鄧 廣，李洪平

（1.中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 海洋技術(shù)系，山東 青島 266100）

亮溫?cái)M合模型在南海海表鹽度反演中的應(yīng)用

鄧 廣1，李洪平1

（1.中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 海洋技術(shù)系，山東 青島 266100）

由于當(dāng)前SMOS反演算法中的正演模型并不完善，SMOS反演鹽度在南海的精度非常低?；诖?，利用SMOS衛(wèi)星L2數(shù)據(jù)的海水表面鹽度反演軟件L2OS輸出原始反演鹽度所模擬的亮溫和代入HYCOM鹽度數(shù)據(jù)所模擬的亮溫建立回歸模型，同時(shí)反演南海海域的鹽度，并與HYCOM、實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明，使用該方法建立的新模型能有效減小SMOS在南海特定時(shí)間反演鹽度的誤差。

SMOS；海水表面鹽度；反演模型；南海；亮溫

海水表面鹽度是研究海洋和全球水循環(huán)以及氣候變化的重要因子，采用衛(wèi)星遙感對其進(jìn)行全球與全天候的定量數(shù)據(jù)獲取越來越受到人們重視。歐洲空間局研發(fā)的土壤濕度與海洋鹽度（SMOS）衛(wèi)星于2009年發(fā)射成功，首次實(shí)現(xiàn)了全球特定時(shí)空分辨率的海表鹽度數(shù)據(jù)衛(wèi)星遙感觀測，現(xiàn)已成為鹽度研究的重要數(shù)據(jù)來源。SMOS反演精度目標(biāo)是10 d的200 km×200 km或30 d的100 km×100 km內(nèi)要達(dá)到0.1 psu的精度[1]；然而在一些特定海域，SMOS反演鹽度遠(yuǎn)沒有達(dá)到宣稱的精度目標(biāo)。在南海海域，SMOS反演的鹽度精度差強(qiáng)人意[2-3]；且通過SMOS反演軟件L2OS發(fā)布網(wǎng)站中提供的L2數(shù)據(jù)也可發(fā)現(xiàn)，無論是經(jīng)質(zhì)量控制后的單條帶L2數(shù)據(jù)還是多天平均的全球L2數(shù)據(jù)，亦或巴塞羅那專家中心發(fā)布的由L2生成的L3數(shù)據(jù)[4]，在南海地區(qū)都因反演的數(shù)據(jù)質(zhì)量達(dá)不到精度要求而被剔除，留下大量空白區(qū)域，導(dǎo)致SMOS反演的鹽度在南海海域的實(shí)用性大大降低。

由于當(dāng)前SMOS反演算法中的正演模型并不完善，其中海面粗糙度模型等都不是最準(zhǔn)確的[1,5]；且用于反演的（如風(fēng)速、波浪高度等）輔助數(shù)據(jù)自身的精度誤差也會(huì)導(dǎo)致正演模型模擬的亮溫誤差[1,6]。另外，受無線電頻率干擾（RFI）的影響，SMOS反演鹽度在南海的精度非常低；但因RFI成分的復(fù)雜性，目前在SMOS反演算法中并沒有加入RFI的修正方法[1,7]，因此導(dǎo)致正演模型所模擬的亮溫并不是準(zhǔn)確的海表輻射亮溫，其準(zhǔn)確度決定了SMOS反演鹽度的精度。綜上所述，通過對亮溫進(jìn)行建模以修正正演模型的方法具有較強(qiáng)科學(xué)性與可行性，對于提高SMOS反演精度具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)來源和處理

1.1 SMOS數(shù)據(jù)

研究區(qū)范圍是0°～25°N，105°～125°E的南海海域。用于亮溫?cái)M合建模的L1C和ECMWF數(shù)據(jù)均為全極化數(shù)據(jù)，包括2013年5月所有研究區(qū)內(nèi)的升軌降軌數(shù)據(jù)，共65幅。為了驗(yàn)證新模型的準(zhǔn)確度，采用2012 年4～6 月的SMOS數(shù)據(jù)，以保證驗(yàn)證結(jié)果的合理性；因驗(yàn)證還需利用浮標(biāo)實(shí)測的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)匹配后，最終采用2012 年4月17日20點(diǎn)、22點(diǎn)，4月18日、24日、26 日、27日、29日，5月4日、7日、11日、13日、21 日以及6 月1 日共13幅經(jīng)過研究區(qū)的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

1.2 混合坐標(biāo)海洋模式數(shù)據(jù)

為了用正演模型相對精確地模擬海表輻射亮溫來建模，以及驗(yàn)證新建模型反演的鹽度精度，還需利用混合坐標(biāo)海洋模式（HYCOM）所模擬的海表鹽度數(shù)據(jù)。HYCOM具有1/12°的高空間分辨率和1 d的時(shí)間分辨率，且數(shù)據(jù)量足以覆蓋整個(gè)南海，具有大面積連續(xù)性，不會(huì)在海岸和島礁附近產(chǎn)生大量空白區(qū)域。

1.3 浮標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)

本文還使用了46個(gè)浮標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)，分布在南海不同的經(jīng)緯度位置，在2012年4～6月間，每隔3 h測量一次海水壓力、溫度、鹽度和密度數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

在L2OS軟 件 中 找 到Forward Model和Main Processing模塊中對應(yīng)的C語言文件，編寫程序并運(yùn)行L2OS軟件[8-9]。將2013年5月每幅數(shù)據(jù)中有效反演的網(wǎng)格點(diǎn)，按照每次測量不同的入射角順序輸出網(wǎng)格點(diǎn)編號、經(jīng)度、緯度以及入射角，共計(jì)31 515 299條記錄；然后依次是由3個(gè)海面粗糙度模型反演的海表鹽度、風(fēng)速，由正演模型模擬的轉(zhuǎn)換到天線坐標(biāo)系后的亮溫，包括水平（TBh）和垂直（TBv）兩種極化方式。為了比較分析原始模型和新模型所反演的鹽度精度，將用于驗(yàn)證的2012年4～6月數(shù)據(jù)也以同樣方式輸出，存儲(chǔ)為文本文件。

將HYCOM數(shù)據(jù)按照相應(yīng)時(shí)間和空間距離最近的方式與L2OS中的反演網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行匹配，將L2OS原始反演的SSS替換為HYCOM對應(yīng)時(shí)間和網(wǎng)格點(diǎn)的鹽度，其他反演參數(shù)（如風(fēng)速、海溫等）保持不變，利用L2OS中的正演模型重新模擬亮溫。按照之前同樣的方法和格式輸出2013年5月的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

2 擬合亮溫建立新模型

2.1 簡單線性擬合建模

選取部分網(wǎng)格點(diǎn)中，不同入射角下HYCOM鹽度模擬的亮溫和SMOS原始反演鹽度模擬的亮溫進(jìn)行對比。由圖1可見，無論何種海面粗糙度和極化方式，HYCOM模擬亮溫和SMOS鹽度模擬亮溫之間都存在相當(dāng)明顯的線性關(guān)系。這些亮溫是正演模型模擬的計(jì)算鏈上最頂層的亮溫，綜合考慮正演模型運(yùn)算中所有的誤差信息，采用該亮溫?cái)M合建模最能反映正演模型的誤差水平，能最直接有效地修正正演模型，更具綜合性與全面性。

圖1 SMOS鹽度模擬亮溫與HYCOM鹽度模擬亮溫比較圖

根據(jù)圖1中反映的線性關(guān)系，對兩組亮溫進(jìn)行簡單線性擬合，并建立一元線性回歸模型，建模公式為：

式中，x為SMOS鹽度模擬的亮溫；y為HYCOM鹽度模擬的亮溫；a、b為模型參數(shù)。擬合結(jié)果見表1。

表1 簡單線性擬合結(jié)果表

從表1可知，相關(guān)系數(shù)R和決定系數(shù)R2均較大，表明SMOS鹽度模擬亮溫和HYCOM鹽度模擬亮溫間的相關(guān)性很強(qiáng)，線性擬合程度較高。

2.2 按風(fēng)速分段線性擬合建模

SMOS反演算法中海面粗糙度模型的不準(zhǔn)確對模擬亮溫精度的影響較大，而風(fēng)速又是影響粗糙度的主要因素。將2012年的13幅數(shù)據(jù)，按風(fēng)速劃分為0～1 m/s、1～2 m/s等區(qū)間，大于20 m/s的劃為一個(gè)區(qū)間；在不同風(fēng)速下，計(jì)算SMOS反演的原始鹽度相對于HYCOM的均方根誤差（RMSE）。

圖2 不同風(fēng)速下SMOS鹽度相對于HYCOM鹽度的RMSE

從圖2可知，無論哪種粗糙度模型，SMOS反演鹽度的誤差大體隨風(fēng)速增大而增大，特別是大于10 m/ s后，趨勢更顯著，說明風(fēng)速是影響反演精度的重要因素。因此，本文以1 m/s風(fēng)速為間隔，選取對應(yīng)風(fēng)速區(qū)間內(nèi)的原始模擬亮溫與HYCOM模擬亮溫進(jìn)行分段線性擬合，創(chuàng)建了適用于不同風(fēng)速的21個(gè)線性回歸模型。

2.3 按經(jīng)緯度分段線性擬合建模

據(jù)前人研究，RFI是影響SMOS反演精度的重要因素，且在南海有非常強(qiáng)的地域性[3,7]，因此本文分別按照經(jīng)緯度的不同，以1°經(jīng)度、緯度為單位，劃分了20個(gè)經(jīng)度和25個(gè)緯度區(qū)間，計(jì)算SMOS反演鹽度相對于HYCOM的RMSE（圖3、4）。

根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究，RFI源主要分布在南海北部，特別是珠三角與臺(tái)北等地，且距RFI源越近受其影響越大[3,7]。由圖3、4可知，無論哪種粗糙度模型，SMOS反演鹽度誤差基本隨緯度的增加而增大，即越靠近南海北部反演精度越低；在經(jīng)度上的趨勢雖表現(xiàn)得不太規(guī)律，但在115°～118°和124°的經(jīng)度內(nèi)RMSE有明顯的峰值，恰好是珠三角與臺(tái)北等地附近所在的經(jīng)度，說明這些經(jīng)度內(nèi)反演的鹽度誤差較大，與前人研究結(jié)果相吻合；因此受RFI影響，SMOS反演精度在南海具有強(qiáng)地域性。按經(jīng)緯度不同，為方便計(jì)算，以5°經(jīng)度、緯度為間隔，本文選取對應(yīng)經(jīng)緯度范圍內(nèi)的原始模擬亮溫與HYCOM模擬亮溫，按上述方式進(jìn)行分段線性擬合，創(chuàng)建了適用于不同經(jīng)緯度的20個(gè)線性回歸模型。

圖3 不同經(jīng)度內(nèi)SMOS鹽度相對于HYCOM鹽度的RMSE

圖4 不同緯度內(nèi)SMOS鹽度相對于HYCOM鹽度的RMSE

3 建模結(jié)果比較與分析

將新模型代入L2OS中進(jìn)行反演，并按前述方式和格式輸出鹽度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)[8-9]。因受諸多因素影響，L2OS會(huì)反演出不屬于鹽度數(shù)值正常范圍的異常值，所以在數(shù)據(jù)比較時(shí)會(huì)對反演鹽度進(jìn)行篩選，考慮南海海域通常的鹽度數(shù)值范圍后，本文取30～40 psu的鹽度作為有效反演值。

3.1 RMSE分析

以單幅SMOS數(shù)據(jù)為單位，求取SMOS原始反演鹽度和3種新模型代入后反演的鹽度相對于HYCOM鹽度的RMSE。

圖5中橫坐標(biāo)表示2012年4～6月的13幅數(shù)據(jù)；深淺不同的黑色、綠色、紅色、藍(lán)色的3條線分別代表在3個(gè)海面粗糙度下SMOS原始的、簡單線性模型的、風(fēng)速模型的、經(jīng)緯度模型反演的鹽度RMSE?？梢钥闯?，無論哪種粗糙度模型，用新模型反演的鹽度數(shù)據(jù)均比SMOS原始反演的更接近HYCOM，精度更好。

圖5 不同模型反演鹽度相對于HYCOM鹽度的RMSE

表2為13幅數(shù)據(jù)求取相對于HYCOM鹽度的RMSE，無論是否篩選鹽度異常值或采用哪種海面粗糙度，3種新模型所反演的鹽度精度都要優(yōu)于SMOS原始反演精度。

表2 綜合13幅數(shù)據(jù)的RMSE表

表3為13幅數(shù)據(jù)求取相對于浮標(biāo)實(shí)測鹽度的RMSE，可以看出，3種新模型所反演的鹽度精度均優(yōu)于SMOS原始反演精度。

表3 相對于浮標(biāo)實(shí)測鹽度的RMSE表

3.2 平均絕對誤差分析

將13幅驗(yàn)證數(shù)據(jù)用各模型反演，并經(jīng)30～40 psu鹽度的篩選后，以0.25個(gè)經(jīng)緯度網(wǎng)格為單位，對落入其中所有時(shí)間的有效反演網(wǎng)格點(diǎn)計(jì)算各模型反演鹽度在該單位網(wǎng)格內(nèi)相對于HYCOM的平均絕對誤差（MAE），并以海面粗糙度1為例，畫出各模型反演鹽度MAE空間分布圖。

圖6中所有MAE色標(biāo)都已統(tǒng)一，SMOS原始反演鹽度MAE較大，許多網(wǎng)格都在2以上，特別是南海北部，呈現(xiàn)大片綠色和黃色甚至紅色；而使用3種新模型反演的MAE均較小，多數(shù)網(wǎng)格都在2以下，整個(gè)南海幾乎均為藍(lán)與綠色，特別是經(jīng)緯度模型的MAE在許多網(wǎng)格甚至都在1以下，幾乎都為藍(lán)色；直觀證明了使用3 種新模型反演的鹽度誤差均小于SMOS原始模型反演誤差，精度較高。

表4、5是綜合了13幅數(shù)據(jù)的MAE結(jié)果，反映了圖6整幅圖的平均誤差水平，結(jié)果與RMSE類似，新模型所反演的精度均優(yōu)于SMOS原始反演。

圖6 不同模型反演鹽度的MAE空間分布圖

表4 綜合13幅數(shù)據(jù)的MAE表

表5 相對于浮標(biāo)實(shí)測鹽度的MAE表

3.3 誤差標(biāo)準(zhǔn)差（STD）分析

使用各模型對所有數(shù)據(jù)反演，并經(jīng)過鹽度篩選后，求各模型反演鹽度相對于HYCOM的絕對誤差，畫出絕對誤差頻率分布直方圖。

由圖7可知，無論哪種粗糙度模型，SMOS原始反演的誤差分布都較分散，大多在-2、-1和0附近；而3種新模型的誤差分布均較集中，大多在0附近，說明新模型反演鹽度大多接近于HYCOM。值得一提的是，所有模型的誤差分布在負(fù)數(shù)部分要比正數(shù)部分多，即各模型反演的鹽度可能會(huì)比HYCOM鹽度小。

圖7 不同模型反演鹽度的絕對誤差頻率分布直方圖

表6 綜合13幅數(shù)據(jù)的STD表

表7 相對于浮標(biāo)實(shí)測鹽度的STD表

表6、7是綜合了13幅數(shù)據(jù)的STD結(jié)果，分別反映各模型反演相對于HYCOM和浮標(biāo)實(shí)測鹽度誤差的離散程度。無論采用哪種粗糙度和篩選鹽度異常值與否，新模型的STD都比SMOS原始反演的更小，即新模型誤差分布更集中。結(jié)合圖7分析可知，新模型的誤差都集中在0附近，更直觀地說明了新模型反演結(jié)果比SMOS原始反演的誤差更小，精度更好。

從以上RMSE、MAE和STD的分析結(jié)果來看，盡管采用不同粗糙度反演的結(jié)果略有差異，但多數(shù)情況下經(jīng)緯度模型優(yōu)于風(fēng)速模型和簡單線性模型。

4 結(jié) 語

通過亮溫?cái)M合創(chuàng)建新模型來修正正演模型的方法，可有效減小SMOS在南海特定時(shí)間反演的海表鹽度誤差，提高反演精度。相比需要多種專業(yè)知識來分別對正演模型中的各個(gè)子模塊進(jìn)行理論修正，這種方法更簡單方便、易操作，結(jié)果也更直觀，具有說服力。該方法不僅能有效提高SMOS在南海反演鹽度的精度，也在正演模型和亮溫模擬的層面上，為進(jìn)一步提高L2數(shù)據(jù)的反演精度提供了一種嶄新的思路與嘗試。

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P237

B

1672-4623（2017）07-0009-05

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.003

鄧廣，碩士研究生，研究方向?yàn)楹Ｑ筮b感。

2016-04-14。

項(xiàng)目來源：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013AA09A506-4）。