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        SMAP衛(wèi)星海表鹽度產(chǎn)品精度評定與全球海表鹽度特征分析

        2021-12-03 01:19:04邱志偉劉瑞翔吳振宇常宇佳潘春天
        海洋學研究 2021年3期
        關鍵詞:產(chǎn)品

        牛 原,邱志偉,劉瑞翔,吳振宇,常宇佳,潘春天

        (1.江蘇海洋大學 海洋技術與測繪學院,江蘇 連云港222005;2.江蘇省海洋資源開發(fā)研究院,江蘇 連云港 222005;3.連云港市氣象局,江蘇 連云港 222005)

        0 引言

        海表鹽度(sea surface salinity,SSS)在全球水循環(huán)和氣候系統(tǒng)中起著重要作用[1],是研究海洋變化及其氣候效應重要的物理量之一。獲得海表鹽度資料的方式有傳統(tǒng)觀測和衛(wèi)星遙感[2-3]。傳統(tǒng)觀測資料依靠人工量測[4]或者通過浮標等觀測平臺獲得,鹽度資料精度較高,但數(shù)據(jù)覆蓋面小,獲取耗時耗力。遙感衛(wèi)星的發(fā)展實現(xiàn)了海表鹽度大范圍觀測[5-6]。Aquarius、SMOS和SMAP是3種可以提供海表鹽度產(chǎn)品的遙感衛(wèi)星,其中SMAP是目前在軌運行的、主要提供海表鹽度產(chǎn)品的衛(wèi)星[7]。

        通過遙感衛(wèi)星獲取全球海表鹽度數(shù)據(jù)已成為研究海洋的主要手段,因此開展衛(wèi)星鹽度產(chǎn)品的精度評估與偏差分析有重要的現(xiàn)實意義。國內外學者針對局部海域Aquarius、SMOS和SMAP等三種遙感衛(wèi)星的海表鹽度產(chǎn)品精度進行了評估[8-14];對偏差原因進行分析,如TANG et al[15]認為SMAP衛(wèi)星鹽度數(shù)據(jù)在地中海區(qū)域受到較大的陸地射頻干擾;分析鹽度分布特征,如WU et al[16]利用SMAP衛(wèi)星研究發(fā)現(xiàn)長江口附近海域的海表鹽度較低,且具有明顯的季節(jié)變化特征。本文對2018年SMAP衛(wèi)星鹽度產(chǎn)品進行月均、日均精度評定、偏差分析及全球鹽度分布特征的研究,為遙感衛(wèi)星鹽度產(chǎn)品的應用提供科學依據(jù)。

        1 數(shù)據(jù)與方法

        1.1 數(shù)據(jù)來源及處理

        本文采用SMAP衛(wèi)星海表鹽度L3級日均和月均產(chǎn)品,時間為2018年1月—12月,數(shù)據(jù)來源于Remote Sensing System網(wǎng)站 (http:∥www.remss.com/),分辨率均為0.25°×0.25°。

        驗證數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括Argo實時散點鹽度數(shù)據(jù)和月均網(wǎng)格化鹽度產(chǎn)品,時間均為2018年1月—12月。其中Argo實時散點數(shù)據(jù)來自法國海洋開發(fā)研究院(Global Data Assembly Centre,GDAC)服務器(ftp:∥ftp.ifremer.fr/ifremer/argo/dac),測量精度為±0.01[17-18];月均網(wǎng)格化產(chǎn)品來自于中國Argo實時資料中心(http:∥www.argo.org.cn/)[19],空間分辨率為1°×1°。以0~5 m深度內、數(shù)據(jù)質量正常(質量標記為1)的Argo鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品來評估SMAP衛(wèi)星鹽度產(chǎn)品精度[20]。用于檢驗SMAP日均產(chǎn)品精度的Argo共4個,其中3個位于太平洋海域,浮標ID分別為2901306、1901161和5902232;1個位于地中海海域,浮標ID為1900959。

        1.2 技術流程

        采用最近點、最近時匹配方法將SMAP衛(wèi)星日均鹽度產(chǎn)品與Argo實時散點數(shù)據(jù)進行時空匹配,匹配遵循1 d/0.25°的時空窗口。采用二維線性插值法將SMAP衛(wèi)星月均鹽度產(chǎn)品插值為1°×1°分辨率的數(shù)據(jù)產(chǎn)品,與Argo月均網(wǎng)格化產(chǎn)品進行時空匹配。為減少偏差,上述匹配均剔除異常數(shù)據(jù),即Argo和SMAP鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品中海域范圍內為空值的點。對SMAP日均和月均鹽度產(chǎn)品進行精度評定、相關性檢驗和偏差分析,在此基礎上分析全球海表鹽度分布特征,具體流程見圖1。

        圖1 技術流程圖Fig.1 Technical flow chart

        1.3 精度評定、相關性檢驗與偏差分析方法

        精度評估指標有平均偏差BIAS、標準差STD和均方根誤差RMSE,計算公式為:

        (1)

        (2)

        (3)

        式中:SSMAP表示SMAP衛(wèi)星鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品;SArgo表示Argo鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

        相關系數(shù)R表征SMAP衛(wèi)星鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品與Argo鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品的相關性,R值越大,表明兩者之間相關性越高;反之相關性越低。利用配對樣本t檢驗法對相關性進行顯著性檢驗。

        (4)

        (5)

        文中偏差值為SMAP衛(wèi)星鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品與 Argo 鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品的差值,用來衡量全球范圍內SMAP衛(wèi)星鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品的準確度。偏差越小,說明SMAP衛(wèi)星鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品準確度越高,反之準確度越低。

        2 結果與分析

        2.1 月均鹽度產(chǎn)品的精度評定

        SMAP衛(wèi)星月均鹽度產(chǎn)品與Argo月均網(wǎng)格化鹽度產(chǎn)品的匹配點數(shù)為31 718個,精度評定結果如表1所示,BIAS為0.11,RMSE為0.17,STD為 0.17。t檢驗發(fā)現(xiàn),給定檢驗水準α=0.01,p值小于0.01,有顯著統(tǒng)計學差異;R為0.98,說明SMAP衛(wèi)星月均產(chǎn)品與Argo月均網(wǎng)格化鹽度產(chǎn)品顯著相關。2018年SMAP與Argo月均海表鹽度產(chǎn)品散點圖顯示,數(shù)據(jù)總體趨勢一致(圖2),表明SMAP衛(wèi)星月均鹽度產(chǎn)品與Argo月均網(wǎng)格化鹽度產(chǎn)品的偏差較小,該數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度較高。

        圖2 2018年SMAP與Argo月均海表鹽度產(chǎn)品散點對比圖Fig.2 Comparison of monthly averaged sea surface salinity products between SMAP and Argo in 2018

        表1 2018年SMAP月均海表鹽度產(chǎn)品精度評定Tab.1 Accuracy assessment of monthly averaged sea surface salinity products of SMAP in 2018

        分別對2018年1—12月各月份SMAP衛(wèi)星鹽度產(chǎn)品進行精度評定,結果見表2。BIAS在0.19~0.24之間,RMSE在0.30~0.53之間,STD在0.30~0.52 之間,R在0.92以上;其中1月和12月的BIAS、RMSE以及STD的值較其他月份明顯偏大,而R值明顯偏小。4月和5月鹽度產(chǎn)品的RMSE、BIAS和STD相對于其他月份較低,R也超過了0.96。

        圖3為1—12月SMAP與Argo鹽度產(chǎn)品散點圖,可以看出各月份數(shù)據(jù)整體均趨于一致,其中1月和12月的數(shù)據(jù)較離散,5月和6月的數(shù)據(jù)較集中,與精度評定結果一致(表2)。從圖3中還可以看出,在鹽度為31.0~32.0和37.0~38.0的海域,SMAP數(shù)據(jù)產(chǎn)品離散程度較高,偏差較大。

        圖3 不同月份SMAP與Argo海表鹽度產(chǎn)品散點對比圖Fig.3 Comparison of sea surface salinity products between SMAP and Argo in different months

        表2 不同月份SMAP衛(wèi)星海表鹽度精度評定Tab.2 Sea surface salinity accuracy assessment of SMAP in different months

        對2018年各月份SMAP衛(wèi)星和Argo月均鹽度產(chǎn)品偏差進行分析可以看出,偏差在-1.0~1.0之間,靠近大陸、海岸和大河口的海域偏差較大,普遍在0.4以上;中緯度海域偏差較??;在赤道海域,9、10、11月相對于3、4、5月的偏差大;兩極附近海域的鹽度偏差較大,可達到1.0(圖4)。

        (a)1月

        由圖5可知,與Argo鹽度產(chǎn)品相比,SMAP海表鹽度產(chǎn)品的偏差在高緯度海域較大,在低緯度海域較小。

        圖5 2018年SMAP與Argo全球海表鹽度偏差隨緯度變化圖Fig.5 Deviation changes of global sea surface salinity with latitude between SMAP and Argo in 2018

        2.2 日均鹽度產(chǎn)品精度評定

        SMAP衛(wèi)星日均產(chǎn)品的精度評定結果如表3所示,BIAS為0.23,RMSE為0.28,STD為0.26,R為0.81,2018年SMAP與Argo日均海表鹽度產(chǎn)品散點圖顯示,數(shù)據(jù)總體趨勢一致(圖6)。

        圖6 2018年SMAP與Argo日均海表鹽度產(chǎn)品散點對比圖Fig.6 Comparison of daily averaged sea surface salinity products between SMAP and Argo in 2018

        表3 2018年SMAP日均海表鹽度產(chǎn)品精度評定Tab.3 Accuracy assessment of daily averaged sea surface salinity products of SMAP in 2018

        對太平洋海域SMAP日均海表鹽度產(chǎn)品和Argo鹽度產(chǎn)品進行比較可知,兩種數(shù)據(jù)產(chǎn)品的海表鹽度均集中在33.6~35.6之間,整體變化趨勢一致(圖7a);SMAP日均鹽度產(chǎn)品精度偏差在-0.6~0.6之間,其中4—9月偏差較其他月份大(圖7b)。

        圖7 太平洋海域SMAP與Argo日均海表鹽度產(chǎn)品對比圖Fig.7 Comparison of daily average sea surface salinity products between SMAP and Argo in the Pacific Ocean

        考慮到地中海特殊的地理位置,對2018年地中海SMAP和Argo日均海表鹽度產(chǎn)品進行比較可知,兩種數(shù)據(jù)產(chǎn)品的海表鹽度均集中在37.5~40.5之間,整體變化趨勢一致(圖8a);SMAP日均鹽度產(chǎn)品精度偏差在-1.5~1.0之間,除6月外,其他月份鹽度偏差較大(圖8b)。

        圖8 地中海SMAP與Argo日均海表鹽度產(chǎn)品對比圖Fig.8 Comparison chart of daily average sea surface salinity products between SMAP and Argo in the Mediterranean

        2.3 全球海表鹽度特征分析

        從圖9可以看出,全球海表鹽度分布在25.0~40.0之間,其中大部分海域海表鹽度在35.0左右。

        從大洋分布來看,大西洋海表鹽度普遍高于太平洋和印度洋,且各大洋海表鹽度空間分布不均勻。在印度洋北部、北太平洋西部等大洋邊緣的近岸、大河口、海灣等海域呈現(xiàn)明顯的低鹽;各大洋靠近兩極的海域海表鹽度也較低。海表鹽度的最高值多出現(xiàn)在一些海盆中,如紅海和地中海。

        從緯度分布來看,全球海表鹽度具有明顯的沿緯度方向呈帶狀分布特征(圖10)。南、北半球中低緯海域海表鹽度呈明顯的高值帶狀分布;赤道海域海表鹽度呈低值帶狀分布。從高緯到低緯,在南半球海表鹽度呈先增大后變小的趨勢;在北半球海表鹽度呈先變小后增大再變小的趨勢,在40°N附近,鹽度達到最小值,分布規(guī)律和圖9一致。

        圖9 SMAP衛(wèi)星2018年全球海表鹽度分布圖Fig.9 Global sea surface salinity distribution map of SMAP in 2018

        圖10 2018年SMAP全球海表鹽度隨緯度變化圖Fig.10 Global sea surface salinity changes with latitude of SMAP in 2018

        3 結論

        本文以Argo鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品作為驗證,對2018年SMAP衛(wèi)星日均和月均海表鹽度產(chǎn)品進行精度評定,計算全球海表各月份鹽度數(shù)據(jù)偏差并分析鹽度的分布特征,得到如下結果:

        (1)SMAP衛(wèi)星月均海表鹽度產(chǎn)品的精度值:RMSE為0.17,BIAS為0.11,STD為0.17,R=0.98,各月份精度值為BIAS在0.19~0.24之間,RMSE在0.30~0.54之間,STD在0.30~0.53之間,R在0.92以上。總體上SMAP衛(wèi)星月均海表鹽度產(chǎn)品精度良好,但低鹽區(qū)(31.0~32.0)和高鹽區(qū)(37.0~38.0)數(shù)據(jù)偏差較大。

        (2)SMAP衛(wèi)星日均海表鹽度產(chǎn)品的精度值:RMSE為0.28,BIAS為0.23,STD為0.26,R=0.81,偏差較月均產(chǎn)品大。其中,太平洋海域SMAP日均鹽度產(chǎn)品的偏差在-0.6~0.6之間,地中海海域偏差在-1.5~1.0之間。

        (3)全球海表鹽度在25.0~40.0之間,鹽度低值多位于大洋邊緣近岸海域,鹽度高值多位于地中海等海盆海域。從大洋鹽度分布來看,大西洋海表鹽度普遍高于太平洋和印度洋,且各大洋海表鹽度空間分布不均勻。從高緯到低緯,南半球海表鹽度呈先增大后變小的趨勢;北半球海表鹽度呈先變小后增大再變小的趨勢;全球海表鹽度具有明顯的沿緯度方向帶狀分布的特征。

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