霍文娟 ，韓震 ，2

（1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306）

海洋表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）作為一個(gè)重要的海洋環(huán)境參數(shù)，它在海洋動(dòng)力學(xué)、海氣相互作用和污染監(jiān)測(cè)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。衛(wèi)星遙感技術(shù)是測(cè)定海洋表面溫度的有效手段之一，其方法包括熱紅外遙感和被動(dòng)微波遙感。國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者對(duì)熱紅外和微波遙感反演的SST特征進(jìn)行過(guò)比較研究。2006年，Hosoda等（2006）比較了位于ADEOS-II衛(wèi)星上的紅外輻射計(jì)和微波輻射計(jì)獲得的SST數(shù)據(jù)的不同特征，發(fā)現(xiàn)兩者的差異不僅隨著地理位置變化，同時(shí)還受到水蒸氣、衛(wèi)星天頂角及海洋表面風(fēng)的影響；2007年，殷曉斌等（2007）從大氣狀況、海面風(fēng)速、測(cè)量深度等方面比較了紅外輻射計(jì)和微波輻射計(jì)測(cè)量海表面溫度時(shí)的差異，發(fā)現(xiàn)熱紅外遙感不受太陽(yáng)高度角和海面風(fēng)速的影響，而微波的穿透性使其不易受大氣因素的影響；Qiu等（2009）以中國(guó)南海北部為研究區(qū)域，通過(guò)浮標(biāo)實(shí)測(cè)SST數(shù)據(jù)對(duì)AVHRR和TMI觀測(cè)的SST數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，并與AVHRR和TMI的SST觀測(cè)值進(jìn)行了比較，研究結(jié)果表明TMI SST反演的效果較好，而云量的季節(jié)性變化造成AVHRR SST反演精度的變化。綜上，目前已進(jìn)入業(yè)務(wù)化階段的熱紅外遙感和微波遙感海洋表面溫度仍存在一定的缺陷，熱紅外遙感海洋表面溫度產(chǎn)品仍在很大程度上受到天氣條件的制約，而微波遙感雖然可以實(shí)現(xiàn)全天候觀測(cè)，但在近岸海區(qū)受陸地信號(hào)干擾無(wú)法獲得準(zhǔn)確的觀測(cè)值，因而，將多源衛(wèi)星遙感海洋表面溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲取高分辨率全天候的近實(shí)時(shí)海洋表面溫度產(chǎn)品是目前研究熱點(diǎn)之一。在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合前，需先對(duì)多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差校正，不同數(shù)據(jù)之間的差異以及校正方法的選擇成為影響產(chǎn)品精度的關(guān)鍵因素（鄭金武 等，2008；Richard et al，1993；1994）。搭載于同一衛(wèi)星的不同傳感器，由于其成像時(shí)間和觀測(cè)區(qū)域具有一致性，越來(lái)越受到研究者的關(guān)注（Lei et al，2004；Sakaida et al，2009）。因此，本文以印度洋北部海域?yàn)檠芯繀^(qū)域，利用Aqua衛(wèi)星上的AMSR -E（ Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System）亮溫?cái)?shù)據(jù)和MODIS（moderate-resolution imaging spectroradiometer）熱紅外波段的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了海表面溫度反演，然后從地理位置、溫度曲線和反演精度3個(gè)方面對(duì)MODIS和AMSR-E對(duì)海表溫度的不同響應(yīng)特征進(jìn)行了分析，為綜合利用同一衛(wèi)星上的多源數(shù)據(jù)提供參考。

1 數(shù)據(jù)

本文所用遙感數(shù)據(jù)為2010年1月NASA/AQUA衛(wèi)星上AMSR-E L2A數(shù)據(jù)和MODIS L1b數(shù)據(jù)，作為同一顆衛(wèi)星上的不同傳感器觀測(cè)同一區(qū)域時(shí)，其成像時(shí)間和大氣傳輸路徑基本相同，而同步實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，則采用全球海洋數(shù)據(jù)同化實(shí)驗(yàn)室（Global Ocean Data Assimilation Experiment）http：//www.usgodae.org/）發(fā)布的實(shí)測(cè)海表溫度數(shù)據(jù)集SFCOBS-GHRSST來(lái)建立匹配數(shù)據(jù)點(diǎn)，共選取200個(gè)匹配點(diǎn)，其中100個(gè)點(diǎn)作為建立SST反演模型的數(shù)據(jù)集，其余100個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)比分析，匹配點(diǎn)的選取原則是緯度相同，經(jīng)度鄰域范圍小于等于0.01°×0.01°；匹配時(shí)間窗為12h。匹配點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匹配點(diǎn)分布

2 技術(shù)方法

為了更好地比較熱紅外波段與微波波段對(duì)SST的不同響應(yīng)特征，在進(jìn)行比較前，分別利用MODIS數(shù)據(jù)和AMSR-E數(shù)據(jù)進(jìn)行海表溫度反演。對(duì)于反演算法，均采用多元線性回歸，建立通道亮溫與海表溫度之間的線性方程。由于MODIS傳感器和AMSR-E傳感器位于同一顆衛(wèi)星（AQUA）上，其成像時(shí)間幾乎是同步的（時(shí)間差小于10 min），但其空間分辨率存在很大的差異，對(duì)于本文SST反演所用波段，AMSR-E的空間分辨率為38 km，MODIS的空間分辨率為1 km，因此，需將兩種不同的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，并對(duì)MODIS SST進(jìn)行重采樣，使其空間分辨率與AMSR-E一致。

2.1 MODIS SST定量反演

利用MODIS L1B數(shù)據(jù)進(jìn)行SST反演前需進(jìn)行的數(shù)據(jù)預(yù)處理包括地理定標(biāo)、消除“蝴蝶結(jié)”效應(yīng)、輻射定標(biāo)、陸地掩膜和云檢測(cè)。MODIS SST定量反演公式如（1）式所示，公式系數(shù)由T32和（T32-T31）兩個(gè)遙感參數(shù)與實(shí)測(cè)SST作為輸入量，進(jìn)行多元線性回歸得到（陳宏 等，2009；張春桂等，2009）。

式中：SST為海表面溫度，T31和T32是31波段和32波段的亮度溫度。

2.2 AMSR-E SST定量反演

對(duì)于AMSR-E L2A數(shù)據(jù)，在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，選擇對(duì)溫度的敏感度較高且空間分辨率一致的18.7 GHz、23.8 GHz和36.5 GHz 3個(gè)頻率的雙極化通道亮溫?cái)?shù)據(jù)。AMSR-E數(shù)據(jù)預(yù)處理內(nèi)容包括地理定標(biāo)、亮溫?cái)?shù)據(jù)定標(biāo)、陸地掩膜。AMSR-E SST定量反演公式如式（2）所示，公式系數(shù)由18.7 GHz、23.8 GHz與36.5 GHz 3個(gè)頻率的雙極化通道亮溫和實(shí)測(cè)SST作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行多元線性回歸得到。

式中：SST為海表面溫度，T18.7H、T18.7V、T23.8H、T23.8V、T36.5H、T36.5V分 別 是 18.7 GHz、23.8 GHz 和36.5 GHz的水平極化亮溫和垂直極化亮溫。

3 結(jié)果與分析

為了比較以上MODIS SST和AMSR-E SST的差異，本文首先對(duì)MODIS SST與AMSR-E SST進(jìn)行空間配準(zhǔn)，然后將MODIS SST減去AMSR-E SST得到其差值DSST，結(jié)果如圖2所示。最后分別從地理位置、溫度曲線和反演精度3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2 MODIS SST與AMSR-E SST的差值圖

3.1 地理位置

如圖2所示，在北緯7°～9°之間，MODIS SST和AMSR-E SST之間存在一條明顯的等值線，以此等值線為分界線（圖2）。位于等值線以北的較高緯度地區(qū)，MODIS反演得到的海表溫度值略高于AMSR-E，這是因?yàn)樵谳^高緯度地區(qū)，大氣中水汽含量較低，而在低水汽含量條件下，通常紅外SST反演值要高于微波SST反演值（Ricciardulli et al，2004）。而位于等值線以南的較低緯度地區(qū)，由于大氣中水汽與氣溶膠含量增加，二者的吸收作用使得MODIS SST反演值降低，而這兩者對(duì)AMSR-E SST的影響很小，因此MODIS SST反演值略低于AMSR-E SST反演值。同時(shí)，鑒于微波的穿透性，其測(cè)量的海表溫度深度比紅外遙感略深，而存在于厚度為0.1～1 mm水層的“皮膚效應(yīng)”，使得皮層溫度比次皮層溫度低約0.1 K（O′Carrol et al，2008；Kawai et al，2007）。

表1列出了同一經(jīng)度（53°E）、不同緯度的實(shí)測(cè)SST、AMSR-E SST和MODIS SST，分別比較AMSR-E SST與實(shí)測(cè)SST、MODIS SST與實(shí)測(cè)SST的差異。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，MODIS SST與實(shí)測(cè)SST比較，以北緯8°附近為分界線，MODIS SST在緯度低于8°的地區(qū)存在明顯的冷偏差，在緯度高于8°的地區(qū)存在熱偏差，這是由于隨著地理緯度的變化，大氣中水汽含量及氣溶膠含量亦呈現(xiàn)不同狀態(tài)，在低緯度地區(qū)，大氣中較高的水汽和氣溶膠，其吸收作用使得MODIS SST的值存在冷偏差；比較AMSR-E SST與實(shí)測(cè)SST得到AMSRE SST總體存在熱偏差，因?yàn)槲⒉ǖ拇┩感允蛊涫艽髿鉅顩r的影響較小，因此AMSR-E SST與實(shí)測(cè)SST之間的差異不隨地理位置的變化而變化。這里需要指出的是，本文所用實(shí)測(cè)海表溫度數(shù)據(jù)來(lái)自包括浮標(biāo)和船測(cè)等多種測(cè)量方式，并經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的海洋表面厚度為1 m的水層溫度。這與遙感手段獲取的“海表溫度”存在較大差異，這也是造成兩種遙感手段冷熱偏差的主要原因之一。

在靠近陸地區(qū)域（平均寬度約為75 km），由于微波接收天線旁瓣受到陸地的污染而無(wú)法獲得準(zhǔn)確的海表面溫度值（蔣興偉等，2010）。（受陸地信號(hào)污染的測(cè)量的海表溫度值比正常海表溫度高大約10℃左右），AMSR-E反演得到的海表面溫度較MODIS SST偏高，所以靠近陸地區(qū)域均為負(fù)值。

3.2 溫度曲線

圖3為在不同溫度區(qū)間，MODIS SST減去AMSR-E SST得到的數(shù)據(jù)正態(tài)分布示意圖；表2中列出了各曲線的特征參數(shù)：SD表示MODIS SST與AMSR-E SST差值的標(biāo)準(zhǔn)差，Mean為差值的算術(shù)平均值，skewness為偏斜度，kurtosis為峭度。

表1 同一經(jīng)度（53°E）、不同緯度的實(shí)測(cè)SST、MODIS SST和AMSR-E SST（單位：℃）

其中，偏斜度（skewness）S的計(jì)算公式為：

式中：n是樣本總數(shù)，y是樣本值，y是算術(shù)平均數(shù)。

峭度（kurtosis）的計(jì)算公式為：

式中：n是樣本總數(shù)，y是樣本值，是算術(shù)平均數(shù)。

從圖3和表2我們可以發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)規(guī)律：

（1）當(dāng)SST高于29℃時(shí)，兩者間的差異最為明顯，差值的算術(shù)平均值為5.851 1℃；偏斜度為0.780 1，即差值的眾數(shù)位于算術(shù)平均值的左側(cè)；差值的標(biāo)準(zhǔn)差高達(dá)2.932 5℃，曲線扁平，而其峰值僅為-0.048 8，這說(shuō)明差值變化平緩，即MODIS SST與AMSR-E SST之間的一致性非常低。

圖3 MODIS SST與AMSR-E SST的差值分布示意圖

表2 MODIS SST與AMSR-E SST的差值曲線特征參數(shù)

（2）當(dāng)SST介于27.5℃～29℃之間時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)差位于0.301 3℃～0.571 6℃之間，其中，當(dāng)SST位于28.5℃～29℃之間時(shí)，MODIS SST與AMSR-E SST差值的偏斜度為-0.865 0，即差值的眾數(shù)位于算術(shù)平均值的右側(cè)；其峰值僅為-0.021 2，即MODIS SST與AMSR-E SST之間的一致性仍然非常低；而當(dāng) SST位于 27.5℃～28.5℃之間時(shí)，MODIS SST與AMSR-E SST差值的峰值為正值，也就是說(shuō)兩者間的一致性有所提高。

（3）當(dāng)SST介于26.5℃～27.5℃之間時(shí)，差值的標(biāo)準(zhǔn)差非常小，僅為0.179 1℃～0.219 8℃，曲線陡峭，差值的峰值位于5.203 4～10.951 3之間，遠(yuǎn)高于其他曲線的峰值，這說(shuō)明MODIS SST與AMSR-E SST之間具有非常高的一致性；差值的算術(shù)平均值降低，即曲線的中心位置向左移動(dòng)；其偏斜度均為正值，即眾數(shù)位于算術(shù)平均值左側(cè)，差值的峰值位于5.203 4～10.951 3之間，這說(shuō)明MODIS SST與AMSR-ESST之間具有非常高的一致性。

（4）當(dāng) SST小于 26.5℃時(shí)，MODIS SST與AMSR-E SST的標(biāo)準(zhǔn)差為0.273 9℃，差值的算術(shù)平均值增大為0.587 6℃，而峰值減小為0.563 2，也即MODIS SST與AMSR-E SST之間的一致性降低。

圖4AMSR-E SST、MODIS SST與實(shí)測(cè)SST的差值

圖4 為AMSR-E SST和MODIS SST分別減去實(shí)測(cè)SST的差值分布圖，通過(guò)比較MODIS SST、和實(shí)測(cè)SST，發(fā)現(xiàn)MODIS反演SST，在溫度低于27℃時(shí)存在熱偏差，當(dāng)溫度高于27℃時(shí)存在冷偏差，且隨著溫度的升高冷偏差增大；而AMSR-E SST的冷熱偏差隨溫度變化特征并不明顯，這是由于隨著溫度的升高，海表面上空的氣溶膠濃度增大，大氣氣溶膠對(duì)微波傳輸幾乎沒(méi)有影響，但是對(duì)熱紅外波段遙感海表溫度，大氣氣溶膠的影響會(huì)使其產(chǎn)生一個(gè)冷偏差，這也是熱紅外遙感很難克服的困難，此外，空氣中水汽含量的增加也是影響MODIS SST反演結(jié)果的重要原因之一。

3.3 反演精度

與匹配數(shù)據(jù)集中的實(shí)測(cè)SST比較，得到MODIS SST、AMSR-E SST定量反演的誤差值如表3所列：最大絕對(duì)誤差Max、最小絕對(duì)誤差Min、平均絕對(duì)誤差Mean、均方根誤差MSE和標(biāo)準(zhǔn)偏差Std。

表3 SST反演誤差（單位：℃）

從表3我們可以看出，AMSR-E SST的均方根誤差為0.331 24、標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.189 1，MODIS SST的均方根誤差為0.503 4、標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.506 4。反演誤差的主要原因是由于實(shí)測(cè)SST是海洋上層1 m厚水層的平均溫度，而遙感反演得到的SST是海洋的皮層溫度。

由于在熱紅外波段，大氣對(duì)海面輻射的影響主要是通過(guò)吸收和自發(fā)輻射的相互作用進(jìn)行的。大氣層的溫度比海面溫度低，大氣中各成分吸收了海面輻射后變成大氣的內(nèi)能，以較低的溫度向外輻射，從而減小了到達(dá)紅外波段傳感器的海面輻射，大氣自發(fā)輻射又添加了到達(dá)紅外波段傳感器的海面輻射。這種復(fù)雜的大氣影響對(duì)于熱紅外遙感反演SST不容忽視。此外，云層遮擋的影響使得MODIS反演SST只能應(yīng)用于晴空條件。而微波能夠穿透較薄的云層，且大氣影響要遠(yuǎn)小于熱紅外波段，雖然微波遙感易受到海面粗糙度和降雨的影響，但這可以通過(guò)使用多個(gè)頻率來(lái)糾正。因此，對(duì)于熱紅外海表溫度，消除大氣影響成為提高反演精度的關(guān)鍵，而微波遙感在近岸海域的不可用性在一定程度上制約了其廣泛應(yīng)用，如何利用多源遙感數(shù)據(jù)獲取全天候的高精度海表溫度產(chǎn)品成為目前海表溫度反演研究的熱點(diǎn)之一。本文對(duì)MODIS和AMSR-E對(duì)海表溫度的不同響應(yīng)特征的分析為綜合利用同一衛(wèi)星上的多源數(shù)據(jù)提供參考。

4 結(jié)論

本文利用搭載于AQUA衛(wèi)星上的MODIS和AMSR-E兩個(gè)傳感器的遙感數(shù)據(jù)，定量反演得到了印度洋北部海域的海洋表面溫度，然后分別從地理位置、溫度曲線和反演精度3個(gè)方面對(duì)MODIS SST和AMSR-E SST之間的差異進(jìn)行比較分析，得到以下結(jié)論：

（1）MODIS SST與AMSR-E SST之間的差異隨緯度變化較為明顯，在北緯8°附近存在明顯的分界線，隨緯度的不同，各自存在不同的冷熱偏差，MODIS SST在緯度高于8°的地區(qū)存在明顯的熱偏差，在低于8°的地區(qū)存在冷偏差，而AMSRE SST總體存在一個(gè)微小的熱偏差。由于微波接收天線旁瓣受到陸地的污染，AMSR-E SST無(wú)法獲得準(zhǔn)確的海表面溫度。

（2）MODIS SST與AMSR-E SST之間的差異隨溫度的不同，差異也不同。當(dāng)溫度低于26.5℃時(shí)，MODIS SST與AMSR-E-SST的一致性相對(duì)較低。當(dāng)溫度高于26.5℃時(shí)，隨著溫度的升高，MODIS SST和AMSR-E SST的一致性隨著溫度的升高而降低。

（3）本文中AMSR-E SST的反演精度總體高于MODIS SST。

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