SMAP衛(wèi)星海表鹽度產(chǎn)品及其國(guó)內(nèi)應(yīng)用研究進(jìn)展

黃妍

摘 要：海表鹽度（Sea Surface Salinity，SSS）是全球水循環(huán)和大洋環(huán)流動(dòng)力研究中的重要指標(biāo)之一，在海洋動(dòng)力循環(huán)和全球氣候變化中發(fā)揮著極其重要的作用。但受限于傳統(tǒng)的觀測(cè)手段，鹽度觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空覆蓋率低且分布不均勻，難以準(zhǔn)確地反映海洋鹽度在較大時(shí)空尺度上的變化，而衛(wèi)星遙感探測(cè)手段填補(bǔ)了這塊空白，通過衛(wèi)星遙感可反演大范圍、連續(xù)觀測(cè)的鹽度數(shù)據(jù)，為深入開展相關(guān)研究提供了更多的可能。作為Aquarius＼SAC-D衛(wèi)星的接棒者，SMAP海表鹽度產(chǎn)品引起了廣泛的關(guān)注。本文首先介紹了SMAP衛(wèi)星及其海表鹽度產(chǎn)品的基本情況和主要參數(shù)，然后分析了SMAP海表鹽度產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究現(xiàn)狀，旨在為日后SMAP海表鹽度產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的海洋應(yīng)用技術(shù)和海洋科學(xué)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：SMAP衛(wèi)星;海表面鹽度（SSS）;遙感;研究進(jìn)展

鹽度是海水中含鹽量的一個(gè)標(biāo)度，它與溫度、壓力等是研究海水的物理過程和化學(xué)過程的基本參數(shù)，根據(jù)大洋中鹽度分布的特征，可以鑒別水團(tuán)和了解其運(yùn)動(dòng)的情況。海水鹽度在全球水循環(huán)和大洋環(huán)流中扮演著重要角色，同時(shí)也是全球氣候變化的重要指標(biāo)之一，在海洋--大氣這一復(fù)雜系統(tǒng)中發(fā)揮著極其重要的作用。海洋表面的降水、蒸發(fā)、河流徑流和海冰的形成與融化都對(duì)海表面鹽度產(chǎn)生了影響，這些變化會(huì)通過海水垂直運(yùn)動(dòng)被傳輸至深海，通過對(duì)流和擴(kuò)散影響到其他區(qū)域，繼而在不同水體之間產(chǎn)生溶鹽量差等，最終影響了海洋動(dòng)力循環(huán)和全球氣候變化。

1 SMAP及其海表鹽度產(chǎn)品

1.1 SMAP衛(wèi)星

SMAP衛(wèi)星于2015年1月31日搭載德爾塔2型火箭在加州范登堡空軍基地（VandenbergAFB）發(fā)射，是美國(guó)宇航局的第一顆土壤水分探測(cè)衛(wèi)星，也是繼歐洲航天局發(fā)射的SMOS衛(wèi)星之后第二顆專注于土壤水分觀測(cè)的衛(wèi)星。SMAP載有2個(gè)儀器：L波段雷達(dá)及輻射計(jì)，用于全球土壤濕度和凍融監(jiān)測(cè)。雷達(dá)和輻射計(jì)在外部共享一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的天線，在內(nèi)部有不同的信號(hào)處理設(shè)備。但從2015年7月起，雷達(dá)停止工作，目前原因還未清晰。SMAP衛(wèi)星的相關(guān)信息參數(shù)如表1所示。

SMAP衛(wèi)星的應(yīng)用廣泛，它將有助于提高我們對(duì)全球水循環(huán)、能量平衡和碳循環(huán)的理解，以及改善地表的全球水循環(huán)和能源通量的估算，天氣和氣候預(yù)報(bào)，洪水和干旱監(jiān)測(cè)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的預(yù)測(cè)以及北部區(qū)域凈碳通量的量化。

1.2 SMAP海表鹽度產(chǎn)品

SMAP衛(wèi)星的首要任務(wù)是觀測(cè)全球表面土壤濕度與表面凍融情況，但是其L波段輻射計(jì)可同時(shí)觀測(cè)海表鹽度和海表風(fēng)場(chǎng)。

SMAP衛(wèi)星海洋鹽度產(chǎn)品可從遙感系統(tǒng)（Remote Sensing

System，RSS）獲取，主要有L2C和L3級(jí)兩種海表鹽度產(chǎn)品，L2C為條帶數(shù)據(jù)，L3為網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，包括日均產(chǎn)品（實(shí)際為8天滑動(dòng)平均）和月均產(chǎn)品（包括未過濾和已過濾雨水影響兩種月均產(chǎn)品），其空間分辨率為0.25°，L3產(chǎn)品是對(duì)L2C產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制后所得，剔除了質(zhì)量標(biāo)記為5，6和7的鹽度數(shù)據(jù)以及風(fēng)速大于20m/s時(shí)的鹽度數(shù)據(jù)，均為NetCDF格式。

SMAP海表鹽度產(chǎn)品經(jīng)過了V2.0、V3.0、V4.0三個(gè)版本的優(yōu)化升級(jí)，V3.0與V2.0產(chǎn)品的主要優(yōu)化在于保持與最后發(fā)布的Aquarius衛(wèi)星Version 5海表鹽度產(chǎn)品的一致性，此外，SMAP V3.0產(chǎn)品還減小了在V2.0中在開闊海域觀察到的時(shí)空偏差。

官方技術(shù)指導(dǎo)書提到，在SMAP 4.0版中，與Aquarius版本5的一致性以及在開放海洋上減少的虛假時(shí)間和緯向偏差保持一致，以上優(yōu)化同樣延續(xù)到SMAP V4.0產(chǎn)品中。V4.0與V3.0產(chǎn)品的主要優(yōu)化在于提高了陸地校正效果，并獲得更靠近近岸的SMAP鹽度產(chǎn)品。與之前的版本不同，在SMAP V4.0產(chǎn)品中的40km和70km數(shù)據(jù)產(chǎn)品已合并為單個(gè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的一個(gè)變量，而不是作為單獨(dú)的數(shù)據(jù)集使用。70km產(chǎn)品是經(jīng)40km產(chǎn)品平滑所得，前者可視作官方產(chǎn)品，后者可用于實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。在開闊海域，相比于40km數(shù)據(jù)產(chǎn)品，因70km數(shù)據(jù)產(chǎn)品過于掉大部分噪聲，表現(xiàn)出更優(yōu)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

因此，SMAP海表鹽度產(chǎn)品不僅提高了空間分辨率，還更好地減輕了射頻干擾和陸地干擾，對(duì)研究沿海地區(qū)有極大的應(yīng)用前景。

2 SMAP海表鹽度產(chǎn)品國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于SMAP衛(wèi)星海表鹽度產(chǎn)品的應(yīng)用研究整體較少，且集中于全球尺度或國(guó)外的局地海域的質(zhì)量評(píng)估及其應(yīng)用研究，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究及其應(yīng)用極少。作者對(duì)2016-2019年國(guó)內(nèi)主要期刊上發(fā)表的SMAP衛(wèi)星海表鹽度產(chǎn)品相關(guān)的研究論文進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，發(fā)現(xiàn)僅有4篇相關(guān)文章，其中涉及到質(zhì)量評(píng)估應(yīng)用研究有3篇，海洋預(yù)報(bào)研究有1篇，海洋水動(dòng)力過程研究有1篇。

王藝晴等以西太平洋為研究區(qū)域，利用兩個(gè)ARGO單點(diǎn)每日浮標(biāo)數(shù)據(jù)（WMOID：2901520以及WMOID：2901548）

和Argo月平均網(wǎng)格數(shù)據(jù)對(duì)2016年SMAP衛(wèi)星每日、每月海表面鹽度產(chǎn)品的反演質(zhì)量在空間上和季節(jié)上進(jìn)行評(píng)估。研究發(fā)現(xiàn)SMAP海表鹽度產(chǎn)品與Argo實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，且變化趨勢(shì)基本一致，研究區(qū)域內(nèi)全年RMSE值處于0-0.35，在西太平洋南部海域偏差較大，在海表鹽度較低的海域，兩者的對(duì)比結(jié)果誤差較大，該現(xiàn)象在夏秋兩季尤為顯著。

梁文浩等利用中國(guó)東海的冬、夏兩次走航實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)SMAP海表鹽度產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明夏季和冬季SMAP資料與實(shí)測(cè)SSS資料的均方根誤差分別為3.55和1.14，該差異要遠(yuǎn)小于長(zhǎng)江沖淡水附近海域的SSS的季節(jié)變化，因此SMAP海表鹽度產(chǎn)品在該區(qū)域適用于進(jìn)行SSS的分布特征分析以及長(zhǎng)江沖淡水的擴(kuò)散研究。

曹凱翔等以全球海域?yàn)閰^(qū)域，利用Argo浮標(biāo)實(shí)測(cè)鹽度數(shù)據(jù)與月均鹽度網(wǎng)格產(chǎn)品對(duì)2016年SMAP日均、月均海表鹽度產(chǎn)品與SMOS日均、月均海表鹽度產(chǎn)品進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)估，并開展了SMAP和SMOS鹽度遙感產(chǎn)品間的交叉比對(duì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)SMAP兩種數(shù)據(jù)產(chǎn)品更接近于Argo實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，SMAP海表鹽度產(chǎn)品在12個(gè)月里的標(biāo)準(zhǔn)差均小于SMOS海表鹽度產(chǎn)品，SMAP海表鹽度產(chǎn)品年均偏差與標(biāo)準(zhǔn)差在大部分海域小于SMOS海表鹽度產(chǎn)品，除高緯度地區(qū)，4種SSS產(chǎn)品與Argo數(shù)據(jù)的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差隨緯度變化浮動(dòng)不大，SMAP海表鹽度產(chǎn)品與SMOS海表鹽度產(chǎn)品的年平均空間分布特征一致。

鄒穎俊等為彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)空間分辨率不足的問題，利用SMAP海表鹽度觀測(cè)資料評(píng)價(jià)了HYCOM全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)的初始場(chǎng)精度及預(yù)報(bào)技巧，進(jìn)行了SMAP海表鹽度產(chǎn)品、CTD實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及HYCOM初始場(chǎng)的比較，發(fā)現(xiàn)SMAP海表鹽度產(chǎn)品更接近于CTD實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

綜合以上研究發(fā)現(xiàn)，SMAP海表鹽度產(chǎn)品具有較好的時(shí)空分辨率和質(zhì)量表現(xiàn)，在空間上，開闊海域的質(zhì)量?jī)?yōu)于近岸，中低緯度的質(zhì)量?jī)?yōu)于高緯度;在時(shí)間上，夏季低鹽區(qū)的誤差相對(duì)較大，但在趨勢(shì)變化上與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。目前國(guó)內(nèi)研究主要是針對(duì)開闊海域的質(zhì)量評(píng)估，在局部海域開展相關(guān)的應(yīng)用研究還很少，因此中國(guó)近海區(qū)域SMAP海表鹽度產(chǎn)品還具有極大的研究潛力和探索空間，但受陸地、徑流、降雨等多種因素的影響，SMAP海表鹽度產(chǎn)品在局地海域的應(yīng)用研究中還需進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證和評(píng)估。

綜上所述、SMAP衛(wèi)星已在軌運(yùn)行5年，其海表鹽度產(chǎn)品在質(zhì)量評(píng)估比對(duì)、海洋水動(dòng)力環(huán)境變化、海洋預(yù)報(bào)等方面已開展一定的相關(guān)研究工作，且在數(shù)據(jù)質(zhì)量、時(shí)空分辨率、實(shí)時(shí)性等方面展現(xiàn)了其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但值得注意的是，該領(lǐng)域的應(yīng)用研究仍顯單薄，且以國(guó)外研究成果為主，我國(guó)科學(xué)家在上述相關(guān)領(lǐng)域的工作還比較少，SMAP海表鹽度產(chǎn)品作為新興的鹽度數(shù)據(jù)來源之一，希望能引起我國(guó)科學(xué)家的充分重視，填補(bǔ)該領(lǐng)域研究的空白。

參考文獻(xiàn)：

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資助項(xiàng)目：國(guó)家海洋局南海分局海洋科學(xué)技術(shù)局長(zhǎng)基金項(xiàng)目（180238）