)分析,以研究紅外輻射計(jì)和微波輻射計(jì)的SST遙感觀測(cè)能力。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

1.1.1 紅外輻射計(jì)數(shù)據(jù)

本研究所使用的MODIS-Aqua,MODIS-Terra和NPP VIIRS紅外SST數(shù)據(jù),來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)數(shù)據(jù)網(wǎng)站OceanColor Web發(fā)布的每日SST數(shù)據(jù)(https:∥oceandata.sci.gsfc.nasa.gov/);AVHRR SST數(shù)據(jù)來(lái)源于NODC(National Oceanographic Data Committee of the Netherlands)。MODIS是搭載在NASA發(fā)射的Terra(EOS AM)和Aqua(EOS PM)衛(wèi)星上的傳感器,MODIS-Aqua數(shù)據(jù)由NASA自2002-07-04開(kāi)始生產(chǎn)發(fā)布,MODIS-Terra數(shù)據(jù)由NASA自2000-02-24開(kāi)始生產(chǎn)發(fā)布至今。兩顆星相互配合每1～2天可重復(fù)觀測(cè)整個(gè)地球表面,刈幅寬度為2330 km[15];VIIRS是NPP(the Suomi National Polar-orbiting Partnership)衛(wèi)星上的傳感器,NPP發(fā)射于2011-10-28,有22個(gè)光譜波段,掃描刈幅寬度為3040 km,該數(shù)據(jù)由NASA自2012-01-02開(kāi)始生產(chǎn)發(fā)布[16];AVHRR是NOAA系列氣象衛(wèi)星上搭載的傳感器,從1979年TIROS-N衛(wèi)星發(fā)射以來(lái),持續(xù)進(jìn)行著對(duì)地觀測(cè)任務(wù),包含可見(jiàn)光、近紅外和熱紅外,掃描刈幅為2800 km[17]。選用2018年上述4種SST數(shù)據(jù)對(duì)全球紅外輻射計(jì)的遙感觀測(cè)能力進(jìn)行研究,數(shù)據(jù)的空間分辨率為4 km(表1)。

表1 紅外輻射計(jì)數(shù)據(jù)Table 1 Satellite infrared radiometer data

1.1.2 微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)

本研究選用AMSR2,GMI和WindSat衛(wèi)星遙感SST數(shù)據(jù)對(duì)全球微波輻射計(jì)的遙感觀測(cè)能力進(jìn)行研究(表2)。AMSR2搭載于日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)的水循環(huán)變動(dòng)觀測(cè)衛(wèi)星(Global Change Observation Mission-Water1,GCOM-W1)上;GMI搭載于全球降水觀測(cè)計(jì)劃(Global Precipitation Measurement,GPM)衛(wèi)星上,觀測(cè)刈幅931 km;WindSat搭載于Coriolis衛(wèi)星平臺(tái)上,這些微波輻射計(jì)均具備SST探測(cè)的頻段[18]。遙感系統(tǒng)(Remote Sensing System,RSS)提供了ASMR2,GMI和WindSat的每日SST數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

表2 微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)Table 2 Satellite microwave radiometer data

1.1.3 Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)

Argo是由多個(gè)自由浮標(biāo)組成的全球浮標(biāo)陣列,用于測(cè)量海洋2000 m以內(nèi)的溫度和鹽度,相鄰的2個(gè)浮標(biāo)之間的間隔約300 km,測(cè)量周期為10 d,通過(guò)衛(wèi)星將獲取的海洋數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)接收站[19]。截至2019-10-10由國(guó)際Argo計(jì)劃倡議建設(shè)的全球Argo實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)網(wǎng)中活躍浮標(biāo)總數(shù)達(dá)3851個(gè)。

本研究根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍,使用2018年全年的全球Argo實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)驗(yàn)證紅外和微波SST數(shù)據(jù)的精度。由于浮標(biāo)在0～1 m的數(shù)據(jù)資料較少,不足以開(kāi)展有效的統(tǒng)計(jì)分析,因而參照張精英[7]、孫偉富等[14]和Marcello等[15]的做法,選取海洋0～10 m深的溫度數(shù)據(jù)與輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配驗(yàn)證,經(jīng)篩選共獲的157454個(gè)可利用的Argo數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 2018年全球Argo實(shí)測(cè)SST數(shù)據(jù)分布Fig.1 Global distribution of the Argo-measured SST data in 2018

1.1.4 Argo網(wǎng)格產(chǎn)品數(shù)據(jù)

亞洲太平洋數(shù)據(jù)研究中心(Asia Pacific Data Research Center,APDRC)從美國(guó)全球Argo資料中心(Global Data Assembly Centre,GDAC)獲取每日Argo實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并生成多種數(shù)據(jù)產(chǎn)品。APDRC產(chǎn)品處理方法包括:水平網(wǎng)格化,使用最優(yōu)插值的方法將數(shù)據(jù)網(wǎng)格化成空間分辨率為1°的產(chǎn)品,該方法會(huì)對(duì)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,因此海洋中所有的網(wǎng)格點(diǎn)都有數(shù)據(jù)值;垂直插值,Argo浮標(biāo)通常測(cè)量海表面以下2000 m至5 m處的離散溫度值,APDRC將這些數(shù)據(jù)內(nèi)插至“標(biāo)準(zhǔn)”深度水平[20]。

本文將開(kāi)展紅外和微波SST數(shù)據(jù)的交叉比對(duì)分析,考慮到紅外和微波SST數(shù)據(jù)的覆蓋范圍不一致,且與Argo散點(diǎn)數(shù)據(jù)匹配的時(shí)空窗口不同,不能保證紅外和微波與Argo散點(diǎn)數(shù)據(jù)的匹配結(jié)果在同一位置,因此采用APDRC生產(chǎn)的Argo月均SST網(wǎng)格產(chǎn)品(簡(jiǎn)稱APDRC Argo)海面(0 m)的SST數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn),進(jìn)行紅外月均SST數(shù)據(jù)、微波月均SST數(shù)據(jù)和APDRC Argo的交叉比對(duì)。海面(0 m)的APDRC Argo SST網(wǎng)格數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 2018年全球APDRC Argo實(shí)測(cè)SST數(shù)據(jù)分布Fig.2 Global distribution of Argo SST data provided by APDRC 2018

1.2 研究方法

1.2.1 質(zhì)量控制與數(shù)據(jù)匹配

紅外SST數(shù)據(jù)和微波SST數(shù)據(jù)在與Argo數(shù)據(jù)匹配之前進(jìn)行質(zhì)量控制,根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的質(zhì)量標(biāo)記,選取MODIS-Aqua、MODIS-Terra和VIIRS質(zhì)量標(biāo)記為0(標(biāo)記范圍為0～7,其中0代表質(zhì)量最好)以及AVHRR質(zhì)量標(biāo)記為7(標(biāo)記范圍為0～7,其中7代表質(zhì)量最好)的數(shù)據(jù),提取-2.00～45.00℃范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。由于紅外SST數(shù)據(jù)量少,導(dǎo)致匹配結(jié)果數(shù)據(jù)相應(yīng)較少,不足以支撐統(tǒng)計(jì)分析,本文參照孫偉富等[14]、張精英等[7]的方法,數(shù)據(jù)匹配時(shí),紅外時(shí)間窗口設(shè)置為±12 h,選用0.125°的空間窗口;微波SST數(shù)據(jù)選擇±1 h的時(shí)間窗口、0.25°的空間窗口。根據(jù)3 Sigma原則,當(dāng)數(shù)據(jù)樣本足夠大,平均偏差(bias)±3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差(std)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)置信度水平可達(dá)到99.73%,所以將bias±3std范圍外的數(shù)據(jù)認(rèn)為是大誤差數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行剔除[21]。

1.2.2 精度評(píng)估

基于2018年Argo數(shù)據(jù)對(duì)紅外SST數(shù)據(jù)和微波SST數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。本文對(duì)輻射計(jì)的SST數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)的指標(biāo)包括平均偏差(bias)、絕對(duì)偏差(bias_abs)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(std)、均方根誤差(rmse)以及相關(guān)系數(shù)(r)。平均偏差是用來(lái)評(píng)價(jià)Argo數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的系統(tǒng)偏差,絕對(duì)偏差可以說(shuō)明系統(tǒng)偏差的數(shù)據(jù)情況,標(biāo)準(zhǔn)偏差可以說(shuō)明Argo數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的偏差的離散程度,均方根誤差用來(lái)評(píng)價(jià)衛(wèi)星數(shù)據(jù)相對(duì)于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的精度,相關(guān)系數(shù)可以展現(xiàn)單星SST的精密度[4],計(jì)算公式如下:

式中,N為Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)匹配的數(shù)據(jù)總數(shù);A i,B i分別為在第i個(gè)Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的匹配點(diǎn)分別為Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)匹配結(jié)果的平均值。

2 輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)時(shí)空覆蓋

2.1 紅外輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)時(shí)空覆蓋

2.1.1 覆蓋率

本文選取2018年的MODIS-Aqua、MODIS-Terra、AVHRR和VIIRS紅外輻射計(jì)SST數(shù)據(jù),開(kāi)展全球每日衛(wèi)星有效SST數(shù)據(jù)覆蓋率研究,紅外輻射計(jì)逐日SST覆蓋率是指每日全球有效SST網(wǎng)格點(diǎn)的總量占全球海洋網(wǎng)格點(diǎn)總量的比重。由2018年紅外SST逐日全球海洋覆蓋率(圖3)可知,2018年白天MODISAqua和MODIS-Terra的覆蓋率整體趨勢(shì)基本一致且差異較小,在12%左右波動(dòng);AVHRR覆蓋率在6%左右波動(dòng);VIIRS覆蓋率較高,呈現(xiàn)先增后減的變化,最大值出現(xiàn)在第216天,達(dá)到21%。產(chǎn)生差異的主要原因:VIIRS的掃描幅寬較大且SST產(chǎn)品的云檢測(cè)算法一定程度上減少了誤判成云的概率[22];夏季極地海冰融化使VIIRS能夠觀測(cè)到更廣的范圍;2018年夜間MODIS-Aqua,MODIS-Terra和VIIRS覆蓋率整體趨勢(shì)基本一致且差異較小,在15%附近穩(wěn)定波動(dòng),AVHRR覆蓋率低于5%。

圖3 2018年紅外SST數(shù)據(jù)逐日全球海洋覆蓋率Fig.3 Percentage of global ocean coverage by the satellite infrared SST data in 2018

2.1.2 有效觀測(cè)天數(shù)

圖4為4種紅外輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)的有效天數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖4可見(jiàn),中低緯度海域以及大陸沿岸觀測(cè)天數(shù)較多,極地觀測(cè)到的天數(shù)較少;紅外輻射計(jì)白天觀測(cè)到的范圍均大于夜間,白天VIIRS的觀測(cè)范圍更廣,夜間觀測(cè)范圍4個(gè)數(shù)據(jù)基本一致;VIIRS掃描幅寬大于其他輻射計(jì),能夠獲取更多的信息,全年觀測(cè)到的最大天數(shù)VIIRS高于其他紅外輻射計(jì),白天最高有效觀測(cè)天數(shù)為216 d,夜間的最高有效觀測(cè)天數(shù)為246 d。

圖4 2018年紅外SST數(shù)據(jù)有效觀測(cè)天數(shù)Fig.4 Number of days with valid infrared SST observations Observations in 2018

2.2 微波輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)時(shí)空覆蓋

2.2.1 覆蓋率

選取2018年的WindSat,GMI和AMSR2微波輻射計(jì)SST數(shù)據(jù),開(kāi)展逐日衛(wèi)星有效SST數(shù)據(jù)覆蓋率研究,微波輻射計(jì)逐日SST覆蓋率是指每日全球有效SST網(wǎng)格點(diǎn)的總量占全球海洋網(wǎng)格點(diǎn)總量的比重。由2018年微波SST逐日全球海洋覆蓋率(圖5)可知,2018年GMI和AMSR2升軌覆蓋率相對(duì)穩(wěn)定,AMSR2覆蓋率最高,在40%～50%波動(dòng),GMI覆蓋率約在35%～40%;GMI降軌覆蓋率在37%附近穩(wěn)定波動(dòng),AMSR2降軌覆蓋率呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì),總體覆蓋率在35%～45%;2018年WindSat出現(xiàn)數(shù)據(jù)殘缺,導(dǎo)致SST數(shù)據(jù)逐日覆蓋率較低、波動(dòng)較大且出現(xiàn)了多個(gè)極端值;GMI由于受到軌道傾角的限制,升降軌逐日覆蓋率小于AMSR2。

圖5 2018年微波SST數(shù)據(jù)逐日全球海洋覆蓋率Fig.5 Percentage of global ocean coverage by the satellite microwave data in 2018

圖6 2018年微波SST數(shù)據(jù)有效觀測(cè)天數(shù)Fig.6 Number of days with valid microwave SST observations in 2018

2.2.2 有效觀測(cè)天數(shù)

利用2018年AMSR2、GMI和WindSat微波輻射計(jì)SST數(shù)據(jù),進(jìn)行有效天數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見(jiàn)圖6,可以看出,全球覆蓋天數(shù)反映了3種微波輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)的全年覆蓋情況,南北緯30°～60°海域有效觀測(cè)天數(shù)較多,低緯度及近岸海域觀測(cè)天數(shù)較少;AMSR2與WindSat覆蓋范圍基本一致,GMI受到軌道傾角的限制,無(wú)法覆蓋到南北緯67°以上的區(qū)域;總體有效覆蓋天數(shù)AMSR2較高,覆蓋范圍較廣,WindSat的全球有效覆蓋天數(shù)較低;受到赤道洋流和降雨的影響,各微波輻射計(jì)在太平洋低緯度海域有效觀測(cè)天數(shù)均在50 d左右。

4 輻射計(jì)SST產(chǎn)品精度評(píng)估

4.1 紅外輻射計(jì)精度評(píng)估

由紅外SST數(shù)據(jù)與Argo實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的匹配評(píng)估結(jié)果(表3)可見(jiàn):VIIRS的平均偏差和均方根誤差分別為-0.07和0.65℃,小于其他3個(gè)輻射計(jì)數(shù)據(jù);AVHRR和VIIRS白天均方根誤差高于夜間,MODIS-Aqua和MODIS-Terra白天均方根誤差低于夜間;4種紅外SST數(shù)據(jù)的白天和夜間的平均偏差均為負(fù)偏差,且白天平均偏差優(yōu)于夜間,夜間標(biāo)準(zhǔn)偏差要小于白天。SST數(shù)據(jù)與Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)均高于0.994,表明4種輻射計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均有較好的一致性。

表3 紅外輻射計(jì)白天、夜間SST的誤差統(tǒng)計(jì)Table 3 Error statistics of daytime and nighttime SST of satellite infrared radiometer

由紅外SST數(shù)據(jù)與Argo實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的匹配結(jié)果分布情況(圖7)可見(jiàn):1)4個(gè)紅外輻射計(jì)的匹配結(jié)果的空間分布基本一致,誤差區(qū)間主要是在-1.00～0.50℃,多為負(fù)偏差;2)由于極地地區(qū)環(huán)境和天氣惡劣,紅外輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)和Argo實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)稀少,導(dǎo)致匹配結(jié)果稀少且偏差較大;3)黑潮、灣流和大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流等都會(huì)對(duì)衛(wèi)星SST數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響,導(dǎo)致偏差的出現(xiàn)。

圖7 2018年全球紅外SST數(shù)據(jù)與Argo匹配結(jié)果Fig.7 Global distribution of match-ups between satellite infrared radiometer SST data and Argo measurements in 2018

由圖8可見(jiàn),紅外SST數(shù)據(jù)白天和夜間平均偏差與標(biāo)準(zhǔn)偏差隨緯度的變化,由于極地Argo數(shù)據(jù)少,匹配點(diǎn)緯度最多達(dá)南北緯80°附近。4個(gè)紅外輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差在高緯度地區(qū)隨緯度變化波動(dòng)較大,受黑潮、灣流和北大西洋暖流等影響,北半球的偏差大于南半球。VIIRS整體偏差較小,與誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。

圖8 紅外SST數(shù)據(jù)平均偏差與標(biāo)準(zhǔn)偏差隨緯度變化Fig.8 Bias and standard deviation of satellite infrared SST along with latitude

紅外輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)與Argo實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在差異的主要原因:1)紅外輻射計(jì)溫度傳感器測(cè)量表層海溫,Argo浮標(biāo)測(cè)量水下溫度,不同深度的SST會(huì)產(chǎn)生偏差[23];2)Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)是單點(diǎn)SST的平均值,然而紅外輻射計(jì)是網(wǎng)格內(nèi)SST的平均值,由于北太平洋西部的黑潮、大西洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流、中尺度渦以及灣流現(xiàn)象的出現(xiàn),導(dǎo)致該區(qū)域海表面溫度產(chǎn)生較大的梯度變化;3)紅外輻射計(jì)反演的SST消除了對(duì)流層水汽產(chǎn)生的大氣輻射影響,但并沒(méi)有排除氣溶膠的影響產(chǎn)生偏差[24-25]。

4.2 微波輻射計(jì)精度評(píng)估

由微波SST數(shù)據(jù)與Argo實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匹配結(jié)果(表4)可以看出,AMSR2的SST數(shù)據(jù)與Argo數(shù)據(jù)有0.17℃左右的正偏差,絕對(duì)偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和均方根誤差均優(yōu)于其他2個(gè)微波SST數(shù)據(jù),AMSR2的SST數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)于另外2個(gè)微波SST數(shù)據(jù);GMI絕對(duì)偏差略高于其他2個(gè)輻射計(jì)的絕對(duì)偏差;WindSat和GMI降軌數(shù)據(jù)比升軌數(shù)據(jù)的偏差較高,升軌的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)更接近,而AMSR2的降軌數(shù)據(jù)優(yōu)于升軌。3種微波SST數(shù)據(jù)與Argo數(shù)據(jù)相關(guān)性優(yōu)于0.995,表明3種微波輻射計(jì)與Argo有較高的一致。

表4 微波輻射計(jì)升軌、降軌SST的誤差統(tǒng)計(jì)Table 4 Error statistics of ascending and descending passes SST of satellite microwave radiometer

由微波SST數(shù)據(jù)與Argo實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的匹配結(jié)果(圖9)可以看出,3個(gè)微波輻射計(jì)匹配結(jié)果的空間分布基本一致。微波輻射計(jì)受到極地海冰、陸地電磁波的影響,同時(shí)黑潮、大西洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流和灣流對(duì)微波SST數(shù)據(jù)的影響也較大,這些區(qū)域相比于其他區(qū)域偏差較高。

圖9 2018年全球微波輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)與Argo匹配結(jié)果Fig.9 Global distribution of match-ups between satellite microwave radiometer SST data and Argo measurements in 2018

微波SST數(shù)據(jù)與Argo浮標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在偏差的原因,除了容易受到影響紅外SST數(shù)據(jù)的3個(gè)因素外,近岸海域微波SST數(shù)據(jù)還容易受到陸地電磁波干擾,導(dǎo)致偏差較大。

微波SST數(shù)據(jù)升軌和降軌平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差隨緯度變化如圖10,由于受到極地Argo數(shù)據(jù)的限制,匹配點(diǎn)緯度僅能達(dá)到南北緯80°附近;30°S～30°N偏差隨緯度變化波動(dòng)較小,主要因?yàn)樵搮^(qū)域?yàn)殚_(kāi)闊大洋,相對(duì)于高緯度地區(qū)陸地少,無(wú)海冰;AMSR2整體偏差較小,與誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致,GMI隨緯度變化,偏差波動(dòng)較大,尤其在高緯度區(qū)域。

圖10 微波SST數(shù)據(jù)平均偏差與標(biāo)準(zhǔn)偏差隨緯度變化Fig.10 Bias and standard deviation of satellite microwave SST along with latitude

由SST偏差與風(fēng)速和大氣柱水汽的關(guān)系(圖11和圖12)可見(jiàn),風(fēng)速在0～3 m/s時(shí)為負(fù)偏差,但隨著風(fēng)速的增加溫度偏差逐漸趨向0 m/s,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到5 m/s左右時(shí)溫度偏差最小,而隨著風(fēng)速的持續(xù)增強(qiáng),風(fēng)速大于13 m/s時(shí)與溫度偏差不再有線性關(guān)系;低水汽值(WindSat:＜20 mm,GMI:＜23 mm,AMSR2:＜25 mm)SST偏差較大,偏差除低水汽值外基本不受影響。

圖11 SST偏差隨風(fēng)速的分布Fig.11 SST deviation distribution with wind speed

圖12 SST偏差隨大氣水柱的分布Fig.12 SST deviation distribution with water vapor

4.3 紅外與微波SST數(shù)據(jù)交叉對(duì)比分析

根據(jù)上述分析結(jié)果,選取精度較高的紅外輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)和微波輻射計(jì)SST數(shù)據(jù),進(jìn)行2種輻射計(jì)SST產(chǎn)品的交叉對(duì)比分析。

基于雙線性插值法將2018年VIIRS和AMSR2 SST數(shù)據(jù)插值到1°的網(wǎng)格上,利用插值后的2018年VIIRS和AMSR2月均SST數(shù)據(jù)分別與APDRC Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)3 Sigma原則,剔除平均偏差±3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍外的數(shù)據(jù),AMSR2與Argo、VIIRS與Argo、VIIRS與AMSR2分別剔除了1.56%,1.60%和1.42%的數(shù)據(jù)。

由2018年輻射計(jì)SST產(chǎn)品與APDRC Argo月均SST數(shù)據(jù)的年平均偏差空間分布(圖13)可知,2種輻射計(jì)數(shù)據(jù)在赤道、西風(fēng)帶、黑潮、大西洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流和灣流海域以及近岸海域標(biāo)準(zhǔn)差較大,在開(kāi)闊海域偏差較小具有一致性。近岸海域,紅外SST數(shù)據(jù)受到水汽和氣溶膠等復(fù)雜的大氣條件、較高的泥沙懸浮物含量以及海洋動(dòng)力因素的影響出現(xiàn)偏差[9],微波輻射計(jì)受到陸地射頻干擾,導(dǎo)致近岸SST數(shù)據(jù)偏差較大。

圖13 2018年輻射計(jì)SST產(chǎn)品與APDRC Argo月均SST數(shù)據(jù)的年平均偏差空間分布Fig.13 Annual mean difference between satellite monthly SST data and APDRC Argo data in 2018

由2018年VIIRS與AMSR2月均SST數(shù)據(jù)的年平均偏差分布圖(圖14)可知,平均偏差較大的地區(qū)主要分布在高緯度地區(qū)、西風(fēng)帶和近岸地區(qū)。在30°～60°S的海域,出現(xiàn)小于1℃的正偏差;在30°S～30°N的海域,除幾內(nèi)亞灣附近海域出現(xiàn)高于-0.50℃的負(fù)偏差外,其余海域均出現(xiàn)大于-0.50的負(fù)偏差,即AMSR2產(chǎn)品SST值略高于VIIRS;在30°～60°N的海域,除亞洲東岸、北美洲東岸海域出現(xiàn)-1℃左右的負(fù)偏差外,整體出現(xiàn)-0.50～0.50℃的偏差。數(shù)據(jù)間標(biāo)準(zhǔn)偏差在全球海域整體較小,在大部分開(kāi)闊海域,標(biāo)準(zhǔn)偏差在1℃以下,在極地、黑潮、西風(fēng)帶等海域標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。

圖14 2018年VIIRS與AMSR2月均SST數(shù)據(jù)的年平均偏差空間分布Fig.14 Annual mean difference in 2018 between monthly SST data from VIIRS and AMSR2

2018年月均SST數(shù)據(jù)交叉對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。VIIRS與APDRC Argo的平均偏差為負(fù)偏差,存在明顯的季節(jié)性變化,在-0.20～0℃之間波動(dòng),表明VIIRS月均SST低于APDRC Argo,標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.50～0.60℃波動(dòng);AMSR2與APDRC Argo的平均偏差均為正偏差,存在季節(jié)性變化,在0～0.15℃波動(dòng),表明AMSR2月均SST高于APDRC Argo月均SST,標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.40～0.52℃波動(dòng);VIIRS與AMSR2的平均偏差均為負(fù)偏差,在-0.23～-0.10℃波動(dòng),VIIRS與AMSR2的標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.30～0.41℃波動(dòng),低于與Argo數(shù)據(jù)對(duì)比的結(jié)果。

表5 2018年月均SST數(shù)據(jù)交叉對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 5 Comparison between different types of monthly mean SST data in 2018

2018年VIIRS全球月均SST與APDRC Argo相關(guān)系數(shù)為0.9983,AMSR2全球月均SST與APDRC Argo相關(guān)系數(shù)為0.9987,VIIRS和AMSR2 SST數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.9993,證明AMSR2與VIIRS的數(shù)據(jù)一致性較高(圖15)。

圖15 VIIRS、AMSR2和APDRC三種月均Argo SST數(shù)據(jù)交叉對(duì)比Fig.15 Cross-comparison of VIIRS,AMSR2 and APDRC Argo SST data

5 結(jié) 論

基于2018年的4種紅外輻射計(jì)(MODIS-Aqua,MODIS-Terra,VIIRS和AVHRR)和3種微波輻射計(jì)(AMSR2,WindSat和GMI)SST數(shù)據(jù),研究各衛(wèi)星SST數(shù)據(jù)的全球覆蓋情況,利用Argo實(shí)測(cè)溫度資料評(píng)估了7種星載輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)的產(chǎn)品精度,并以典型數(shù)據(jù)為例,開(kāi)展了紅外輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)、微波輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)和Argo數(shù)據(jù)的交叉比對(duì)研究,主要結(jié)論如下:

1)4種紅外輻射計(jì)白天的覆蓋率差異較大,其中VIIRS覆蓋率較高,MODIS-Aqua與MODIS-Terra覆蓋率基本一致;4種紅外輻射計(jì)白天的觀測(cè)范圍高于夜間,白天VIIRS的范圍最廣,夜間4種紅外輻射計(jì)的觀測(cè)范圍基本一致,主要集中在中低緯度海域以及大陸沿岸,極地觀測(cè)天數(shù)較少。3種微波輻射計(jì)的中的AMSR2與WindSat觀測(cè)范圍基本一致,GMI受到軌道傾角的限制,無(wú)法覆蓋到南北緯67°以外的區(qū)域;3種微波SST數(shù)據(jù)有效觀測(cè)天數(shù)主要集中在南北緯30～60°;AMSR2、GMI微波輻射計(jì)SST數(shù)據(jù)覆蓋率較穩(wěn)定,WindSat覆蓋率低且波動(dòng)較大,整體微波SST數(shù)據(jù)覆蓋率優(yōu)于紅外。

2)4種紅外SST數(shù)據(jù)平均偏差都為負(fù)偏差,表明紅外輻射計(jì)比Argo浮標(biāo)的觀測(cè)值低;VIIRS整體的精度評(píng)定結(jié)果較優(yōu),數(shù)據(jù)質(zhì)量較好;高緯度地區(qū)隨緯度變化波動(dòng)大,受黑潮、灣流和北大西洋暖流等影響,北半球的偏差大于南半球。3種微波輻射計(jì)中的AMSR2數(shù)據(jù)與Argo數(shù)據(jù)有0.16℃左右的正偏差,絕對(duì)偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和均方根誤差均優(yōu)于其他2個(gè)微波SST數(shù)據(jù);30°S～30°N為開(kāi)闊海域,相對(duì)于高緯度地區(qū)陸地少、無(wú)海冰,偏差隨緯度變化波動(dòng)較小;風(fēng)速在0～3 m/s時(shí)為負(fù)偏差,但隨著風(fēng)速的增加溫度偏差逐漸趨向0,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到5 m/s左右時(shí)溫度偏差最小,而隨著風(fēng)速的持續(xù)增強(qiáng),風(fēng)速大于13 m/s時(shí)與溫度偏差不再有線性關(guān)系;低水汽值SST偏差較大,偏差除低水汽值外基本不受影響。

3)VIIRS月均SST數(shù)據(jù)與APDRC Argo數(shù)據(jù)的平均偏差為-0.20～0℃,標(biāo)準(zhǔn)偏差均低于0.60℃;AMSR2月均SST數(shù)據(jù)與APDRC Argo數(shù)據(jù)的平均偏差為0～0.15℃,標(biāo)準(zhǔn)偏差低于0.52℃;VIIRS月均SST與AMSR2月均SST數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過(guò)0.41℃。2種輻射計(jì)與APDRC Argo數(shù)據(jù)相關(guān)性優(yōu)于0.99,一致性較好。