王振占，鮑靖華，2，李 蕓，諶 華

(1.國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049)

海洋二號(hào)衛(wèi)星掃描輻射計(jì)海洋參數(shù)反演算法研究

王振占1，鮑靖華1，2，李 蕓1，諶 華1

(1.國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049)

針對(duì)海洋二號(hào)（HY-2）衛(wèi)星掃描輻射計(jì)，利用輻射傳射方程模擬，建立了海面溫度、海面風(fēng)速、大氣水汽含量、大氣液態(tài)水含量和雨率的反演算法，并利用掃描輻射計(jì)在軌數(shù)據(jù)對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行反演。經(jīng)過(guò)對(duì)反演的海面溫度和風(fēng)速全球產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)表明，算法合理可行，能夠反演大氣海洋參數(shù)，反演精度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)需求。目前，其他參數(shù)的反演產(chǎn)品的檢驗(yàn)還在進(jìn)行，而且反演算法還要根據(jù)對(duì)輻射計(jì)測(cè)量值定標(biāo)的深入而進(jìn)一步優(yōu)化。

HY-2衛(wèi)星；微波輻射計(jì)；海洋參數(shù)；反演算法

1 前言

海洋二號(hào)（HY-2）海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星是一顆獲取海洋動(dòng)力環(huán)境信息的微波遙感衛(wèi)星，其主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)和調(diào)查海洋動(dòng)力環(huán)境，包括海面風(fēng)場(chǎng)、海浪、海流、海面溫度、海上風(fēng)暴和潮汐等，為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、海洋調(diào)查與資源開(kāi)發(fā)、海洋污染監(jiān)測(cè)與保護(hù)、海洋權(quán)益維護(hù)、軍事應(yīng)用、全球變化和海洋科學(xué)研究等方面提供遙感數(shù)據(jù)[1]。HY-2衛(wèi)星有效載荷包括雷達(dá)高度計(jì)、微波輻射計(jì)、微波散射計(jì)、校正輻射計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)。此外，HY-2衛(wèi)星還具有精密定軌功能，需要在地面對(duì)定軌數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和應(yīng)用。

微波輻射計(jì)(RM)天線安裝在衛(wèi)星載荷艙中板上，如圖1所示，其電軸指向與衛(wèi)星+Z軸呈40o。因此，RM坐標(biāo)系原點(diǎn)為RM安裝面中心，其-Y軸方向?yàn)閺陌惭b面中心指向精測(cè)鏡安裝方向，-Z軸垂直安裝面指向天線，X軸與Y軸、Z軸呈右手系。名義上，衛(wèi)星主動(dòng)段時(shí)RM各坐標(biāo)軸方向與整星坐標(biāo)系方向一致。RM探測(cè)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的0o位置定義為衛(wèi)星飛行方向(+X向)，順時(shí)針為角度增加方向，有效觀測(cè)角度為+X方向的±70°范圍。

圖1 RM對(duì)地觀測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of RM earth observation

RM主要技術(shù)指標(biāo)要求如表1所示。

表1 RM主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 RM main technical indicators

RM分系統(tǒng)具有兩種基本工作模式：正常工作模式和應(yīng)急工作模式。正常工作模式是指RM在軌期間處于持續(xù)工作狀態(tài)，觀測(cè)天線進(jìn)行圓錐掃描，旋轉(zhuǎn)一周約3.6 s，依次觀測(cè)地球、冷空和定標(biāo)熱源，并形成4個(gè)子包數(shù)據(jù)。RM掃描一周系統(tǒng)工作模式示意圖如圖2所示，+X方向?yàn)?°，每周觀測(cè)的70°～290°(標(biāo)稱值，具體數(shù)值可從遙感包中讀出，下同)為對(duì)地觀測(cè)范圍，152°～168°為冷空觀測(cè)范圍，211°～235°為熱源觀測(cè)范圍。獲取的遙感數(shù)據(jù)和定標(biāo)數(shù)據(jù)組包后下傳。應(yīng)急工作模式是指RM出現(xiàn)故障或整星需要時(shí)，關(guān)閉部分或全部設(shè)備。

圖2 RM掃描一周系統(tǒng)工作模式示意圖Fig.2 Schematic diagram of RM scanning work mode

2 RM海洋參數(shù)反演算法

2.1 RM海洋遙感原理

在晴空、有云和不大于2 mm/h的輕度降雨的情況下，在6～37 GHz RM頻段，當(dāng)不考慮大雨滴和云顆粒散射影響的時(shí)候，以地表為下邊界、以冷空背景為上邊界的大氣輻射傳輸模式可以用吸收-輻射模式近似。Wentz等[1，2]對(duì)SSM/I的降雨觀測(cè)結(jié)果研究表明，雨率大于2 mm/h的情況僅為所有海洋降雨的3%，因此吸收-發(fā)射模式將可以應(yīng)用于97%的海洋輻射計(jì)觀測(cè)。

對(duì)于被動(dòng)微波遙感來(lái)說(shuō)，最重要的量是單色輻照度 L(θ，?)，單位為，其定義為：在球坐標(biāo)系下，沿(θ，?)方向傳播的單位頻率、單位立體角的輻射通量密度。此外，還要考慮輻射的極化方式。通常把信號(hào)分解成為水平極化和垂直極化兩部分，分別用H和V表示，在以后的表達(dá)式中統(tǒng)一用p表示。根據(jù)Beer定律，沿路徑ds的輻射衰減(消光)與沿路徑的質(zhì)量密度ρ成正比，即

式（1）中，ke=ka+ks，ke是質(zhì)量消光系數(shù)，ka是質(zhì)量吸收系數(shù)，ks是質(zhì)量散射系數(shù)，當(dāng)使用體消光、吸收和散射系數(shù)時(shí)，分別乘以密度即可。與輻射消光相對(duì)應(yīng)的是輻射的熱發(fā)射和散射。根據(jù)Kirchhoff定律，物質(zhì)的熱輻射和吸收系數(shù)與Planck函數(shù)B(t)成正比

式（2）中，t是熱力學(xué)溫度，c是光速，ν為頻率，h是Planck常量，k是Boltzmann常量。由于散射引起的輻射增強(qiáng)可以表示為單次散射反照率和輻照度L對(duì)立體角的加權(quán)平均值的乘積，權(quán)為通過(guò)以上定義，完整的輻射傳輸方程(RTE)可以表示為

對(duì)于微波輻射，應(yīng)用Rayleigh-Jeans近似，L可以用亮溫TB表示

由于ke=ka，故用α代替e，表示大氣吸收系數(shù)。在大多數(shù)情況下(降雨除外)，考慮微波在大氣中的輻射傳輸時(shí)，僅考慮平面平行大氣情況就已足夠，也就是說(shuō)，α和T都是高度h的函數(shù)(忽略地球曲率)。這時(shí)，ds可用dh μ代替，，則下行亮溫TBD可表示為

式（6）中，TBC是宇宙背景亮溫，為2.7 K；τ是大氣透過(guò)率。同理，大氣頂部觀測(cè)到的上行亮溫TBU的貢獻(xiàn)為

從空間觀測(cè)到的亮溫包括式(6)、式(7)的貢獻(xiàn)，還包括地球表面反射及發(fā)射成分。最簡(jiǎn)單的情況是平面反射，表達(dá)式為

式（9）中，ep是在極化方式p下的平面發(fā)射率；TS是表面熱力學(xué)溫度。然而，在大多數(shù)情況下，表面反射不是一個(gè)嚴(yán)格的平面發(fā)射，而是漫反射，因而

可見(jiàn)，無(wú)雨情況下，RM從空間觀測(cè)到的亮溫不但取決于大氣的溫度廓線T(h)和吸收系數(shù)廓線α(h)，還取決于表面溫度TS和雙站反射系數(shù)。其中，α(h)是與觀測(cè)頻率相關(guān)的量，rp與觀測(cè)的極化方式和海面狀況，尤其是海面風(fēng)場(chǎng)有關(guān)。當(dāng)這些參數(shù)能夠通過(guò)模型模擬后，就可以通過(guò)積分計(jì)算獲得觀測(cè)亮溫的模擬結(jié)果。

2.2 亮溫的模擬方法和模擬結(jié)果

2.2.1 海洋和大氣模式

為了模擬RM不同通道的亮溫，使用歐洲數(shù)值預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的FASTEM3模式作為海洋發(fā)射率和反射率模式，其考慮了大尺度和小尺度粗糙表面的發(fā)射率貢獻(xiàn)，同時(shí)考慮了各風(fēng)向?qū)ξ⒉ㄝ椛湫盘?hào)的調(diào)制，以及大氣穩(wěn)定性對(duì)海面散射的影響。大氣模式分別考慮了氮?dú)?、氧氣、水汽和液態(tài)水的貢獻(xiàn)。本文分別采用MPM93中的氧氣和氮?dú)饽Ｊ?，使用PWR98的水汽模式以及PWR04的液態(tài)水模式[3]。

2.2.2 海面和大氣數(shù)據(jù)集

使用了EUMETSAT/ECMWF提供的全球60層大氣廓線，其中海面廓線6813條，本文選取了表面溫度大于270 K的6154條廓線用于海面亮溫模擬。這些廓線包括大氣的溫度、壓力、水汽密度、液態(tài)水密度、云蓋等廓線，同時(shí)包括海面溫度、風(fēng)速和風(fēng)向等信息。另外，為了分析降雨的影響，還將液態(tài)水含量大于0.2 mm的廓線去掉，得到3962條無(wú)雨大氣廓線，單獨(dú)進(jìn)行了亮溫模擬。

2.2.3 不同通道亮溫的模擬結(jié)果

圖3～圖6分別給出在47.7°入射角下對(duì)6.6 GHz和37 GHz垂直極化和水平極化的全球亮溫的模擬結(jié)果（其他通道類似，由于篇幅關(guān)系這里省略）。其中分別給出了包括降水在內(nèi)的所有點(diǎn)（6813條廓線）和無(wú)雨數(shù)據(jù)點(diǎn)（3962條廓線）的模擬結(jié)果的比較。由圖3～圖6可以看出，當(dāng)降雨出現(xiàn)時(shí)，亮溫有所升高，特別是37 GHz，亮溫升高比較明顯。

圖3 6.6 GHz垂直極化亮溫分布Fig.3 Brightness temperature at 6.6 GHz vertical polarization

圖4 6.6 GHz水平極化亮溫分布Fig.4 Brightness temperature at 6.6 GHz horizontal polarization

圖5 37GHz垂直極化亮溫Fig.5 Brightness temperature at 37 GHz vertical polarization

圖6 37GHz水平極化亮溫分布Fig.6 Brightness temperature at 37 GHz horizontal polarization

2.3 反演算法的建立

星載RM接收的亮溫包括兩部分：一部分是沒(méi)有泡沫的海面貢獻(xiàn)，另一部分是泡沫覆蓋區(qū)的輻射貢獻(xiàn)。對(duì)式（10）簡(jiǎn)化，得到衛(wèi)星高度接收的垂直極化亮溫TBV和水平極化亮溫TBH為[4]

式（12）和式（13）中，Ep、Rp(p=V，H)表示海面發(fā)射率和反射率。假設(shè)泡沫的覆蓋率為f，泡沫的發(fā)射率為1，那么

式（14）和式（15）中，eV、eH是與風(fēng)向無(wú)關(guān)的表面發(fā)射率，ΔeV、ΔeH表示風(fēng)向引起的發(fā)射率變化。

式（16）和式（17）中，eV0、eH0是平靜海面發(fā)射率；eVw、eHw是風(fēng)成海面發(fā)射率。

對(duì)于反射率，為了簡(jiǎn)化可表示為

式（18）和式（19）中，ΩV、ΩH分別表示對(duì)粗糙表面引起反射率變化的校正系數(shù)。如果風(fēng)向引起的發(fā)射率變化表示為下面的形式

那么，星載微波輻射計(jì)接收的垂直和水平極化亮溫中的風(fēng)向信號(hào)（ΔTV和ΔTH）分別為

因此，反演算法就要建立平靜海面發(fā)射率eq0、風(fēng)成海面發(fā)射率eqw的反演算法，另外還要確定校正系數(shù)Ωp、不同頻率的系數(shù)ae，p、be，p。其中p，q=V，H表示極化方式。同時(shí)為了反演大氣參數(shù)，如水汽含量V和液態(tài)水含量L，還要建立這些大氣參數(shù)與大氣上行亮溫TBU、下行亮溫TBD、大氣透過(guò)率 τ之間的關(guān)系。

2.3.1 海面算法

1)平靜海面反射率算法。海面可以近似看成空氣和海水兩種介質(zhì)的作用面。因此，確定入射輻射被海面反射的問(wèn)題就變成以一定的入射角和極化方式入射的平面電磁波與邊界面作用的問(wèn)題。

反射率R是入射角θ和極化方式的函數(shù)，同時(shí)也是空氣的復(fù)介電常數(shù)ε和海水的復(fù)介電常數(shù)ε′λ的函數(shù)。由Fresnel反射定律可以計(jì)算出反射系數(shù)R0。根據(jù)Ellison等[5]提出的介電常數(shù)模式模擬海面溫度t范圍為-2～32℃、鹽度s范圍為29‰～37‰，利用Fresnel反射定律，計(jì)算平靜海面反射率[4]，這里從略。

2)風(fēng)成海面發(fā)射率算法。海面泡沫覆蓋率采用Monahan等[6]提出的方法計(jì)算，即

epw的算法形式為

表2給出了5個(gè)頻率下水平和垂直極化通道的系數(shù)。

表2 入射角為47.7o的風(fēng)成海面發(fā)射率系數(shù)Table 2 Emissivity coefficient of windy sea surface at 47.7o

海面反射率的校正系數(shù)Ωp，對(duì)于垂直極化和水平極化，表示為如下形式

式（27）中，W10表示10 m高度風(fēng)速，m/s，以后如果不特殊說(shuō)明，風(fēng)速都指10 m高度測(cè)量的風(fēng)速，用W表示。式(26)的系數(shù)見(jiàn)表3，生成系數(shù)的數(shù)據(jù)來(lái)自RTTOV8.5軟件的反射率系數(shù)文件[8]。

表3 反射率校正算法的系數(shù)Table 3 Coefficients of reflectivity correction

3)風(fēng)向算法。風(fēng)向引起發(fā)射率的變化采用下面的形式確定系數(shù)ae，p、be，p的表達(dá)式

表4給出式(28)和式(29)中不同頻率和極化下的多項(xiàng)式系數(shù)。這些系數(shù)是根據(jù)RTTOV8.5軟件模擬的結(jié)果采用多元回歸分析產(chǎn)生的。表4最后一列給出擬合出現(xiàn)的最大偏差的絕對(duì)值。可見(jiàn)這項(xiàng)引起的海面亮溫變化可以忽略。

表4 風(fēng)向算法系數(shù)Table 4 Coefficients for wind direction

2.3.2 無(wú)雨和有雨兩種情況下的大氣算法

如果假設(shè)垂直路徑(θ=0o)時(shí)下行亮溫和上行亮溫分別為TBD0和TBU0，那么任何其他路徑上的TBD和TBU都可以用TBD0和TBU0的線性方程表示為

式（30）和式（31）中的系數(shù)a、b、c和d可以表示為secθ的二階多項(xiàng)式形式(見(jiàn)表5和表6)，即（以a為例，b、c和d形式相同）

表5 TBD線性方程系數(shù)的二階多項(xiàng)式系數(shù)Table 5 Coefficients for TBDlinear equation

表6 TBU線性方程系數(shù)的二階多項(xiàng)式系數(shù)Table 6 Coefficients for TBUlinear equation

表5和表6中給出算法的殘差的定義為擬合值和測(cè)量值之差的平方和的算術(shù)平方根。TBD0和TBU0之間的關(guān)系同樣可以用直線方程近似描述為

式（33）中，在入射角分別為0o和47.7o下的系數(shù)m和n見(jiàn)表7和表8。

表7 無(wú)雨大氣上行和下行輻射亮溫之間的關(guān)系系數(shù)Table 7 Coefficients for TBDand TBUequation(without rain)

由表7和表8可見(jiàn)，23.8 GHz和37 GHz的殘差雖然大一些，但是由于離散大的點(diǎn)主要體現(xiàn)在大氣的異常輻射區(qū)，如高層水汽區(qū)域，所以對(duì)于常規(guī)大氣條件，這樣擬合的離散誤差基本可以忽略。從表7和表8也可看出，TBD0和TBU0非常接近。利用直線擬合可以用一個(gè)參數(shù)替代另一個(gè)參數(shù)。但是通過(guò)對(duì)無(wú)雨算法的殘差分析可以發(fā)現(xiàn)，殘差隨著水汽含量的增大而發(fā)生變化，具有明顯的二次曲線的關(guān)系，因此把這個(gè)關(guān)系加入到無(wú)雨模型中去，則有

表8 有雨情況下在47.7°入射角時(shí)大氣上行和下行輻射亮溫之間的關(guān)系系數(shù)Table 8 Coefficients for TBDand TBUequation(with rain，incidence angle is 47.7°)

表9給出了系數(shù)及殘差。

表9 在0°入射角時(shí)大氣上行和下行輻射亮溫之間的關(guān)系系數(shù)Table 9 Coefficients for TBDand TBUequation(incidence angle is 0°)

垂直路徑大氣透過(guò)率τ0可以用大氣水汽含量V(mm)和液態(tài)水含量L(mm)表示為lnτ0=aV+bL+c (35)通過(guò)對(duì)無(wú)雨和有雨的大氣剖面分別進(jìn)行模擬的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這個(gè)線性方程能夠較好地?cái)M合透過(guò)率。表 10和表11給出式（35）中的系數(shù)a、b、c。那么在任何路徑下，大氣透過(guò)率τ可以表示為lnτ=secθlnτ0(36)

表10 無(wú)雨情況下0°入射角觀測(cè)大氣透過(guò)率算法的系數(shù)Table 10 Coefficients for atmospheric transmissivity(without rain，incidence angle is 0°)

表11 有雨情況下0°入射角觀測(cè)大氣透過(guò)率算法的系數(shù)Table 11 Coefficients for atmospheric transmissivity (with rain，incidence angle is 0°)

上文給出了利用大氣透過(guò)率τ和下行亮溫TBD表示的大氣算法，為了達(dá)到反演水汽含量V和液態(tài)水含量L的目的，筆者建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的大氣透過(guò)率τ、下行亮溫TBD和大氣參數(shù)V、L的反演算法。根據(jù)模擬的大氣下行亮溫TBD和大氣參數(shù)V、L直接進(jìn)行回歸分析，獲得如下形式的算法

式（37）中，系數(shù)a～e在不同頻率、47.7o入射角下的擬合結(jié)果見(jiàn)表12～表15?？梢钥闯?，算法的均方差（RMS）隨著頻率增大有增大的趨勢(shì)。

表12 無(wú)雨情況下47.7o入射角觀測(cè)下行大氣亮溫算法的系數(shù)Table 12 Coefficients for TBD(without rain，incidence angle is 47.7°)

表13 無(wú)雨情況下47.7o入射角觀測(cè)上行大氣亮溫算法的系數(shù)Table 13 Coefficients for TBU(without rain，incidence angle is 47.7°)

表14 有雨情況下47.7o入射角觀測(cè)下行大氣亮溫算法的系數(shù)Table 14 Coefficients for TBD(with rain，incidence angle is 47.7°)

表15 有雨情況下47.7o入射角觀測(cè)上行大氣亮溫算法的系數(shù)Table 15 Coefficients for TBU(with rain，incidence angle is 47.7°)

2.3.3 算法誤差分析

前面的海洋算法和大氣算法是對(duì)理論微波輻射傳輸方程的近似，目的是用來(lái)反演所關(guān)心的海洋和大氣參數(shù)。對(duì)于海洋算法，輸入的參數(shù)包括海面溫度（SST）、風(fēng)速（WS）、風(fēng)向 ?和海水鹽度 s；大氣算法的輸入?yún)?shù)包括大氣的水汽含量V和液態(tài)水含量L。大氣的上行亮溫TBU、下行亮溫TBD和透過(guò)率τ都是這兩個(gè)大氣參數(shù)的函數(shù)。但是由于它們之間的函數(shù)關(guān)系非常復(fù)雜，這里只給出了簡(jiǎn)單的線性模式，所以如果用V和L作為風(fēng)場(chǎng)反演的輸入?yún)?shù)，必然會(huì)引入額外的誤差。因此首先是用TBU、TBD、τ作為大氣算法的輸入?yún)?shù)。另外由于大氣的TBU和TBD之間的差值很小，存在很好的線性關(guān)系，因此用TBD代替TBU，這樣大氣的輸入?yún)?shù)就變?yōu)閮蓚€(gè)：TBD、τ。表16給出了用大氣算法的兩種輸入方式和4個(gè)海洋參數(shù)(其中鹽度s設(shè)定為35‰)算法計(jì)算的亮溫與理論計(jì)算的亮溫之間的RMS(單位為K)。可見(jiàn)用V和L算法引入的誤差隨著頻率增高而增大，并且垂直極化的誤差小于水平極化。而用TBD和τ作為大氣參數(shù)的算法誤差很小，基本上可以完全忽略。

表16 使用不同大氣參數(shù)反演算法的RMSTable 16 RMS by using different atmospheric retrieval algorithm K

3 海洋和大氣參數(shù)反演方法

3.1 海面參數(shù)SST、WS、V和L反演方法

根據(jù)第2.3節(jié)的算法，海面參數(shù)SST、WS、V和L可以表示為

式（38）中，ci是系數(shù)；Fi(i＝1，2，3，...，9)分別對(duì)應(yīng)于 6.6V，6.6H，10.7V，10.7H，18.7V，18.7H，23.8V，37V，37H這9個(gè)通道的亮溫?cái)?shù)據(jù)，定義為對(duì)于23.8V(i＝7)以外的通道，F(xiàn)i=TBch_i-150 ，對(duì)于23.8V(i＝7)通道，F(xiàn)7=-ln(290-TBch_7)。

式（39）中，ci是系數(shù)；Fi(i＝1，2，3，...，9)分別對(duì)應(yīng)于 6.6V，6.6H，10.7V，10.7H，18.7V，18.7H，23.8V，37V，37H這9個(gè)通道的亮溫?cái)?shù)據(jù)，定義為對(duì)于6.6 GHz和10.7 GHz的4個(gè)通道(i＝1，2，3，4)，F(xiàn)i=TBch_i，此外的通道(i＝5，6，7，8，9)，F(xiàn)i=-ln(290-TBch_i)。

式（40）中，ci是系數(shù)；Fi(i＝1，2，3，...，9)分別對(duì)應(yīng)于 6.6V，6.6H，10.7V，10.7H，18.7V，18.7H，23.8V，37V，37H這9個(gè)通道的亮溫?cái)?shù)據(jù)，定義為對(duì)于6.6 GHz和 10.7 GHz的 4 個(gè)通道(i＝1，2，3，4)，F(xiàn)i=TBch_i，此 外 的 通 道 (i＝5，6，7，8，9)，F(xiàn)i=-ln(290-TBch_i)。

表17和表18分別給出了無(wú)雨和有雨條件下的反演系數(shù)。無(wú)雨條件下，SST、WS、V和L的算法RMS分別為0.88 K，0.41 m/s，0.61 mm和0.02 mm；而有雨條件下的算法RMS分別為10.9 K，0.55 m/s，0.85 mm和0.05 mm。

表17 無(wú)雨條件下算法系數(shù)表Table 17 Algorithm coefficients without rain

表18 有雨條件下算法系數(shù)表Table 18 Algorithm coefficients with rain

3.2 海洋和大氣中間參數(shù)的反演

根據(jù)式(6)的算法模式進(jìn)行18.7 GHz和37 GHz的大氣透過(guò)率τ和上行亮溫TBU的反演。算法的輸入?yún)?shù)是海面的發(fā)射率和反射率，其通過(guò)前面的反演結(jié)果和算法模型計(jì)算得到。此外，為了進(jìn)行最小二乘法估值，需要輸入 TBD19、TBD37、τ19和 τ37初始值，作為待反演這4個(gè)參數(shù)的輸入條件。這4個(gè)參數(shù)的初始值通過(guò)的大氣算法結(jié)合V和L的反演值產(chǎn)生。

利用算法結(jié)合實(shí)測(cè)亮溫，用最小二乘法反演TBD19、TBD37、τ19和 τ37。

3.3 液態(tài)水貢獻(xiàn)

在應(yīng)用第2.3節(jié)進(jìn)行反演的時(shí)候，反演的參數(shù)包括TBD19、TBD37、τ19和 τ37。為了進(jìn)行降雨的估算，需要利用Wentz的AMSR-E算法剝離大氣氧氣和水汽的貢獻(xiàn)，得到大氣液態(tài)水貢獻(xiàn)的測(cè)量值，這樣才能進(jìn)行反演。因此，其中的關(guān)于大氣氧氣和水汽透過(guò)率的算法是必需的模型。當(dāng)SST、WS和V確定以后，根據(jù) Wentz[1]的AO和AV模式獲得 τO2和 τV，進(jìn)一步獲得液態(tài)水的透過(guò)率τL19、τL37，以及各自的上行大氣輻射亮溫。

式（41）和式（42）中的系數(shù)見(jiàn)表19。

因此，

對(duì)應(yīng)于18.7 GHz和37 GHz分別有

3.4 降雨判斷方法

如果 τL37≥0.8 ，則可認(rèn)為大氣無(wú)降雨，雨率（RR）＝0，利用無(wú)雨算法系數(shù)反演海面參數(shù)。如果τL37＜0.8 ，開(kāi)始降雨反演?；蛘叩刃У卣J(rèn)為，如果0.04≤AL37≤0.15 則表示降雨出現(xiàn)；若 AL37=0.04 則表示有毛毛雨出現(xiàn)；若AL37=0.15則表示雨率大約為2 mm/h，則利用有雨算法系數(shù)反演海面參數(shù)。

4 海洋參數(shù)反演結(jié)果和驗(yàn)證

4.1 海洋參數(shù)反演結(jié)果

圖7～圖10給出了用2011年12月31日RM升軌數(shù)據(jù)反演的全球參數(shù)。其結(jié)果表明，算法合理可行，能夠反演出大氣海洋參數(shù)。

圖7 升軌海面溫度的反演結(jié)果Fig.7 Retrieved SST(ascending)

Zhao[9]和Huang等[10]根據(jù)第2節(jié)中的算法，利用RM數(shù)據(jù)，對(duì)海面溫度和海面風(fēng)速進(jìn)行了反演，并與其他星載輻射計(jì)產(chǎn)品及海面浮標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行了比對(duì)驗(yàn)證。

圖8 升軌海面風(fēng)速的反演結(jié)果Fig.8 Retrieved WS(ascending)

圖9 升軌海面水汽含量的反演結(jié)果Fig.9 Retrieved V(ascending)

圖10 升軌海面液態(tài)水含量的反演結(jié)果Fig.10 Retrieved L(ascending)

4.2 海面溫度反演結(jié)果及驗(yàn)證

圖11給出了RM反演的海面溫度和NDBC現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果及ARGO浮標(biāo)結(jié)果的比對(duì)。數(shù)據(jù)匹配的空間尺度為25 km，時(shí)間窗口為30 min。圖11中的紅點(diǎn)在計(jì)算偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差時(shí)排除在外，紅線表示線性擬合線，而藍(lán)線表示置信區(qū)間。兩個(gè)驗(yàn)證結(jié)果都表明海面溫度的初始反演精度優(yōu)于1.7 K[9]。

圖12給出了2012年6月，RM反演的海面溫度與WindSat反演結(jié)果平均偏差，網(wǎng)格精度0.25o×0.25o。結(jié)果表明，在2012年上半年，RM與WindSat反演結(jié)果的RMS為1.8 K[9]。

圖11 RM反演的海面溫度與NDBC及ARGO數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果[9]Fig.11 Scatter plots of RM versus NDBC mooring and ARGO SST[9]

圖12 2012年6月，全球RM與WindSat反演的海面溫度偏差[9]Fig.12 The mean bias between RM/HY-2 and WindSat SST in June 2012[9]

4.3 海面風(fēng)速反演結(jié)果及驗(yàn)證

圖13給出了RM反演的海面風(fēng)速與NDBC浮標(biāo)測(cè)量結(jié)果的比較，空間尺度為25 km，時(shí)間窗口為5 min。其結(jié)果顯示，RMS為1.89 m/s，偏差為0.67 m/s[10]。

圖13 RM反演的風(fēng)速與NDBC風(fēng)速比對(duì)結(jié)果[10]Fig.13 Scatter plots of comparison between HY-2 RM WS observations and buoys measurements[10]

圖14給出了2012年1月—6月RM反演結(jié)果與WindSat反演結(jié)果平均偏差全球分布，網(wǎng)格大小為0.25o×0.25o。從圖14中可以看出，風(fēng)速差異出現(xiàn)在緯度較高沿海地區(qū)，特別是歐洲和北非地區(qū)差異較大，接近2 m/s；而在低緯度熱帶海洋，差異在-0.5～0.5 m/s；在中緯度溫帶地區(qū)，在1～2 m/s。兩者比較的偏差和RMS分別為0.23m/s和1.8m/s[10]。

圖14 2012年1月—6月RM和WindSat風(fēng)速反演結(jié)果差異全球分布[10]Fig.14 Global map of averaged WS difference between HY-2 RM and WindSat gridded data between January 2012 and June 2012[10]

5 結(jié)語(yǔ)

1）本文探討了用RM亮溫?cái)?shù)據(jù)反演海洋大氣參數(shù)的方法原理，建立了反演的算法，并且根據(jù)RM在軌運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行了這些參數(shù)的初步反演。反演結(jié)果表明，算法合理，能夠反演海面和大氣參數(shù)。

2）分析了RM反演的海面溫度和海面風(fēng)速與NDBC、AGRO浮標(biāo)及WindSat產(chǎn)品的比對(duì)結(jié)果。結(jié)果顯示，海面溫度與NDBC及AGRO浮標(biāo)比對(duì)，RMS優(yōu)于1.7 K，而與WindSat比對(duì)，RMS為1.8 K；海面風(fēng)速與NDBC浮標(biāo)比較，RMS為1.89 m/s，而與WindSat比較，RMS為1.85 m/s。

目前，其他參數(shù)的反演產(chǎn)品的檢驗(yàn)還在進(jìn)行。由于RM反演算法是基于模擬數(shù)據(jù)建立的，存在一定偏差，反演算法還要根據(jù)對(duì)輻射計(jì)測(cè)量值定標(biāo)的深入而進(jìn)一步優(yōu)化。

致謝

感謝黃驍騎，趙毅力提供RM反演結(jié)果與NDBC及WindSat產(chǎn)品的比對(duì)結(jié)果。

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Study on retrieval algorithm of ocean parameters for the HY-2 scanning microwave radiometer

Wang Zhenzhan1，Bao Jinghua1，2，Li Yun1，Shen Hua1

(1.National Space Science Center，CAS，Beijing 100190，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

This paper established retrieval algorithm of sea surface temperature，sea surface wind speed，atmospheric water vapor content，atmospheric liquid water content and rain rate for the HY-2 scanning microwave radiometer using simulation data of radiation transfer equation.And then we used on-orbit data to retrieve these parameters.The validation of sea surface temperature，sea surface wind speed shows that the algorithm is feasible and reasonable，which can retrieve the atmospheric and ocean parameters，and the accuracy meets the requirement of the design indicators.Currently，the validation of other parameters is still going on.The retrieval algorithm will be optimized by further calibration of brightness temperature.

HY-2 satellite；scanning microwave radiometer；ocean parameter；retrieval algorithm

TP722.6；P715.6

A

1009-1742(2014)06-0070-13

2014-04-10

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201105032）

王振占，1969年出生，男，河北青龍縣人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事微波遙感新技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)研究；E-mail：wangzhenzhan@mirslab.cn