AQUA衛星的MODIS和AMSR-E反演的印度洋北部海域海表溫度特征對比分析

霍文娟 ，韓震 ，2

（1.上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306；2.大洋漁業資源可持續開發教育部重點實驗室，上海 201306）

海洋表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）作為一個重要的海洋環境參數，它在海洋動力學、海氣相互作用和污染監測等方面都有著廣泛的應用。衛星遙感技術是測定海洋表面溫度的有效手段之一，其方法包括熱紅外遙感和被動微波遙感。國內外有許多學者對熱紅外和微波遙感反演的SST特征進行過比較研究。2006年，Hosoda等（2006）比較了位于ADEOS-II衛星上的紅外輻射計和微波輻射計獲得的SST數據的不同特征，發現兩者的差異不僅隨著地理位置變化，同時還受到水蒸氣、衛星天頂角及海洋表面風的影響；2007年，殷曉斌等（2007）從大氣狀況、海面風速、測量深度等方面比較了紅外輻射計和微波輻射計測量海表面溫度時的差異，發現熱紅外遙感不受太陽高度角和海面風速的影響，而微波的穿透性使其不易受大氣因素的影響；Qiu等（2009）以中國南海北部為研究區域，通過浮標實測SST數據對AVHRR和TMI觀測的SST數據進行了驗證，并與AVHRR和TMI的SST觀測值進行了比較，研究結果表明TMI SST反演的效果較好，而云量的季節性變化造成AVHRR SST反演精度的變化。綜上，目前已進入業務化階段的熱紅外遙感和微波遙感海洋表面溫度仍存在一定的缺陷，熱紅外遙感海洋表面溫度產品仍在很大程度上受到天氣條件的制約，而微波遙感雖然可以實現全天候觀測，但在近岸海區受陸地信號干擾無法獲得準確的觀測值，因而，將多源衛星遙感海洋表面溫度數據進行融合，獲取高分辨率全天候的近實時海洋表面溫度產品是目前研究熱點之一。在進行數據融合前，需先對多源遙感數據進行偏差校正，不同數據之間的差異以及校正方法的選擇成為影響產品精度的關鍵因素（鄭金武 等，2008；Richard et al，1993；1994）。搭載于同一衛星的不同傳感器，由于其成像時間和觀測區域具有一致性，越來越受到研究者的關注（Lei et al，2004；Sakaida et al，2009）。因此，本文以印度洋北部海域為研究區域，利用Aqua衛星上的AMSR -E（ Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System）亮溫數據和MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）熱紅外波段的數據，進行了海表面溫度反演，然后從地理位置、溫度曲線和反演精度3個方面對MODIS和AMSR-E對海表溫度的不同響應特征進行了分析，為綜合利用同一衛星上的多源數據提供參考。

1 數據

本文所用遙感數據為2010年1月NASA/AQUA衛星上AMSR-E L2A數據和MODIS L1b數據，作為同一顆衛星上的不同傳感器觀測同一區域時，其成像時間和大氣傳輸路徑基本相同，而同步實測數據，則采用全球海洋數據同化實驗室（Global Ocean Data Assimilation Experiment）http：//www.usgodae.org/）發布的實測海表溫度數據集SFCOBS-GHRSST來建立匹配數據點，共選取200個匹配點，其中100個點作為建立SST反演模型的數據集，其余100個實測點對比分析，匹配點的選取原則是緯度相同，經度鄰域范圍小于等于0.01°×0.01°；匹配時間窗為12h。匹配點分布見圖1。

圖1 研究區域與實測數據匹配點分布

2 技術方法

為了更好地比較熱紅外波段與微波波段對SST的不同響應特征，在進行比較前，分別利用MODIS數據和AMSR-E數據進行海表溫度反演。對于反演算法，均采用多元線性回歸，建立通道亮溫與海表溫度之間的線性方程。由于MODIS傳感器和AMSR-E傳感器位于同一顆衛星（AQUA）上，其成像時間幾乎是同步的（時間差小于10 min），但其空間分辨率存在很大的差異，對于本文SST反演所用波段，AMSR-E的空間分辨率為38 km，MODIS的空間分辨率為1 km，因此，需將兩種不同的遙感數據進行配準，并對MODIS SST進行重采樣，使其空間分辨率與AMSR-E一致。

2.1 MODIS SST定量反演

利用MODIS L1B數據進行SST反演前需進行的數據預處理包括地理定標、消除“蝴蝶結”效應、輻射定標、陸地掩膜和云檢測。MODIS SST定量反演公式如（1）式所示，公式系數由T32和（T32-T31）兩個遙感參數與實測SST作為輸入量，進行多元線性回歸得到（陳宏 等，2009；張春桂等，2009）。

式中：SST為海表面溫度，T31和T32是31波段和32波段的亮度溫度。

2.2 AMSR-E SST定量反演

對于AMSR-E L2A數據，在相關性分析的基礎上，選擇對溫度的敏感度較高且空間分辨率一致的18.7 GHz、23.8 GHz和36.5 GHz 3個頻率的雙極化通道亮溫數據。AMSR-E數據預處理內容包括地理定標、亮溫數據定標、陸地掩膜。AMSR-E SST定量反演公式如式（2）所示，公式系數由18.7 GHz、23.8 GHz與36.5 GHz 3個頻率的雙極化通道亮溫和實測SST作為輸入參數進行多元線性回歸得到。

式中：SST為海表面溫度，T18.7H、T18.7V、T23.8H、T23.8V、T36.5H、T36.5V分 別 是 18.7 GHz、23.8 GHz 和36.5 GHz的水平極化亮溫和垂直極化亮溫。

3 結果與分析

為了比較以上MODIS SST和AMSR-E SST的差異，本文首先對MODIS SST與AMSR-E SST進行空間配準，然后將MODIS SST減去AMSR-E SST得到其差值DSST，結果如圖2所示。最后分別從地理位置、溫度曲線和反演精度3個方面進行對比分析。

圖2 MODIS SST與AMSR-E SST的差值圖

3.1 地理位置

如圖2所示，在北緯7°～9°之間，MODIS SST和AMSR-E SST之間存在一條明顯的等值線，以此等值線為分界線（圖2）。位于等值線以北的較高緯度地區，MODIS反演得到的海表溫度值略高于AMSR-E，這是因為在較高緯度地區，大氣中水汽含量較低，而在低水汽含量條件下，通常紅外SST反演值要高于微波SST反演值（Ricciardulli et al，2004）。而位于等值線以南的較低緯度地區，由于大氣中水汽與氣溶膠含量增加，二者的吸收作用使得MODIS SST反演值降低，而這兩者對AMSR-E SST的影響很小，因此MODIS SST反演值略低于AMSR-E SST反演值。同時，鑒于微波的穿透性，其測量的海表溫度深度比紅外遙感略深，而存在于厚度為0.1～1 mm水層的“皮膚效應”，使得皮層溫度比次皮層溫度低約0.1 K（O′Carrol et al，2008；Kawai et al，2007）。

表1列出了同一經度（53°E）、不同緯度的實測SST、AMSR-E SST和MODIS SST，分別比較AMSR-E SST與實測SST、MODIS SST與實測SST的差異。從表1中可以發現，MODIS SST與實測SST比較，以北緯8°附近為分界線，MODIS SST在緯度低于8°的地區存在明顯的冷偏差，在緯度高于8°的地區存在熱偏差，這是由于隨著地理緯度的變化，大氣中水汽含量及氣溶膠含量亦呈現不同狀態，在低緯度地區，大氣中較高的水汽和氣溶膠，其吸收作用使得MODIS SST的值存在冷偏差；比較AMSR-E SST與實測SST得到AMSRE SST總體存在熱偏差，因為微波的穿透性使其受大氣狀況的影響較小，因此AMSR-E SST與實測SST之間的差異不隨地理位置的變化而變化。這里需要指出的是，本文所用實測海表溫度數據來自包括浮標和船測等多種測量方式，并經過標準化處理后的海洋表面厚度為1 m的水層溫度。這與遙感手段獲取的“海表溫度”存在較大差異，這也是造成兩種遙感手段冷熱偏差的主要原因之一。

在靠近陸地區域（平均寬度約為75 km），由于微波接收天線旁瓣受到陸地的污染而無法獲得準確的海表面溫度值（蔣興偉等，2010）。（受陸地信號污染的測量的海表溫度值比正常海表溫度高大約10℃左右），AMSR-E反演得到的海表面溫度較MODIS SST偏高，所以靠近陸地區域均為負值。

3.2 溫度曲線

圖3為在不同溫度區間，MODIS SST減去AMSR-E SST得到的數據正態分布示意圖；表2中列出了各曲線的特征參數：SD表示MODIS SST與AMSR-E SST差值的標準差，Mean為差值的算術平均值，skewness為偏斜度，kurtosis為峭度。

表1 同一經度（53°E）、不同緯度的實測SST、MODIS SST和AMSR-E SST（單位：℃）

其中，偏斜度（skewness）S的計算公式為：

式中：n是樣本總數，y是樣本值，y是算術平均數。

峭度（kurtosis）的計算公式為：

式中：n是樣本總數，y是樣本值，是算術平均數。

從圖3和表2我們可以發現以下幾點規律：

（1）當SST高于29℃時，兩者間的差異最為明顯，差值的算術平均值為5.851 1℃；偏斜度為0.780 1，即差值的眾數位于算術平均值的左側；差值的標準差高達2.932 5℃，曲線扁平，而其峰值僅為-0.048 8，這說明差值變化平緩，即MODIS SST與AMSR-E SST之間的一致性非常低。

圖3 MODIS SST與AMSR-E SST的差值分布示意圖

表2 MODIS SST與AMSR-E SST的差值曲線特征參數

（2）當SST介于27.5℃～29℃之間時，其標準差位于0.301 3℃～0.571 6℃之間，其中，當SST位于28.5℃～29℃之間時，MODIS SST與AMSR-E SST差值的偏斜度為-0.865 0，即差值的眾數位于算術平均值的右側；其峰值僅為-0.021 2，即MODIS SST與AMSR-E SST之間的一致性仍然非常低；而當 SST位于 27.5℃～28.5℃之間時，MODIS SST與AMSR-E SST差值的峰值為正值，也就是說兩者間的一致性有所提高。

（3）當SST介于26.5℃～27.5℃之間時，差值的標準差非常小，僅為0.179 1℃～0.219 8℃，曲線陡峭，差值的峰值位于5.203 4～10.951 3之間，遠高于其他曲線的峰值，這說明MODIS SST與AMSR-E SST之間具有非常高的一致性；差值的算術平均值降低，即曲線的中心位置向左移動；其偏斜度均為正值，即眾數位于算術平均值左側，差值的峰值位于5.203 4～10.951 3之間，這說明MODIS SST與AMSR-ESST之間具有非常高的一致性。

（4）當 SST小于 26.5℃時，MODIS SST與AMSR-E SST的標準差為0.273 9℃，差值的算術平均值增大為0.587 6℃，而峰值減小為0.563 2，也即MODIS SST與AMSR-E SST之間的一致性降低。

圖4AMSR-E SST、MODIS SST與實測SST的差值

圖4 為AMSR-E SST和MODIS SST分別減去實測SST的差值分布圖，通過比較MODIS SST、和實測SST，發現MODIS反演SST，在溫度低于27℃時存在熱偏差，當溫度高于27℃時存在冷偏差，且隨著溫度的升高冷偏差增大；而AMSR-E SST的冷熱偏差隨溫度變化特征并不明顯，這是由于隨著溫度的升高，海表面上空的氣溶膠濃度增大，大氣氣溶膠對微波傳輸幾乎沒有影響，但是對熱紅外波段遙感海表溫度，大氣氣溶膠的影響會使其產生一個冷偏差，這也是熱紅外遙感很難克服的困難，此外，空氣中水汽含量的增加也是影響MODIS SST反演結果的重要原因之一。

3.3 反演精度

與匹配數據集中的實測SST比較，得到MODIS SST、AMSR-E SST定量反演的誤差值如表3所列：最大絕對誤差Max、最小絕對誤差Min、平均絕對誤差Mean、均方根誤差MSE和標準偏差Std。

表3 SST反演誤差（單位：℃）

從表3我們可以看出，AMSR-E SST的均方根誤差為0.331 24、標準偏差為0.189 1，MODIS SST的均方根誤差為0.503 4、標準偏差為0.506 4。反演誤差的主要原因是由于實測SST是海洋上層1 m厚水層的平均溫度，而遙感反演得到的SST是海洋的皮層溫度。

由于在熱紅外波段，大氣對海面輻射的影響主要是通過吸收和自發輻射的相互作用進行的。大氣層的溫度比海面溫度低，大氣中各成分吸收了海面輻射后變成大氣的內能，以較低的溫度向外輻射，從而減小了到達紅外波段傳感器的海面輻射，大氣自發輻射又添加了到達紅外波段傳感器的海面輻射。這種復雜的大氣影響對于熱紅外遙感反演SST不容忽視。此外，云層遮擋的影響使得MODIS反演SST只能應用于晴空條件。而微波能夠穿透較薄的云層，且大氣影響要遠小于熱紅外波段，雖然微波遙感易受到海面粗糙度和降雨的影響，但這可以通過使用多個頻率來糾正。因此，對于熱紅外海表溫度，消除大氣影響成為提高反演精度的關鍵，而微波遙感在近岸海域的不可用性在一定程度上制約了其廣泛應用，如何利用多源遙感數據獲取全天候的高精度海表溫度產品成為目前海表溫度反演研究的熱點之一。本文對MODIS和AMSR-E對海表溫度的不同響應特征的分析為綜合利用同一衛星上的多源數據提供參考。

4 結論

本文利用搭載于AQUA衛星上的MODIS和AMSR-E兩個傳感器的遙感數據，定量反演得到了印度洋北部海域的海洋表面溫度，然后分別從地理位置、溫度曲線和反演精度3個方面對MODIS SST和AMSR-E SST之間的差異進行比較分析，得到以下結論：

（1）MODIS SST與AMSR-E SST之間的差異隨緯度變化較為明顯，在北緯8°附近存在明顯的分界線，隨緯度的不同，各自存在不同的冷熱偏差，MODIS SST在緯度高于8°的地區存在明顯的熱偏差，在低于8°的地區存在冷偏差，而AMSRE SST總體存在一個微小的熱偏差。由于微波接收天線旁瓣受到陸地的污染，AMSR-E SST無法獲得準確的海表面溫度。

（2）MODIS SST與AMSR-E SST之間的差異隨溫度的不同，差異也不同。當溫度低于26.5℃時，MODIS SST與AMSR-E-SST的一致性相對較低。當溫度高于26.5℃時，隨著溫度的升高，MODIS SST和AMSR-E SST的一致性隨著溫度的升高而降低。

（3）本文中AMSR-E SST的反演精度總體高于MODIS SST。

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