胡金成，管 磊，楊銘倫

(1.中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100;2.山東大學(xué) 海洋研究院，山東 青島 266237)

引 言

使用衛(wèi)星觀測海表溫度(sea surface temperature, SST)開始于20世紀(jì)80年代，為人們提供了在廣泛范圍內(nèi)觀測SST的能力。美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)的極軌衛(wèi)星上搭載的甚高分辨率掃描輻射計(jì)(Advanced Very High Resolution Radiometers, AVHRR)在20多年來提供了業(yè)務(wù)化的SST觀測結(jié)果[1-2]。兩顆衛(wèi)星每天不斷地測量地表四次，空間分辨率為1.1 km?；贏VHRR數(shù)據(jù)人們開展了很多研究，通過計(jì)算得到的全球SST的均方根誤差約為0.6～0.7K[3-4]，日本周邊區(qū)域SST的精度為0.6 K[5]。

第一顆地球同步運(yùn)行環(huán)境衛(wèi)星(Geostationary Operational Environmental Satellite, GOES)于1975年10月16日發(fā)射。早期的GOES是自旋穩(wěn)定的，只有10%的時間觀測地球。GOES-8作為第一艘三軸穩(wěn)定航天器，于1994年4月13日發(fā)射[6]。自發(fā)射以來， GOES-8的SST精度已經(jīng)提高到0.7 K，空間分辨率為4 km，與極軌衛(wèi)星SST相比，GOES SST的幾個優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的：GOES成像儀的頻繁采樣使得SST圖在云層移動時更加完整；短時間內(nèi)場景溫度的變化有助于探測云的存在；大量的GOES觀測使得嚴(yán)格篩選無云觀測成為可能，同時保持了對晴空SST推斷的良好空間覆蓋；首次觀測到大范圍SST的日變化，討論了其對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候監(jiān)測的意義[7]。搭載在地球靜止氣象衛(wèi)星(Geostationary Meteorological Satellite, GMS)上的可見光紅外自旋掃描輻射計(jì)(Stretched-Visible Infrared Spin Scan Radiometer, S-VISSR)的SST估算也通過一種新的算法得到了改進(jìn)，均方根誤差為0.8 K[8]。

Himawari-8靜止氣象衛(wèi)星于2015年7月7日投入運(yùn)行，衛(wèi)星星下點(diǎn)位于140.7°E，觀測范圍從80°E～160°W，60°N～60°S。先進(jìn)的Himawari成像儀(Advanced Himawari Imager, AHI)是安裝在Himawari-8上的光學(xué)輻射計(jì)。它的觀測頻率為每10 min觀測一次整個區(qū)域，每2.5 min觀測一次日本附近區(qū)域。AHI有16個光譜波段，從可見光波段到紅外波段。紅外波段的空間分辨率為2 km[9]。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)的地球觀測研究中心通過10.4、11.2、8.6 μm波段數(shù)據(jù)以及10.4、11.2、3.9 μm波段數(shù)據(jù)計(jì)算得到Himawari-8海表皮溫(SSTskin)數(shù)據(jù)，兩者都是實(shí)時的[10]。SST的計(jì)算用了一種新的準(zhǔn)物理SST算法，通過求解參數(shù)化的紅外輻射傳遞方程計(jì)算了SSTskin。在云篩選方面，引入了一種基于貝葉斯推理方法的云算法[11]。Yukio Kurihara等人對從10.4、11.2、8.6 μm波段數(shù)據(jù)反演2015年6月到9月的SSTskin數(shù)據(jù)與漂流浮標(biāo)和熱帶錨定浮標(biāo)數(shù)據(jù)的比較，超過63萬對匹配數(shù)據(jù)的結(jié)果顯示，均方根誤差約為0.59 K，平均偏差為-0.16 K[12]。-0.16 K的偏差與Donlon等人所指出的海表皮溫與海表體溫之間的平均差異一致[13]。

由于不同的衛(wèi)星的性能和觀測頻段不同，因此它們觀測數(shù)據(jù)的可利用率也會不同。而且更為重要的是，受當(dāng)?shù)卮髿鉅顩r的影響，會令傳感器無法觀測SST，比如紅外傳感器受云的影響較大，無法穿過云層觀測SST，而微波傳感器則只受雨的影響，在有云的大氣狀況下依然可以觀測SST，但不能在有雨的區(qū)域觀測SST。Guan等研究分析了不同衛(wèi)星傳感器的SST可利用率，定量評估了NOAA提供的AVHRR數(shù)據(jù)、搭載于GMS的S-VISSR數(shù)據(jù)和熱帶降雨測量任務(wù)(Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM)的微波成像儀(Microwave Imager, MI)數(shù)據(jù)，定量地分析了不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)的總體可利用率，季節(jié)性變化，及其影響因素[14]。

本文對2015年發(fā)射的Himawari-8靜止氣象衛(wèi)星的SST數(shù)據(jù)可利用率進(jìn)行分析，包括了SST數(shù)據(jù)可利用率的區(qū)域分布、SST數(shù)據(jù)可利用率的季節(jié)變化、云量和海冰對其的影響。分析Himawari-8 SST數(shù)據(jù)的可利用率對使用Himawari-8 SST數(shù)據(jù)的各種研究有著參考意義。

1 數(shù)據(jù)介紹

Himawari-8衛(wèi)星于2015年7月7日投入運(yùn)行，觀測范圍從80°E～160°W，60°N～60°S。本文的研究區(qū)域選在西北太平洋(100°E～150°E，0°～50°N)，時間范圍是2015年8月—2019年7月。

本文的SST數(shù)據(jù)是Himawari-8的1 h SST數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)下載地址：ftp://ftp.ptree.jaxa.jp)，時間分辨率為1 h，空間分辨率為0.02°。Himawari-8 SST數(shù)據(jù)時空分辨率較高，可以同時獲得大范圍內(nèi)的連續(xù)SST序列，且精度較高，與浮標(biāo)數(shù)據(jù)比較的均方根誤差在0.59 K左右，平均偏差在-0.16 K左右。因此分析Himawari-8 SST數(shù)據(jù)的可利用率對使用Himawari-8 SST數(shù)據(jù)的各種研究有著參考意義。但由于搭載在Himawari-8上的AHI傳感器是紅外傳感器，其測量結(jié)果受云的影響較大，只有在無云或云量較少的情況下才能正常觀測；同時，在高緯度區(qū)域，海冰的存在也會影響SST數(shù)據(jù)的可利用率。因此本文分析了云量和海冰對SST數(shù)據(jù)可利用率的影響。

本文的云量數(shù)據(jù)采用的是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的total cloud cover數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)下載地址：https://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/)，時間分辨率為6 h，空間分辨率為0.125°。其時空分辨率低于Himawari-8 SST數(shù)據(jù)，但也滿足在分析每日較大空間內(nèi)的云量與SST數(shù)據(jù)可利用率關(guān)系時的要求。

本文的海冰覆蓋率數(shù)據(jù)是Himawari-8 SST數(shù)據(jù)中自帶的sea ice area fraction數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源是JAXA AMSR2 SIC產(chǎn)品。時空分辨率與SST數(shù)據(jù)一致，時間分辨率為1 h，空間分辨率為0.02°。但在原SST數(shù)據(jù)中，該海冰覆蓋率數(shù)據(jù)只提供到2017年2月，因此分析時只選取2016年1 a中的海冰數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果和討論

搭載在Himawari-8上的AHI紅外傳感器在有云遮擋的情況下無法正常觀測到SST有效值，因此本文對SST數(shù)據(jù)的可利用率進(jìn)行分析，定義SST可利用率為SST有效值數(shù)量與全部觀測數(shù)量的比值。本章定量分析了SST可利用率的時空分布，以及云量和海冰對SST可利用率的影響。

2.1 SST可利用率的時空分布

本節(jié)分析了Himawari-8 SST可利用率的時空分布，包括不同年份、不同月份、不同區(qū)域的SST可利用率。由于不同時間、不同區(qū)域中云量的大小有所不同，SST可利用率也會隨之變化。

首先分析了SST可利用率總體上的區(qū)域差異和年度差異，圖1(a)(b)(c)(d)分別為2015年8月—2019年7月4 a的年平均SST可利用率，表示一年中每個格點(diǎn)的平均SST可利用率。4 a中的SST平均可利用率分別為44%、33%、35%、41%；可以看出SST可利用率最高的區(qū)域出現(xiàn)在15°N～25°N，140°E～150°E區(qū)域，并呈環(huán)狀向外遞減，該區(qū)域的SST平均可利用率在4 a中分別為64%、54%、57%、62%，該區(qū)域位于副熱帶高氣壓帶，云量較少；40°N～50°N，140°E～150°E區(qū)域的SST平均可利用率較低，4 a中分別為17%、15%、16%、19%，該區(qū)域除了云量較多，在冬季由于海冰的影響也會使SST可利用率降低；在其他大部分區(qū)域，80%區(qū)域的SST可利用率分布在28%～59%(除了SST可利用率最大的10%區(qū)域和最小的10%區(qū)域)。

圖1 年平均SST可利用率，(a)2015年8月—2016年7月；(b)2016年8月—2017年7月；(c)2017年8月—2018年7月；(d)2018年8月—2019年7月Fig.1 Annual average SST availability. (a) August 2015—July 2016; (b) August 2016—July 2017; (c) August 2017—July 2018; (d) August 2018—July 2019

SST可利用率除了年度變化之外，一年中的季節(jié)性變化更為明顯，于是統(tǒng)計(jì)了各個月份的SST可利用率，每個月份的SST可利用率表示4 a中4個此月份SST可利用率的均值。圖2(a)為1月份～12月份平均SST可利用率，圖2(b)分別為5°N～20°N和20°N～35°N區(qū)域月平均SST可利用率。

圖2 (a)1月份—12月份平均SST可利用率；(b)5°N～20°N和20°N～35°N區(qū)域月平均SST可利用率Fig.2 (a) Monthly average SST availability from January to December. (b) Monthly average SST availability in 5°N～20°N and 20°N～35°N

圖2(a)中每個月份的平均可利用率在32%～47%之間，最大值出現(xiàn)在4月份，最小值出現(xiàn)在7月份。日本北海道以北的白色區(qū)域受海冰影響較大，4個月份SST可利用率都為0，可以看出海冰主要出現(xiàn)在高緯度海域的1月份～4月份。SST可利用率較高的區(qū)域總體上位于5°N～35°N，在2月份～4月份時，5°N～20°N，100°E～120°E海域的SST可利用率明顯高于同緯度東部海域，而在其余的9個月份中，SST可利用率較高的海域均在130°E～150°E左右?？梢钥闯鯤imawari-8的SST有效值可利用率在5°N～35°N的區(qū)域受副熱帶高氣壓帶、熱帶輻合帶等大氣環(huán)流的影響，存在顯著的緯向變化和季節(jié)性變化，即可利用率較高的區(qū)域在4月份的范圍是5°N～20°N，而到了8月份則會向北移動到20°N～35°N。

圖3 (a)2015年8月—2019年7月SST可利用率緯向霍夫默勒圖；(b)2015年8月—2019年7月云量緯向霍夫默勒圖Fig.3 (a) Latitudinal Hovm?ller diagram of SST availability from August 2015 to July 2019. (b) Latitudinal Hovm?ller diagram of cloud cover from August 2015 to July 2019

2.2 云量和海冰對SST可利用率的影響

搭載在Himawari-8上的AHI傳感器無法透過云層測量SST，因此SST可利用率主要受云的影響，本文將ECMWF提供的云量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

由于SST可利用率和云量在緯向的季節(jié)性變化明顯，本文將每天相同緯度的SST可利用率、云量做平均，繪制霍夫默勒(Hovm?ller)圖。圖3(a)(b)分別為2015年8月—2019年7月SST可利用率、云量的緯向霍夫默勒圖，橫坐標(biāo)為時間(2015年8月—2019年7月)，縱坐標(biāo)為緯度(0°～50°N)，每個點(diǎn)表示每天的緯向0.02°間隔條帶內(nèi)的平均SST可利用率和平均云量。圖中可以看出，SST可利用率分布和云量分布呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。緯向上由于受西北太平洋副熱帶高壓帶影響，SST可利用率和云量的時空分布呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化，冬季(1月—4月)有效值較多的區(qū)域主要集中在10°N～20°N之間，隨著天氣變暖副熱帶高壓帶逐漸向北移動，而夏季(6月—9月)有效值較多的區(qū)域主要集中在20°N～30°N之間。圖中也可以看出年度間的SST可利用率的變化，即較高的年份出現(xiàn)在第一年和最后一年，較低的年份出現(xiàn)在中間兩年，與圖1的規(guī)律也一致。

由于本文選取的范圍較大，緯度跨度從0°～50°N，SST可利用率在冬季的高緯度區(qū)域不僅受云量的影響，還受海冰的影響。在海冰存在時，無法正常獲得SST數(shù)據(jù)，因此下文分析了海冰對SST可利用率的影響。圖4(a)(b)(c)(d)分別為2016年1月—2016年4月的月平均海冰覆蓋率。海冰出現(xiàn)的時間主要集中在1月份至4月份，其他月份的海冰很少。海冰出現(xiàn)的區(qū)域在37°N～50°N海域，主要集中在日本北海道以北的高緯度海域，在中國渤海的沿岸海域也有出現(xiàn)。在37°N～50°N海域，由海冰對SST可利用率造成的影響，可以用每天海冰覆蓋率大于0的海域面積與37°N～50°N海域的全部海域面積之比體現(xiàn)。將每天的該比值做月平均，1月份—4月份的37°N～50°N海域海冰面積與全部海域面積之比分別是6.2%，11.6%，10.4%，1.6%。因此，在2016年的1月份—4月份的37°N～40°N海域，分別有6.2%，11.6%，10.4%，1.6%的海域會由于海冰的存在而無法觀測SST。

圖4 月平均海冰覆蓋率 (a)2016年1月；(b)2016年2月；(c)2016年3月；(d)2016年4月Fig.4 Monthly average sea ice fraction. (a) January 2016, (b) February 2016, (c) March 2016 and (d) April 2016

3 結(jié)論

在2015年8月—2019年7月的4 a時間里，對Himawari-8 SST數(shù)據(jù)在西北太平洋(100°E～150°E，0°～50°N)的可利用率進(jìn)行了定量分析，發(fā)現(xiàn)Himawari-8 SST數(shù)據(jù)在4 a中的年平均可利用率分別為44%，33%，35%，41%。由于受云量的影響，具有較大的季節(jié)變化，每個月份的平均可利用率在32%～47%之間，最大值出現(xiàn)在4月份，最小值出現(xiàn)在7月份；Himawari-8 SST數(shù)據(jù)可利用率在5°N～35°N的區(qū)域受副熱帶高氣壓帶、熱帶輻合帶等大氣環(huán)流的影響，存在顯著的緯向變化，即可利用率較高的區(qū)域在冬季的范圍是5°N～20°N，而到了夏季則會向北移動到20°N～35°N；Himawari-8 SST數(shù)據(jù)可利用率與云量呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，通過對大尺度范圍云量變化的分析，可以分析SST的可利用率的變化趨勢。在冬季，特別是1月份—4月份，Himawari-8 SST數(shù)據(jù)可利用率在日本北海道以北的高緯度海域以及中國渤海沿岸海域會受海冰的影響，因此在分析高緯度的Himawari-8 SST數(shù)據(jù)時，應(yīng)考慮海冰的影響。

在本文研究的區(qū)域內(nèi)，云量和海冰是影響Himawari-8 SST數(shù)據(jù)可利用率的兩個最主要因素。在Himawari-8無法觀測SST時，使用可以穿過云觀測SST的微波傳感器數(shù)據(jù)和現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)可以彌補(bǔ)Himawari-8 SST數(shù)據(jù)的缺失。