基于Aquarius卫星的盐度遥感误差与复杂海面微波辐射研究
海表盐度数据对全球气候变化预测，全球水循环研究等领域都具有十分重要的意义，而卫星盐度遥感是获取大范围长时间序列的盐度数据的最有效的手段。随着2颗专门用于盐度遥感的卫星-SMOS和Aquarius卫星的成功发射和全球海表盐度数据的成功获取，多国遥感专家和海洋科学领域科学家开启了海表盐度反演算法和盐度遥感数据在海洋学应用研究的新篇章。本文针对辅助数据误差对盐度反演误差的影响和对盐度误差影响较大的中高风速和降雨这两种复杂海况下的盐度遥感在理论、技术与应用领域进行了深入的研究。 首先，本文发现温度误差、辐射计误差和风速误差对盐度反演误差的影响在高温高盐时都较小，而在低温低盐时迅速增大。同时，在低温低盐时使用蒙特卡洛方法和敏感性方法获得的传导误差的差别也较大。对于风速误差，使用更精确的Aquarius卫星的经验模型研究发现，2m/s的风速误差产生的盐度误差在风速为3-7m/s时最小，而在低风速和高风速时都较大，水平极化状态下的误差高于垂直极化状态下的误差。利用Aquarius卫星遥感数据和HYCOM模式再分析数据、Argo浮标的匹配数据对盐度遥感的精度分析发现:总体上，卫星盐度与其他两种盐度相比的误差在0.9psu左右。盐度反演的偏差随温度的升高而减小，均方根误差也随温度的升高由1.5psu减小到优于0.8psu。盐度反演偏差随风速的升高而增大，在大于20m/s时甚至可能超过0.5psu，均方根误差在3-10m/s范围内较小约为0.8psu，而在高风速时较大可能超过1.5psu。盐度反演的偏差和均方根误差在低纬度(＜30°)时较小，而在高纬度较大，这主要是由于在高纬地区温度较低而风速较大。此外，在靠近陆地的区域可能受到无线电频率干扰(RFI)而产生较大的误差。 其次，本文对中高风速这一复杂海面状况下的盐度遥感进行了研究。首先，利用小斜率近似(SSA)模型的模拟结果与由Aquarius卫星获得的海表发射率增量数据对比发现，尽管使用了多种海浪谱模型，但在中高风速模拟与实测数据之间仍存在较大的偏差，这一偏差可能是由波浪破碎产生的泡沫所致。泡沫的影响包含泡沫发射率和泡沫覆盖率两部分，在考虑泡沫内部垂直结构和泡沫厚度分布的基础上，本文利用理论模型模拟了泡沫的发射率，并同时与使用较多的经验的泡沫发射率模型进行了对比。在小斜率近似模型的基础上，当综合考虑泡沫覆盖率和发射率模型对海表发射率增量进行模拟时发现，使用经验的或Vaf（泡沫-空气交界处的空隙分数）为75％时的理论的泡沫发射率模型时，在Aquarius卫星的两种极化状态和三种入射角下获得泡沫覆盖率标准差之和都能达到较小。将SSA模型、泡沫发射率和覆盖率模型组合，本文获得了海表发射率的改进模型。通过与验证数据的对比，改进模型对亮温的模拟偏差较小，模拟亮温的均方根误差可以达到优于0.5K。 最后，本文针对降雨对盐度遥感的三种影响分别进行了分析。首先，降雨时大气中的液态水对微波辐射的影响较小，在降雨率为25mm/hr时约不超过0.5K，其产生的误差也不超过0.02K，误差可以忽略不计。其次，降雨使海表面盐度改变，在不考虑降雨引起的粗糙度改变时，在25mm/hr降雨时的盐度偏差可达2psu;降雨与盐度误差在空间上的分布一致性也较好，在热带辐合带等降雨较多的区域盐度偏差和误差也较大。针对单次降雨过程的研究发现，降雨率与盐度偏差相关较大，降雨对水平极化亮温的影响高于对垂直极化亮温的影响。风速的增大会减弱降雨对海表盐度的影响。最后，在不考虑降雨对盐度改变的影响的条件下，本文在粗糙海面亮温模型基础上添加了降雨环波谱模型来模拟降雨对海面粗糙度的影响。通过模拟并与实测数据对比发现，降雨的影响在低风速和低降雨率时都较大，在高降雨率时趋于饱和，而在高风速时影响较小。利用添加了降雨波谱的模型对盐度反演结果发现，模型大大减小降雨引起的盐度偏差，均方根误差也减小了。
海表盐度;遥感误差;水瓶座卫星;复杂海面;微波辐射
中国海洋大学
博士
物理海洋学
史久新
2015
中文
P714.1
129
2016-01-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）