海洋鹽度是聯(lián)系全球水循環(huán)和海洋環(huán)流的重要動力學參數(shù)。2015年,我國首次提出了海洋鹽度探測衛(wèi)星計劃,用于完成對全球海面鹽度的觀測。主被動微波鹽度計(MICAP)是海洋鹽度探測衛(wèi)星上計劃搭載的有效載荷之一。借鑒SMOS和Aquarius/SAC-D衛(wèi)星的技術經(jīng)驗,MICAP首次采用了L/C/K多頻段一維綜合孔徑輻射計和L波段數(shù)字波數(shù)合成散射計相結合的技術方案,具有多頻段主被動聯(lián)合探測的能力,目前國內(nèi)外尚無載荷具備此能力�？紤]到儀器配置不同,現(xiàn)存的海面鹽度反演算法都無法直接用于MICAP的海面鹽度反演。為此,本文開展了無降雨情況下的MICAP海面鹽度物理反演算法和機器學習反演方法的研究,并結合國外衛(wèi)星實測數(shù)據(jù)驗證了本文所提算法的有效性,以期為未來我國海洋鹽度衛(wèi)星的應用提供相應的理論和算法支撐。首先,基于微波輻射傳輸方程和地物模式函數(shù),建立了MICAP海面鹽度反演算法所涉及的粗糙海面輻射亮溫和后向散射系數(shù)模型。通過對比不同海水相對介電常數(shù)模型的差異及其對平靜海面輻射亮溫的影響,選擇了適用于MICAP的海水介電常數(shù)模型,建立了MICAP的L/C/K波段粗糙海面輻射亮溫模型。結合外推法和PALSAR的地物模式函數(shù)獲得了43°-55°大入射角的后向散射系數(shù),建立了MICAP的L波段外推地物模式函數(shù)。同時,分析了不同海浪譜模型及有無泡沫對L波段粗糙海面輻射亮溫的影響,為海浪譜和泡沫模型的選擇提供參考。其次,基于建立的粗糙海面輻射亮溫模型、后向散射系數(shù)模型、L/C/K波段無降雨大氣衰減模型以及宇宙輻射和法拉第旋轉修正方法,針對無降雨情況,提出了一種適用于MICAP的多頻段、多入射角主被動聯(lián)合海面鹽度物理反演算法。使用蒙特卡羅仿真方法,驗證了所提算法的反演精度,評估了MICAP反演海面參數(shù)的性能。仿真結果表明,衛(wèi)星單次過境時,在中低緯度,所提算法獲得的海面鹽度、溫度和風速的均方根誤差分別為0.6 psu、1.2℃和0.8 m/s。假設接收機的穩(wěn)定度近似等于儀器的靈敏度,在中低緯度,使用所提算法獲得的月平均(30天和200 km×200 km時空平均)海面鹽度均方根誤差小于0.13 psu。此外,還對比了MICAP不同頻段配置對海面參數(shù)反演精度的影響。比較發(fā)現(xiàn),使用不包含23.8 GHz頻段配置反演的海面鹽度、溫度和風速均方根誤差分別為0.6 psu、1.2℃和0.9 m/s�？梢�,在無降雨情況下,23.8 GHz頻段的有無對海面鹽度、溫度和風速的反演精度影響較小,為MICAP頻段配置的優(yōu)化提供了參考。再次,使用Aquarius和AMSR2測量數(shù)據(jù)及相關輔助數(shù)據(jù)構建了算法驗證數(shù)據(jù)集,驗證了所提算法用于實測數(shù)據(jù)的有效性。在反演之前,使用建立的正演模型模擬了L/C/K波段的輻射亮溫,并基于回歸方法修正了測量亮溫和模擬亮溫之間的系統(tǒng)偏差。結果表明,相比于斯克里普斯海洋學研究所的Argo鹽度插值數(shù)據(jù)以及遙感系統(tǒng)的AMSR2的溫度、風速和云液水產(chǎn)品,所提算法獲得的海面鹽度、溫度、風速和云液水的均方根誤差分別約為0.61 psu、0.73℃、0.90 m/s和0.038 mm,證明了所提算法的可行性和合理性。同時,也說明了所提算法具有同步反演多個海氣參數(shù)的能力。最后,將機器學習中的深度神經(jīng)網(wǎng)絡、高斯過程回歸、支持向量機回歸和核嶺回歸引入到海面鹽度和風速的反演中,并使用Aquarius衛(wèi)星在中國南海的測量數(shù)據(jù)和相關輔助數(shù)據(jù)驗證了機器學習海面參數(shù)反演方法的可行性,對比了四種機器學習方法獲得的海面鹽度和風速的反演精度。進而,比較了深度神經(jīng)網(wǎng)絡反演方法和Aquarius兩種物理算法獲得的海面鹽度反演結果。通過比較發(fā)現(xiàn),相比于HYCOM的鹽度,深度神經(jīng)網(wǎng)絡方法獲得的海面鹽度偏差和均方根誤差均小于兩種物理算法;相比于斯克里普斯海洋學研究所的月Argo鹽度插值數(shù)據(jù),深度神經(jīng)網(wǎng)絡方法獲得的鹽度均方根誤差小于兩種物理算法;相比于Argo浮標的鹽度,深度神經(jīng)網(wǎng)絡方法獲得的鹽度均方根誤差小于CAP算法,偏差小于兩種物理算法。但深度神經(jīng)網(wǎng)絡方法對參考樣本的質(zhì)量和樣本數(shù)量的依賴性較大,對小樣本數(shù)據(jù)的反演精度不理想。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院國家空間科學中心)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：P715.7
【部分圖文】：

化具有重要的作用。海洋占據(jù)了地球表面的 71%，全球的降雨和蒸發(fā)主要發(fā)生在海洋表面[3]，是海洋淡水量變化的主要來源，而海洋淡水量的變化又直接影響海面鹽度的變化，因此，全球海面鹽度的分布與全球降雨—蒸發(fā)密切相關。圖 1.1給出了全球海面鹽度與降雨—蒸發(fā)模式的分布關系�？梢钥闯�，在 15-30°緯度帶，熱帶輻合帶的空氣受熱上升導致了哈德里環(huán)流的形成，從而為該區(qū)域帶來了干燥的空氣（蒸發(fā)大于降雨），引起了海面鹽度值的升高。相比之下，哈德里環(huán)流為赤道附近帶來了大量的降雨（降雨大于蒸發(fā)），稀釋了赤道附近的鹽度。從中緯度到極地區(qū)域，隨著降雨的增加海面鹽度值逐漸降低�？梢�，海面鹽度是全球降雨、蒸發(fā)、河流徑流量和極地冰融的重要示蹤因子。近年來，受到人類活動和自然環(huán)境的影響，全球氣候變化越來越劇烈，一些極端氣候頻繁出現(xiàn)。海面鹽度的分布及其季節(jié)和年際變化與厄爾尼諾、颶風等極端氣候現(xiàn)象密切相關，因此，監(jiān)測海面鹽度對改進海洋大氣數(shù)值預報模式的精度和掌握全球氣候變化規(guī)律具有重要的實際意義，將有助于人們對一些極端天氣的準確預測。

基于星載主被動微波鹽度計的海面鹽度反演方法研究船只和浮標是歷史上最早的探測海面鹽度的技術手段。2000 年以來，隨著rgo（ArrayforReal-TimeGeostrophicOceanography）浮標的不斷增加（圖 1.2），面鹽度實測數(shù)據(jù)的密度持續(xù)增大。雖然 Argo 全球海洋觀測網(wǎng)的完成使得 300-00km2的全球海面鹽度觀測成為了現(xiàn)實，但依舊無法實現(xiàn) 300km 空間尺度以內(nèi)海面鹽度觀測。尤其在時間連續(xù)性和空間分辨率上，實時測量的鹽度資料很難足科學研究和應用需求[4]。相比之下，衛(wèi)星觀測覆蓋面積廣、觀測時間長、時分辨率高，有效彌補了實時測量手段的不足。因此，海面鹽度衛(wèi)星遙感探測技開始逐步發(fā)展起來。

觀測海面鹽度的手段也逐步發(fā)展起來。1973 年，美國發(fā)射了 SKYLAB，其載的 1.4 GHz 波段輻射計（S-194）能用于觀測海面鹽度，但較低的空間分使其不能完成對湖泊和海灣區(qū)的鹽度測量[22]。19 世紀 90 年代初，美國 NA Goddard 航天中心研制了一臺被動微波輻射計（ESTAR），該輻射計是第一對星載海面鹽度遙感而設計的綜合孔徑輻射計[23]。2009 年，SMOS 衛(wèi)星發(fā)功，進一步推動了衛(wèi)星遙感海面鹽度的發(fā)展進程。SMOS 上搭載的唯一載IRAS（Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis）是一個 L 波二維綜合孔徑輻射計，具有多角度成像的能力[24]。圖 1.3 給出了 SMOS 衛(wèi)星捕捉到的亮溫圖像及其無混疊視場示意圖[3]。2011 年，Aquarius/SCA-D 衛(wèi)星發(fā)射[25]。不同于 SMOS 的單一被動輻射計，Aquarius 采用 L 波段真實孔徑計和散射計組成的主被動聯(lián)合探測儀開展了全球海面鹽度的觀測[26]。圖 1.4了 Aquarius 在軌飛行（左）和遙感足�。ㄓ遥┦疽鈭D[27]。
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本文編號：2858633