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　　内容简介

　　《海洋盐度卫星资料评估与应用》总结国内外海洋盐度卫星研究进展、盐度卫星资料处理及产品类型、盐度卫星产品反演与误差机理，系统开展目前已发射的SMOS、Aquarius、SMAP等盐度卫星产品的数据评估、质量控制与偏差校正，探索盐度卫星产品在实测数据质量控制、数据融合、剖面重构和数据同化等方面的应用，并展望海洋盐度卫星未来发展趋势和国产海洋盐度卫星计划应用前景，以期为我国盐度卫星遥感科学研究和业务应用提供参考和借鉴。

　　目录

　　目录

　　第1章 绪论 1

　　1.1 海洋盐度概述 1

　　1.1.1 重要作用和应用领域 1

　　1.1.2 全球大洋盐度分布 3

　　1.1.3 传统观测手段 4

　　1.2 海洋盐度卫星发展概述 7

　　1.2.1 SMOS卫星 7

　　1.2.2 Aquarius/SAC-D卫星 9

　　1.2.3 SMAP卫星 11

　　参考文献 12

　　第2章 海洋盐度卫星资料处理及产品 15

　　2.1 海洋盐度遥感探测原理 15

　　2.1.1 辐射传输模型 15

　　2.1.2 海洋盐度遥感探测影响因素 18

　　2.2 卫星盐度产品处理 20

　　2.2.1 L1/L2产品处理 20

　　2.2.2 L3/L4产品处理 24

　　2.3 卫星盐度业务分析产品 25

　　2.3.1 SMOS卫星盐度分析产品 25

　　2.3.2 Aquarius卫星盐度分析产品 26

　　2.3.3 SMAP卫星盐度分析产品 26

　　2.3.4 多星融合分析产品 26

　　参考文献 27

　　3.1 有效分辨率特征 29

　　第3章 海洋盐度卫星产品尺度特征 29

　　3.1.1 海表盐度分析产品 30

　　3.1.2 有效分辨率特征分析 31

　　3.1.3 分析与讨论 37

　　3.2 时空相关尺度特征 37

　　3.2.1 去相关尺度计算方法 39

　　3.2.2 海表盐度变化时空尺度 40

　　3.2.3 盐度通量分析 45

　　3.2.4 分析与讨论 48

　　参考文献 53

　　第4章 海洋盐度卫星产品误差评估与校正 56

　　4.1 卫星盐度产品准确度评估 56

　　4.1.1 与实测网格盐度场对比 57

　　4.1.2 与热带太平洋浮标对比 63

　　4.2 卫星盐度产品的海洋现象刻画能力评估 66

　　4.2.1 评估指标 66

　　4.2.2 热带太平洋盐度锋纬向位移评估 67

　　4.2.3 质量指标评估 72

　　4.3 卫星盐度产品质量控制 79

　　4.3.1 产品质量控制标记 79

　　4.3.2 产品质量影响因子分析 79

　　4.4 卫星海洋盐度误差校正 81

　　4.4.1 误差校正方法 83

　　4.4.2 原始卫星盐度产品和实测数据对比 85

　　4.4.3 校正后卫星盐度产品评估 88

　　4.4.4 海表参数对校正模型的影响 95

　　参考文献 99

　　第5章 海洋盐度卫星产品应用102

　　5.1 遥感盐度与实测海表盐度的对比验证102

　　5.1.1 研究数据 103

　　5.1.2 实时质量控制 104

　　5.1.3 不一致观测对 108

　　5.2 基于卫星遥感的三维盐度场重构应用 115

　　5.2.1 温盐场重构方法 116

　　5.2.2 重构对比实验 127

　　5.3 卫星遥感盐度资料在南海的同化应用 157

　　5.3.1 盐度同化对海表盐度模拟的影响 157

　　5.3.2 盐度同化对次表层盐度模拟的影响 158

　　参考文献 162

　　第6章 海洋盐度卫星前景展望及国产海洋盐度卫星计划 167

　　6.1 海洋盐度卫星前景展望 167

　　6.1.1 连续观测的必要性 167

　　6.1.2 增强观测的必要性 168

　　6.1.3 未来十年的总体战略 170

　　6.2 国产海洋盐度卫星计划 172

　　6.2.1 需求分析 172

　　6.2.2 载荷配置 173

　　6.2.3 发展展望 175

　　参考文献 175

　　精彩书摘

　　第一章绪论

　　海洋盐度与海洋温度、海洋流场一起，构成海洋动力环境中*基本的三个要素。实现对海洋动力环境要素的多尺度、大范围、准实时、连续性和高时空分辨率的立体式监测，是海洋防灾减灾、海洋权益维护、海洋环境保护、海域使用管理、海上执法监察，以及海洋灾害监测与突发事件应急响应和新型海洋要素观测等领域的迫切需求。其中，海洋盐度在海洋中尺度现象、海洋热盐环流、海气相互作用和海洋水汽收支平衡等过程中起着至关重要的作用，是研究全球海洋的气候变化及天气尺度过程分析预报的重要依据。经过几十年的基于海洋浮标、科考船等传统手段观测，海洋盐度观测资料仍然极为稀缺，全球约有1/5面积海域的盐度观测数据基本为空白，难以满足科学研究和业务应用的需求。通过卫星遥感手段对海洋盐度进行观测，是大范围、连续获取海洋盐度资料的唯一可行的技术途径。

　　1.1海洋盐度概述

　　1.1.1重要作用和应用领域

　　海水盐度是表示海水中含盐量的一个物理量，指海水中盐类物质的质量分数，通常以单位质量（1kg）海水中所含盐类物质（溴化物、碘化物和氯化物）的质量（g）表示，常用单位为PSU。

　　海洋盐度研究在大洋环流、海气相互作用等全球大气海洋过程中具有重要的作用：一方面，盐度影响障碍层形成、深层水团形成及热盐环流等海洋物理过程，利用盐度分布特性可以推测海洋上层垂直剖面结构、计算海洋的盐含量；另一方面，作为海气交界面处的关键要素，盐度变化与厄尔尼诺、淡水通量（蒸发与降水）等海气相互作用现象息息相关，是理解和预测气候变化必需的信息。此外，海洋盐度还可应用于海洋模式边界条件确定、海表饱和水汽压计算等领域（Qin et al.，2015；Singh et al.，2011；Helber et al.，2010；Mignot et al.，2007；Ballabrera-Poy et al.，2002）。

　　海洋盐度研究的应用领域主要有以下几个方面（张庆君等，2017）。

　　（1）海洋环境预报。海洋盐度是影响海洋动力环境和海气相互作用、驱动全球三维海洋环流模式的一个关键因子。盐度对海洋中的热力、动力过程的影响显著，是大洋热盐环流的驱动因素之一。盐度变化决定海洋密度及浮力，控制海洋底层水的生成，影响热盐环流。海洋盐度卫星观测数据不仅能为海洋环境资料同化提供可靠的盐度观测数据，还能丰富海洋环境预报产品种类，为近海海洋养殖、海洋资源开发利用提供保障产品。海洋盐度卫星观测数据能显著改善海洋环境预报准确率，有助于提升海上活动的海洋环境预报保障服务水平。

　　（2）气候变化预测。海洋盐度是影响障碍层、深层水团、热盐环流等海洋物理过程的重要因素，海洋盐度在空间上的分布是模拟海洋垂直剖面结构、海洋热盐含量、海平面变化的重要数据源。海洋盐度的季节和年际变化与厄尔尼诺等海气相互作用现象息息相关，是认识和预测短期气候变化的主要信息来源。

　　（3）极端天气预报。近年来，全球气候变化的加剧对数值天气预报的准确性提出了更高的要求。海洋盐度变化直接影响海洋等温层间的混合及热量传输，对准确刻画海洋热力和动力过程、提高数值天气预报精度至关重要。因此，准确、可靠、连续的全球海洋盐度卫星观测数据是改进大气海洋数值模拟和天气预报准确性的重要保证，开展海洋盐度卫星资料同化对极端条件下的天气预报意义重大。

　　（4）水资源监测预报。海洋蒸发与降水对海洋盐度的影响*为显著。全球约86%的蒸发来自海洋，约78%的降水*终汇集到海洋，蒸发或降水将导致海洋盐度的上升或下降。海表盐度的空间分布与海表淡水通量（蒸发降水差）的空间分布具有高度的一致性。因此，海表盐度是全球降水、洪涝和干旱灾害的重要指示器。

　　（5）极地海冰监测。海冰对海上运输和海洋资源开发的影响极其重要，海冰面积和厚度是非常重要的物理参数，直接影响海洋-大气相互作用，反映极地冰盖冰架和临海海域的动态变化，是研究海洋-大气耦合关系的重点参数。海洋盐度观测可反映海冰厚度、面积、空间分布及冰龄等数据，为极地气候预报和临海区域气象预报提供不可或缺的信息。

　　（6）海洋生态预报。海洋生态系统变化的随机性是由天气过程及气候变化、大气及陆源物质输运、流场改变等外在环境的随机性，以及生态动力学的随机性等内在随机过程共同决定的，需要大量的基础数据支撑。将海洋盐度卫星观测数据输入生态模型中，可明显改善模拟的精度和提高预报的准确性，为海洋生态环境保护、资源利用和监测评估等提供决策依据。

　　（7）海洋渔业应用。海水盐度对生物的影响主要表现在渗透压力和比重方面。然而，海表盐度变化不像温度季节性变化那样有很强的规律，极值的出现时间也极不固定。运用卫星观测海洋盐度既能满足全球覆盖的要求，又具备定期重复观测的能力，可以揭示海洋盐度与生物种类、数量及海洋生态环境之间的关系，还可以分析海洋盐度与生物遗传变异之间的相关性，为海洋水产养殖、生物资源管理和政策制定提供科学依据。

　　需注意的是，不同领域对海洋盐度产品精度、空间分辨率和时间分辨率的需求差异较大（表1.1）。例如：海岸过程对盐度产品精度指标要求较低，对时间分辨率和空间分辨率指标要求较高；盐度异常与厄尔尼诺现象预报等应用对盐度产品的精度指标要求高，而对时间分辨率和空间分辨率等指标的要求不高。

　　1.1.2全球大洋盐度分布

　　海洋中的“温/盐”是两个紧密相关的要素，类似于大气中的“温/湿”。然而，与海温的准纬向分布不同，海洋盐度有着独*的分布特征和影响机理。全球大洋不同海区的海水盐度之所以会有差异，其主要的影响因素包括蒸发、降水、洋流、径流、海冰、地形等。

　　在南北方向（经向），海水盐度主要受蒸发降水的影响，呈现出M形变化趋势，即自南北半球的副热带海区向两侧的高纬度、低纬度海区递减（图1.1）：①赤道附近海区地处赤道低压带，降水量大于蒸发量，因此盐度较低；②副热带海区地处副热带高压带，蒸发量大于降水量，因此盐度较高；③自副热带向高纬度海区，温度逐渐降低，蒸发量逐渐降低，因此盐度也逐渐降低。此外，冰层的结冰和融化对该海区海水盐度影响也很大。

　　在东西方向（纬向），盐度一般受洋流影响，暖流流经海区盐度较高，寒流流经海区盐度较低，大洋中部盐度居中。例如：北太平洋中低纬度海区，大洋西岸为黑潮，盐度较高；大洋东岸为加利福尼亚寒流，盐度较低。近岸海水盐度还受径流淡水汇入的影响。在各大河流（如亚马孙河、刚果河、长江、密西西比河等）的入海口处，盐度较低且变化较大。例如，在我国长江口海域，冬季枯水期的海水盐度为12PSU，而夏季洪水季节的海水盐度仅为2.5PSU。

　　全球海洋平均盐度约为34.7PSU，个别海域的盐度差别较大，如地中海东部海域盐度达39.58PSU，而其西部海域受大西洋影响盐度约为37PSU。全球盐度*高的海区是红海，盐度达40PSU，局部高达42.8PSU。一是因为红海地处副热带海区，二是因为周边几乎没有淡水汇入。全球盐度*低的海区是波罗的海，海水盐度只有10PSU，一是因为波罗的海地处高纬海区，二是因为周围有大量淡水汇入。

　　1.1.3传统观测手段

　　盐度作为描述海洋物理状态的变量，在全球大洋环流和全球气候变化中具有极为重要的意义。然而，由于海洋盐度资料在探测手段和信息来源方面相比海洋温度更为稀缺，全球盐度观测资料极为匮乏，大范围高精度海水盐度观测对科学家而言一直是一个巨大的挑战。20世纪以前，海洋盐度资料的稀缺状况尤为严重，仅能利用几个航次或者一个较小区域的观测数据对盐度进行研究。为了解决海洋盐度资料匮缺的问题，除海洋科考观测外，一些长期锚系或漂流浮标观测网也相继建成，许多国际海洋观测计划，尤其是地转海洋学实时观测阵（array for real-time geostrophic oceanography，Argo）计划（也称全球海洋观测网计划）的顺利实施，大大丰富了海洋现场观测资料。

　　为了定量化了解全球海洋盐度观测数据情况，删除Argo计划的浮标数据集（统计时间范围为1996年1月～2008年11月）和世界大洋数据集WOD05（统计时间范围为1958～2010年）两个数据集的重复数据，并进行数量统计（王辉赞，2011）。将原始观测剖面离散深度数据垂直插值到选定的若干个标准深度层。根据各自观测时的空间位置将Argo和WOD05结合的标准层剖面数据放入3°×3°的网格区域。图1.2所示为插值到标准层后的海洋盐度观测样本数量在不同标准层深度上随时间的变化。值得注意的是，该图纵坐标为对数坐标。海洋盐度从海表层到2000m层的逐年观测样本数量在1958～1970年迅速上升，在20世纪70年代和80年代数量保持稳定。从90年代初到2000年，观测样本数量减少可能是由于相关机构未及时将数据提交至各国海洋数据中心。而从2000年开始，由于Argo计划的实施，10～2000m的观测样本数量迅速增长。

　　在世界海洋表面大约有5400个属于海洋的3°×3°小区域网格（由于地形原因，海洋区域网格数量随着深度变深而减少），因此即使每年能收集27万个全球海洋观测数据，平均每个海洋小区域网格也只有5个观测数据。直到1972年，整个世界大洋每年海表盐度测量的数量超过2.7次。此外，数据集中的海洋盐度观测区域分布不均，主要集中在少数几个区域：北欧沿海、北美东西部沿海和西北太平洋区域等（图1.3）。在全球范围内存在许多观测数据稀少的地区；在海洋表层占9.6%的3°×3°海洋区域网格缺乏观测数据；31.4%的海洋网格中观测数量不足10个。大多数观测稀少的地区位于南半球，特别是南大洋和北冰洋。

　　图1.4所示为Argo总的盐度观测占WOD05总的盐度观测的百分比，由于WOD05数据几乎涵盖了世界各国的各种数据源数据，所以该数据集可以近似看成历史盐度观测数据。从图中可以看出，Argo浮标观测盐度的出现，显著改善盐度观测数量主要为南半球位置，在海洋中层超过了WOD05数据的历史盐度观测数量总和。改善效果呈中间层改善多，浅层和更深层改善少，其中以在1750m深度附近改善*大。这是由于表层的WOD05资料数量很多，Argo增加改善效果有限。历史盐度观测数据总体集中在海洋上层，中下层观测相对较少，因此Argo浮标观测的出现使中下层观测量改善明显。而Argo浮标设计观测深度目标为2000m，但由于各种原因，部分浮标观测深度不足2000m，导致2000m层的Argo数据偏少，从而改善效果不明显。总而言之，Argo观测对历史观测剖面资料数量进行了极大补充，尤其对次表层的观测改善效果十分明显。

　　Argo计划自1998年开始实施以来，浮标观测剖面数量不断增多，至2007年底全球Argo观测网初步建成，实现了在全球大洋中布放3000个浮标的预期目标。Argo观测网是目前人类历史上建成的唯一一个全球海洋立体观测系统。2013年，在建成“核心Argo”的基础上，随着剖面浮标技术的不断创新发展，Argo计划又提出继续向有冰覆盖的两极海区、赤道、西边界流区和重要边缘海（包括日本海、地中海、黑海、墨西哥湾和南中国海等）拓展，建成至少由4000个剖面浮标组成的“全球Argo”海洋观测网，并派生出了“生物地球化学Argo（BGC-Argo）”和“深海Argo（Deep-Argo）”两个子计划。截至2022年12月，全球海洋正在正常工作的Argo浮标达3892个（图1.5）。为响应联合国“海洋十年”计划提出的可持续发展目标，包括中国在内的19个国家、36名Argo科学组（Argo science team，AST）及执委会成员共同提交了由“核心Argo”向全球、全水深和多学科综合性观测网拓展的“OneArgo”行动方案，该方案已于2021年10月正式获得联合国“海洋十年”的批准。“OneArgo”行动方案计划将“核心Argo”转变为一个真正具有全球影响力的海洋观测网。Argo观测网每年可提供十万多条温盐剖面记录，可以快速、准确、大范围收集海洋温盐观测剖面信息（王辉赞等，2012）。然而，从全球平均来看，目前Argo浮标大约300km每10天提供一个温盐剖面，观测资料仍然