HY-2A衛(wèi)星微波輻射計(jì)海面鹽度反演

王兆徽，張潔，劉宇昕

（1.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511458；2.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；3.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；4.自然資源部空間海洋遙感與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；5.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081）

1 引言

海面鹽度（Sea Surface Salinity，SSS）是海表海水的鹽分濃度，與海水的介電常數(shù)密切相關(guān)，介電常數(shù)決定了海水向大氣中的發(fā)射率。隨著直接測(cè)量大氣頂部亮度溫度（Brightness Temperature，TB）的星載微波輻射計(jì)的出現(xiàn)，理論上可以通過(guò)大氣輻射傳輸物理模型和近海的發(fā)射率或反射率模型建立TB 和SSS 之間的關(guān)系。在微波發(fā)射率隨鹽度變化的較低微波波段（約1.0～10.0 GHz）中，TB 與SSS 呈顯著的相關(guān)關(guān)系[1，2]，這在1.4 GHz（L 波段）附近尤其明顯，因此，國(guó)際上當(dāng)前的兩個(gè)星載鹽度衛(wèi)星即土壤水分和海洋鹽度（Soil Moisture and Ocean Salinity，SMOS）衛(wèi)星和Aquarius/SAC-D（Aquarius/Satélite de Aplicaciones Científicas）衛(wèi)星都在L 波段運(yùn)行。SMOS任務(wù)于2009年11月啟動(dòng)，由歐洲航天局（European Space Agency，ESA）運(yùn)營(yíng)，Aquarius/SAC-D 任務(wù)于2011 年6 月由美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Admini-stration，NASA）和阿根廷聯(lián)合運(yùn)營(yíng)。SMOS 和Aquarius/SAC-D 都提供從10 d 到每月間隔的全球海面鹽度觀測(cè)。

大量研究表明，SMOS 和Aquarius/ SAC-D 觀測(cè)的SSS 在海洋學(xué)和海洋氣象學(xué)中應(yīng)用廣泛，與實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)相比，兩顆衛(wèi)星的SSS 反演均方根誤差（Root Mean Squard Error，RMSE）在0.3～0.5 psu 之間[3-6]。由于L波段觀測(cè)受限于宇宙背景輻射、天線設(shè)計(jì)和星地距離，其觀測(cè)足印遠(yuǎn)超100 km×100 km，空間分辨率較低。例如，SMOS的鹽度觀測(cè)有效載荷，即孔徑合成的微波成像輻射儀（MIRAS），是具有69個(gè)天線的Y型二維（2D）孔徑合成輻射儀。69個(gè)天線的形貌和成像幾何形狀需要在Y型框架中的各個(gè)傳感器間相互校準(zhǔn)，觀測(cè)誤差會(huì)相互迭代增加。

此外，SMOS 觀測(cè)值受到1.4 GHz 附近射頻干擾（Radio Frequency Interference，RFI）的嚴(yán)重影響，RFI 區(qū)域包括歐洲、東亞、南亞和中東的部分地區(qū)。西北太平洋和墨西哥灣附近的SMOS 數(shù)據(jù)質(zhì)量受到影響，屬于無(wú)效觀測(cè)值。即使有計(jì)劃地使用岸基L波段運(yùn)行的地面雷達(dá)站對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行抗干擾處理，但SSS 觀測(cè)值的缺省仍然限制了SMOS 在西北太平洋和墨西哥灣等地區(qū)的應(yīng)用。

Reul 等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SSS 信息也可以從高于1.4 GHz 的微波頻段中獲取，例如，通過(guò)地球觀測(cè)系統(tǒng)衛(wèi)星上高級(jí)微波掃描輻射計(jì)（AMSR-E）的6 GHz（C 波段）和10 GHz（X 波段）的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合來(lái)獲取，亞馬遜河口區(qū)域AMSR-E反演的SSS顯示，其精度與SMOS觀測(cè)值類似。

我國(guó)自主研制的“海洋二號(hào)”衛(wèi)星（HY-2A）自2011 年9 月起開(kāi)始提供大量的海洋觀測(cè)資料[8]。從HY-2A 衛(wèi)星搭載的微波輻射計(jì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)可以獲得全球范圍內(nèi)的海面溫度、海面風(fēng)速、水汽含量和液水含量等大氣海洋信息，這些信息為全球海洋科學(xué)研究、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、海洋災(zāi)害防護(hù)和海上執(zhí)法維權(quán)等領(lǐng)域提供了重要的科技支撐。采用常用的線性回歸反演方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，僅能獲得海面溫度、海面風(fēng)速、水汽含量和液水含量這4個(gè)物理量，因此，利用現(xiàn)有的眾多海洋微波輻射觀測(cè)資料獲取新的有效信息（如SSS），是一個(gè)可以探究的發(fā)展方向[9]。

考慮到西北太平洋附近以及墨西哥灣附近L波段RFI 的影響，本文基于HY-2A 微波輻射計(jì)原始數(shù)據(jù)和輻射傳輸模型（Radiative Transfer Model，RTM），使用非線性反演算法即Nelder-Mead搜索算法對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析海面附近C 和X 波段的發(fā)射率特性并重處理這兩部分觀測(cè)數(shù)據(jù)，反演并篩選出高質(zhì)量的SSS數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)

HY-2A 衛(wèi)星旨在測(cè)量全球范圍內(nèi)海面高度、有效波高、海面風(fēng)速和海面溫度等海洋動(dòng)態(tài)環(huán)境參數(shù)。衛(wèi)星于2011 年8 月16 日發(fā)射，是繼HY-1A 和HY-1B 衛(wèi)星之后的中國(guó)第三顆海洋衛(wèi)星，也是第一顆海洋動(dòng)態(tài)環(huán)境衛(wèi)星。 HY-2A 帶有主動(dòng)和被動(dòng)微波傳感器以及高精度軌道跟蹤和確定系統(tǒng)，具有全天候、24 h 和全球測(cè)量能力。 HY-2A 掃描微波輻射計(jì)由6.6 ～37 GHz 的9 個(gè)微波波段組成（見(jiàn)表1）。

表1 HY-2A掃描微波輻射計(jì)性能指標(biāo)信息Tab.1 Index information of HY-2A microwave radiometer

從完整的數(shù)據(jù)處理流程來(lái)看，使用HY-2A 衛(wèi)星進(jìn)行SSS 反演的步驟包括：從HY-2A 衛(wèi)星的掃描輻射計(jì)的原始數(shù)據(jù)（0 級(jí)）到TB 進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，使用非線性反演算法計(jì)算并獲得2級(jí)產(chǎn)品（海表溫度、地表風(fēng)和云狀液態(tài)水）來(lái)作為反演鹽度的迭代數(shù)據(jù)，使用本文提供的鹽度反演算法反演SSS。數(shù)據(jù)處理是在國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)的線性反演算法基礎(chǔ)上進(jìn)行的[10-11]。此外，還使用到美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）的 WOA09（World Ocean Atlas 09）鹽度數(shù)據(jù)集以及RSS（Remote Sensing System）的衛(wèi)星海洋觀測(cè)資料AMSR-2數(shù)據(jù)。

3 方法原理

圖1 為使用典型的K-S（Klein and Swift）模型[1]模擬海面反射率在不同頻段的響應(yīng)情況。對(duì)于水平和垂直極化（H-pol 和V-pol）來(lái)說(shuō)，給定的海面溫度（Sea Surface Temperature，SST）下，在1.4 GHz 附近，海面反射率對(duì)SSS的響應(yīng)都很敏感，并且隨著微波頻率的增加而急劇下降，V-pol中的信號(hào)較強(qiáng)。對(duì)于C 和X 波段，海表輻射對(duì)變化的SSS 的響應(yīng)顯然不如L波段敏感。但是，C和X波段的反射率對(duì)SSS和SST 的響應(yīng)特性不同。為了證明C/X 波段測(cè)量SSS 的能力，將微波波段的海面反射率作為SSS 和SST的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算（見(jiàn)圖2）。對(duì)于給定的SST，表面反射率隨SSS的增加而單調(diào)增加；同時(shí)，對(duì)于給定的SSS，由于較高的分子能和溫度，表面反射率隨溫度的增加而減小（見(jiàn)圖2a 和2b）。通過(guò)區(qū)分C 和X波段之間的反射率，在圖2c 中可以清楚地看到SSS和SST 都對(duì)海面反射率有明顯影響，因此大氣頂部的TB包含有關(guān)SSS和SST的信息。

圖1 海面反射率對(duì)海面鹽度的敏感性（固定入射角47.7°，海面鹽度35 psu，海面溫度300 K）Fig.1 Sensitivity of sea surface reflectivity to sea surface salinity（incident angle is 47.7°，SSS is 35 psu，SST is 300 K）

圖2 微波波段海面反射率與SSS和SST的關(guān)系分布圖Fig.2 Distribution map of the relationship between sea surface reflectivity in microwave band and SSS and SST

HY-2A 輻射計(jì)的天線保持恒定的前視入射角47.7°。在被動(dòng)微波海洋遙感中，RTM 可以計(jì)算海洋表面輻射的大氣層頂部的亮度溫度。典型的表達(dá)式如下：

式中，TB表示微波輻射計(jì)探測(cè)的亮溫；TBU是大氣上行輻射；TBΩ是大氣輻射的海面散射；Ts是海面溫度；τ是大氣透過(guò)率；E為海面發(fā)射率。在不同參數(shù)化的RTM 中，TBΩ具體的表達(dá)形式不同，但都可以寫(xiě)成這樣的形式：

式中，R是海面發(fā)射率對(duì)應(yīng)的反射率，通常近似認(rèn)為海面的發(fā)射率和反射率之和是一個(gè)常數(shù)，R= 1 -E；M是一個(gè)包含了大氣下行輻射、大氣透過(guò)率、海面散射校正和宇宙背景輻射的函數(shù)集。根據(jù)式（1）和式（2），海面反射率可以表達(dá)為：

由于式（3）中的所有變量都可以在RTM 中進(jìn)行計(jì)算，因此，R與衛(wèi)星輻射計(jì)的TB 有關(guān)。R還通過(guò)海面發(fā)射率模型與SSS 有關(guān)，本文使用的K-S 模型就是R與SSS 相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＝Y(jié)合RTM 和K-S模型，可以從TB 反演SSS，其中R是連接SSS 和TB的關(guān)鍵參數(shù)。

4 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

考慮到HY-2A 的儀器使用情況，將2012—2017年的微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)按照正態(tài)分布從正值到近似正無(wú)窮的概率進(jìn)行選取，配以AMSR-2 觀測(cè)資料篩選出有效數(shù)據(jù)66萬(wàn)對(duì)，計(jì)算修正參數(shù)。由于HY-2A的宇宙冷空輻射在長(zhǎng)時(shí)間序列的觀測(cè)中存在系統(tǒng)性的漂移，由HY-2A 微波輻射計(jì)的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)直接推算出的反射率與按照模型計(jì)算的反射率存在一定偏差，因此需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。修正過(guò)程包括兩個(gè)步驟：首先，將HY-2A 微波輻射計(jì)輻射亮溫計(jì)算出的R與K-S 模型計(jì)算出的R相配對(duì)，進(jìn)而使用最小二乘法，擬合配對(duì)數(shù)據(jù)，得出校準(zhǔn)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 輻射亮溫與K-S模型計(jì)算的R配對(duì)結(jié)果Fig.3 The paired results of the reflectivity calculated by the radiant brightness temperature and the K-S model

圖4 修正后的R分布情況Fig.4 Corrected reflectivity distribution

我們使用HY-2A 掃描微波輻射計(jì)2012 年7 月的觀測(cè)TB，并使用AMSR-2 的L2b 產(chǎn)品和WOA09鹽度數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)，反演了2012 年7 月中國(guó)近海海區(qū)的SSS。圖5 顯示了從HY-2A 輻射計(jì)獲得的2012年7月的SSS。通過(guò)與WOA09對(duì)比，HY-2A 提取的SSS代表了長(zhǎng)江三角洲附近淡水徑流的合理特征。通過(guò)比較HY-2A 反演的SSS 數(shù)據(jù)與WOA09 鹽度數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖6），二者RMSE 為0.41 psu，數(shù)據(jù)誤差分布符合正態(tài)分布特征。

圖5 2012年7月中國(guó)近海海區(qū)的SSSFig.5 SSS in China seas in July 2012

圖6 HY-2A反演的SSS與WOA09數(shù)據(jù)的比較結(jié)果Fig.6 Comparison of sea surface salinity retrieved by HY-2A with WOA09 data

5 結(jié)論

本文提出了一種從HY-2A 衛(wèi)星上的微波輻射計(jì)反演SSS 的算法。通過(guò)比較輻射傳遞模型（RTM）和K-S 模型計(jì)算的反射率結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)并反演。盡管與SMOS 和Aquarius-SAC/D 任務(wù)使用的L 波段相比，C 和X 波段的海面反射率對(duì)表面鹽度的響應(yīng)相對(duì)較弱，但通過(guò)計(jì)算不同波段海面反射率之間的差值，可以顯著改善SSS信號(hào)。

對(duì)HY-2A 反演得到的SSS 的評(píng)估結(jié)果表明，逐點(diǎn)比較沿軌數(shù)據(jù)結(jié)果的RMSE 為0.41 psu，這與SMOS和Aquarius-SAC/D衛(wèi)星的精度相當(dāng)。HY-2A衛(wèi)星反演獲得的SSS 數(shù)據(jù)集在西北太平洋沒(méi)有RFI污染，因此可為西北太平洋的研究提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。應(yīng)當(dāng)指出，雖然HY-2A 后續(xù)的衛(wèi)星沒(méi)有設(shè)計(jì)微波輻射計(jì)這一載荷，但未來(lái)5～10 a內(nèi)計(jì)劃發(fā)射的其余5顆海洋衛(wèi)星將配備輻射計(jì)，因此，本研究提出的基于HY-2A 衛(wèi)星的SSS 反演方法仍然適用。后續(xù)我們一方面計(jì)劃完善輻射傳輸模型和發(fā)射率模型，期望提高從C/X波段反演得到的SSS的準(zhǔn)確性，另一方面，將從反射率的差值入手，研究并評(píng)估陸源射頻干擾的影響。