盧少磊，許建平,2，劉增宏,2

(1.國家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州310012；2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室，國家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州310012)

1 引言

海表溫度（SST）是海洋-大氣系統(tǒng)中的一個重要物理量，是表征海-氣熱量、動量和水汽交換的重要參量，也是氣候的指示因子之一，在海洋學(xué)研究中占有重要地位[1]。高質(zhì)量的SST數(shù)據(jù)在天氣預(yù)報、氣候研究等應(yīng)用中起著重要作用。獲取SST的方式目前有衛(wèi)星遙感和現(xiàn)場觀測兩種方式，由于衛(wèi)星遙感與現(xiàn)場觀測所用的傳感器性能和觀測深度的不同，以及近表層復(fù)雜的溫度垂直結(jié)構(gòu)，和海洋不同時空尺度的變化等原因，目前為止還沒有建立起一套準(zhǔn)確可靠、高時空分辨率的全球SST產(chǎn)品[2]。

為了彌補這一缺陷，最基礎(chǔ)但也最重要的工作之一就是根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)對不同傳感器反演的SST 產(chǎn)品進(jìn)行檢驗評估，以確保它們之間的有效融合[3]。雖然國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了對單一或多種傳感器反演SST的驗證工作[4-14]，但由于南半球海洋中的現(xiàn)場觀測資料缺乏，再加上各種傳感器的性能差異，以及不同觀測方法和觀測深度之間的差異，使得對于遙感反演SST在南半球的評估工作難以有效開展。

2000年實施的國際Argo 計劃，已經(jīng)于2007年11月在全球大洋中建成了一個由3000多個Argo 剖面浮標(biāo)組成的實時海洋觀測網(wǎng)[15]。Argo剖面浮標(biāo)每10 天收集一條0—2000 m 水深范圍內(nèi)的溫鹽度剖面，但考慮到對電導(dǎo)率傳感器的保護(hù)，常規(guī)Argo 浮標(biāo)在到達(dá)水面以下5—10 m時泵抽式CTD傳感器就會停止工作，所以常規(guī)Argo 浮標(biāo)只能測量到5 m 層以下的溫鹽值。為了滿足對表層溫鹽度值的需求，2008年10月份以來，國際Argo 計劃成員國在全球范圍內(nèi)投放了數(shù)百個帶有非泵抽式CTD 傳感器的Argo 剖面浮標(biāo)，用來彌補泵抽式CTD 傳感器的缺陷，可以高分辨率的觀測0—5 m 層的溫鹽度值，所以這種新型Argo 浮標(biāo)不僅能夠提供常規(guī)的溫鹽度剖面資料，而且還可以提供海洋近表層溫度數(shù)據(jù)（Near-Surface Temperature，簡稱NST），為我們研究上述問題提供了大量實測資料。全球高分辨率海面溫度項目組（GHRSST）也已使用NST對衛(wèi)星遙感SST 進(jìn)行驗證[16]，也有學(xué)者將NST 應(yīng)用到對印度洋海域遙感SST的驗證工作中[17]。

由于微波遙感可以穿透云層的優(yōu)點，本文選擇了目前最常用的兩種微波傳感器TMI 和AMSR-E反演的SST與Argo浮標(biāo)觀測的NST數(shù)據(jù)在南半球海域進(jìn)行對比分析，并重點討論兩者差異的晝夜、季節(jié)與空間變化，以便為南半球乃至全球海洋多源SST融合提供可靠的統(tǒng)計學(xué)依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 衛(wèi)星遙感資料

2.1.1 TMI SST

熱帶降雨測量任務(wù)微波成像儀(TMI)是搭載在1997年發(fā)射的TRMM衛(wèi)星上的微波輻射計，衛(wèi)星采用非太陽同步軌道，觀測范圍在38 °N—38 °S 之間。本文應(yīng)用資料取自微波輻射計數(shù)據(jù)集(http://www.ssmi.com)中TMI 的日平均數(shù)據(jù)，選取區(qū)域為20 °S—38 °S 之間，時間范圍取在2008年10月—2011年9月期間，其資料的空間分辨率為0.25° ×0.25°。

2.1.2 AMSR-E SST

EOS 高級微波掃描輻射計(AMSR-E)是搭載在2002年發(fā)射的Aqua 衛(wèi)星上的微波輻射計，到2011年10月停止工作。衛(wèi)星采用太陽同步軌道，觀測范圍可以覆蓋全球。本文應(yīng)用資料同樣取自微波輻射計數(shù)據(jù)集中AMSR-E 的日平均數(shù)據(jù)，選取區(qū)域為20°—60°S 之間，時間范圍和空間分辨率都與TMI相同。

2.2 Argo浮標(biāo)資料

帶有非泵抽式CTD 傳感器的Argo 浮標(biāo)可以高分辨率的采集0—5 m 層之間的近表層溫度(NST)值，在0—1m層之間采樣個數(shù)一般可達(dá)4—5個。本文利用的NST 數(shù)據(jù)來源于英國海洋中心(NOC)網(wǎng)站（ftp://ftp.pol.ac.uk/pub/bodc/argo/NST/），時空范圍均與上述遙感數(shù)據(jù)相同?？紤]到浮標(biāo)穩(wěn)定性及垂直分辨率問題，只利用英國海洋數(shù)據(jù)中心(BODC)、印度國家海洋信息服務(wù)中心(INCOIS)和美國華盛頓大學(xué)(UW)等三家單位提供的數(shù)據(jù)。此外，由于帶有非泵抽吸式CTD傳感器的Argo剖面浮標(biāo)只占全球Argo剖面浮標(biāo)總數(shù)的10%左右，在某些海域NST觀測數(shù)量較少，不具有統(tǒng)計意義。因此，本文選擇NST觀測數(shù)量較為集中的20°S 以南海域作為我們的研究區(qū)域。

2.3 匹配數(shù)據(jù)的生成和驗證方法

在生成匹配數(shù)據(jù)之前，需要對資料進(jìn)行必要的質(zhì)量控制。其中微波遙感SST數(shù)據(jù)中自帶有質(zhì)量標(biāo)記，所以在生成匹配數(shù)據(jù)時，只選取數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠的SST。David M 等[18]利用高分辨率CTD 資料，驗證了Argo NST精確度可達(dá)到±0.002 ℃，但是需要根據(jù)“海表面壓力”變量對浮標(biāo)的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。根據(jù)Argo 剖面浮標(biāo)非泵抽式CTD 傳感器的溫度觀測范圍，將溫度值不在-3 ℃—35 ℃之間的數(shù)據(jù)剔除掉[19]。經(jīng)過質(zhì)量校正的Argo NST數(shù)據(jù)就可以與微波遙感SST數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配了。

微波遙感SST 與Argo NST 數(shù)據(jù)的匹配，不僅需要考慮空間因素，還要考慮時間因素?？臻g上，水平方向選取Argo浮標(biāo)測量點周圍4個遙感有效像素的平均值(其中兩個像素點必須為有效值)作為Argo浮標(biāo)觀測點上的SST 值，垂直方向上由于Argo 浮標(biāo)觀測層次不統(tǒng)一，選擇0—1 m范圍內(nèi)的平均溫度值作為相應(yīng)的NST 值；時間上，將時間軸依次分為白天時段（當(dāng)?shù)貢r間6 時—18 時）和夜晚時段（當(dāng)?shù)貢r間18 時至次日6 時），然后篩選出與Argo 浮標(biāo)觀測在同一時段的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)。最后得到的匹配數(shù)據(jù)中，TMI有2189組，AMSR-E有3419組(見圖1)。

文中判斷數(shù)據(jù)之間差異的指標(biāo)為平均偏差(bias)和均方差(rms)，其計算公式如下：

式中，T 指TMI 和AMSR-E 反演的SST 值，而TNST是Argo浮標(biāo)觀測的NST值，i的范圍為1—n，n為匹配數(shù)據(jù)點數(shù)[8]。

值得指出的是，根據(jù)TMI/AMSR-E 兩種衛(wèi)星微波輻射計的遙感原理和Argo 剖面浮標(biāo)CTD 傳感器的性能，前者僅能反演海面0—1 mm 內(nèi)的表皮溫度[1,20]，故文中用SST 標(biāo)志；而后者可以觀測海面以下20 m上層范圍內(nèi)的近表層溫度垂直結(jié)構(gòu)，但文中只利用了1 m以淺的溫度平均值，故用NST標(biāo)志。

圖1 匹配站位的空間分布

圖2 TMI SST與NST(a)、AMSR-E SST與NST(b)的比較

3 結(jié)果與討論

3.1 SST與NST的差異

圖2 給出了研究區(qū)域內(nèi)由衛(wèi)星遙感反演的SST與Argo浮標(biāo)觀測的NST的點聚圖?？梢钥闯?，無論是TMI還是AMSR-E遙感反演的SST與Argo浮標(biāo)觀測的NST之間均呈顯著的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.98和1.00。同時，TMI/AMSR-E SST與NST的差異（△T）的平均值分別為0.05 ℃與-0.04 ℃，均方差均在0.63℃左右。直接計算SST 與NST 的差值，該值介于-1℃—1℃之間的數(shù)據(jù)點占總數(shù)的91%，介于-0.5 ℃—0.5 ℃之間的數(shù)據(jù)點占總數(shù)的62%。

衛(wèi)星除了提供SST數(shù)據(jù)以外，還提供了海面10 m風(fēng)速、大氣水汽含量等參數(shù)。為此，我們進(jìn)一步分析了風(fēng)速、水汽含量對△T 的影響。顯著性檢驗表明△T與風(fēng)速具有顯著的線性關(guān)系（見圖3）：在低風(fēng)速時，△T 為正值，但隨著風(fēng)速的增加，△T 逐漸減小，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到8 m/s 左右時，△T 接近為0 ℃，而隨著風(fēng)速的持續(xù)增強，平均偏差繼續(xù)減小。而當(dāng)風(fēng)速達(dá)到15 m/s 之后，△T 不再與風(fēng)速存在線性關(guān)系。這主要是因為當(dāng)風(fēng)速較小時，表層海水混合不夠充分，使得SST 的變化幅度較大；而在強風(fēng)速下，由于表層海水充分混合，使得SST 與NST 差異反而變小[9-12]。至于大氣水汽含量對△T 的影響（見圖4），由圖可見，△T除低大氣水汽值（＜15 mm）外基本不受其影響，而低大氣水汽值時，SST 比NST 偏大0.1℃左右。Dong等人在研究中也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，他們的研究認(rèn)為是微波輻射計在低水汽值下使用的SST反演方法存在缺陷所致[9,11]。

圖3 TMI(a)、AMSR-E(b)SST與NST的差異隨風(fēng)速的分布（單位/(m/s)）

圖4 TMI(a)、AMSR-E(b)SST與NST的差異隨大氣中水汽含量的分布（單位/mm）

值得指出的是，從圖3中可以看到，在低風(fēng)速情況下，SST與NST會出現(xiàn)±2 ℃以上的較大差異。這主要是由海表面白天暖層效應(yīng)(diurnal warm-lay)和夜晚冷皮層效應(yīng)(cool-skin)的存在所致。已有研究表明，暖層效應(yīng)通?？梢允筍ST升高1℃—2 ℃，而冷皮層效應(yīng)也會使SST降低0 ℃—1 ℃[20-22]，且這種溫度的變化在低風(fēng)速環(huán)境下很難傳遞到海面以下1m層中，從而使得SST與NST存在較大差異。

3.2 SST與NST差異的晝夜變化

由表1的統(tǒng)計結(jié)果來看，SST與NST之間的差異存在明顯的晝夜變化，且兩個衛(wèi)星傳感器之間的變化也不盡相同：對于TMI 來說，晝夜均方差均在0.63 ℃左右，但白天的平均偏差不到0.04 ℃，而夜晚達(dá)到了0.07 ℃；AMSR-E 白天的平均偏差和均方差略小于夜晚，分別為-0.04 ℃和0.59 ℃。

表1 晝夜統(tǒng)計結(jié)果

表2 季節(jié)統(tǒng)計結(jié)果

從表1 中可以看出，TMI 匹配數(shù)據(jù)中高風(fēng)速（＞10 m/s）與低風(fēng)速(＜4 m/s)的比例相當(dāng)，但是由于低風(fēng)速下對SST 的影響更大，所以TMI 反演的SST較NST 偏大；而AMSR-E 匹配數(shù)據(jù)中高風(fēng)速與低風(fēng)速相比占優(yōu)勢地位，所以AMSR-E 反演的SST 較NST偏小。另外風(fēng)速分布不均的影響也體現(xiàn)在傳感器晝夜反演差異上：TMI高風(fēng)速晝夜比例相當(dāng)，但低風(fēng)速夜晚比白天的比例高5%，因此夜晚TMI的△T比白天的大；AMSR-E 白天高風(fēng)速的優(yōu)勢地位較夜晚稍微有所減弱，這使得白天AMSR-E的△T略小于夜晚。

以上結(jié)果較前人結(jié)論均有所不同，究其原因，一方面，前人研究的區(qū)域多為在德雷克海峽、45°S以南海域[9-12]，比本文研究海域要??；另一方面，Argo浮標(biāo)NST數(shù)據(jù)的觀測深度處于0—1 m范圍內(nèi)，而早期人們所使用的Argos表面漂流浮標(biāo)觀測深度則在0.2—0.3 m 之間，且船載CTD 儀的觀測深度約為0.5 m[11-13]。

3.3 SST與NST差異的季節(jié)變化

從表2的結(jié)果來看，TMI反演的SST與NST的差異冬季最大，其平均偏差和均方差分別為0.07 ℃和0.69 ℃，夏季次之，春季最小（分別為0.01 ℃和0.64 ℃）；AMSR-E 反演的SST與NST的差異冬季最大，其平均偏差和均方差分別為-0.15 ℃和0.63 ℃，秋季次之，春季最?。ǚ謩e為-0.01℃和0.65 ℃），這與李明等人[9]利用走航觀測結(jié)果得到的結(jié)論相一致。

進(jìn)一步分析表明，春夏秋三個季節(jié)的△T 與風(fēng)速的分布有較好的對應(yīng)關(guān)系：當(dāng)高風(fēng)速與低風(fēng)速比例相當(dāng)或者低風(fēng)速占優(yōu)勢時，平均偏差表現(xiàn)為暖偏差，且低風(fēng)速比例越大，偏差越大；當(dāng)高風(fēng)速占優(yōu)勢時，平均偏差表現(xiàn)為冷偏差。但是根據(jù)圖3 的△T與風(fēng)速的關(guān)系，兩個衛(wèi)星傳感器冬季都出現(xiàn)了不相稱的較大差異。分析各個季節(jié)中風(fēng)速與△T的關(guān)系（見圖5，只顯示了冬季，其他三個季節(jié)的與圖3 類似）可以發(fā)現(xiàn)，冬季△T與風(fēng)速的關(guān)系與其他季節(jié)不同：冬季TMI在低風(fēng)速情況下△T為-0.3 ℃左右，但隨著風(fēng)速的增加，平均偏差逐漸增大，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到8 m/s 左右時，平均偏差增大到0.2 ℃左右，然后隨著風(fēng)速的增大逐漸趨于穩(wěn)定；而冬季AMSR-E SST 在任何風(fēng)速情況下較NST 均表現(xiàn)為冷偏差。這種異常的△T與風(fēng)速關(guān)系導(dǎo)致了冬季SST 與NST 之間的差異達(dá)到最大。

統(tǒng)計表明，冬季的平均風(fēng)速較其他季節(jié)提高了大約2 m/s，而低水汽情況下的匹配數(shù)也增加了30%左右。顯然冬季出現(xiàn)這種異常的△T與風(fēng)速關(guān)系，不僅與冬季風(fēng)速增加有關(guān)，而且與空氣中水汽含量的減小也有著密切的關(guān)系。

3.4 SST與NST差異的空間分布

圖5 冬季SST與NST的差異隨風(fēng)速的分布（單位/m/s）

圖6 TMI SST與NST(a)、AMSR-E SST與NST(b)差異隨緯度的分布（單位/緯度）

圖6 給出了SST 與NST 差異隨緯度變化的情況。從圖中可以看出，TMI 在研究區(qū)域內(nèi)大致可分為三部分：20°—25°S和35°—40°S區(qū)域內(nèi)TMI SST較NST 均呈偏冷型，分別偏低0.05 ℃和0.06 ℃，而在25°—35°S范圍內(nèi)則呈偏暖型，約偏高0.09 ℃；兩者差異的均方差隨緯度的增加由0.56℃遞增到0.75℃。而AMSR-E 大致可分為四部分：20°—25°S和35°—50°S 范圍內(nèi)AMSR-E SST 較NST 均呈偏冷型，分別偏低0.11℃和0.08℃，25°-35°S 兩者基本相同，而在50° S 以南海域，AMSR-E SST 與NST 的關(guān)系不確定；兩者差異的均方差隨緯度的增加由0.48 ℃遞增到0.81 ℃。

統(tǒng)計表明，40°S 以北平均風(fēng)速為7 m/s，不存在帶狀分布，所以△T 隨緯度的帶狀分布特征與風(fēng)速無關(guān)。李明等[10]發(fā)現(xiàn)南大洋海面流速對遙感SST與由表層漂流浮標(biāo)觀測的SST之間的差異有一定的影響；Verdy 等人[23]也發(fā)現(xiàn)，ACC 內(nèi)的SST 異常會受到ACC和大氣相互作用(海平面氣壓和湍流熱流量)的影響。而△T帶狀分布的緯度范圍恰好與南半球副熱帶環(huán)流中的南赤道流、副熱帶鋒面、南太平洋流(南大西洋流或南印度洋流)和南極鋒的范圍相對應(yīng)[24-25]，這也說明△T隨緯度的帶狀分布特征與海面流速和海氣相互作用等因素有著密切關(guān)系。

4 結(jié)論

衛(wèi)星對全球海洋SST 的高時空分辨率觀測，為海洋與大氣科學(xué)領(lǐng)域的研究提供了寶貴的基礎(chǔ)資料，彌補了現(xiàn)場觀測的不足。但是，由于早期南半球海洋中的現(xiàn)場觀測資料十分缺乏，以及各種傳感器的性能又不盡相同，導(dǎo)致至今仍沒有一套準(zhǔn)確可靠、高時空分辨率的SST 產(chǎn)品可以滿足各研究領(lǐng)域的需要。而隨著帶有非泵抽式CTD 傳感器的Argo剖面浮標(biāo)的布放，為解決這一難題提供了一種有效的途徑。

這里對2008年10月—2011年9月期間由Argo剖面浮標(biāo)觀測的NST，與由衛(wèi)星TMI/AMSR-E 微波輻射計遙感反演的SST日平均數(shù)據(jù)進(jìn)行的比較分析，使我們對南半球海域SST 與NST 之間的異同有了更深的認(rèn)識，主要結(jié)論如下：

（1）南半球海洋中SST 與NST 雖存在顯著的線性關(guān)系，但兩者之間的差異（△T）還是十分明顯的；

（2）△T存在顯著的晝夜變化和季節(jié)變化，這與風(fēng)速的晝夜、季節(jié)分布有關(guān)；而冬季△T的異常分布特征還與風(fēng)速和水汽的變化關(guān)系密切；

（3）△T隨緯度變化呈帶狀分布的特征，主要與海面流速和海氣相互作用等因素有關(guān)。

由此可見，雖然SST與NST具有很好的相關(guān)性，但它們之間卻還存在著較大的差異，也就是說，由衛(wèi)星遙感反演的海洋表皮溫度（SST）與由Argo剖面浮標(biāo)或船載CTD儀觀測的海洋表層溫度（NST）不能等同看待，更不能將它們“混為一談”。而隨著國際Argo 計劃的不斷深入，Argo 剖面浮標(biāo)觀測的NST 數(shù)據(jù)量將會不斷增加，或許有助于改進(jìn)衛(wèi)星遙感SST的反演方法，進(jìn)一步提高衛(wèi)星遙感SST的代表性，從而為在南半球乃至全球海域內(nèi)的多源SST融合提供更加可靠的統(tǒng)計學(xué)依據(jù)，進(jìn)而為氣候和天氣學(xué)等領(lǐng)域提供更為準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)源。

致謝：感謝英國海洋中心（NOC）免費提供的Argo NST 數(shù)據(jù)，以及遙感觀測系統(tǒng)(Remote Sensing Systems)提供的TMI/AMSR-E SST數(shù)據(jù)。

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