海洋盐度反演技术及其应用

1.SMOS卫星盐度反演算法

2009年11月欧空局盐度遥感卫星SMOS的成功发射，使人类第一次拥有了从太空监测海洋表面盐度的能力。SMOS是欧空局地球探索者机遇任务的组成部分，整个任务计划由8颗卫星组成，SMOS是该任务的第2颗卫星，其唯一的载荷为L波段合成孔径成像微波辐射计（Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis，MIRAS）。MIRAS具有三个径向臂，呈“Y”形分布，每个径向臂分成三段，入轨后展开。MIRAS三个径向臂和中央结构上均匀分布69个天线单元（Light Cost Effective Front-end，LICEF），以测量L波段地球微波辐射能量，测量的信号送入中央数字相关器，以生成干涉信号。由于采用了干涉成像技术，SMOS在其视场中心的空间分辨率可达30km。

SMOS盐度反演是基于模拟亮温与实测亮温比较的最大似然估计方法。SMOS数据处理系统中，根据海面盐度、SST和风速等海面参数的初猜值，采用海面粗糙度模型对粗糙海面亮温进行数值模拟，将亮温模拟值、亮温测量值、海面参数的初猜值以及各数值的误差估计值代入一个代价函数，通过非线性迭代方法使代价函数达到最小值，从而获得海面盐度数据，其反演结果很大程度上依赖于粗糙海面发射率模型的准确性。SMOS辐射计L2数据产品处理过程中采用了三种粗糙海面发射率模型：①双尺度模型（Two-Scale Model，TSM）；②小斜率方法/微扰法（Small Slope Approximation/Small Perturbation Method，SSA/SPM）；③L波段海面发射率的经验模型，分别进行盐度反演。

SMOS入轨后，其实测亮温与模拟亮温存在着较大的系统误差，视场FOV范围内模拟亮温与实测亮温的偏差可达数开尔文。因此目前利用SMOS亮温反演盐度之前首先进行OTT（Ocean Target Transformation）修正，即采用某段时间（1个月）内SMOS在某大洋区域的亮温数据，利用三种海面粗糙度模型进行亮温模拟，分别计算SMOS视场内三种模型的模拟亮温与实测亮温的平均偏差，在SMOS实测亮温中减去此平均偏差，再进行海洋盐度反演（Yin，2012）。此外SMOS入轨运行后，利用其实际的观测数据，也开展了对SMOS数据地面处理系统中使用的粗糙海面模型的优化研究。

2.Aquarius盐度反演算法

Aquarius（宝瓶座）是2011年6月发射的星载L波段主被动联合观测遥感器，由NASA、阿根廷航天局（Comision Nacional de Actividades Espaciales，CONAE）合作开发研制；CONAE负责提供卫星平台和卫星的运行；NASA负责星上辐射计、散射计等主要有效载荷的研制，并负责卫星的发射和数据处理系统。另外，意大利、法国和加拿大也负责为卫星提供部分有效载荷。Aquarius主要载荷是L波段辐射/散射计（辐射计为1.413GHz，散射计为1.26GHz）。微波辐射计用来测量海表亮温，进而反演盐度；散射计测量海表粗糙度，用于亮温修正。辐射计和散射计共用一个2.5m直径的三馈源抛物面天线。3个波束呈交轨推扫工作方式，3个波束的入射角分别为29.36°、38.44°和46.29°，其平均天线足印分别为84km、102km和126km，扫描幅宽为390km。由于供电系统的问题，Aquarius盐度遥感卫星已于2015年6月7日停止工作，其在轨时间近四年，在轨期间提供了3年9个月的盐度产品（2011年8月25日—2015年6月7日）。(https://www.xing528.com)

Aquarius盐度反演方法与SMOS的不同在于，Aquarius算法中利用L波段地球物理模型GMF，剔除风致粗糙海面亮温辐射，再进行盐度反演。基于此模型计算风致粗糙海面亮温贡献时，首先剔除后向散射系数中的风向信号，获得风速对后向散射系数的贡献；而后将剔除了风向信号的后向散射系数以及NCEP的风速数据输入一个查找表，得到当前条件下风速对亮温的贡献；最后将NCEP风速、风向代入亮温的地球物理函数，得到风向对亮温的贡献，将以上两项求和即可获得风致粗糙海面亮温。

由于缺少星载盐度计观测数据，Aquarius地面处理系统中的GMF函数采用的是2010年机载L波段实验数据建立的，机载辐射计入射角与Aquarius存在差异，带来了一定的盐度反演误差。Aquarius发射后，陆续有研究者利用其实际的观测数据，对GMF函数进行了后续研究，其利用Aquarius盐度卫星数据，结合SSM/I和再分析数据，开展了海表辐射特性研究，建立了描述L波段海面辐射/散射特性的半经验模型，将其应用于海面盐度和风速反演算法，并针对降雨条件下的海面辐射特性和盐度反演算法开展了初步研究。星载盐度计测量的全球海表盐度分布如图4.15所示。

SMOS和Aquarius在发射前确定的盐度精度指标为0.1～0.2psu（10～30天，150～200km平均）。各国研究者采用现场浮标数据或者模式数据，在全球主要海域对SMOS和Aquarius盐度遥感数据产品的精度进行了验证，结果表明SMOS和Aquarius在开阔海域与现场观测数据的标准差为0.3～0.6psu，且在高纬度、高海况、低温和存在降雨的海域反演误差较大；由于陆地射频干扰RFI等因素的影响，盐度数据在近海的精度较大洋区域低，为1psu左右；并且盐度遥感结果存在升轨和降轨差异。

图4.15　星载盐度计测量的全球海表盐度分布图