基于現(xiàn)場觀測資料的衛(wèi)星海表鹽度網(wǎng)格化產(chǎn)品誤差分析與質(zhì)量評估

鮑森亮，張韌，2 *，王輝贊，3，王公杰，張明

（1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京211101；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210044；3.國家海洋局第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室，浙江杭州310012）

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基于現(xiàn)場觀測資料的衛(wèi)星海表鹽度網(wǎng)格化產(chǎn)品誤差分析與質(zhì)量評估

鮑森亮1，張韌1，2 *，王輝贊1，3，王公杰1，張明1

（1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京211101；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210044；3.國家海洋局第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室，浙江杭州310012）

摘要：自歐洲土壤濕度和鹽度衛(wèi)星S M O S和美國寶瓶座鹽度衛(wèi)星A quarius相繼發(fā)射之后，多個數(shù)據(jù)中心發(fā)布了兩顆衛(wèi)星的海表鹽度網(wǎng)格化產(chǎn)品，其中包括法國海洋研究院S M O S衛(wèi)星數(shù)據(jù)小組發(fā)布S M O S Locean L3鹽度產(chǎn)品、西班牙巴塞羅那專家中心發(fā)布S M O S B E C L4鹽度產(chǎn)品和美國宇航局噴氣動力實驗室發(fā)布A quarius V3.0 C A P L3鹽度產(chǎn)品。本文利用精確鹽度現(xiàn)場觀測資料從產(chǎn)品精度和模擬海洋現(xiàn)象能力兩個方面對以上3種產(chǎn)品質(zhì)量進行了評估。研究表明：（1）在精度方面，與鹽度現(xiàn)場資料相比，A quarius C A P產(chǎn)品質(zhì)量最高，產(chǎn)品鹽度偏差和均方根誤差全年穩(wěn)定且偏差較小，部分海域達到了設(shè)計精度；S M O S兩種衛(wèi)星產(chǎn)品在全球海域偏差較不穩(wěn)定，個別月份出現(xiàn)異常偏差值；S M O S產(chǎn)品在低緯和開闊海域的數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較高，但在高緯海域仍存在較大誤差，需要進一步提升；（2）在刻畫海洋現(xiàn)象方面，A quarius產(chǎn)品在熱帶太平洋較好刻畫了淡池東緣鹽度鋒，S M O S B E C產(chǎn)品的刻畫能力次之，S M O S Locean產(chǎn)品在熱帶太平洋充滿了小尺度噪音，描述物理現(xiàn)象方面表現(xiàn)偏差。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星鹽度；S M OS；Aquarius；質(zhì)量評估；誤差分析

1　引言

鹽度在大洋環(huán)流、海氣相互作用等全球大氣、海洋過程中具有重要的作用。一方面，鹽度影響制約著障礙層、深水水團形成以及溫鹽環(huán)流等海洋物理過程；另一方面，作為海-氣交界面處的關(guān)鍵要素，鹽度的季節(jié)和年際變化與海氣相互作用現(xiàn)象息息相關(guān)，是理解和預(yù)測氣候變化的必要信息［1］。

傳統(tǒng)的鹽度觀測主要源自現(xiàn)場觀測，如Argo漂流浮標、TA O-T RIT O N錨定系列，以及一些走航船調(diào)查等，但隨著研究鹽度現(xiàn)象的深入，現(xiàn)場觀測鹽度資料無論是在時間連續(xù)性，還是空間分辨率上都已遠遠不能滿足科學(xué)研究的需要。值得慶幸的是，2009年和2011年，歐洲S M OS和美國Aquarius兩顆衛(wèi)星相繼發(fā)射，實現(xiàn)了首次從太空進行遙感觀測海面鹽度，這兩顆衛(wèi)星以其前所未有的頻率、精度和高覆蓋率，為研究海洋熱動力學(xué)過程，水循環(huán)和氣候等提供了重要的新視野。

隨著鹽度衛(wèi)星探測年份的延長和網(wǎng)格化產(chǎn)品的發(fā)布，越來越多的學(xué)者開始用衛(wèi)星鹽度資料來揭示海洋現(xiàn)象，如Yin等使用S M OS C AT DS中心發(fā)布的L O CE A N L3數(shù)據(jù)研究赤道不穩(wěn)定波的鹽度信號［2］，M aes等利用S M OS C AT DS中心發(fā)布的V02版L3鹽度數(shù)據(jù)研究了赤道太平洋冷舌［3］，K?hler等使用S M OS BEC發(fā)布的L4數(shù)據(jù)評估了北大西洋海表鹽度數(shù)據(jù)質(zhì)量［1］，但在使用網(wǎng)格化數(shù)據(jù)時，大部分學(xué)者沒有比較不同產(chǎn)品的質(zhì)量和效果便直接使用。由于S M OS和Aquarius衛(wèi)星的反演算法和不同數(shù)據(jù)中心訂正誤差的策略不同，無疑會造成不同網(wǎng)格化產(chǎn)品的質(zhì)量差異。使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)前，必要的質(zhì)量評估和校正是數(shù)據(jù)精度和科學(xué)發(fā)現(xiàn)有效性的保證［4］。

目前不少學(xué)者仍在開展鹽度數(shù)據(jù)質(zhì)量評估方面的研究，不過主要是針對S M OS衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品［5—6］，Aquarius衛(wèi)星由于發(fā)射入軌時間較晚，相關(guān)的研究較少，尚沒有針對這兩顆衛(wèi)星主要數(shù)據(jù)中心發(fā)布的官方網(wǎng)格化產(chǎn)品進行長時間序列質(zhì)量對比分析。同時，目前針對衛(wèi)星遙感網(wǎng)格化鹽度產(chǎn)品的質(zhì)量評估，主要是將其與實測鹽度的網(wǎng)格化產(chǎn)品進行比較，該方法計算的誤差除了衛(wèi)星鹽度產(chǎn)品本身誤差外，還包含將實測鹽度剖面數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理，可能產(chǎn)生的依賴空間和時間長度的誤差［7］，對評估效果造成影響。為此，本文主要基于散點實測鹽度數(shù)據(jù)，對最新發(fā)布的S M OS和Aquarius衛(wèi)星網(wǎng)格化產(chǎn)品在全球海域和局部海域的數(shù)據(jù)精度以及對海洋現(xiàn)象模擬能力兩個方面進行質(zhì)量評估，為相關(guān)學(xué)者在選擇鹽度網(wǎng)格化產(chǎn)品研究海洋現(xiàn)象時提供借鑒和參考。

2　數(shù)據(jù)與方法

2.1S M OS衛(wèi)星數(shù)據(jù)

S M OS衛(wèi)星于2009年11月發(fā)射升空，基于獨特的被動微波干涉成像技術(shù)，用L波段1.4 G Hz測量了地球表面的微波輻射，開拓了全新合成孔徑天線技術(shù)測量海表鹽度。S M OS衛(wèi)星每3 d可以覆蓋全球海域，每149 d循環(huán)一次（次循環(huán)18 d），空間分辨率為43 km［8］。

目前S M OS網(wǎng)格化產(chǎn)品主要由兩個數(shù)據(jù)中心發(fā)布，分別是法國海洋開發(fā)研究院（C AT DS）與西班牙的巴塞羅那專家中心（BEC）。其中，法國C AT DS中心最新發(fā)布了S M OS C AT DS CEC L O CE A N_v2013產(chǎn)品（以下簡稱S M OS Locean），它是由歐空局（ESA）L2 v5數(shù)據(jù)再生成產(chǎn)品得到［9］。當前西班牙BEC中心發(fā)布的鹽度產(chǎn)品包括L3和L4級。鑒于已有針對L3級產(chǎn)品的分析工作，并指出C AT DS L3級產(chǎn)品優(yōu)于BEC L3級［4］。因此，本文的研究主要基于L4級產(chǎn)品。S M OS BEC L4級產(chǎn)品采用奇異值分析技術(shù)融合L3混合產(chǎn)品構(gòu)建得到。奇異值分析技術(shù)適用于估計各尺度海洋結(jié)構(gòu)中奇異成分的信號，特別適合于獲得空間連續(xù)的遙感變量［1］。兩個中心發(fā)布的衛(wèi)星遙感鹽度產(chǎn)品的空間分辨率均為0.25°×0.25°，時間分辨率為逐月平均。

2.2Aquarius衛(wèi)星數(shù)據(jù)

Aquarius衛(wèi)星于2011年6月發(fā)射，是美國航空航天局和阿根廷空間局的合作項目。與S M OS利用歐洲中期天氣預(yù)報中心（EC M W F）提供的風速場來估計海表粗糙度不同的是，Aquarius搭載了一個主動微波雷達散射計用于同步探測海浪以進行海表粗糙度訂正。在地表上方657 k m處，衛(wèi)星大概每7 d覆蓋全球，任務(wù)精度要求空間分辨率150 k m×150 k m，精度為0.2的月平均海表鹽度場［10］。

本文使用的是Aquarius V3.6 C A P L3數(shù)據(jù)（以下簡稱Aquarius C A P），其時間分辨率為逐月平均，空間分辨率為1°×1°，此產(chǎn)品由應(yīng)用“主動-被動聯(lián)合算法”（C A P）的L2數(shù)據(jù)再生成得來。C A P算法主要利用輻射計和散射計上的實時數(shù)據(jù)，并通過最小化模型和觀測數(shù)據(jù)間均方根誤差來反演鹽度場和風場。同時，Aquarius C A P V3.6版本對產(chǎn)品進行了SST依賴的鹽度偏差訂正，具體效果在第3部分講述。

表1顯示了各衛(wèi)星鹽度網(wǎng)格化產(chǎn)品的重要參數(shù)，其中S M OS BEC中心由于對S M OS L1鹽度數(shù)據(jù)校正問題，未發(fā)布2014年10月、11月的L4級數(shù)據(jù)。

表1　各衛(wèi)星鹽度網(wǎng)格化產(chǎn)品參數(shù)表Tab.1 Parameters of satellite gridded products

2.3現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)

本文所采用的實測數(shù)據(jù)集是由英國M et辦公室哈德雷中心發(fā)布的E N4.11數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集的剖面數(shù)據(jù)包含了1900-2015年間的C T D/X C T D、海洋站、剖面浮標、錨定浮標、Argo等多個平臺的現(xiàn)場觀測資料，其主要數(shù)據(jù)來源包括W O D09、G TSPP、G D A Cs，并經(jīng)過預(yù)處理和一系列質(zhì)量控制程序，得到經(jīng)質(zhì)量控制的剖面數(shù)據(jù)［11］，其鹽度數(shù)據(jù)精度達0.01，遠高于鹽度衛(wèi)星精度目標。圖1中每月經(jīng)質(zhì)量控制的剖面數(shù)據(jù)達到兩萬多個，為驗證衛(wèi)星鹽度數(shù)據(jù)質(zhì)量提供了高覆蓋率，有效保證驗證結(jié)果的有效性。同時將這些剖面數(shù)據(jù)客觀分析得到鹽度月平均分析場數(shù)據(jù)，空間分辨率為1°×1°。

圖1　2013年1月實測數(shù)據(jù)鹽度剖面分布Fig.1 Distribution of salinity profiles ofinsitu data in January 2013

2.4數(shù)據(jù)匹配

考慮到海表鹽度時間變化相對較慢，基于以上衛(wèi)星鹽度產(chǎn)品和現(xiàn)場數(shù)據(jù)集，我們將每月衛(wèi)星網(wǎng)格化產(chǎn)品插值到現(xiàn)場實測剖面位置進行匹配，并計算平均偏差、均方根誤差和相關(guān)系數(shù)作為鹽度數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量評價的指標。

3　鹽度產(chǎn)品數(shù)據(jù)精度評估

由于各月份產(chǎn)品質(zhì)量偏差基本類似，故我們選用2014年12月，來顯示各產(chǎn)品數(shù)據(jù)基本情況。從圖2知，3種產(chǎn)品在反映大尺度鹽度特征上與實測數(shù)據(jù)吻合良好，反映的鹽度特征有位于副熱帶南北大西洋和東南太平洋的高鹽場，位于東太平洋冷池、南赤道印度洋和南太平洋輻合區(qū)的低鹽場。Aquarius衛(wèi)星資料經(jīng)質(zhì)量控制后剩余資料的覆蓋范圍要大于S M OS衛(wèi)星，尤其在西北太平洋、北印度洋以及地中海區(qū)域，這主要與Aquarius產(chǎn)品質(zhì)量訂正中排除了近岸污染有關(guān)。S M OS產(chǎn)品海表鹽度值在西北大西洋明顯小于Aquarius產(chǎn)品和現(xiàn)場觀測集，而在高緯度海區(qū)和開闊海域，3種產(chǎn)品與現(xiàn)場觀測的相近。

為顯示衛(wèi)星產(chǎn)品與實測數(shù)據(jù)偏差值的全球分布，我們將3種衛(wèi)星數(shù)據(jù)與E N4.11月平均分析場數(shù)據(jù)的差值進行了不同季節(jié)的分析。季節(jié)劃分：春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月，冬季為12-2月。由圖3可以看出，S M O S兩種產(chǎn)品存在明顯系統(tǒng)性偏差。首先，在幾乎所有的大陸沿岸，S M O S產(chǎn)品與實測數(shù)據(jù)的偏差值都要大于A-quarius C A P產(chǎn)品，由于海洋表面鹽度（SSS）被明顯低估，從而在全球沿岸出現(xiàn)大片負異常區(qū)。其次，S M O S Locean在南太平洋區(qū)域存在明顯負偏差，S M O S B E C在北大西洋區(qū)存在負偏差；3種產(chǎn)品的SSS在南大洋50°～60°S出現(xiàn)帶狀正異常區(qū)，尤以B E C產(chǎn)品最明顯；在北太平洋北部A quarius產(chǎn)品存在正偏差，以春季最為明顯，而S M O S兩種產(chǎn)品在此處偏差隨季節(jié)變化，兩者在冬季存在明顯負偏差，在其他3個季節(jié)有正偏差；對比分析表明，A-quarius C A P產(chǎn)品在3種產(chǎn)品中表現(xiàn)最好。全球各海域（北太平洋除外）所有季節(jié)，A quarius C A P產(chǎn)品均表現(xiàn)出穩(wěn)定的數(shù)據(jù)質(zhì)量，與實測數(shù)據(jù)的偏差最小。

根據(jù)衛(wèi)星產(chǎn)品與實測數(shù)據(jù)偏差的全球分布，我們對3種衛(wèi)星鹽度產(chǎn)品的偏差分布有了定性的理解，但由于將實測鹽度剖面數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理，則可能產(chǎn)生依賴空間和時間長度的誤差，且這些誤差難以消除，同時E N4.11數(shù)據(jù)集剖面數(shù)據(jù)在全球開闊海域有著極高的覆蓋率。因此，為進一步定量評估衛(wèi)星產(chǎn)品的精度，下面我們使用散點剖面鹽度數(shù)據(jù)開展誤差分析。

產(chǎn)品的偏差概率分布圖和散點圖分別如圖4、圖5所示。由概率密度分布圖4可見3種產(chǎn)品鹽度反演誤差主要分布于-1～1范圍內(nèi)，基本呈高斯分布形態(tài)。不同的是Aquarius產(chǎn)品存在正的平均偏差（0.095），而S M OS的兩個產(chǎn)品均呈現(xiàn)負的平均偏差，且偏差值較Aquarius C A P大（Aquarius：0.095，S M OS Locean：-0.274，S M OS BEC：-0.28）。

3種產(chǎn)品與實測鹽度散點數(shù)據(jù)顯著相關(guān)（圖5），對比分析表明，Aquarius衛(wèi)星C A P產(chǎn)品較之S M OS衛(wèi)星的兩個產(chǎn)品與實測數(shù)據(jù)表現(xiàn)出更高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)r = 0.914。同時，Aquarius衛(wèi)星C A P產(chǎn)品的線性回歸的斜率最高，均方根誤差最小，與實測數(shù)據(jù)最為吻合，S M OS BEC數(shù)據(jù)次之，S M OS Locean數(shù)據(jù)較差。

圖2　2014年12月3種衛(wèi)星海表鹽度網(wǎng)格化產(chǎn)品與現(xiàn)場觀測海表鹽度空間分布Fig.2 Spatial distribution of monthly mean SSS values in December 2014 for three satellite salinity products and insitu data

圖3　不同季節(jié)衛(wèi)星數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)偏差值分布Fig.3 Distribution of seasonal differences between satellite products and insitu measurements

Aquarius C A P產(chǎn)品鹽度偏差和均方根誤差在全年穩(wěn)定，與實測數(shù)據(jù)保持合理偏差（圖6）。S M OS衛(wèi)星兩個產(chǎn)品鹽度偏差較不穩(wěn)定，個別月份出現(xiàn)較大異常偏差值，其中S M OS Locean資料在2013年10月出現(xiàn)較大偏差值，平均偏差絕對值達0.8而S M OS BEC資料兩個異常偏差值分別出現(xiàn)在2014年1月和8月。從圖6b均方根誤差時間序列圖仍能發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，這表明存在某些季節(jié)性過程影響了S M OS衛(wèi)星反演質(zhì)量。

圖4　全球鹽度偏差概率密度分布Fig.4 Probability distribution of the global salinity differences

圖5　衛(wèi)星數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)散點圖（M BE為平均偏差，R M SE為均方根誤差，r為相關(guān)系數(shù)，n為散點數(shù)）Fig.5 Scatterplots of satellite products and insitu data（M BE is the average deviation，R M SE is the root mean square error，ris the correlation coefficient，n is the number of scattered points）

圖6　全球衛(wèi)星鹽度平均偏差（a）和均方根誤差（b）時間序列圖Fig.6 Time series of bias（a）and R M SE（b）of satellite products in global

為研究衛(wèi)星數(shù)據(jù)在不同局部海域的質(zhì)量情況，我們選取了幾處有代表性的區(qū)域：（1）南印度洋海域（SI），代表開闊海域；（2）熱帶太平洋（TP），代表低緯海域，同樣代表開闊海域；（3）亞馬孫河口海域（A R M），代表SSS在該海域受到河流淡水沖擊較為顯著；（4）南美洲西海岸（S WA C），該海域代表近岸海域；（5）北大西洋（N A），代表高緯海域。各個海域位置情況如圖7所示。為了對比不同區(qū)域，各產(chǎn)品質(zhì)量隨時間變化的表現(xiàn)情況，分別繪制了各海域不同產(chǎn)品與實測數(shù)據(jù)偏差和均方根誤差的時間序列圖，如圖8、圖9所示。

圖7　研究區(qū)域選擇Fig.7 Regions selected for study

在亞馬孫河口海域（A R M）海域，3套產(chǎn)品的鹽度數(shù)據(jù)均小于實測數(shù)據(jù)，尤其是S M OS衛(wèi)星平均偏差值甚至能達到-1（圖8a）。這主要是因為亞馬孫河淡水的稀釋：由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)測得的是海洋表層的鹽度，而剖面實測數(shù)據(jù)測得的是1～10 m深層的鹽度，因此，表層海水經(jīng)過河水的稀釋，鹽度會低于更深層海水。3種產(chǎn)品鹽度偏差值均在秋季達到最大。與熱帶太平洋（TP）低緯海域相比，在北大西洋（N A）高緯海域，3種產(chǎn)品的偏差增大，尤其是S M OS兩種產(chǎn)品，平均偏差的絕對值由0.1增加到1（圖8b）。對比低緯海區(qū)和高緯海區(qū)可用于質(zhì)量驗證的實測剖面數(shù)量，發(fā)現(xiàn)兩者并無較大區(qū)別，說明并非因?qū)崪y數(shù)據(jù)量減少而導(dǎo)致的誤差。經(jīng)分析這主要是由于L波段亮溫對海表鹽度的敏感度隨海表溫度的降低而降低，在高緯地區(qū)較低的亮溫敏感度導(dǎo)致了衛(wèi)星在低溫海域數(shù)據(jù)質(zhì)量下降［12］。而Aquarius產(chǎn)品在高緯偏差遠小于S M OS，主要是由于Aquarius產(chǎn)品已經(jīng)進行了依賴SST的偏差訂正，但由圖8b發(fā)現(xiàn)，相對于S M OS產(chǎn)品，Aquarius存在正偏差，說明此處仍有其他誤差來源，例如無線電頻率干擾（RFI）等。通過與圖8a、b、e對比，圖8c、d中3套產(chǎn)品與實測數(shù)據(jù)的鹽度偏差值和均方根誤差均大大減小，尤其在熱帶太平洋地區(qū)，平均偏差值穩(wěn)定在-0.35～0.05，均方根誤差小于0.6，這說明在低緯和開闊海域，衛(wèi)星產(chǎn)品的數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。其中Aquarius C A P產(chǎn)品數(shù)據(jù)的偏差均小于S M OS產(chǎn)品，再次說明Aquarius在各海域與實測數(shù)據(jù)更為接近。

全球尺度和不同海域尺度3種衛(wèi)星產(chǎn)品與實測鹽度的平均偏差和均方根誤差分布匯總?cè)绫?、表3所示?？梢?，無論是全球海域還是局部海域（除亞馬孫河口區(qū)），C A P產(chǎn)品與實測鹽度數(shù)據(jù)的偏差值和均方根誤差都遠低于S M OS兩個產(chǎn)品，且在局地海域如南印度洋與實測數(shù)據(jù)均方根誤差已低于設(shè)計精度0.2。而S M OS衛(wèi)星的兩種產(chǎn)品在全球尺度上與實測數(shù)據(jù)偏差相近，BEC產(chǎn)品均方根誤差小于Locean產(chǎn)品，而在局部海域上，兩種產(chǎn)品的表現(xiàn)各有優(yōu)劣。

圖8　各海域鹽度偏差時間序列Fig.8 Time series of bias of satellite products in five selected regions

圖9　各海域鹽度均方根誤差時間序列Fig.9 Time series of R M SE of satellite products in five selected regions

4　鹽度產(chǎn)品海洋現(xiàn)象模擬能力評估

以上對遙感海表鹽度產(chǎn)品的精度進行了對比，為進一步評估鹽度產(chǎn)品的質(zhì)量，還需要檢驗各產(chǎn)品在時空相關(guān)的框架下模擬海洋現(xiàn)象的能力。熱帶太平洋淡池東緣將西部的暖淡水和東部的冷鹽水分開，長期存在非常明顯的鹽度鋒區(qū)，標記了赤道淡池東緣的位置［13］，故我們將其用于遙感鹽度資料刻畫海洋現(xiàn)象能力的檢驗對象。

表2　衛(wèi)星數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)平均偏差統(tǒng)計Tab.2 Statistics result of differences between satellite products andinsitu data

表3　衛(wèi)星數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)均方根誤差統(tǒng)計Tab.3 Statistics result of R M SE differences between satellite products andinsitu data

圖10給出了熱帶西太平洋的海表鹽度場。在海表，最顯著的特征為S M OS Locean海表鹽度場有著密集的小尺度結(jié)構(gòu)，相較而言其他產(chǎn)品海表鹽度場的形態(tài)則較為均勻光滑，描繪出的34.8鹽度等值線清晰標示了淡池東緣鹽度峰（W PSF）。S M OS BEC海表鹽度場雖然其空間分辨率為0.25°，但其小尺度特征明顯減少。同時其鹽度分布與S M OS Locean整體一致而鹽度值明顯減小，主要體現(xiàn)在西北區(qū)域的負異常和東南區(qū)域的正異常的振幅都顯著減少，這可能和S M OS BEC奇異值分析中使用了海表溫度模板有關(guān)，其平滑了海表鹽度場，潛在地削弱了海表鹽度變率。

圖11為2°S～2°N間平均海表鹽度的經(jīng)度時間分布，如圖所示，不同海表鹽度資料給出了大致相同的經(jīng)度-時間圖像，其中34.6等值線和35等值線標注了鹽度鋒：（1）對于鹽度鋒的位置：除S M OS Locean外，現(xiàn)場和遙感資料都表現(xiàn)出2013年5-7月間鹽度鋒較強西移，但遙感數(shù)據(jù)表現(xiàn)出鹽度鋒移動軌跡更為復(fù)雜，S M OS衛(wèi)星兩種產(chǎn)品在中東赤道太平洋的眾多地區(qū)出現(xiàn)了35鹽度等值線，體現(xiàn)出鹽度的季節(jié)性變化；（2）對于鹽度鋒的強度：現(xiàn)場資料與遙感資料鹽度鋒強度均表現(xiàn)為夏季最小，秋季最大。其中現(xiàn)場資料中鹽度鋒位置鹽度變化0.4（即34.6～35）的經(jīng)度寬度約5°～15°，Aquarius鹽度梯度與現(xiàn)場資料較為相近，S M OS Locean鹽度鋒經(jīng)度寬度約3°～10°。而由于S M OS BEC資料在淡水池東緣鹽度鋒以東鹽度的季節(jié)變化顯著，部分鋒面梯度無法分辨，但總體仍表現(xiàn)出春夏季較小，秋季最大。

圖10　2013年1月熱帶西太平洋（5°S-10°N，150°E-160° W）海表鹽度場（細黑線的等值線間隔為0.2，粗黑線為34.8等值線）Fig.10 Spatial monthly mean SSS fields in the tropical west Pacific（5°S-10°N，150°E-160°W）in December 2013（the contour interval of the thin black lines is 0.2，the bold black lines are the 34.8 isohalines）

為分清上述描述的特征是真正海洋現(xiàn)象的信號還是噪音，對這些海表鹽度產(chǎn)品進行標準差分析（圖12），并與TA O資料（圖13）進行對比。

圖11　2°S-2°N間平均海表鹽度的經(jīng)度時間分布圖（粗白線表示34.6鹽度等值線，虛白線表示35鹽度等值線）Fig.11 Longitude/Time plots of SSS at 2°S-2°N（the bold white lines are the 34.6 isohalines，the dotted white lines are the 35 isohalines）

圖12　2103-2014年各產(chǎn)品標準差空間分布圖Fig.12 Spatial distribution of standard deviation of satellite products in 2013-2014

圖12為2013-2014兩年間3種產(chǎn)品與現(xiàn)場觀測的標準差分布圖。各產(chǎn)品方差分布形態(tài)基本相似，均存在兩個大值區(qū)域，分別位于（0°，160°E）與（6°N，170°W）附近。通過對比得，S M OS BEC大值區(qū)域中心值較小，而S M OS Locean中心值明顯偏大，甚至達到0.5，說明Locean產(chǎn)品數(shù)據(jù)在該區(qū)域較不穩(wěn)定，隨時間變化大，而（0°，160°E）處附近恰為淡池東緣鹽度鋒的位置。

TA O錨定浮標資料提供了上層海洋高時間分辨率的關(guān)于溫鹽流等要素的定點長時間觀測序列，本文所用TA O資料時間分辨率為5 d平均。從圖13中可知，Aquarius產(chǎn)品時間序列曲線與TA O資料最為接近，說明其較精確捕捉了站點鹽度隨時間的細微變化，S M OS BEC產(chǎn)品次之。S M OS Locean產(chǎn)品時間序列曲線波動與TA O差別較大，尤其在2013年8—12月，同時結(jié)合圖11中Locean產(chǎn)品相對嘈雜的斑點狀外觀，以及圖13中方差大值區(qū)域中心值明顯偏大，可推知在熱帶太平洋S M OS Locean場充滿了小尺度噪音，在描述物理現(xiàn)象方面能力偏弱。

圖13　站點（0°，170°W）處各產(chǎn)品海表鹽度時間序列圖Fig.13 Time series of SSS at location of（0°，170°W）

5　結(jié)論

本文主要基于散點實測鹽度數(shù)據(jù)，從產(chǎn)品數(shù)據(jù)精度和模擬海洋現(xiàn)象能力兩個方面，對最新發(fā)布的S M OS和Aquarius衛(wèi)星網(wǎng)格化產(chǎn)品在全球海域和局部海域進行質(zhì)量評估。

研究表明，與鹽度現(xiàn)場資料相比，Aquarius C A P產(chǎn)品精度最高，產(chǎn)品鹽度偏差和均方根誤差在全年穩(wěn)定且偏差小，部分海域已達到設(shè)計精度，體現(xiàn)了A-quarius C A P產(chǎn)品的算法優(yōu)勢。

S M OS衛(wèi)星產(chǎn)品在全球海域偏差較不穩(wěn)定，個別月份出現(xiàn)較大異常偏差值。在低緯和開闊海域產(chǎn)品的數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較高，與實測數(shù)據(jù)保持合理的偏差，但在高緯和近岸海域，S M OS衛(wèi)星網(wǎng)格化產(chǎn)品仍存在較大誤差，需作進一步的訂正處理。

對各種鹽度產(chǎn)品模擬海洋能力的評估研究表明，遙感海表鹽度定性地描述了西太平洋淡池東緣鹽度鋒在2013年6月前后較強西移過程。其中，Aquarius產(chǎn)品在熱帶太平洋較好刻畫了淡池東緣鹽度鋒，能用于定量計算鹽度鋒位置和強度的季節(jié)變化。S M OS BEC產(chǎn)品由于平滑了海表鹽度場以及無法用其定量計算鹽度鋒強度變化，刻畫海洋能力次之。S M OS Locean產(chǎn)品在熱帶太平洋充滿了小尺度噪音，在描述物理現(xiàn)象方面表現(xiàn)較差。

需要指出的是，C A P算法存在優(yōu)勢，且Aquarius數(shù)據(jù)精度高、對物理現(xiàn)象刻畫描述良好，但遺憾的是2015年6月，由于該衛(wèi)星的電力支持系統(tǒng)及姿態(tài)控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致該衛(wèi)星已提前終止工作，但針對其產(chǎn)品開展的誤差特征和質(zhì)量控制分析對于其后續(xù)產(chǎn)品或同類產(chǎn)品的優(yōu)化應(yīng)用仍有積極的參考借鑒意義。相比而言，S M OS衛(wèi)星數(shù)據(jù)雖然其精度尚未達到設(shè)計要求，數(shù)據(jù)誤差仍有待進一步訂正，但其比Aquarius衛(wèi)星提供了更高的時間和空間分辨率（S M OS：3～5 d，43 k m；Aquarius：7 d，100 k m），且隨著觀測亮溫和反演模型校正以及多源數(shù)據(jù)融合等工作的深入開展，S M OS將提供精度更高，時間跨度更長的遙感海表鹽度產(chǎn)品，進而推動E NSO循環(huán)和淡水通量等鹽度相關(guān)領(lǐng)域的全新發(fā)展。

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Bao Senliang，Zhang Ren，W ang H uizan，et al.Bias estimation and assessment of satellite sea surface salinity gridded products based on insitu salinity measurements［J］.Haiyang Xuebao，2016，38（5）：34-45，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.05.004

Bias estimation and assessment of satellite sea surface salinity gridded products based on insitu salinity measurements

Bao Senliang1，Zhang Ren1，2，W ang H uizan1，3，W ang Gongjie1，Zhang Ming1
（1.Instituteof Meteorology and Oceanography，PLA University of Science & Technology，Nanjing 211101，China；2.Collaborative Innovation Center on Forecast Meteorological Disaster Warning and Assessment，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China；3.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics，Second Instituteof Oceanography，State Oceanic Administration，Hangzhou 310012，China）

Abstract：With the launch of the Soil M oisture and Ocean Salinity（S M OS）and A merican Aquarius，different sea surface salinity（SSS）gridded products have been developed by several institutions，including S M OS Locean L3 data released by the Centre Aval de Traitement des Données S M OS（C AT DS）in France，S M OS BEC L4 data released by the Barcelona Expert Centre（BEC）in Spain and Aquarius V3.0 C A P L3 data released by N ASA Jet Propulsion Laboratory（JPL）.Based oninsitu salinity measurements，this paper assesses the performances ofthree satellite products on their accuracy and ability to depict ocean phenomena.The results show as follows：（1）In terms of accuracy of products，Aquarius C A P data are of best quality and have stable and low mean bias and R M SE，which have reached the design accuracy in some regions.The deviation of S M OS products is less stable，becoming abnormalin some months.S M OS products data are of relatively high quality in open ocean and low latitudes，but there are great errors in high latitudes，which needs further improvement.（2）The study of depicting physical phenomena shows that Aquarius data perform best in depicting the eastern edge of warm pool salinity front，S M OS BEC data take second place.S M OS Locean data are full of noise in the tropical Pacific，and describe the physical phenomena in poor performance.

Key words：satellite salinity；S M OS；Aquarius；assessment；bias estimate

*通信作者：張韌（1963—），男，四川省眉山市人，教授，博導(dǎo)，主要從事海洋資料分析處理和海洋水文保障研究。E-mail：zrpaper＠163.com

作者簡介：鮑森亮（1992—），男，浙江省永嘉縣人，主要從事鹽度衛(wèi)星資料分析處理研究。E-mail：13655178638＠163.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金（41276088，41206002）。

收稿日期：2015-10-21；

修訂日期：2015-12-15。

中圖分類號：P731.12；P716+.14

文獻標志碼：A

文章編號：0253-4193（2016）05-0034-12