基于统计学方法遥感卫星西北太平洋海表 温盐精度分析与特征研究

张林科，豆靖林*，牛 原

（1.河南省有色金属地质矿产局第一地质大队，河南 郑州 450016；2.江苏海洋大学海洋技术与测绘学院，江苏 连云港 222005）

海表盐度（Sea Surface Salinity，SSS）和海表温度（Sea Surface Temperature，SST）对于海洋动力学及其相关研究具有重要意义，关系着整个海洋的未来发展。对于海表温盐的现场观测主要采用浮标、观测船或平台等手段，虽然观测精度较高，但是无法实现全天时、大范围观测，存在明显的技术短板。遥感卫星的大力发展为大范围观测海表温盐提供了可能性，但是遥感卫星观测的海表温盐产品质量精度有待检验和分析。

针对遥感卫星获取的海表温盐产品质量的评估，国内外学者进行了很多相关研究。TSUTOMU H等[1]评估了来自AMSR-2（Advanced Microwave Scanning Radiometer-2）的海面温度数据，从与浮标资料的比较来看，平均偏差为0.21°C，均方根误差为0.49 °C。RATHEESH S等[2]通过比较SMOS（Soil Moisture and Ocean Salinity）和Argo浮标数据，发现SMOS卫星的海表盐度产品质量良好，均方根误差为0.36 psu。在赤道印度洋和南印度洋，SMOS卫星的SSS数据质量较好，而阿拉伯海和孟加拉湾的数据质量较差，可能是由于陆地污染和强风造成的SSS反演误差所致。SMOS卫星任务是远程探测陆地上的土壤湿度和海洋表面的盐度[3-4]。HIROTO A[5]等将水瓶座观测到的海面盐度与Argo浮标进行了比较，以评估卫星SSS数据的质量，相对于Argo盐度而言，均方根误差在0.41～0.52 psu之间。FOURNIER S等[6]在 北 冰洋基于船舶现场观测盐度对SMAP（Soil Moisture Active Passive）卫星盐度数据进行研究，结果表明盐度偏差随着海水温度的升高而变大。BAO S等[7]利用浮标观测数据对Aquarius、SMOS和SMAP三种遥感卫星产品的精度进行了评估，研究表明Aquarius遥感卫星月平均海表盐度产品质量最好，SMOS和SMAP在开阔海域40°S—40°N与现场实测数据吻合较好。TANG W等[8]利用Argo浮标等仪器对SMAP遥感卫星数据进行了分析，实验表明SMAP遥感卫星盐度数据在地中海区域受到较大干扰，主要来自陆地射频干扰（Radio Frequency Interference，RFI）和土地污染。王素娟等[9]对FY-3C海表温度产品及质量进行检验，结果表明质量等级为优的海表温度数据，白天和夜间的平均偏差分别为-0.181°C和-0.061°C，均方根误差分别为0.851°C和0.81°C。王新新等[10]采用 Argo 浮标数据评估了 Aquarius遥感卫星 L2级海表盐度产品在中国南海的精度，结果表明Aquarius遥感卫星数据在南海的精度为0.62 psu 。之后王新新等[11]对SMOS卫星数据在中国近海岸的准确度进行评估，结果表明SMOS卫星盐度数据在南海的均方根误差为1.2 psu。黄明海等[12]通过Argo浮标数据验证Aquarius卫星海表盐度遥感产品数据在不同大洋的精度，结果表明L3级产品较L2级产品精度有很大提升。李永虹等[13]对南海区域Aquarius遥感卫星海表盐度V4产品精度进行探讨，发现Aquarius遥感卫星海表盐度V4产品与走航及Argo盐度的均方根误差分别为0.47 psu和0.73 psu，V4产品整体表现优于V3版本。路泽廷等[14]对SMOS卫星海表盐度不同级别产品进行精度分析，结果表明与 Argo实测数据相比平均偏差为-0.028 psu。曹凯翔等[15]基于Argo实测数据比较了SMAP遥感卫星与SMOS遥感卫星海表盐度产品的质量，结果表明两者日均、月均产品的空间分布特征一致，全球范围内平均偏差在±0.5 psu之间，标准差为0 ～ 1 psu。王艺晴等[16]比较了SMAP卫星海表盐度产品在西太平洋区域的精度，结果表明两者之间具有极显著的正相关关系。

目前，传统温盐测量无法满足科研、工作等需求，通过遥感卫星观测海表温盐成为未来数据获取的一种趋势，而对于遥感卫星海表温盐产品质量精度的研究相对较少，故开展遥感卫星海表温盐产品质量评估与分析工作意义非凡。

1 数据与方法

1.1 研究区域

本文选取的研究区域位于太平洋西北部（128°E—160°E，10°N—30°N），临近中国东海海域，北邻日本领土，向南靠近菲律宾海，横跨北回归线，气候特征显著，在海洋研究上具有重要地位。由于遥感卫星观测会受到陆地RFI的影响，所以研究海域尽量远离陆地，以保证温盐数据的观测精度。实验所用到的Argo浮标ID为2902703（132.26°E，16.13°N）和2902983（149.83°E，27.42°N），以提供每日温盐数据。

1.2 实验数据

本文采用的海表盐度数据来源于美国宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）SMAP遥感卫星，该卫星于2015年1月31日在美国发射，搭载了直径为6 m的大孔径反射式天线的双极化L波段微波辐射计，卫星对地观测的刈幅约为1 000 km[17]。SMAP遥感卫星主要任务是进行土壤湿度方面的研究，但其搭载L波段微波辐射计能够获得海表盐度产品。实验所用数据级别为L3级，包括月平均和8日平均海表盐度网格产品，分辨率为25 km×25 km，海表温度数据来源于AMSR和MODIS（Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer）多传感器卫星，采用微波和红外技术，分辨率为9 km×9 km，数据来源于Remote Sensing System网 站（http://www.remss.com/）。为了检验遥感卫星温度产品的质量，选取Argo浮标温盐数据作为验证数据。本文所用到的Argo浮标每日温盐数据来自法国海洋开发研究院的GDAC服务器（ftp://ftp.ifremer.fr/ifremer/argo/dac），月平均海表盐度产品来自中国Argo实时资料中心（http://www.argo.org.cn/）[18]，空间分辨率为1°×1°，深度为最接近海面5 m处的数据,研究时间跨度为2018年1月至12月。Argo 是专用于海洋次表层温、盐、深剖面测量的浮标。Argo 计划的观测目标是快速、准确、大范围地收集精度分别为 0.5℃和 0.01 psu的海水温盐资料[19-20]。尽管Argo浮标测量的是海表面到2 000 m深的剖面SSS数据，仍可用Argo浮标的最表层盐度数据来评估遥感卫星SSS数据产品质量[21]。

1.3 技术流程

技术流程如图1所示。首先将下载好的遥感卫星温盐产品与Argo浮标温盐产品进行时空匹配，研究区域存在一些大小不一的海岛，需要将这些位置的观测值剔除，以减小误差。进行月平均海表盐度产品检验时，为了保证遥感卫星海表盐度产品与Argo网格海表盐度产品空间分辨率一致，故对遥感卫星海表盐度产品进行线性插值，将0.25°×0.25°插值1°×1°网格分辨率，以便于后续实验；对于每日海表温盐数据的时空匹配的处理，采用最近点、最近时匹配法，遵循最大空间匹配半径不超过0.25°，时间匹配不超过24 h，以保证检测结果的准确性。然后将处理好的海表温盐数据采用最小二乘线性回归法进行评估，对遥感卫星海表温盐产品的质量精度及相关性进行检验。最后对西北太平洋海域遥感卫星海表温盐产品的精度误差及时空分布特征进行研究分析。

图 1 技术流程图

1.4 质量评定方法

对于遥感卫星海表温盐产品的评估方法主要是采用统计学中的最小二乘线性回归法，即

式中，Yst和Ast分别为遥感卫星温盐数据和Argo温盐数据。通过最小二乘线性回归方程计算相关系数R来评估Argo温盐数据与遥感卫星温盐数据的相关性。遥感卫星海表温盐和Argo实测温盐数据相关的程度取决于相关系数R值，R值越大，说明两者之间越相关；反之相关程度越低。使用平均偏差和均方根误差来评估遥感卫星温盐与Argo实测温盐数据之间的偏差和遥感卫星温盐的精度，计算公式如下。

式中，n代表样本点总数；BIAS为平均偏差；RMSE为均方根误差。

2 结果与分析

2.1 遥感卫星温盐产品评估与分析

对2018年SMAP遥感卫星海表盐度数据进行年平均处理，然后与Argo年平均海表盐度数据进行比对，结果表明（图2），年平均海表盐度平均偏差为0.088 psu，均方根误差为0.113 psu，且两者总体趋势一致，相关系数R为0.978。图3表示SMAP遥感卫星年平均海表盐度偏差分布图，可以看出偏差在-0.3～0.1 psu之间，且在西北部偏差较大，达到-0.3 psu，可能与陆地RFI的影响有关。图4是2018年4月SMAP遥感卫星月平均海表盐度产品和Argo月平均海表盐度产品散点对比图，其中平均偏差为0.103 psu，均方根误差为0.131 psu，相关系数为0.952。从月平均海表盐度偏差图（图5）来看，偏差在-0.3 ～ 0.2 psu之间，从图中海表盐度的偏差分布来看，在（15°N，135°E）附近海表盐度偏差较大，可能和涡旋、洋流等海水的活动有关，造成了海面粗糙度的变化，从而影响了SMAP卫星亮温的观测。相对来说，年平均海表盐度数据精度更高，偏差更小。且盐度偏差也可能是由海水介电常数、校正算法、反演算法选取等因素引起的。

图 2 SMAP与Argo年平均海表盐度产品散点对比图

图 3 SMAP与Argo年平均海表盐度偏差图

图 4 SMAP与Argo月均海表盐度产品散点对比图

图 5 SMAP与Argo月均海表盐度偏差图

为了验证西太平洋海域不同季节SMAP遥感卫星海表盐度数据产品的精度，分别对不同季节海表盐度进行质量评定。结果如表1所示，SMAP遥感卫星海表盐度产品春、秋两季优于夏、冬两季，偏差较小。因为夏、冬两季的海水蒸发量与降水量较春、秋两季变化量大，降低了亮温观测的敏感度，所以影响了遥感卫星海表盐度的反演，导致数据产品的误差变大。图6为不同季节SMAP卫星与Argo海表盐度产品散点对比图，从图中可以看出SMAP卫星盐度数据与Argo盐度数据整体上趋于一致，具有正相关性。且春、秋两季的散点数据更靠近于拟合线，数据质量更好。

表1 不同季节西太平洋海域SMAP遥感卫星海表盐度 精度评定

图6 西北太平洋海域不同季节SMAP与Argo海表盐度产品散点对比图

图7是西北太平洋海域不同季节SMAP与Argo海表盐度数据偏差分布图，可以看出春、夏、秋、冬四季偏差基本集中在±0.2 psu以内，但是在靠近日本的西北角偏差较大，一度达到-0.5 psu，考虑到可能是受陆地RFI的影响导致卫星观测的误差。冬季偏差较大，其中在（17°N，150°E）附近海域偏差较明显，考虑是受到涡旋活动的影响。秋季西北部海域偏差较大，除了考虑陆地RFI的影响，涡旋、海流等活动也可能是主要影响因素。

图7 西北太平洋海域不同季节SMAP与Argo海表盐度产品偏差分布图

选取Argo浮标每日散点数据来验证SMAP遥感卫星8日平均海表盐度产品质量，日平均海表盐度平均偏差为0.113 psu，均方根误差为0.147 psu，相关系数为0.778。图8、图9表示SMAP卫星和Argo每日海表盐度时序变化和偏差，可以看出2018年SMAP卫星每日海表盐度和Argo实测盐度整体趋势一致，除了8月以外，整体误差较小，约在±0.2 psu以内。夏季相对于其他季节来看，SMAP海表盐度偏差较大，在0.2 psu以上。8月份偏差甚至超过0.4 psu，可能是由于夏季海水蒸发量大，加上海水的活动频繁，影响了L波段亮温的观测，导致了SMAP卫星海表盐度反演误差增大。

图8 西北太平洋海域SMAP卫星和Argo每日海表盐度时序变化及偏差图（ID:2902703）

图9 西北太平洋海域SMAP卫星和Argo每日海表盐度时序变化及偏差图（ID: 2902983）

SMAP卫星海表盐度数据与 Argo浮标海表盐度数据存在偏差的原因：（1）SMAP卫星会受到宇宙背景辐射、大气辐射、降水蒸发和海面风浪等因素的影响，降低亮温观测的敏感度，进而影响海表盐度的反演；（2）在靠近海岸、港口等海域也会受到陆地RFI的影响，从而造成海表盐度反演的误差；（3）SMAP卫星和Argo浮标观测数据处理方式的不同，Argo浮标观测的海表盐度为单点瞬时值，而 SMAP卫星海表盐度数据多是插值平均处理的网格化产品；（4）SMAP卫星和Argo浮标观测深度的不同，Argo浮标观测的是海表面下几米深度的海表盐度，而SMAP卫星观测的是海表面下几厘米深度的海表盐度； (5) SMAP卫星的盐度反演方法为半经验反演算法，算法上还有待优化。

遥感卫星每日海表温度产品是通过微波和红外技术联合观测获得，空间分辨率较高，海表温度日均产品均方根误差为0.221 °C，平均偏差为0.18 °C，相关系数为0.956。通过与Argo浮标实测海表温度的比对，得到结果如图10和图11所示。从图10（a）、图11（a）中可以看出，西北太平洋海域海表盐度随季节变化较为明显，夏季海表温度高，冬季海表温度低。通过对2018年1—12月的海表温度时序变化进行分析，可以看出遥感卫星和Argo观测的海表温度整体上趋于一致。从图10（b）、图11（b）中可以看出海表温度偏差基本集中在±0.4 psu之间，5月和6月偏差较小，3月和12月偏差较大。造成海表温度存在偏差的原因除了遥感卫星和Argo浮标观测数据处理方式的不同和观测深度的不同以外，主要还是与遥感卫星的观测容易受到大气、海面状况和电磁波等海—气、海—陆复杂因素的干扰有关。

图10 西北太平洋海域遥感卫星和Argo每日海表温度时序变化及偏差图（ID:2902703）

图11 西北太平洋海域遥感卫星和Argo每日海表温度时序变化及偏差图（ID: 2902983）

2.2 遥感卫星温盐时空特征分析

通过对遥感卫星的海表温盐产品进行对比验证，发现遥感卫星大范围观测温盐是可行的，且质量精度较高，故本节主要是对遥感卫星的海表温盐时空分布特征进行分析。图12是西北太平洋海域海表盐度分布图，可以看出海表盐度在32.5～35.5 psu，具有明显的纬度分布特征，随着纬度的增高，海表盐度也随之增大，且在25°N—30°N，海表盐度自东向西依次变大，形成高盐度带。在10°N—15°N，海表盐度相对较低，形成低盐度带。图13表示海表盐度随纬度变化图，可以看出随着纬度的增加，海表盐度有向上递增趋势，但在19°N附近海表盐度有明显下降，可能与涡旋的运动有关。图14表示西北太平洋海域遥感卫星海表温度分布图，可以看出海表温度在26～30°C，低纬度海域海表温度高于高纬度海表温度。在（22°N，132°E）附近海域，出现了涡旋状低盐区，其海表盐度明显低于周围区域1～2°C，很可能是冷涡活动造成的。而在（20°N，150°E）附近海域，海表温度普遍较高达到30°C，可能是受到暖涡活动的影响，导致局部海表温度的升高。为了量化海表温度与纬度变化的关系，对海表温度的纬度分布特征进行分析（图15），可以看出海表温度与纬度成相反关系，随着纬度的升高，海表温度降低，纬度分布特征显著。综合来看，纬度相差20°，海表盐度相差2 psu左右，海表温度相差3°C，海表温度较海表盐度随纬度变化幅度明显。

图 12 西北太平洋海域遥感卫星海表盐度分布图

图 13 西北太平洋海域遥感卫星海表盐度随纬度变化图

图 14 西北太平洋海域遥感卫星海表温度分布图

图 15 西北太平洋海域遥感卫星海表温度随纬度变化图

3 结 论

本文以Argo浮标现场观测数据作为验证依据，基于统计学上的最小二乘线性回归法对西北太平洋海域遥感卫星的海表温盐产品进行质量评估，并对其偏差进行了分析，最后研究了西北太平洋海域海表温盐时空分布特征，得出如下结论。

（1）在西北太平洋海域，SMAP遥感卫星年平均、月平均、8日平均海表盐度产品均方根误差分别为0.113 psu、0.131 psu、0.147 psu，平均偏差分别为0.088 psu、0.103 psu、0.113 psu，相关系数分别为0.978、0.952、0.778。从结果来看，遥感卫星海表盐度产品精度较高，具有正相关性。通过对海表盐度偏差进行分析，发现年平均海表盐度数据偏差较小，且偏差原因主要是遥感卫星和

Argo浮标观测数据处理方式的不同和观测深度的不同，以及宇宙背景辐射、大气辐射、降水蒸发、海面风浪和陆地RFI等复杂因素的干扰有关。

（2）遥感卫星海表温度日均产品均方根误差为0.221 °C，平均偏差为0.18 °C，相关系数为0.956。通过对2018年1—12月的海表温度时序变化进行分析，可以看出遥感卫星和Argo观测的海表盐度整体上趋于一致，夏季海表温度高，冬季海表温度低，具有季节变化特征。数据上遥感卫星海表温度除个别月份偏差超过0.4°C以外，大部分偏差在±0.4°C之间，5月、6月偏差较小，3月、12月偏差较大。造成海表温度存在偏差的原因主要还是与遥感卫星的观测容易受到大气、海面状况和电磁波等海—气、海—陆复杂因素的干扰有关。

（3）从西北太平洋海域海表温盐分布来看，海表盐度大多集中在32.5～35.5 psu，海表温度在26～30°C，且具有明显的纬度分布特征，随着纬度的增高，海表盐度随之增大，海表温度随之减小。受到冷暖涡的影响，会造成海表温盐的异常变化以及明显的涡旋状分布。