海洋鹽度是聯(lián)系全球水循環(huán)和海洋環(huán)流的重要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)。2015年,我國首次提出了海洋鹽度探測衛(wèi)星計(jì)劃,用于完成對全球海面鹽度的觀測。主被動(dòng)微波鹽度計(jì)(MICAP)是海洋鹽度探測衛(wèi)星上計(jì)劃搭載的有效載荷之一。借鑒SMOS和Aquarius/SAC-D衛(wèi)星的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),MICAP首次采用了L/C/K多頻段一維綜合孔徑輻射計(jì)和L波段數(shù)字波數(shù)合成散射計(jì)相結(jié)合的技術(shù)方案,具有多頻段主被動(dòng)聯(lián)合探測的能力,目前國內(nèi)外尚無載荷具備此能力。考慮到儀器配置不同,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(jī)器學(xué)習(xí)反演方法的研究,并結(jié)合國外衛(wèi)星實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)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(yīng)用提供相應(yīng)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(jié)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(shí),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(zhuǎn)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(dòng)聯(lián)合海面鹽度物理反演算法。使用蒙特卡羅仿真方法,驗(yàn)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(jié)果表明,衛(wèi)星單次過境時(shí),在中低緯度,所提算法獲得的海面鹽度、溫度和風(fēng)速的均方根誤差分別為0.6 psu、1.2℃和0.8 m/s。假設(shè)接收機(jī)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(shí)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(fēng)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(fēng)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(guān)輔助數(shù)據(jù)構(gòu)建了算法驗(yàn)證數(shù)據(jù)集,驗(yàn)證了所提算法用于實(shí)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(jié)果表明,相比于斯克里普斯海洋學(xué)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(fēng)速和云液水產(chǎn)品,所提算法獲得的海面鹽度、溫度、風(fēng)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(shí),也說明了所提算法具有同步反演多個(gè)海氣參數(shù)的能力。最后,將機(jī)器學(xué)習(xí)中的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高斯過程回歸、支持向量機(jī)回歸和核嶺回歸引入到海面鹽度和風(fēng)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(guān)輔助數(shù)據(jù)驗(yàn)證了機(jī)器學(xué)習(xí)海面參數(shù)反演方法的可行性,對比了四種機(jī)器學(xué)習(xí)方法獲得的海面鹽度和風(fēng)速的反演精度。進(jìn)而,比較了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演方法和Aquarius兩種物理算法獲得的海面鹽度反演結(jié)果。通過比較發(fā)現(xiàn),相比于HYCOM的鹽度,深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(xué)研究所的月Argo鹽度插值數(shù)據(jù),深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(biāo)的鹽度,深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(guān)。圖 1.1給出了全球海面鹽度與降雨—蒸發(fā)模式的分布關(guān)系�？梢钥闯觯� 15-30°緯度帶，熱帶輻合帶的空氣受熱上升導(dǎo)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。可見，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(dòng)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(fēng)等極端氣候現(xiàn)象密切相關(guān)，因此，監(jiān)測海面鹽度對改進(jìn)海洋大氣數(shù)值預(yù)報(bào)模式的精度和掌握全球氣候變化規(guī)律具有重要的實(shí)際意義，將有助于人們對一些極端天氣的準(zhǔn)確預(yù)測。

基于星載主被動(dòng)微波鹽度計(jì)的海面鹽度反演方法研究船只和浮標(biāo)是歷史上最早的探測海面鹽度的技術(shù)手段。2000 年以來，隨著rgo（ArrayforReal-TimeGeostrophicOceanography）浮標(biāo)的不斷增加（圖 1.2），面鹽度實(shí)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(shí)，但依舊無法實(shí)現(xiàn) 300km 空間尺度以內(nèi)海面鹽度觀測。尤其在時(shí)間連續(xù)性和空間分辨率上，實(shí)時(shí)測量的鹽度資料很難足科學(xué)研究和應(yīng)用需求[4]。相比之下，衛(wèi)星觀測覆蓋面積廣、觀測時(shí)間長、時(shí)分辨率高，有效彌補(bǔ)了實(shí)時(shí)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(jì)（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(jì) 90 年代初，美國 NA Goddard 航天中心研制了一臺被動(dòng)微波輻射計(jì)（ESTAR），該輻射計(jì)是第一對星載海面鹽度遙感而設(shè)計(jì)的綜合孔徑輻射計(jì)[23]。2009 年，SMOS 衛(wèi)星發(fā)功，進(jìn)一步推動(dòng)了衛(wèi)星遙感海面鹽度的發(fā)展進(jìn)程。SMOS 上搭載的唯一載IRAS（Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis）是一個(gè) L 波二維綜合孔徑輻射計(jì)，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(dòng)輻射計(jì)，Aquarius 采用 L 波段真實(shí)孔徑計(jì)和散射計(jì)組成的主被動(dòng)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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