微波辐射计反演海表面温度和风场研究进展

朱恩泽，周俊浩，彭 洋（.解放军理工大学气象海洋学院，0；.解放军95455部队气象台，563000）



微波辐射计反演海表面温度和风场研究进展

朱恩泽1，周俊浩1，彭 洋2
（1.解放军理工大学气象海洋学院，211101；2.解放军95455部队气象台，563000）

摘要：海表面温度（SST）和海面风场是重要的海面气象水文参数，与海面的大部分物理过程关系密切。卫星遥感探测技术可以同时获得全球范围内的海表面温度和海面风场数据。其中，微波辐射计遥感海表面温度和风场具有不受云层遮挡的优势，本文就其发展过程作简要介绍。

关键词：海表面温度；海面风场；微波辐射计；反演；研究进展

0　引言

海表面温度（sea surface temperature，SST）影响着海气之间的动量、热量以及水汽交换过程，是大气和海洋学研究中的重要参数。海表面温度是构建天气和气候预测模型的外强迫项，其对于气候变化的研究有着重要意义。海表面风场是研究海浪、海气边界层、海洋水团、海气相互作用以及海洋循环的重要因素，是形成海洋环流和海浪的主要和直接的动力，起着调节海洋和大气间热通量、水汽通量的作用，与全球气候变化、全球环境、海洋军事发展以及海洋航行安全等有着密切关系。海面风场在研究地区和全球天气与气候变化中有着重要意义。随着卫星遥感技术的发展，获取全球范围内具有空间和时间连续性的海表面温度和风场数据成为了可能。卫星测量SST和海面风场的手段主要包括红外遥感和微波遥感。红外遥感主要基于分裂窗技术。相对于微波遥感手段而言，红外遥感具有较高的空间分辨率，但是其易受大气状况尤其是云层遮挡的影响，影响着反演的精度或造成反演的空白；微波遥感可以提供全天候条件下的测量，能在一定程度上克服云等因素的干扰，具有独特的优势。

1　卫星遥感原理

卫星微波遥感有主动和被动方式之分。主动微波遥感的传感器主要有雷达高度计、微波散射计以及合成孔径雷达等，它们通过发射电磁波获取海面反馈信息进行要素反演。主动微波遥感器探测要素较少，频率比较单一，而且功耗较大。被动微波遥感的典型传感器是微波辐射计（radiometer），它不发射电磁波，只接受来自目标物的微波辐射信号，从中提取目标物的信息。微波辐射计能够探测海面风场、海面温度、海冰面积、降水强度、大气水汽含量、云中液态水含量等海面环境参数。传统微波辐射计只能测量第一和第二Stokes参数，而极化微波辐射计还能够测量第三和第四Stokes参数。多极化微波辐射计能够测量三个Stokes参数，为全极化微波辐射计能够测量所有四个Stokes参数。

2　微波辐射计反演海表面温度研究进展

自1962年美国发射装载2通道微波辐射计的卫星“水手2号”（Mariner-2）之后，美国、苏联、日本、印度以及欧洲一些国家先后发射了载有微波辐射计的对地观测卫星。1972年12月美国发射雨云5号（Nimbus-5）卫星，搭载多通道扫描微波辐射计（Scanning Multichannel Microwave Radiometer，SMMR）。1987年 开 始，美国陆续发射了国防气象系列卫星（Defense Mtetorological Satellite Program，DMSP），其中的F8星搭载了专用微波辐射成像仪（Special Sensor Microwave Imager， SSM/I）。由于这些早期的微波辐射计精度较差，同时缺少适合反演海表面温度的低频通道，所以它们的观测结果无法达到实际应用需要的精度标准。1997年，美国NASA和日本NASDA联合研制了热带降雨测量卫星（Tropical Rainfall Measuring Mission，TRMM）搭载微波辐射成像仪（TRMM Microwave Imager， TMI），其拥有10.7GHz的低频通道，成为第一个能够较准确测量海温的星载微波辐射计，但是它的观测范围为仅为40°S～40°N。2002年5月，美国发射Aqua卫星，搭载先进微波扫描辐射计（Advanced Microwave Scanning Radiometer，AMSR-E），AMSR-E是第一个能准确观测全球海温的微波辐射计，它拥有比TMI更低的6.9 GHz通道，对海温的观测精度更高。2011年，AMSR-E停止运行，一年之后，同一系列的微波辐射计AMSR-2传感器搭载日本发射的GCOM-W1卫星升空，接替AMSR-E执行对地观测任务。2003年1月，美国成功发射Coriolis卫星，搭载全球第一颗星载全极化微波辐射计WindSat，其拥有与AMSR-E相近的6.8 GHz频段，虽然它的主要任务是观测海面风场，但是也有着较高的海温测量精度。

目前在轨的能够提供海表面温度测量的典型的微波辐射计主要有多波段微波辐射成像仪TRMM（Microwave Imager，TMI），专用微波辐射成像仪SSMI/S（Special SensorMicrowave Imager/ Sounder），风微波辐射计WindSat，先进微波扫描辐射计AMSR-2（AdvancedMicrowave Scanning Radiometer 2），以及全球降水测量卫星（Global Precipitation Measurement，GPM）卫星上搭载的微波成像仪GMI（GPM Microwave Imager）传感器。

我国的星载微波辐射计研制工作起步较晚。2008年首次发射的风云三号系列卫星搭载了微波成像仪MWRI，成为我国星载微波辐射计的开端。2011年8月，海洋2号（HY-2A）卫星发射升空，搭载了微波辐射计，其海面温度测量精度达到1 K。

3　微波辐射计反演海表面风场研究进展

微波辐射计测量海表面风速的历史很久。1978年6月美国发射海洋一号卫星（SeaSAT-A），搭载的多通道微波扫描辐射计SMMR能够遥感海面风速信息（Njoku E G，1980）。从此，星载微波辐射计成为测量海面风速的主要方法之一。1987年美国发射的国防气象卫星DMSP搭载特种微波辐射计SSM/I，它能够提供稳定的海面风速反演产品。1997年11月，微波成像仪TMI搭载热带降水测量卫星TRMM发射升空，它能够提供全天候的海面风速观测结果。2002年高级微波扫描辐射计AMSR-E搭载于Aqua卫星发射升空，能够获取全球范围的海表面风速信息。2012年5月，高级微波扫描辐射计2型AMSR2发射升空，接替AMSR-E的观测任务。2011年8月，我国第一颗海洋动力环境卫星海洋2号（HY-2A）发射升空，其搭载的扫描微波辐射计可获取海面风速信息。

传统的微波辐射计可以反演海面风速，但是无法获取海面风向信息。理论研究及实验结果表明，目标辐射的第三Stokes参数不为零，并且呈周期性变化。研究证明用前三个Stokes参数可以反演出海面风速和风向，如果使用第四个Stokes参数，还可以不受法拉第旋转的影响。因此，在陆基和机载实验完成后，星载极化辐射计的研制工作逐步展开。2003年1月，美国美国国家海军研究实验室和海军空间技术中心共同研制的全球第一颗星载全极化微波辐射计WindSat搭载Coriolis卫星发射升空，标志着微波辐射计的发展进入了新的时代，它能够同时获取全部4个Stokes参数，成为首个既能测量海面风速又能测量海面风向的星载辐射计。

4　总结

经过半个世纪的发展，微波辐射计观测海表面温度和风场的技术已经比较成熟，不受云层影响的优势使微波辐射计资料成为资料融合的重要源数据。全极化微波辐射计的出现使得同时测量海面风速和风向成为可能。我国星载微波辐射计的发展相对滞后，但已经取得一定成果。总的来看，微波辐射计有着广阔的发展前景。

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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