SMAP卫星海表盐度产品精度评定与全球海表盐度特征分析

牛 原，邱志伟，刘瑞翔，吴振宇，常宇佳，潘春天

(1.江苏海洋大学 海洋技术与测绘学院，江苏 连云港222005；2.江苏省海洋资源开发研究院，江苏 连云港 222005；3.连云港市气象局，江苏 连云港 222005)

0 引言

海表盐度(sea surface salinity,SSS)在全球水循环和气候系统中起着重要作用[1]，是研究海洋变化及其气候效应重要的物理量之一。获得海表盐度资料的方式有传统观测和卫星遥感[2-3]。传统观测资料依靠人工量测[4]或者通过浮标等观测平台获得，盐度资料精度较高，但数据覆盖面小，获取耗时耗力。遥感卫星的发展实现了海表盐度大范围观测[5-6]。Aquarius、SMOS和SMAP是3种可以提供海表盐度产品的遥感卫星，其中SMAP是目前在轨运行的、主要提供海表盐度产品的卫星[7]。

通过遥感卫星获取全球海表盐度数据已成为研究海洋的主要手段，因此开展卫星盐度产品的精度评估与偏差分析有重要的现实意义。国内外学者针对局部海域Aquarius、SMOS和SMAP等三种遥感卫星的海表盐度产品精度进行了评估[8-14]；对偏差原因进行分析，如TANG et al[15]认为SMAP卫星盐度数据在地中海区域受到较大的陆地射频干扰；分析盐度分布特征，如WU et al[16]利用SMAP卫星研究发现长江口附近海域的海表盐度较低，且具有明显的季节变化特征。本文对2018年SMAP卫星盐度产品进行月均、日均精度评定、偏差分析及全球盐度分布特征的研究，为遥感卫星盐度产品的应用提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源及处理

本文采用SMAP卫星海表盐度L3级日均和月均产品，时间为2018年1月—12月，数据来源于Remote Sensing System网站 (http:∥www.remss.com/)，分辨率均为0.25°×0.25°。

验证数据产品包括Argo实时散点盐度数据和月均网格化盐度产品，时间均为2018年1月—12月。其中Argo实时散点数据来自法国海洋开发研究院(Global Data Assembly Centre,GDAC)服务器(ftp:∥ftp.ifremer.fr/ifremer/argo/dac)，测量精度为±0.01[17-18]；月均网格化产品来自于中国Argo实时资料中心(http：∥www.argo.org.cn/)[19]，空间分辨率为1°×1°。以0～5 m深度内、数据质量正常(质量标记为1)的Argo盐度数据产品来评估SMAP卫星盐度产品精度[20]。用于检验SMAP日均产品精度的Argo共4个，其中3个位于太平洋海域，浮标ID分别为2901306、1901161和5902232；1个位于地中海海域，浮标ID为1900959。

1.2 技术流程

采用最近点、最近时匹配方法将SMAP卫星日均盐度产品与Argo实时散点数据进行时空匹配，匹配遵循1 d/0.25°的时空窗口。采用二维线性插值法将SMAP卫星月均盐度产品插值为1°×1°分辨率的数据产品，与Argo月均网格化产品进行时空匹配。为减少偏差，上述匹配均剔除异常数据，即Argo和SMAP盐度数据产品中海域范围内为空值的点。对SMAP日均和月均盐度产品进行精度评定、相关性检验和偏差分析，在此基础上分析全球海表盐度分布特征，具体流程见图1。

图1 技术流程图Fig.1 Technical flow chart

1.3 精度评定、相关性检验与偏差分析方法

精度评估指标有平均偏差BIAS、标准差STD和均方根误差RMSE，计算公式为：

(1)

(2)

(3)

式中：SSMAP表示SMAP卫星盐度数据产品；SArgo表示Argo盐度数据产品。

相关系数R表征SMAP卫星盐度数据产品与Argo盐度数据产品的相关性，R值越大，表明两者之间相关性越高；反之相关性越低。利用配对样本t检验法对相关性进行显著性检验。

(4)

(5)

文中偏差值为SMAP卫星盐度数据产品与 Argo 盐度数据产品的差值，用来衡量全球范围内SMAP卫星盐度数据产品的准确度。偏差越小，说明SMAP卫星盐度数据产品准确度越高，反之准确度越低。

2 结果与分析

2.1 月均盐度产品的精度评定

SMAP卫星月均盐度产品与Argo月均网格化盐度产品的匹配点数为31 718个，精度评定结果如表1所示，BIAS为0.11，RMSE为0.17，STD为 0.17。t检验发现，给定检验水准α=0.01，p值小于0.01,有显著统计学差异；R为0.98，说明SMAP卫星月均产品与Argo月均网格化盐度产品显著相关。2018年SMAP与Argo月均海表盐度产品散点图显示，数据总体趋势一致(图2)，表明SMAP卫星月均盐度产品与Argo月均网格化盐度产品的偏差较小，该数据产品的精度较高。

图2 2018年SMAP与Argo月均海表盐度产品散点对比图Fig.2 Comparison of monthly averaged sea surface salinity products between SMAP and Argo in 2018

表1 2018年SMAP月均海表盐度产品精度评定Tab.1 Accuracy assessment of monthly averaged sea surface salinity products of SMAP in 2018

分别对2018年1—12月各月份SMAP卫星盐度产品进行精度评定，结果见表2。BIAS在0.19～0.24之间，RMSE在0.30～0.53之间，STD在0.30～0.52 之间，R在0.92以上；其中1月和12月的BIAS、RMSE以及STD的值较其他月份明显偏大，而R值明显偏小。4月和5月盐度产品的RMSE、BIAS和STD相对于其他月份较低，R也超过了0.96。

图3为1—12月SMAP与Argo盐度产品散点图，可以看出各月份数据整体均趋于一致，其中1月和12月的数据较离散，5月和6月的数据较集中，与精度评定结果一致(表2)。从图3中还可以看出，在盐度为31.0～32.0和37.0～38.0的海域，SMAP数据产品离散程度较高，偏差较大。

图3 不同月份SMAP与Argo海表盐度产品散点对比图Fig.3 Comparison of sea surface salinity products between SMAP and Argo in different months

表2 不同月份SMAP卫星海表盐度精度评定Tab.2 Sea surface salinity accuracy assessment of SMAP in different months

对2018年各月份SMAP卫星和Argo月均盐度产品偏差进行分析可以看出，偏差在-1.0～1.0之间，靠近大陆、海岸和大河口的海域偏差较大，普遍在0.4以上；中纬度海域偏差较小；在赤道海域，9、10、11月相对于3、4、5月的偏差大；两极附近海域的盐度偏差较大，可达到1.0(图4)。

(a)1月

由图5可知，与Argo盐度产品相比，SMAP海表盐度产品的偏差在高纬度海域较大，在低纬度海域较小。

图5 2018年SMAP与Argo全球海表盐度偏差随纬度变化图Fig.5 Deviation changes of global sea surface salinity with latitude between SMAP and Argo in 2018

2.2 日均盐度产品精度评定

SMAP卫星日均产品的精度评定结果如表3所示，BIAS为0.23，RMSE为0.28，STD为0.26，R为0.81，2018年SMAP与Argo日均海表盐度产品散点图显示，数据总体趋势一致(图6)。

图6 2018年SMAP与Argo日均海表盐度产品散点对比图Fig.6 Comparison of daily averaged sea surface salinity products between SMAP and Argo in 2018

表3 2018年SMAP日均海表盐度产品精度评定Tab.3 Accuracy assessment of daily averaged sea surface salinity products of SMAP in 2018

对太平洋海域SMAP日均海表盐度产品和Argo盐度产品进行比较可知，两种数据产品的海表盐度均集中在33.6～35.6之间，整体变化趋势一致(图7a)；SMAP日均盐度产品精度偏差在-0.6～0.6之间，其中4—9月偏差较其他月份大(图7b)。

图7 太平洋海域SMAP与Argo日均海表盐度产品对比图Fig.7 Comparison of daily average sea surface salinity products between SMAP and Argo in the Pacific Ocean

考虑到地中海特殊的地理位置，对2018年地中海SMAP和Argo日均海表盐度产品进行比较可知，两种数据产品的海表盐度均集中在37.5～40.5之间，整体变化趋势一致(图8a)；SMAP日均盐度产品精度偏差在-1.5～1.0之间，除6月外，其他月份盐度偏差较大(图8b)。

图8 地中海SMAP与Argo日均海表盐度产品对比图Fig.8 Comparison chart of daily average sea surface salinity products between SMAP and Argo in the Mediterranean

2.3 全球海表盐度特征分析

从图9可以看出，全球海表盐度分布在25.0～40.0之间，其中大部分海域海表盐度在35.0左右。

从大洋分布来看，大西洋海表盐度普遍高于太平洋和印度洋，且各大洋海表盐度空间分布不均匀。在印度洋北部、北太平洋西部等大洋边缘的近岸、大河口、海湾等海域呈现明显的低盐；各大洋靠近两极的海域海表盐度也较低。海表盐度的最高值多出现在一些海盆中，如红海和地中海。

从纬度分布来看，全球海表盐度具有明显的沿纬度方向呈带状分布特征(图10)。南、北半球中低纬海域海表盐度呈明显的高值带状分布；赤道海域海表盐度呈低值带状分布。从高纬到低纬，在南半球海表盐度呈先增大后变小的趋势；在北半球海表盐度呈先变小后增大再变小的趋势，在40°N附近，盐度达到最小值，分布规律和图9一致。

图9 SMAP卫星2018年全球海表盐度分布图Fig.9 Global sea surface salinity distribution map of SMAP in 2018

图10 2018年SMAP全球海表盐度随纬度变化图Fig.10 Global sea surface salinity changes with latitude of SMAP in 2018

3 结论

本文以Argo盐度数据产品作为验证，对2018年SMAP卫星日均和月均海表盐度产品进行精度评定，计算全球海表各月份盐度数据偏差并分析盐度的分布特征，得到如下结果：

(1)SMAP卫星月均海表盐度产品的精度值：RMSE为0.17，BIAS为0.11，STD为0.17，R=0.98，各月份精度值为BIAS在0.19～0.24之间，RMSE在0.30～0.54之间，STD在0.30～0.53之间，R在0.92以上。总体上SMAP卫星月均海表盐度产品精度良好，但低盐区(31.0～32.0)和高盐区(37.0～38.0)数据偏差较大。

(2)SMAP卫星日均海表盐度产品的精度值：RMSE为0.28，BIAS为0.23，STD为0.26，R=0.81，偏差较月均产品大。其中，太平洋海域SMAP日均盐度产品的偏差在-0.6～0.6之间，地中海海域偏差在-1.5～1.0之间。

(3)全球海表盐度在25.0～40.0之间，盐度低值多位于大洋边缘近岸海域，盐度高值多位于地中海等海盆海域。从大洋盐度分布来看，大西洋海表盐度普遍高于太平洋和印度洋，且各大洋海表盐度空间分布不均匀。从高纬到低纬，南半球海表盐度呈先增大后变小的趋势；北半球海表盐度呈先变小后增大再变小的趋势；全球海表盐度具有明显的沿纬度方向带状分布的特征。