超越 L 波段：0.4-2 GHz 宽带辐射测量用于观测冷海水表面盐度

《Remote Sensing of Environment》：Beyond L-band: 0.4-2 GHz wideband radiometry for observing surface salinity in cold seawater

　　

•宽带辐射测量在冷海水盐度方面具有重大突破潜力。
•宽带辐射测量盐度的不确定性在低盐度范围内降低。
•与 L 波段相比，宽带辐射测量盐度对校准不确定性更具韧性。
•最低频率是对盐度约束最大的频率。
引言
海表盐度（SSS）是理解全球水循环、海洋环流和气候变异的关键参数。全球海洋盐度的变率受海洋环流和海洋水循环支配，包括海气交换（蒸发和降水）、河流径流和冰融水（Durack, 2015; Siedler et al., 2013）。盐度与温度共同驱动海洋密度，从而驱动海洋环流动力学、翻转环流，进而影响地球气候（Talley, 2008）。由于低盐度水较轻，它们倾向于停留在海表，将表层混合层与海洋次表层隔离开来。海气交换随后被限制在薄薄的海表层，对大气产生潜在的反馈，如加强强烈气旋（Balaguru et al., 2020）。这也可以防止次表层水到达海洋表面，从而改变大气与海洋内部之间的热和碳交换（Sallée et al., 2021; Olivier and Haumann, 2025）。在高纬度地区，淡水输入经历了巨大变化，例如 1990 年代至 2006-2008 年期间北极淡水含量增加了约 20%（～8400 km3）（Rabe et al., 2011），以及波弗特涡旋地区增加了 25–40%（≈5000–6600 km3）（Meredith et al., 2019），这显著改变了区域海洋盐度和分层（Carmack et al., 2016; Swart et al., 2023; Timmermans and Marshall, 2020）。这对海洋环流和地球气候的影响仍是争论的主题，不同气候模型的气候预测出现分歧，突显了需要更好地理解所涉及的過程（Jahn et al., 2024; Muilwijk et al., 2023; Swart et al., 2023）。值得注意的是，来自海冰融化的淡水可以促进早期海冰形成（Crews et al., 2022）。在冷水中，SSS 是海洋最上层分层的主要驱动因素，限制了次表层与表层海洋之间热量、营养盐和碳的交换。近年来，在气候变化影响下，这种分层发生了变化（Li et al., 2020）。在河流径流或冰融水淡水通量影响下形成低 SSS 透镜体的地方，分层尤为重要。随着淡水释放的增加，预计低 SSS 透镜体的生成会增加，但它们在海洋表面的持久性取决于表面流、海洋混合，并在部分程度上与风的高频变异有关。因此，这些低 SSS 透镜体在短时间和小空间尺度上的持久性各不相同，尽管它们对大尺度北极动力学和海洋 - 海冰相互作用具有重要作用，但仍未被充分了解（Van Straaten et al., 2025）。
在过去几十年中，星载被动微波辐射测量已成为全球尺度测量 SSS 的必要工具。欧空局（ESA）的 SMOS 和 NASA 的 Aquarius 及 SMAP 辐射测量任务证明了利用 1.4 GHz（L 波段）频率从太空反演 SSS 的可行性（Zhou et al., 2026）。这些测量提供了对中尺度（45-100 km）每日到每月的 SSS 前所未有的洞察，特别是涡旋或河流羽流动力学带来的淡水输送，以及与大尺度气候事件（如厄尔尼诺 - 南方涛动或印度洋偶极子）相关的区域、季节和年际 SSS 变率，正如 Boutin et al. (2023b), Vinogradova et al. (2019), 和 Reul et al. (2020) 综述的那样。然而，对于以 1.4 GHz 为中心的单波段辐射计（在本文其余部分"L 波段辐射测量”将指代它们），在冷水中对盐度的敏感度显著下降，导致反演的 SSS 误差在极地地区比热带地区大两到三倍（Macelloni et al., 2026）。这限制了 L 波段 SSS 监测高纬度 SSS 的能力，而在这些偏远且恶劣的地区，现场测量非常稀疏。
L 波段辐射测量在监测极地地区 SSS 方面的局限性，结合了对土壤、茂密植被、冰盖和冰架更深传感深度的需求，促使了近期关于低频宽带辐射测量潜力的研究（Johnson et al., 2021）。理论和实验研究均表明，低频范围内的微波辐射测量可能在土壤湿度、厚度超过 50 cm 的海冰厚度、深冰盖内部温度剖面以及冷水中 SSS 的监测方面取得突破，尽管低频更容易受到射频干扰（RFI）的影响。这促成了新的任务概念，例如 CryoRad 项目，目前该项目正在欧空局（ESA）进行第 0 阶段研究（ESA, 2026; Macelloni et al., 2026）。
关于 SSS，Le Vine 和 Dinnat (2022a) 的模拟（以下简称 LVD），连同 Le Vine 和 Dinnat, 2020, Le Vine 和 Dinnat, 2022b，表明低于 1.4 GHz 的频率在冷水中对 SSS 提供更高的敏感度，并减少了表面粗糙度的影响，但也增强了对海表温度（SST）的敏感度。Akins et al. (2023) 通过一个使用最小二乘法 SSS 反演方法的南大洋案例研究说明，0.5–2 GHz 宽带辐射计在探测 SSS 锋面方面明显优于仅 L 波段（类似 SMAP）或 L 波段及以上频率（类似 CIMR）的辐射计。在此基础上，本文探讨了宽带（0.4-2 GHz）辐射测量在更宽 SSS 范围内的潜力，使用贝叶斯最小二乘法方法试图同时反演 SSS、SST 和风速。利用最近重新审视的辐射传输模型组件，我们在理想化和代表性的地球物理条件下，针对各种关于辐射测量不确定性和可用频带的场景，量化了宽带辐射测量减少 SSS 随机和系统误差的潜力。
SSS 的单位为 pss（实际盐度单位），这是对应于从电导率测量得出的 SSS 的尺度（Wright et al., 2011）。考虑到这里研究的数量级，它非常接近 g kg-1 和千分位单位。LVD 将其研究集中在 35 pss 左右，因为全球范围内 Argo 浮标记录的大多数常见 SSS 位于 34-36 pss 之间（Dinnat et al., 2019）。在极地地区，此范围内的 SSS 值在南大洋和北大西洋最常观测到。然而，低于 30 pss 的 SSS 值在北极海洋中频繁出现，特别是在河流羽流附近或融冰期海冰附近，甚至在欧亚大陆河口红度可达 8 pss，如图 1 所示。在此，图 1a 和 c 中的最低 SSS 位于波罗的海。观察到源自海冰融化的、调节海冰形成的淡水在北极海洋中发生于 SSS 约为 27 pss 时（Crews et al., 2022; Houndegnonto et al., 2025a）。此外，这些低 SSS 区域在各种海洋模型再分析的 SSS 模拟中表现出最大的差异（Macelloni et al., 2026）。
本文结构如下：第 2 节描述了本研究使用的数据集和方法论。第 3 节呈现了主要结果，这些结果在第 4 节中进一步解释和分析。最后，主要发现和结论在第 5 节中总结。
章节片段
辐射传输模型
海表亮温（Tb）由辐射传输模型模拟（Boutin et al., 2021），作为以下物理参数的函数：SSS、海表温度（SST）、风速（WS）和频率。卫星在大气顶层测量的 Tb 可以写为：
Tb=Tbflat+Tbrough1?F+F?Tbfoam+TbDN+Tbskye?τatm+TbUP
其中 Tbflat、Tbrough 和 Tbfoam 是平坦海表、海表粗糙度和海表泡沫对 Tb 的贡献，
Tb 对 SSS、SST 和 WS 的敏感度
对于各种频率以及低于 15°C 的 SST，Tb 作为 SSS 和 SST 函数的等高线（图 3 (a)-(d)）显示，Tb 通常随 SSS 增加而降低。在 SSS 和 SST 范围内，Tb 的动态范围在 0.5 GHz 处最大，变化范围为 70 到 100 K，并随频率增加逐渐减小。对于非常低的 SSS（SSS < 5 pss），Tb 在各个频率上几乎相同，并随 SST 在～95 K（在 -1.8°C 时）和～105 K（在 15°C 时）之间变化。在较高的 SSS 下，情况不再如此。
讨论
我们的研究表明，宽带辐射测量在改进冷水 SSS 遥感方面具有巨大潜力。它不仅证实了 LVD 开创性的研究，还揭示了这种改进在低 SSS 条件（20-27 pss）下将最为显著，这在北极地区很常见，且知之甚少（见 (Macelloni et al., 2026) 中的图 2）。实际上，在此 SSS 范围内，源自 L 波段辐射测量的 SSS 不确定性比它们在 35 pss 时增加了约 50%，
结论
L 波段辐射测量已证明具备从卫星监测 SSS 的能力。在极地地区，L 波段 SSS 使得能够在以河流羽流、冰融水和表面洋流平流带来的淡水为特征、具有非常强 SSS 变率的地区进行科学 SSS 研究（Grodsky et al., 2024; Hudson et al., 2024; Reverdin et al., 2025; Supply et al., 2022; Tarasenko et al., 2021）。这些结果是在 L 波段 SSS 不确定性主要由
CRediT 作者贡献声明
Jacqueline Boutin：写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，可视化，监督，资源，项目管理，方法论，调查，资助获取，形式分析，概念化。Jean-Luc Vergely：写作 – 审查与编辑，可视化，监督，软件，方法论，调查，资助获取，形式分析，概念化。Stéphane Ferron：写作 – 审查与编辑，可视化，软件，调查，形式分析。
竞争利益声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。
致谢
我们感谢四位匿名审稿人的建设性审查。本研究由 CNES 合同编号 RT_R-S24/OT-0006-061-02'Estimation de la salinité en eaux froides par radiométrie microondes'（通过微波辐射测量估计冷水盐度）和 ESA 合同编号 4000145903/24/NL/IB/ar'CryoRad Earth Explorer 12 Phase 0 Science and Requirements Consolidation Study'（CryoRad 地球探索者 12 第 0 阶段科学与需求巩固研究）资助。该研究使用了欧盟哥白尼海洋服务信息，GLORYS 12 V1 场（10.48670/moi-00021）。
Jacqueline Boutin|Jean-Luc Vergely|Stéphane Ferron|Laurent Bertino|Giovanni Macelloni|Marco Brogioni|Emmanuel Dinnat|Lars Kaleschke|Rasmus Tonboe|Yiwen Zhou|Marie-Laure Frery|Valerie Dutto|Katia Nagamine Urata|Matthias Drusch