朱恩澤，周俊浩，彭 洋（.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，0；.解放軍95455部隊(duì)氣象臺(tái)，563000）

?

微波輻射計(jì)反演海表面溫度和風(fēng)場研究進(jìn)展

朱恩澤1，周俊浩1，彭 洋2
（1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，211101；2.解放軍95455部隊(duì)氣象臺(tái)，563000）

摘要：海表面溫度（SST）和海面風(fēng)場是重要的海面氣象水文參數(shù)，與海面的大部分物理過程關(guān)系密切。衛(wèi)星遙感探測技術(shù)可以同時(shí)獲得全球范圍內(nèi)的海表面溫度和海面風(fēng)場數(shù)據(jù)。其中，微波輻射計(jì)遙感海表面溫度和風(fēng)場具有不受云層遮擋的優(yōu)勢，本文就其發(fā)展過程作簡要介紹。

關(guān)鍵詞：海表面溫度；海面風(fēng)場；微波輻射計(jì)；反演；研究進(jìn)展

0　引言

海表面溫度（sea surface temperature，SST）影響著海氣之間的動(dòng)量、熱量以及水汽交換過程，是大氣和海洋學(xué)研究中的重要參數(shù)。海表面溫度是構(gòu)建天氣和氣候預(yù)測模型的外強(qiáng)迫項(xiàng)，其對于氣候變化的研究有著重要意義。海表面風(fēng)場是研究海浪、海氣邊界層、海洋水團(tuán)、海氣相互作用以及海洋循環(huán)的重要因素，是形成海洋環(huán)流和海浪的主要和直接的動(dòng)力，起著調(diào)節(jié)海洋和大氣間熱通量、水汽通量的作用，與全球氣候變化、全球環(huán)境、海洋軍事發(fā)展以及海洋航行安全等有著密切關(guān)系。海面風(fēng)場在研究地區(qū)和全球天氣與氣候變化中有著重要意義。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，獲取全球范圍內(nèi)具有空間和時(shí)間連續(xù)性的海表面溫度和風(fēng)場數(shù)據(jù)成為了可能。衛(wèi)星測量SST和海面風(fēng)場的手段主要包括紅外遙感和微波遙感。紅外遙感主要基于分裂窗技術(shù)。相對于微波遙感手段而言，紅外遙感具有較高的空間分辨率，但是其易受大氣狀況尤其是云層遮擋的影響，影響著反演的精度或造成反演的空白；微波遙感可以提供全天候條件下的測量，能在一定程度上克服云等因素的干擾，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

1　衛(wèi)星遙感原理

衛(wèi)星微波遙感有主動(dòng)和被動(dòng)方式之分。主動(dòng)微波遙感的傳感器主要有雷達(dá)高度計(jì)、微波散射計(jì)以及合成孔徑雷達(dá)等，它們通過發(fā)射電磁波獲取海面反饋信息進(jìn)行要素反演。主動(dòng)微波遙感器探測要素較少，頻率比較單一，而且功耗較大。被動(dòng)微波遙感的典型傳感器是微波輻射計(jì)（radiometer），它不發(fā)射電磁波，只接受來自目標(biāo)物的微波輻射信號(hào)，從中提取目標(biāo)物的信息。微波輻射計(jì)能夠探測海面風(fēng)場、海面溫度、海冰面積、降水強(qiáng)度、大氣水汽含量、云中液態(tài)水含量等海面環(huán)境參數(shù)。傳統(tǒng)微波輻射計(jì)只能測量第一和第二Stokes參數(shù)，而極化微波輻射計(jì)還能夠測量第三和第四Stokes參數(shù)。多極化微波輻射計(jì)能夠測量三個(gè)Stokes參數(shù)，為全極化微波輻射計(jì)能夠測量所有四個(gè)Stokes參數(shù)。

2　微波輻射計(jì)反演海表面溫度研究進(jìn)展

自1962年美國發(fā)射裝載2通道微波輻射計(jì)的衛(wèi)星“水手2號(hào)”（Mariner-2）之后，美國、蘇聯(lián)、日本、印度以及歐洲一些國家先后發(fā)射了載有微波輻射計(jì)的對地觀測衛(wèi)星。1972年12月美國發(fā)射雨云5號(hào)（Nimbus-5）衛(wèi)星，搭載多通道掃描微波輻射計(jì)（Scanning Multichannel Microwave Radiometer，SMMR）。1987年 開 始，美國陸續(xù)發(fā)射了國防氣象系列衛(wèi)星（Defense Mtetorological Satellite Program，DMSP），其中的F8星搭載了專用微波輻射成像儀（Special Sensor Microwave Imager， SSM/I）。由于這些早期的微波輻射計(jì)精度較差，同時(shí)缺少適合反演海表面溫度的低頻通道，所以它們的觀測結(jié)果無法達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需要的精度標(biāo)準(zhǔn)。1997年，美國NASA和日本NASDA聯(lián)合研制了熱帶降雨測量衛(wèi)星（Tropical Rainfall Measuring Mission，TRMM）搭載微波輻射成像儀（TRMM Microwave Imager， TMI），其擁有10.7GHz的低頻通道，成為第一個(gè)能夠較準(zhǔn)確測量海溫的星載微波輻射計(jì)，但是它的觀測范圍為僅為40°S～40°N。2002年5月，美國發(fā)射Aqua衛(wèi)星，搭載先進(jìn)微波掃描輻射計(jì)（Advanced Microwave Scanning Radiometer，AMSR-E），AMSR-E是第一個(gè)能準(zhǔn)確觀測全球海溫的微波輻射計(jì)，它擁有比TMI更低的6.9 GHz通道，對海溫的觀測精度更高。2011年，AMSR-E停止運(yùn)行，一年之后，同一系列的微波輻射計(jì)AMSR-2傳感器搭載日本發(fā)射的GCOM-W1衛(wèi)星升空，接替AMSR-E執(zhí)行對地觀測任務(wù)。2003年1月，美國成功發(fā)射Coriolis衛(wèi)星，搭載全球第一顆星載全極化微波輻射計(jì)WindSat，其擁有與AMSR-E相近的6.8 GHz頻段，雖然它的主要任務(wù)是觀測海面風(fēng)場，但是也有著較高的海溫測量精度。

目前在軌的能夠提供海表面溫度測量的典型的微波輻射計(jì)主要有多波段微波輻射成像儀TRMM（Microwave Imager，TMI），專用微波輻射成像儀SSMI/S（Special SensorMicrowave Imager/ Sounder），風(fēng)微波輻射計(jì)WindSat，先進(jìn)微波掃描輻射計(jì)AMSR-2（AdvancedMicrowave Scanning Radiometer 2），以及全球降水測量衛(wèi)星（Global Precipitation Measurement，GPM）衛(wèi)星上搭載的微波成像儀GMI（GPM Microwave Imager）傳感器。

我國的星載微波輻射計(jì)研制工作起步較晚。2008年首次發(fā)射的風(fēng)云三號(hào)系列衛(wèi)星搭載了微波成像儀MWRI，成為我國星載微波輻射計(jì)的開端。2011年8月，海洋2號(hào)（HY-2A）衛(wèi)星發(fā)射升空，搭載了微波輻射計(jì)，其海面溫度測量精度達(dá)到1 K。

3　微波輻射計(jì)反演海表面風(fēng)場研究進(jìn)展

微波輻射計(jì)測量海表面風(fēng)速的歷史很久。1978年6月美國發(fā)射海洋一號(hào)衛(wèi)星（SeaSAT-A），搭載的多通道微波掃描輻射計(jì)SMMR能夠遙感海面風(fēng)速信息（Njoku E G，1980）。從此，星載微波輻射計(jì)成為測量海面風(fēng)速的主要方法之一。1987年美國發(fā)射的國防氣象衛(wèi)星DMSP搭載特種微波輻射計(jì)SSM/I，它能夠提供穩(wěn)定的海面風(fēng)速反演產(chǎn)品。1997年11月，微波成像儀TMI搭載熱帶降水測量衛(wèi)星TRMM發(fā)射升空，它能夠提供全天候的海面風(fēng)速觀測結(jié)果。2002年高級(jí)微波掃描輻射計(jì)AMSR-E搭載于Aqua衛(wèi)星發(fā)射升空，能夠獲取全球范圍的海表面風(fēng)速信息。2012年5月，高級(jí)微波掃描輻射計(jì)2型AMSR2發(fā)射升空，接替AMSR-E的觀測任務(wù)。2011年8月，我國第一顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星海洋2號(hào)（HY-2A）發(fā)射升空，其搭載的掃描微波輻射計(jì)可獲取海面風(fēng)速信息。

傳統(tǒng)的微波輻射計(jì)可以反演海面風(fēng)速，但是無法獲取海面風(fēng)向信息。理論研究及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，目標(biāo)輻射的第三Stokes參數(shù)不為零，并且呈周期性變化。研究證明用前三個(gè)Stokes參數(shù)可以反演出海面風(fēng)速和風(fēng)向，如果使用第四個(gè)Stokes參數(shù)，還可以不受法拉第旋轉(zhuǎn)的影響。因此，在陸基和機(jī)載實(shí)驗(yàn)完成后，星載極化輻射計(jì)的研制工作逐步展開。2003年1月，美國美國國家海軍研究實(shí)驗(yàn)室和海軍空間技術(shù)中心共同研制的全球第一顆星載全極化微波輻射計(jì)WindSat搭載Coriolis衛(wèi)星發(fā)射升空，標(biāo)志著微波輻射計(jì)的發(fā)展進(jìn)入了新的時(shí)代，它能夠同時(shí)獲取全部4個(gè)Stokes參數(shù)，成為首個(gè)既能測量海面風(fēng)速又能測量海面風(fēng)向的星載輻射計(jì)。

4　總結(jié)

經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，微波輻射計(jì)觀測海表面溫度和風(fēng)場的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，不受云層影響的優(yōu)勢使微波輻射計(jì)資料成為資料融合的重要源數(shù)據(jù)。全極化微波輻射計(jì)的出現(xiàn)使得同時(shí)測量海面風(fēng)速和風(fēng)向成為可能。我國星載微波輻射計(jì)的發(fā)展相對滯后，但已經(jīng)取得一定成果。總的來看，微波輻射計(jì)有著廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

［1］ Curry J A，Bentamy A，Bourassa M A，et.al. Seaflux. Bulletin of the American Meteorologi- cal Society，2004，85（3）：409-424.

［2］ Sutton R T，Hodson D L R.Influence of the ocean on North Atlantic climate variability 1871-1999. Journal of Climate，2003，16（20）： 3296-3313.

［3］ 殷曉斌，劉玉光，王振占，程永存，顧艷振，文凡. 紅外和微波輻射計(jì)反演海表面溫度的比較［J］. 海洋通報(bào)，2007，05：3-10+21.

［4］ Yang J， Huang W， Xiao Q， et al. Oceanic pycnocline depth retrieval from SAR imagery in the existence of solitary internal waves［J］. Acta Oceanologica Sinica， 2005，24（5）：46-49.

［5］ Pichel W， Maturi E， Clemente-Colón P， et.al. Deriving the operational nonlinear multi- channel sea surface temperature algorithm coefficients f-or NOAA-15 AVHRR/3. International Journal of R-emote Sensing，2001，22（4）： 699-704.

［6］ 姜景山. 面向21世紀(jì)的中國微波遙感技術(shù)發(fā)展［J］. 中國工程科學(xué)， 1999， 1（2）： 78-82.

［7］ Martine S. An introduction to ocean remote sensing［M］. Cambridge： Cambridge University Press， 2004.

［8］ 金亞秋.復(fù)雜自然環(huán)境時(shí)空定量信息的獲取與融合處理的理論和應(yīng)用［M］.上海：科學(xué)技術(shù)出版社， 2005.

［9］ 劉良明.衛(wèi)星海洋遙感導(dǎo)論［M］. 武漢大學(xué)出版社， 2005.

［10］ Hollinger J P， Peirce J L， Poe G A. SSM/I instrument evaluation［J］. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing， 1990， 28（5）：781-790.

［11］ Awaka T， Iguchi H Kumagai， Okamoto K. Rain type classification algorithm for TRMM precipitationradar［C］. Proceedings of the IEEE 1997 International Geoscience and Remote Sensing Symposium. New York：IEEE， 1997： 1636-1638.

［12］ Meneghini R， Iguchi T， Kozu T， et al. Use of the surface reference technique for path attenuation estimates from the TRMM precipitation radar［J］. Journal of Applied Meteorology， 2000， 39： 2053-2070.

［13］ Kawanishi T， Sezai T， Ito Y， et al. The Advanced Microwave Scanning Radiometer for the Earth Observing System （AMSR-E）： NASDA's contribution to the EOS for global energy and water cycle studies［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2003， 41： 184-194

［14］ Gaiser P W， Germain K M， Twarog E M. WindSat spaceborne remote sensing of Ocean surface winds［J］. OCEANS 2003 Proceedings， 2003， 1： 22-26.

［15］張慶君， 張健， 張歡，等. 海洋二號(hào)衛(wèi)星工程研制及在軌運(yùn)行簡介［J］. 中國工程科學(xué)， 2013（7）：12-18.

［16］ Njoku E G， Stacey J M， Barath F. The Seasat scanning multichannel microwave radiometer （SMMR）：Instrument description and performance［J］. IEEE Journal of Oceanic Engineering， 1980， 5（2）：100 - 115.

［17］ Hollinger J P， Peirce J L， Poe G A. SSM/I instrument evaluation［J］. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing， 1990， 28（5）：781-790.

［18］ Ashcroft P， Wentz F J. Algorithm Theoretical Basis Document （ATBD） AMSR Level 2A Algorithm［C］// Robotics： Science and Systems. 2000.

［19］ Laursen B，Skou N.Wind direction over the ocean determined by an airborne，imaging， polarimetric radiometer system［J］.Geoscience & Remote Sensing IEEE Transactions on， 2001， 39（7）：1547-1555.

［20］ Piepmeier J R，Gasiewski A J.High-resolution passive polarimetric microwave mapping of ocean surface wind vector fields［J］.IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing，2001，39（3）：606-622.

［21］王振占.海面風(fēng)場全極化微波輻射測量［D］.中國科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）， 2005.

［22］ Gaiser P W，St Germain K M，Twarog E M，et al. The WindSat spaceborne polarimetric microwave radiometer：sensor description and early orbit performance［J］.IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing，2004，42（11）：2347-2361.

Advances in spaceborne microwave radiometer retrieval of sea surface temperature and wind vector

Zhu Enze1，Zhou Junhao1，Peng Yang2
（1.meteorological and Oceanographic Institute， PLA University of Science and Technology， 211101；2.95455 PLA meteorological station，563000）

Abstract：Sea surface temperature and sea surface wind vector are both important oceanic meteorological and hydrological parameters.They are closely related with most of the physical processes in the ocean. Satellite remote sensing is able to acquire global sea surface temperature and wind vector information at the same time.Spaceborne microwave radiometer is not affected by cloud covering.This paper introduced the research advances.

Keywords：sea surface temperature；sea surface wind vector；microwave radiometer；retrieval；research advances