李尉尉，李銅基，朱建華，韓 冰，高 飛

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

衛(wèi)星遙感器輻射定標(biāo)是獲取準(zhǔn)確可靠的水色遙感數(shù)據(jù)的重要條件。定標(biāo)是確定遙感儀器入瞳處的輻射量與其輸出的數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[1]，但隨著遙感器在軌時間的延長，其元器件存在老化及污染等情況，輻射性能會發(fā)生變化，為確保其定量化產(chǎn)品的應(yīng)用，需要在衛(wèi)星全壽命周期監(jiān)測其輻射性能的變化[2]。而這其中最為經(jīng)濟(jì)可行的方案即是利用天然地物目標(biāo)對其實施輻射性能跟蹤[3-4]。同時，不同歷史時期的衛(wèi)星數(shù)據(jù)可組成長序列描述地球生物圈氣候態(tài)的數(shù)據(jù)集（CDR），通過提供穩(wěn)定的輻射基準(zhǔn)——天然地物目標(biāo)即是確保數(shù)據(jù)集生成的基礎(chǔ)[5]。為此，尋找一系列空間分布均勻、海洋與大氣光學(xué)特性年際穩(wěn)定性高的海洋區(qū)域作為自然靶場，開展水色衛(wèi)星遙感器定標(biāo)檢驗和長期輻射性能跟蹤是非常必要的[6-7]。

大洋中部環(huán)流形成的寡營養(yǎng)鹽海區(qū)遠(yuǎn)離大陸，水色三要素濃度很低且以葉綠素濃度為主導(dǎo)，受陸源氣溶膠影響小，氣溶膠類型較穩(wěn)定，水體環(huán)境變化幅度較小，是天然的水體光學(xué)輻射基準(zhǔn)場[7]。2002年，F(xiàn)OUGNIE B等利用一年的SeaWiFS數(shù)據(jù)產(chǎn)品識別了15個海洋場點，并利用海洋和大氣參數(shù)來表征場區(qū)特性[8]。2010年，F(xiàn)OUGNIE B等利用9年（1999—2007年）的SeaWiFS數(shù)據(jù)重新定義之前15個海洋場點的空間均勻性，提出了新的6塊區(qū)域[8-9]。2012年，趙崴通過分析1998—2007年的SeaWiFS葉綠素、離水輻亮度和氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù)，選擇了符合條件的7個海區(qū)，作為開展大氣瑞利散射（Rayleigh Scattering）定標(biāo)研究的區(qū)域[10]。2017年，ZIBORDI G等利用1997—2010年的SeaWiFS數(shù)據(jù)找出建立適用于海洋水色觀測計劃的潛在系統(tǒng)替代定標(biāo)場區(qū)位置，為CDR產(chǎn)品制作服務(wù)[5]。2019年，REVEL C基于FOUGNIE B篩選的6塊區(qū)域來檢查和提高Sentinel 2A和2B衛(wèi)星絕對定標(biāo)系數(shù)的準(zhǔn)確性，開展了衛(wèi)星絕對定標(biāo)監(jiān)測研究[11]。

在FOUGNIE B等利用1999—2007年的SeaWiFS數(shù)據(jù)提出6塊寡營養(yǎng)鹽區(qū)域的基礎(chǔ)上，本文利用2008—2018年的中分辨率成像光譜儀（MODIS）數(shù)據(jù)，將6塊區(qū)域之一的西北太平洋海域作為示范研究區(qū)域，從空間均勻度、季節(jié)變化性、年際穩(wěn)定性3個方面對該區(qū)域進(jìn)行優(yōu)選和分析研究，以更新該區(qū)域的光學(xué)特征信息，服務(wù)于我國海洋水色衛(wèi)星的長期性能跟蹤。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

本文采用美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射的AQUA衛(wèi)星MODIS的L3級數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)下載于https:// oceancolor.gsfc.nasa.gov/l3/）。L3級 標(biāo) 準(zhǔn) 產(chǎn)品包括各個波段的遙感反射率和葉綠素濃度等。MODIS的L3級數(shù)據(jù)是在L2級數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上剔除掉了無效標(biāo)識，進(jìn)行4 km網(wǎng)格化再通過月平均得到的。本文使用了2008—2018年共計11年的MODIS L3級月平均數(shù)據(jù)，包括412 nm、443 nm、488 nm、555 nm、667 nm波段的遙感反射率Rrs、葉綠素濃度Chla以及海表溫度SST。本文選用Rrs描述目標(biāo)海域的光學(xué)特征，選用Chla表達(dá)目標(biāo)海域光學(xué)特性的主要因素，選用SST分析目標(biāo)海域光學(xué)特性及Chla季節(jié)變化的溫度影響。

1.2 研究方法

本文從空間和時間兩個方面，綜合空間均勻度、季節(jié)變化性、年際穩(wěn)定性3個指標(biāo)開展寡營養(yǎng)鹽海區(qū)的優(yōu)選和分析工作，空間均勻度不僅可以有效避免原位數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)因觀測尺度差異引入的誤差，還可以有效提高星地匹配的概率；季節(jié)變化度用以表征星地匹配時輻射基準(zhǔn)的置信度；年際穩(wěn)定性用以表征靶場輻射基準(zhǔn)的時效性。圖1是本文的技術(shù)路線圖。

圖1 技術(shù)路線圖

從空間均勻度上利用網(wǎng)格化分析和場區(qū)聚合規(guī)則對研究區(qū)域進(jìn)行優(yōu)選，對11年的MODIS L3級月平均數(shù)據(jù)分別進(jìn)行網(wǎng)格化分析處理，以0.5°×0.5°劃分網(wǎng)格，計算各網(wǎng)格Rrs和Chla的變異系數(shù)CV，即各網(wǎng)格Rrs或Chla的標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比值（CV=SD/Mean），CV是對區(qū)域空間異質(zhì)性的定量描述。這種方法也是FOUGNIE B[8-9]、MOREL A[7]等所采用的方法。通過對研究區(qū)域Rrs數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，同時遵循Rrs44310%的典型空間變異準(zhǔn)則[8]，建立了場區(qū)聚合的規(guī)則條件（表1），依據(jù)規(guī)則計算并分析各網(wǎng)格滿足條件的情況，形成一塊或幾塊較大形狀規(guī)則的目標(biāo)場區(qū)。

表1 場區(qū)聚合的規(guī)則

利用11年長時間序列數(shù)據(jù)，從季節(jié)變化性、年際穩(wěn)定性對目標(biāo)場區(qū)的Rrs、Chla、SST數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到該區(qū)域各要素的季節(jié)變化規(guī)律及敏感性、年際定標(biāo)周期及每個月的Rrs、Chla平均值，從而最終確定優(yōu)選場區(qū)。

2 場區(qū)空間均勻度分析

本文研究區(qū)域為139.5° E — 165.6° E，10° N — 22.7°N，屬于西北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)，是海洋沙漠區(qū)，葉綠素常年較低，同時該區(qū)域又是渦旋和臺風(fēng)活動頻繁區(qū)域，對全球碳循環(huán)、海洋漁業(yè)、海氣相互作用以及氣候變化都具有相當(dāng)重要的影響[12]。

對西北太平洋（PacNW）海區(qū)分別進(jìn)行網(wǎng)格化處理，依據(jù)場區(qū)聚合規(guī)則，識別出空間均勻度更優(yōu)的海區(qū)。按照0.5°×0.5°劃分網(wǎng)格，將PacNW場區(qū)劃分成1378個網(wǎng)格，計算132個月每個網(wǎng)格范圍的Rrs412、Rrs443、Rrs488、Rrs555以及Chla等要素的變異系數(shù)CV。依據(jù)場區(qū)聚合指標(biāo)，給出了132個月每個網(wǎng)格各要素符合評價條件的情況（見圖2）。由圖2可見，在塞班島以西海域，各要素的CV值均較大，同時，場區(qū)南部海域的CV值同樣偏大。經(jīng)綜合分析，進(jìn)一步確定目標(biāo)海區(qū)PacNW_YX范圍（如圖中紅色框所示），即148° E—165.5° E，13° N—22.5° N。

圖2 PacNW場區(qū)各網(wǎng)格符合評價條件的情況，紅框為目標(biāo)海區(qū)

圖3給出了目標(biāo)海區(qū)PacNW_YX在132個月的Rrs412、Rrs443、Rrs488、Rrs555以及Chla等各要素的CV分布情況?？煽闯?，Rrs412、Rrs443、Rrs488的CV在10%以內(nèi)的區(qū)域達(dá)到99%以上，CV（Rrs555）在15%以內(nèi)的區(qū)域達(dá)到96%以上，CV（Chla）在20%以內(nèi)的區(qū)域達(dá)到99%以上，目標(biāo)空間更加均勻。

圖3 PacNW目標(biāo)海區(qū)各參數(shù)CV分布情況

3 場區(qū)季節(jié)變化性分析

由目標(biāo)海區(qū)PacNW_YX的遙感反射率光譜圖（圖4）可以看出，該區(qū)域呈現(xiàn)典型的一類水體光譜特征，從400～700 nm呈逐漸下降趨勢，至近紅外波段其值趨近于零，水體光學(xué)特征以葉綠素濃度為主導(dǎo)。

圖4 MODIS衛(wèi)星在PacNW_YX的遙感反射率光譜圖 （2008年1月至2018年12月）

圖5、圖6分別給出了目標(biāo)海區(qū)PacNW_YX的Rrs412、Rrs443、Rrs488、Rrs555、Rrs667以及Chla的長時間序列變化。11年間其數(shù)值分別介于0.0132～0.0192 sr-1、0.0101～0.0135 sr-1、0.0063～0.0078 sr-1、0.0011～0.0015 sr-1、0.0001～0.0002 sr-1、0.0322～0.0620 mg/m3之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差σ分別為0.0012 sr-1、0.0007 sr-1、0.0003 sr-1、0.84×10-4sr-1、0.24×10-4sr-1以及0.0057 mg/m3，可以看出該場區(qū)呈現(xiàn)微弱的季節(jié)性變化，Rrs412、Rrs443、Rrs488呈現(xiàn)出冬季較低、夏季較高的現(xiàn)象，而Chla的變化正相反，呈現(xiàn)出冬季較高、夏季較低的規(guī)律，變化幅度小于50%。Rrs555、Rrs667數(shù)值相對更加穩(wěn)定。

圖5 2008—2018年MODIS衛(wèi)星在目標(biāo)海區(qū)各波段 Rrs平均值月際變化

圖6 2008—2018年MODIS衛(wèi)星在目標(biāo)海區(qū) Chla平均值月際變化

圖7是目標(biāo)海區(qū)PacNW_YX的SST的長時間序列變化，可看出，目標(biāo)海區(qū)溫度的每年最低值出現(xiàn)在2—3月份，范圍在26～27 ℃之間，最高值出現(xiàn)在每年的7—9月，范圍在29.1～30.3 ℃之間。從整體看，海表溫度與葉綠素濃度呈負(fù)相關(guān)，這是因為浮游植物主要生長在海洋的上層水體中，而溫度是控制上層水體層化的主要因素[6]，夏季海水溫度升高，限制營養(yǎng)鹽的向上輸送，從而影響浮游植物的生長，導(dǎo)致葉綠素值降低。

圖7 2008—2018年MODIS衛(wèi)星在目標(biāo)海區(qū) SST平均值月際變化

4 場區(qū)年際穩(wěn)定性分析

大洋一類水體以葉綠素為主導(dǎo)，一類水體色素反演算法采用Rrs在443 nm與555 nm波段的比值來估算，所以本文通過分析Rrs443年際波動來評估目標(biāo)海區(qū)PacNW_YX的年際穩(wěn)定性。圖8給出了該海區(qū)在11年間每月的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，1—12月的變異系數(shù)CV在0.031～0.053之間，表現(xiàn)出非常一致的年際變化，適合全年開展定標(biāo)與遙感器輻射性能跟蹤工作。因此，計算統(tǒng)計出該海區(qū)每個月波段遙感反射率和葉綠素濃度的平均值，見表3。

圖8 2008—2018年MODIS衛(wèi)星在目標(biāo)海區(qū)的Rrs443 年際變化

表3 目標(biāo)海區(qū)PacNW各波段遙感反射率和葉綠素濃度數(shù)值統(tǒng)計

5 結(jié)論

大洋中部環(huán)流形成的寡營養(yǎng)鹽海區(qū)遠(yuǎn)離大陸，水色三要素濃度很低且以葉綠素濃度為主導(dǎo)，受陸源氣溶膠影響小，氣溶膠類型較穩(wěn)定，水體環(huán)境變化幅度較小，是天然的水體光學(xué)輻射基準(zhǔn)場，利用寡營養(yǎng)鹽海區(qū)開展水色衛(wèi)星遙感器定標(biāo)檢驗和長期輻射性能跟蹤是最為經(jīng)濟(jì)便捷的方式。本文以西北太平洋海區(qū)為例，利用2008—2018年共計11年的MODIS L3級月平均數(shù)據(jù)，從空間均勻度、季節(jié)變化性、年際穩(wěn)定性上進(jìn)行了場區(qū)更優(yōu)化篩選，得到優(yōu)選區(qū)域148° E—165.5° E，13° N—22.5° N。該區(qū)域各要素11年間變化幅度不大，呈微弱的季節(jié)性變化，其中Rrs呈現(xiàn)出冬季較低夏季較高的現(xiàn)象，Chla受SST影響，呈現(xiàn)冬季較高夏季較低的規(guī)律。同時，該區(qū)域表現(xiàn)出非常一致的年際變化，適合全年開展定標(biāo)檢驗和遙感器輻射性能跟蹤工作，文中給出了每個月Rrs和Chla的平均值。

利用自然地物作為光學(xué)輻射基準(zhǔn)場具有經(jīng)濟(jì)便捷的優(yōu)勢，但需要長時序的跟蹤和分析，以避免偶發(fā)因素的影響。本文的研究成果可服務(wù)于我國自主海洋水色衛(wèi)星，將在后續(xù)研究中重點解決對我國HY1C、HY1D系列水色衛(wèi)星的輻射性能跟蹤問題。