風云三號衛(wèi)星微波成像儀海面溫度產品檢驗

張春華，李松，劉洪偉，李冰，宋晶晶

（1.61741部隊，北京 100094；2.91977部隊，北京 100081；3.32039部隊，北京 100091）

風云三號衛(wèi)星微波成像儀[1]可全天候監(jiān)測臺風等強對流天氣，獲取大氣可降水總量、云中液態(tài)水含量、地面降水量等重要信息。利用全球亮溫數(shù)據(jù)，可以得到全天候洋面風速和溫度、冰雪覆蓋、陸表溫度和土壤水分等重要地球物理參數(shù)。

海表溫度產品是全球海洋數(shù)據(jù)同化中心最重要的分析產品之一，具有很好的高分辨率和空間細節(jié)的海表溫度數(shù)據(jù)，主要應用于短期數(shù)值天氣預報和長期氣候變化檢測，以及海洋監(jiān)測、預報和海-氣耦合模型系統(tǒng)[2-5]。有關衛(wèi)星遙感海表溫度數(shù)據(jù)的檢驗主要是將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星海表溫度數(shù)據(jù)在時間和空間上進行匹配，以確定數(shù)據(jù)之間的偏離程度，動態(tài)地對衛(wèi)星產品質量進行分析和評估，對于改進完善處理算法模型，提高產品的質量和可信度具有重要的研究意義[6-9]。

為確保產品質量保證要求，ANSI/IEEE 730.1—1989中要求“所有活動的安排和計劃都必須為產品質量保證提供足夠的置信度，即項目或產品要與所建立的技術要求相符”。國外ERS-1/2 SAR和EOS MODIS均有專門的機構對衛(wèi)星產品進行質量評估。美國國家海洋和大氣局（NOAA）和環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)與服務中心（NESDIS）的基于 Web的準實時 SST監(jiān)測系統(tǒng)SQUAM作為全球主要SST產品的通用監(jiān)測工具[10]，已實現(xiàn)了對L2、L3、L4 SST的誤差圖像、直方圖、時間序列等全面的準實時質量監(jiān)測。晴空海洋紅外輻射及SST監(jiān)測網(wǎng)MICROS也實現(xiàn)了基于Web的準實時CRTM模擬晴空紅外輻射及ACSPO SST監(jiān)測[11]。

我國氣象衛(wèi)星產品質量評價和質量控制體系已經(jīng)初步建立。隨著我國極軌氣象衛(wèi)星和靜止氣象衛(wèi)星都從試驗階段進入業(yè)務運行階段，關于氣象衛(wèi)星產品質量評價和質量控制的研究也迫在眉睫。張春桂等[12]將臺灣海峽海域西岸MODIS SST反演產品與觀測站點和浮標的實測 SST對反演結果進行了檢驗。孫鳳琴等[13]作了多傳感器海表溫度數(shù)據(jù)的對比分析，但是沒有對衛(wèi)星和Argo浮標5~6 m表層的海表溫度進行對比。李娜[14]對不同分辨率、不同算法的AVHRR海表溫度數(shù)據(jù)進行了對比分析，但是沒有對誤差來源進行深入研究。

由于海表溫度受到各方面因素的影響，其變化是一個復雜的物理過程，會導致海表溫度的物理變化本身呈現(xiàn)非線性。微波傳感器探測到的亮溫取決于海表面溫度、鹽度、與風速相關的海面粗糙度、在高風速狀態(tài)下波浪破碎產生的白冠和氣泡等[15]。因此，海表溫度產品檢驗方面，不僅要考慮降水、水汽、太陽輻射等因素造成的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)體溫差值，還要考慮不同風速的影響[16]。

在具體的檢驗過程中，文中根據(jù)產品質量標識數(shù)據(jù)，剔除降水、海冰等受影響區(qū)域，只考慮有效觀測區(qū)域中某一因素（例如風速、太陽輻射）對海表溫度變化的影響。利用全球海-氣綜合數(shù)據(jù)集（ICOADS），對 FY-3C MWRI海面溫度產品進行檢驗，并對不同風速及太陽輻射（白天、夜晚）條件下的檢驗結果進行分析。

1 資料介紹

1.1 FY-3 MWRI反演產品

風云三號衛(wèi)星 MWRI產品由國家衛(wèi)星氣象中心生產[17]，通過風云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務網(wǎng)（http:// satellite.cma.gov.cn/portalsite/default.aspx）下載。海面溫度產品包含軌道產品和日、旬、月融合產品，見表1。由于軌道產品具有較高的時效性和空間分辨率，在產品檢驗、多源數(shù)據(jù)融合等領域具有較高的應用價值，文中檢驗所用的數(shù)據(jù)為海面溫度軌道產品。

表1 風云三號微波成像儀海面溫度產品Tab.1 MWRI SST products of FY-3 satellite

海面溫度軌道產品采用HDF格式存儲，除文件名稱、觀測時間等全局文件屬性數(shù)據(jù)外，還包含數(shù)據(jù)質量（Data Quality）、經(jīng)度（Longitude）、緯度（Latitude）、降水（Rain_Status）、海面溫度（SST_ORBIT）、掃描線時間（Scan Time）、海冰（Sea ice_Status）等科學數(shù)據(jù)集。

1.2 海-氣綜合數(shù)據(jù)集（ICOADS）

國際海-氣綜合數(shù)據(jù)集（International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set，ICOADS）[18]，是收集量最大的海洋表面數(shù)據(jù)集，目前的最新版本是R3.0。該數(shù)據(jù)集是由許多國家的數(shù)據(jù)集加工合并而成的，包括來自船只（商業(yè)、海軍、研究）的測量或觀測數(shù)據(jù)、系泊浮標和漂浮浮標數(shù)據(jù)、海岸站點數(shù)據(jù)以及其他海洋臺站數(shù)據(jù)等。

自2017年10月6日以后，ICOADS數(shù)據(jù)集的存儲格式為netCDF4，主要變量有海表溫度、氣溫、風場、氣壓、云量等氣象、海洋要素，覆蓋全球，取樣密度隨觀測日期及觀測點地理位置等不同。ICOADS觀測和統(tǒng)計的相關數(shù)據(jù)集以月為基礎進行總結存儲。

2 產品質量檢驗

2.1 算法介紹

文中利用 ICOADS數(shù)據(jù)分別對 FY-3C MWRI SST白天（降軌）和夜間（升軌）產品進行檢驗，并對不同風速區(qū)間的檢驗結果進行分析。首先，對FY-3C MWRI SST數(shù)據(jù)和ICOADS數(shù)據(jù)進行質量控制，剔除無效值；然后，對兩類數(shù)據(jù)進行時空配準；再后，對配準像元窗口內的海溫進行均勻性約束；最后，根據(jù) ICOADS數(shù)據(jù)中的風速要素，對不同風速條件下的配準數(shù)據(jù)集進行統(tǒng)計分析。統(tǒng)計的指標主要包括均方根誤差（RMSE）、絕對誤差（AE）、偏差（Bias）等統(tǒng)計參數(shù)。流程如圖1所示。

圖1 FY-3C MWRI SST產品質量檢驗流程Fig.1 Flow chart of FY-3C MWRI SST quality inspection

2.2 質量控制

1）FY-3C MWRI SST產品質量控制。主要包括無效像元剔除和近岸數(shù)據(jù)剔除兩部分。

（1）無效像元剔除。FY-3C MWRI SST產品質量標識數(shù)據(jù)（Data Quality）用不同的值對數(shù)據(jù)質量進行標識：1—觀測值無效像元；2—降水像元；3—海冰像元；4—估算值超限像元，即估算值不在271.15~308.15內的像元；50—|估算海溫-30年月平均海溫|<2.5 K的像元；51—|估算海溫-30年月平均海溫|≥2.5 K 的像元；6—陸地像元。文中僅對質量標識為 50，即估算海溫與 30年月平均海溫差小于2.5 K的像元進行誤差統(tǒng)計。

（2）近岸數(shù)據(jù)剔除。由于微波儀器分辨率低的限制，在陸地與海洋交界處存在嚴重的近岸污染，所以將水深200 m以前的區(qū)域資料進行剔除。

2）ICOADS數(shù)據(jù)質量控制。ICOADS數(shù)據(jù)記錄每條數(shù)據(jù)的觀測、標識、時間、經(jīng)度、緯度、海溫、流速、風場等參數(shù)。文中使用的要素包括海溫和風速，海表溫度和風速無效值填充為-9999。當某一條數(shù)據(jù)記錄這2個變量為無效值時，刪除該條記錄。

2.3 時空配準

時空配準通過時間配準（twin）和空間配準（Rwin）進行誤差統(tǒng)計，主要包括時間粗批準、空間配準和時間精配準3個步驟。

1）時間粗配準。FY-3軌道周期約為102 min，單個升軌或降軌數(shù)據(jù)的對地觀測時間約為51 min。以FY-3C MWRI SST第一條掃描線時間t1和最后一條掃描線時間tN（tN≈t1+51 min）為判斷依據(jù)，得到測量時間[t1-twin,tN+twin]的所有實測資料Drifte= ［D1,D2,… ,DN］，即衛(wèi)星觀測和實際測量時間粗配準結果。

2）空間配準。根據(jù)浮標Di所在的位置，對FY-3C MWRI SST地理信息數(shù)據(jù)[Lon,Lat]進行搜索，尋找與實測點Di距離小于Rwin且最近的SST數(shù)據(jù)。常用的計算距離公式[19]包括：

為減小計算量，采用街區(qū)距離作為判據(jù)。假設實測點Di的位置為（LatDi,LonDi），反演海溫像素點Psst的位置為（Latsst,Lonsst），對地理信息數(shù)據(jù)[Lon,Lat]進行搜索，得到距離實測點Di小于Rwin且最近的FY-3C SST數(shù)據(jù)Psst，即衛(wèi)星觀測和實測資料空間配準結果。

3）時間精配準。對于滿足條件2）的實測點Di和反演海溫像素點Psst，時間精配準的主要目的是將海溫像素點所在掃描線的時間與浮標測量時間進行精確配準。具體方法為：對海溫像素點Psst所在的掃描線時間與實測點Di的測量時間進行對比，如果兩者時間差

2.4 配準數(shù)據(jù)集約束

衛(wèi)星觀測的每個像元值為觀測視場內的空間平均，而現(xiàn)場測量代表的是很小范圍的局地特性。觀測尺度效應的存在要求待檢驗的地球物理參數(shù)在一定范圍內是基本穩(wěn)定的，以實現(xiàn)衛(wèi)星與實測值之間可靠的比較。考慮到定位的誤差以及水體的空間變化性，空間窗口選取為配準數(shù)據(jù)集海溫像素點Psst(i,j)為中心3×3像素的“+”區(qū)域內數(shù)據(jù)（如圖2所示），對窗口內數(shù)據(jù)進行均勻性判斷。

圖2 配準像元均勻性約束窗口選擇Fig.2 Window selection of registration pixels by uniformity constraint

1）當“+”區(qū)域內存在質量標記不等于 50的像元時，對該點不進行計算。

2）當“+”區(qū)域內所有像素質量標記均為 50，計算“+”區(qū)域內像元的均值μ和標準差σ。如果存在數(shù)值在μ±3σ之外的像元，對該點不進行計算。

2.5 配準樣本統(tǒng)計與分析

根據(jù)FY-3 MWRI海面風場產品，對不同風速條件下的配準數(shù)據(jù)集均方根誤差（RMSE）、偏差（Bias）、絕對誤差（AE）統(tǒng)計。

1）風場數(shù)據(jù)配準。根據(jù)配準數(shù)據(jù)集Psst(i,j)的經(jīng)緯度信息，得到相同位置FY-3 MWRI海面風場數(shù)據(jù)，以風速12 m/s為判斷標準，對風速區(qū)間為0~12 m/s和大于12 m/s的配準數(shù)據(jù)集進行分類。

2）配準數(shù)據(jù)集統(tǒng)計分析。分別對不同風速區(qū)間配準數(shù)據(jù)集進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計指標主要包括均方根誤差、偏差、絕對誤差。

均方根誤差：

偏差：

絕對誤差：

式中：yi為FY-3C MWRI SST匹配樣本點海溫值；xi為匹配樣本點實測海溫值，1≤i≤N，N為匹配樣本個數(shù)。

3 算法試驗

以2018年3月19日FY3C MWRI SST軌道產品“FY3C_MWRID_ORBT_L2_SST_MLT_NUL_201802 01_1450_025KM_MS.HDF”為例進行算法說明。根據(jù)數(shù)據(jù)存儲的掃描線時間數(shù)據(jù)（Scan Time），衛(wèi)星對地觀測第一條掃描線時間為2018年2月1日14∶50∶31，最后一條掃描線時間為 2018年2月1日15∶42∶12。設定時間窗口twin=20 min，對 2018年 2月1日14∶30~16∶02時間范圍內的浮標數(shù)據(jù)進行篩選，完成時間粗配準，得到 1220個配準實測資料（如圖3所示），黑點為測量時間在2018年3月3日02∶23~03∶55內的實測位置。

圖3 FY-3C MWRI SST和實測數(shù)據(jù)時間粗配準后結果（1220個實測點）Fig.3 Rough temporal registration of FY-3C MWRI SST product and ICOADS measured data (1,220 measured points)

完成時間粗配準后，對海溫和實測數(shù)據(jù)進行空間配準和時間精配準，如圖4和圖5所示。空間配準后得到的實測點為23個，經(jīng)過時間精配準后得到的實測點為12個。

圖4 FY-3C MWRI SST和實測數(shù)據(jù)空間配準后結果（23個實測點）Fig.4 Spatial registration of FY-3C MWRI SST product and ICOADS measured data (23 measured points)

圖5 FY-3C MWRI SST和實測數(shù)據(jù)時間精配準后結果（12個實測點）Fig.5 Precise temporal registration of FY-3C MWRI SST product and ICOADS measured data (12 measured points)

配準后的反演海溫和實測溫度比較如圖6所示。對配準的數(shù)據(jù)集進行結果統(tǒng)計和分析，均方根誤差為2.64，偏差為1.53。

圖6 匹配數(shù)據(jù)集溫度比較Fig.6 Comparison of registration data

4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果分析

取時間窗口20 min，空間窗口0.3°，利用ICOAD數(shù)據(jù)對2017.09—2018.03期間的FY-3 MWRI SST產品進行檢驗，結果見圖7和表2。之所以選取2017.09—2018.03共9個月份的產品進行檢驗，是因為FY-3C MWRI SST產品在2017年8月中旬開始改用新算法，新算法于2017年9月開始業(yè)務運行[20]，將反演精度提高到了1.2 K以內。

表2 FY-3C MWRI SST與ICOADS實測資料誤差統(tǒng)計結果Tab.2 The monthly error statistics of FY-3C MWRI SST orbital products and ICOADS measured data

圖7 2018.01—2018.06匹配點溫度比較Fig.7 Comparison of registration data from 2018.01 to 2018.06

檢驗結果見表3—8，經(jīng)分析得出如下結論。

表3 ICOADS實測溫度和FY-3C MWRI降軌（白天）海溫產品對比Tab.3 The monthly statistical results of FY-3C MWRI SST descending orbital products and ICOADS measured data

1）總體來看，MWRI SST升軌精度為(0.107±1.278) K，絕對誤差為0.950 K；降軌精度為(-0.153±1.692) K，絕對誤差為1.186 K。FY-3C MWRI SST產品升軌精度優(yōu)于降軌精度，是由于白天海洋表面非均勻加熱，導致衛(wèi)星估算海溫與實測海溫之間差異小于夜間。

2）以風速12 m/s為界分別進行統(tǒng)計，結果表明：當風速小于 12 m/s時，MWRI SST升軌精度為(0.1043±1.3092) K，絕對誤差為0.914 K；降軌精度為(-0.193±1.596) K，絕對誤差為1.143 K，升軌精度優(yōu)于降軌。當風速大于12 m/s時，MWRI SST升軌精度為(0.247±1.713) K，絕對誤差為1.364 K；降軌精度為(0.098±2.129) K，絕對誤差為1.703 K。雖然降軌平均偏差較小，但其絕對誤差大于升軌，且均方根誤差達到了 2.129。從單個月份計算結果來看，降軌5個月份的平均偏差絕對值超過了0.3。因此，風速小于12 m/s時的精度優(yōu)于大于12 m/s時的精度。當風速均小于12 m/s時，升軌精度優(yōu)于降軌。

3）進一步將風速小于 12 m/s的樣本劃分為0~6 m/s和6~12 m/s進行分析。對于升軌數(shù)據(jù)，當風速小于6 m/s時，MWRI SST精度為(0.168±1.211) K，絕對誤差為0.885 K；當風速為6~12 m/s時，MWRI SST精度為(0.234±1.515) K，絕對誤差為1.128 K。風速6~12 m/s時的精度優(yōu)于小于6 m/s時的精度。這也是由于白天低風速（0~6 m/s）條件下的太陽輻射導致衛(wèi)星估算海溫與實測海溫之間差異大于 6~12 m/s風速條件下的溫度差異。

表4 不同風速下ICOADS實測溫度和FY-3C MWRI降軌（白天）海溫產品對比（0~12 m/s, >12 m/s）Tab.4 The monthly statistical results of FY-3C MWRI SST descending orbital products and ICOADS measured data at different wind speed 0~12 m/s, >12 m/s

表5 不同風速下ICOADS實測溫度和FY-3C MWRI降軌（白天）海溫產品對比（0~6 m/s, 6~12 m/s）Tab.5 The monthly statistical results of FY-3C MWRI SST descending orbital products (day) and ICOADS measured data at different wind speed 0~6 m/s, 6~12 m/s

表6 ICOADS實測溫度和FY-3C MWRI升軌（晚上）海溫產品對比Tab.6 The monthly statistical results of FY-3C MWRI SST ascending orbital products (night) and ICOADS measured data

表7 不同風速下ICOADS實測溫度和FY-3C MWRI升軌（晚上）海溫產品對比(0~12 m/s, >12 m/s)Tab.7 The monthly statistical results of FY-3C MWRI SST ascending orbital products (night) and ICOADS measured data at different wind speed 0~12 m/s, >12 m/s

表8 不同風速下ICOADS實測溫度和FY-3C MWRI升軌（晚上）海溫產品對比(0~6 m/s, 6~12 m/s)Tab.8 The monthly statistical results of FY-3C MWRI SST ascending orbital products (night) and ICOADS measured data at different wind speed 0~6 m/s, 6~12 m/s

5 結論

文中主要介紹了 FY－3C MWRI海面溫度產品檢驗方法，并對不同風速及太陽輻射（白天、夜晚）條件下的檢驗結果進行了分析。結果表明，太陽輻射、風速均會造成海表溫度和實測溫度之間的差別，特別是在白天晴空微風和風速較大的情況下。因此，利用實測海溫來對衛(wèi)星估算的海溫產品進行檢驗存在局限性，是一種相對檢驗。通過統(tǒng)計方法，將長時間序列時空配準的觀探測資料和衛(wèi)星產品進行比較，能夠動態(tài)地對衛(wèi)星產品質量進行相對的分析和評估，對于改進完善處理算法模型，提高產品的質量和可信度具有重要的參考價值。