陳 林， 徐 娜， 胡秀清*， 陸 風(fēng)， 張 鵬

1. 中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心， 北京 100081

2. 中國(guó)氣象局中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081

基于深對(duì)流云目標(biāo)的風(fēng)云二號(hào)可見(jiàn)光通道輻射定標(biāo)

陳 林1, 2， 徐 娜1, 2， 胡秀清1, 2*， 陸 風(fēng)1, 2， 張 鵬1, 2

1. 中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心， 北京 100081

2. 中國(guó)氣象局中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081

介紹了一種采用深對(duì)流云目標(biāo)對(duì)風(fēng)云二號(hào)(FY-2)掃描輻射計(jì)可見(jiàn)光通道進(jìn)行輻射定標(biāo)的方法。 以深對(duì)流云作為輻射定標(biāo)參考載體， 以AQUA/MODIS獲得的深對(duì)流云反射率作為輻射基準(zhǔn)參考， 以GOME-2和輻射模式模擬的DCC光譜進(jìn)行了光譜響應(yīng)函數(shù)的修正， 評(píng)估FY-2系列衛(wèi)星的可見(jiàn)光通道輻射定標(biāo)精度及其長(zhǎng)序列衰減趨勢(shì)。 結(jié)果表明： (1)FY-2可見(jiàn)光通道存在不同程度的衰減， FY-2D， FY-2E和FY-2F的年衰減率分別約為1.67%， 1.69%和0.81%； (2)與國(guó)際推薦的參考儀器AQUA/MODIS的DCC反射率基準(zhǔn)相比， 風(fēng)云二號(hào)可見(jiàn)光通道業(yè)務(wù)定標(biāo)結(jié)果與之存在顯著差異， 其相對(duì)偏差了分別達(dá)到了39.9%， 29%和19.2%。 (3)FY-2衛(wèi)星在軌期間， 可見(jiàn)光通道存在一定程度的周期性的波動(dòng)和跳躍現(xiàn)象。 借助深對(duì)流云目標(biāo)很好地實(shí)現(xiàn)了FY-2系列氣象衛(wèi)星的可見(jiàn)光輻射定標(biāo)， 獲取的輻射定標(biāo)結(jié)果已經(jīng)作為業(yè)務(wù)定標(biāo)更新的重要依據(jù)。

深對(duì)流云； 輻射定標(biāo)； 風(fēng)云二號(hào)； 可見(jiàn)光通道

引 言

衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)精確性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性是衛(wèi)星定量應(yīng)用的基礎(chǔ)， 它需要通過(guò)星載遙感器的輻射定標(biāo)和持續(xù)檢驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 輻射定標(biāo)一般通過(guò)星上定標(biāo)裝置來(lái)完成。 然而不是所有的遙感器都具有星上定標(biāo)裝置， 特別是一些早期的衛(wèi)星由于技術(shù)和應(yīng)用的局限， 很少設(shè)計(jì)可見(jiàn)光星上定標(biāo)裝置。 而衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌運(yùn)行過(guò)程中， 遙感器由于器件老化， 通常具有一定響應(yīng)衰減特征。 因此為了實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星資料長(zhǎng)期定量化應(yīng)用， 對(duì)在軌衛(wèi)星輻射定標(biāo)精度進(jìn)行評(píng)估與跟蹤具有十分重要的意義。

風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星(FY-2)是我國(guó)第一代地球同步軌道靜止氣象衛(wèi)星， 目前在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行的有FY-2D， FY-2E和FY-2F三顆衛(wèi)星。 FY-2衛(wèi)星主要載荷沒(méi)有設(shè)計(jì)全口徑全光路的星上定標(biāo)裝置。 為了監(jiān)測(cè)儀器長(zhǎng)期響應(yīng)衰減， 設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)潔的太陽(yáng)光監(jiān)視器， 但不具備星上絕對(duì)定標(biāo)功能[1]。 FY-2衛(wèi)星可見(jiàn)光通道目前采用的業(yè)務(wù)定標(biāo)系數(shù)是發(fā)射前基于太陽(yáng)源定標(biāo)獲取的， 在軌期間尚未更新過(guò)， 也未與國(guó)際參考儀器進(jìn)行過(guò)交叉比對(duì)。 因此有必要對(duì)它的輻射定標(biāo)精度進(jìn)行長(zhǎng)期評(píng)估， 并研究遙感器在軌期間是否有響應(yīng)衰減現(xiàn)象。

目前關(guān)于FY-2衛(wèi)星紅外輻射定標(biāo)的方法和文獻(xiàn)較多[2-5]， 但針對(duì)FY-2可見(jiàn)光定標(biāo)方面的文獻(xiàn)卻不多見(jiàn)。 場(chǎng)地替代定標(biāo)是早期我國(guó)遙感器在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)與真實(shí)性檢驗(yàn)的重要手段， 在中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射校正場(chǎng)支持下， 多次開(kāi)展了敦煌輻射校正場(chǎng)地的FY-2可見(jiàn)光通道的替代定標(biāo)[6-7]。 敦煌輻射校正場(chǎng)位于40°N， 94°E附近， 其相對(duì)于FY-2靜止衛(wèi)星來(lái)說(shuō)， 衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)角度過(guò)大， FY-2D， FY-2E和FY-2F對(duì)其觀(guān)測(cè)角度分別約為48°， 49°和53°， 遠(yuǎn)超過(guò)場(chǎng)地輻射定標(biāo)一般所要求的30°以?xún)?nèi)。 盡管可以進(jìn)行BRDF的修正， 但修正的幅度在1.09～1.57之間， 相對(duì)變化達(dá)到25.5%[8]。 另外FY-2衛(wèi)星成像受到雜散光的影響， 在圓盤(pán)圖的左上方， 雜散光相對(duì)較嚴(yán)重， 衛(wèi)星星下點(diǎn)附近區(qū)域雜散光會(huì)相對(duì)較弱[2]。 敦煌輻射校正場(chǎng)正好位于FY-2E(定位點(diǎn)105°E)和FY-2F(定位點(diǎn)112.5°E)圓盤(pán)圖的左上方， 不可避免地受到儀器雜散光的影響。

本文介紹了一種利用深對(duì)流云目標(biāo)對(duì)FY-2可見(jiàn)光通道輻射定標(biāo)的方法， 這種方法以熱帶地區(qū)深對(duì)流云作為輻射定標(biāo)目標(biāo)物， 以國(guó)際先進(jìn)的AQUA/MODIS作為基準(zhǔn)參考儀器， 采用它的DCC反射率基準(zhǔn)評(píng)估FY-2的輻射定標(biāo)精度及其長(zhǎng)期趨勢(shì)。 由于DCC具有反射率高、 朗伯性好、 受大氣影響小且能連續(xù)跟蹤等優(yōu)勢(shì)[8-9]， DCC定標(biāo)方法已經(jīng)被世界氣象組織下的全球天基衛(wèi)星交叉定標(biāo)系統(tǒng)(WMO/GSICS)[10]列為優(yōu)先采用的可見(jiàn)光替代定標(biāo)方案之一。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 數(shù)據(jù)介紹

FY-2D， FY-2E和FY-2F搭載改進(jìn)型可見(jiàn)光紅外自旋掃描輻射計(jì)(stretched visible infrared spin scanning radiometer， S-VISSR)。 FY-2F是該系列衛(wèi)星03批次， 其主要改進(jìn)包括優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 進(jìn)一步減小了雜散光， 并且優(yōu)化了全部通道的光譜響應(yīng)形狀設(shè)計(jì)。 相比于01批和02批儀器， FY-2F星可見(jiàn)光通道光譜響應(yīng)函數(shù)進(jìn)一步變窄(圖1)， 且中心波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。 它們目前分別定點(diǎn)在86.5°E， 105°和112.5°。 其中FY-2D， FY-2E承擔(dān)業(yè)務(wù)觀(guān)測(cè)任務(wù)， FY-2F承擔(dān)機(jī)動(dòng)觀(guān)測(cè)和汛期區(qū)域加密觀(guān)測(cè)任務(wù)。

圖1 GOME-2實(shí)際測(cè)量的DCC光譜、 SBDART模式模擬的DCC光譜以及FY-2D， FY-2E， FY-2F和MODIS1通道的光譜響應(yīng)函數(shù)

Fig.1 DCC spectra from GOME-2 and SBDART simulation and the Spectral Responds Function for FY-2D, FY2E, FY2F VIS band and MODIS band 1

FY-2/SVISSR的可見(jiàn)光通道的量化等級(jí)為6 bit， 因此僅僅只有64個(gè)灰階等級(jí)， 儀器響應(yīng)的輻射分辨率低， 因此很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的輻射定標(biāo)， 這也是FY-2可見(jiàn)光定標(biāo)的難點(diǎn)之一。

中分辨率成像光譜儀MODIS搭載在Terra和Aqua上， 是新一代圖譜合一的傳感器[11]。 它攜帶有高精度的星上定標(biāo)器， 其輻射定標(biāo)的不確定度在2%以?xún)?nèi)[12-13]。 Wu等[14]利用Aqua/MODIS在軌運(yùn)行前8年的數(shù)據(jù)分析表明， Aqua/MODIS波段1比Terra/MODIS更加穩(wěn)定， 其十年際的穩(wěn)定性在0.5%以?xún)?nèi)。 因此本文采用Aqua/MODIS波段1作為參考輻射基準(zhǔn)。 具體采用Aqua/MODIS的第6版本的5km數(shù)據(jù)(MYD02SSH)。

1.2 DCC定標(biāo)方法

WMO/GSICS首要目標(biāo)即實(shí)現(xiàn)全球?qū)Φ赜^(guān)測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)之間的可比較性， 采用的主要方法是世界各國(guó)衛(wèi)星與參考基準(zhǔn)儀器交叉定標(biāo)， 目前紅外通道基于AIRS/CRIS/IASI高光譜儀器的交叉定標(biāo)方法相對(duì)成熟。 但是可見(jiàn)光通道的交叉定標(biāo)與紅外通道有不同之處， 它有幾個(gè)難點(diǎn)： 首先目前沒(méi)有可以作為輻射基準(zhǔn)的高光譜可見(jiàn)-近紅外在軌儀器； 其次不同目標(biāo)之間的光譜反射率差異極大， 即使是相似波段的2個(gè)通道式儀器也不能簡(jiǎn)單的相比較； 再次不同目標(biāo)之間的雙向反射特性差異也很大， 即使相差的角度較小， 也必須進(jìn)行BRDF的校正。 正是由于這些難點(diǎn)的存在， 至今GSICS沒(méi)有產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的可見(jiàn)光通道GSICS訂正產(chǎn)品。 但是可以尋找一種反射率光譜較為平坦， 朗伯特性好的輻射定標(biāo)跟蹤物， 并以這種目標(biāo)為輻射傳遞媒介， 來(lái)進(jìn)行通道式輻射基準(zhǔn)儀器和目標(biāo)儀器之間的輻射定標(biāo)傳遞。 深對(duì)流云目標(biāo)就滿(mǎn)足以上的條件。 文獻(xiàn)[15]將DCC方法應(yīng)用于FY3A/MERSI的輻射定標(biāo)中， 得到了FY3A/MERSI儀器輻射響應(yīng)衰變特征， 其結(jié)果表明DCC定標(biāo)跟蹤方法的穩(wěn)定性要優(yōu)于其他替代定標(biāo)方法。 FY3C/MERSI的業(yè)務(wù)輻射定標(biāo)方案中也采用了DCC方法[16-17]。 本文在此基礎(chǔ)上針對(duì)FY-2的儀器特點(diǎn)進(jìn)行一些適應(yīng)性改進(jìn)。 其主要步驟包含以下幾個(gè)方面： (1)DCC目標(biāo)的選擇； (2)BRDF校正； (3)光譜校正； (4)DCC反射率計(jì)算方法。

(1)DCC目標(biāo)的選擇： 紅外亮度溫度小于205 K的象元被選為DCC。 這里值得注意的是： ①為了避免觀(guān)測(cè)幾何角過(guò)大的導(dǎo)致的不確定性影響， 只選擇了熱帶地區(qū)的數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)必須滿(mǎn)足經(jīng)緯度條件和太陽(yáng)天頂角和衛(wèi)星觀(guān)測(cè)天頂角的條件； ②為了避免較小的對(duì)流單體的影響， 需要通過(guò)目標(biāo)均一性檢測(cè)， 選擇目標(biāo)尺度較大的發(fā)展較為旺盛的對(duì)流云目標(biāo)； ③最重要的一點(diǎn)是， 已有文獻(xiàn)表明早期的FY-2紅外輻射定標(biāo)存在較大的偏差[3, 5]， 特別是在低溫端[4]， 因此為了DCC目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確性， 并且使得選擇標(biāo)準(zhǔn)的一致性， 采用的紅外通道定標(biāo)系數(shù)為同步星下點(diǎn)觀(guān)測(cè)(simultaneously nadir observation， SNO)交叉定標(biāo)訂正后的結(jié)果。

(2)BRDF校正： 本文采用的是CERES厚冰云的BRDF校正模型。 CERES擁有在軌絕對(duì)輻射定標(biāo)， 在短波段能夠做到1%的定標(biāo)精度。 采用CERES的云光學(xué)厚度大于50的冰云雙向反射率模型用來(lái)將反射率歸一化到某一固定太陽(yáng)天頂角。 則校正后的反射率Rcor表示為

(1)

式中，sz為太陽(yáng)天頂角，vz為衛(wèi)星觀(guān)測(cè)角，rz為相對(duì)方位角， BRDF即雙向反射率校正因子。

光譜校正： 圖1給出了GOME-2實(shí)際測(cè)量的DCC光譜、 SBDART模式模擬的DCC光譜以及FY-2D， FY-2E， FY-2F和MODIS通道1的光譜響應(yīng)函數(shù)。 可以看出FY-2三顆衛(wèi)星的光譜響應(yīng)函數(shù)有差異， 且與作為基準(zhǔn)的MODIS的通道1光譜響應(yīng)函數(shù)也不盡相同。 盡管相較于其他目標(biāo)， DCC的光譜較為平坦， 但細(xì)微的光譜響應(yīng)差異將導(dǎo)致通道輻射的不一致， 需要對(duì)光譜差異進(jìn)行校正。 這個(gè)校正系數(shù)可以通過(guò)一個(gè)高光譜儀器觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)或者輻射模式模擬數(shù)據(jù)， 進(jìn)行兩者通道輻射卷積比值獲取。 選擇一個(gè)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的臺(tái)風(fēng)壁作為DCC目標(biāo)， 獲取了GOME-2高光譜儀器的DCC光譜， 采用該數(shù)據(jù)來(lái)卷積FY-2和MODIS通道上輻射。 GOME-2的波長(zhǎng)范圍只能覆蓋到800 nm， 并不能覆蓋FY-2D和FY-2E的光譜響應(yīng)范圍， 因此還采用SBDART輻射模式， 模擬了云光學(xué)厚度為200的DCC光譜作為比較和補(bǔ)充。 光譜校正因子(spectral band adjust factor， SBAF)與DCC光譜的絕對(duì)輻射值無(wú)關(guān)， 只與光譜形狀起伏相關(guān)， 因此為了統(tǒng)一， 將GOME-2的實(shí)測(cè)DCC光譜與SBDART模式模擬的DCC光譜都分別除以各自的光譜響應(yīng)面積積分， 實(shí)現(xiàn)歸一化。 SBAF的計(jì)算公式為

(2)

其中SRF為光譜響應(yīng)函數(shù)， ins表示待定標(biāo)儀器，Rspe-DCC表示歸一化的DCC光譜反射率。

DCC反射率計(jì)算方法。 經(jīng)過(guò)以上的處理， 最終得到的DCC反射率表達(dá)式如式(3)所示

(3)

式中，Rcor-DCC表示經(jīng)過(guò)一系列校正后的DCC的反射率，RDCC為經(jīng)過(guò)定標(biāo)后得到的FY-2的DCC象元表觀(guān)反射率，des為日地距離因子， BRDF即雙向反射率校正因子， SBAF即FY-2衛(wèi)星通道修正到Aqua/MODIS通道1的光譜修正因子。

DCC的反射率采用30 d內(nèi)所有DCC目標(biāo)的平均值。 為了反映出FY-2儀器輻射響應(yīng)的連續(xù)變化特征， 采用了每天連續(xù)滑動(dòng)平均的方式， 以獲取每天的DCC反射率值。

相關(guān)數(shù)據(jù)和方法中采用的詳細(xì)參數(shù)列于表1中。

表1 數(shù)據(jù)和方法參數(shù)總結(jié)

2 結(jié)果與討論

利用以上的處理方法， 得到如圖2所示的FY-2D， FY-2E和FY-2F的DCC反射率與作為參考基準(zhǔn)的Aqua/MODIS的DCC反射率比較。 并采用線(xiàn)性擬合公式來(lái)計(jì)算FY-2的輻射響應(yīng)衰減和年衰減率。 各儀器歸一化DCC反射率與線(xiàn)性擬合線(xiàn)差值的標(biāo)準(zhǔn)差作為儀器的穩(wěn)定性指標(biāo)(σ)。 并將FY-2的反射率與MODIS的DCC平均反射率相比， 計(jì)算其相對(duì)偏差(relative bias, RB)。 其主要公式如下：

總輻射響應(yīng)衰減Dtotal公式表達(dá)為

(4)

其中f為擬合公式，x1為序列的第一天，xend為序列的最后一天。

輻射響應(yīng)年衰減率Dannual公式表達(dá)為

(5)

穩(wěn)定性指標(biāo)σ用來(lái)表示各DCC的點(diǎn)與擬合公式之間的偏差程度， 公式表達(dá)為

(6)

式中，xi表示某一天，R(xi)表示這一天的DCC的反射率，f(xi)表示這一天擬合的反射率。

相對(duì)偏差， 以MODIS的10年DCC平均反射率作為基準(zhǔn)， 計(jì)算FY-2的輻射相對(duì)偏差

(7)

為了使不同的反射率能夠統(tǒng)一比較， 將每天數(shù)據(jù)與起始數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化， 即統(tǒng)一除以第一天擬合的反射率值。

從圖2中并結(jié)合以上公式的計(jì)算結(jié)果(列于表2)， 可以得到如下結(jié)論：

(1)Aqua/MODIS的年衰減率約為0.08%， 其穩(wěn)定性指標(biāo)優(yōu)于0.010 7， 最大和最小值與平均值的偏差不超過(guò)2%， 與MODIS宣稱(chēng)的2%的定標(biāo)不確定度吻合。 11年間總的輻射衰減僅僅為0.88%。 證實(shí)了其作為參考基準(zhǔn)的穩(wěn)定性， 也從側(cè)面證明了DCC方法是穩(wěn)定且可靠的；

(2)FY-2D， FY-2E和FY-2F都存在不同程度的輻射響應(yīng)衰減， 其年衰減率分別為1.67%， 1.69%和0.81%。 因?yàn)镕Y-2D的在軌時(shí)間最長(zhǎng)， 相比于2007年， 總衰減約12.51%。 FY-2F的年衰減率在三者中是最小的， 每年僅有0.81%。

(3) FY-2D， FY-2E和FY-2F得到的DCC反射率不一致， 且與基準(zhǔn)儀器MODIS觀(guān)測(cè)的DCC反射率有較大差異。 若以線(xiàn)性擬合最后一天數(shù)據(jù)與Aqua/MODIS的10年的平均值相比， 其相對(duì)偏差分別達(dá)到了39.56%， 27.63%和18.8%。

(4)MODIS和FY-2D， FY-2E和FY-2F各儀器的穩(wěn)定性指標(biāo)σ分別為0.010 7， 0.016 3， 0.021 7和0.014 8。σ指標(biāo)越大表明真實(shí)輻射偏離線(xiàn)性擬合的程度越大。 一方面表明線(xiàn)性擬合可能不能較好的客觀(guān)反映儀器的衰減程度， 另一方面也說(shuō)明了儀器在軌的不穩(wěn)定性。 每年的3—4月中旬以及9—10月中旬衛(wèi)星處于地影期， 星上狀態(tài)不穩(wěn)定。 而地影期結(jié)束后， 星上溫度快速上升(4月后)或者快速下降(10月后)[5]。 文獻(xiàn)[3-5]對(duì)FY-2紅外定標(biāo)的評(píng)估結(jié)果看， 在地影期這一階段， 紅外輻射定標(biāo)的波動(dòng)性也較大， 精度較差。 而在地影期結(jié)束后， 紅外定標(biāo)系數(shù)呈現(xiàn)緩慢的上升或者下降的周期性變化特征。 從DCC的分析來(lái)看， 這種星上狀態(tài)溫度周期性波動(dòng)對(duì)FY-2可見(jiàn)光通道的輻射定標(biāo)響應(yīng)的周期性變化有一定的影響作用。

同步星下點(diǎn)觀(guān)測(cè)(simultaneously nadir observation，SNO)交叉比對(duì)方法被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星儀器之間的互相比對(duì)驗(yàn)證[18]。 選擇FY-2衛(wèi)星星下點(diǎn)附近20°×20°的區(qū)域， 臨近時(shí)刻(小于20 min)的MODIS的波段1數(shù)據(jù)作為輻射參考， 進(jìn)行SNO交叉定標(biāo)。 為了避免觀(guān)測(cè)時(shí)間不一致、 定位誤差、 分辨率不同等一系列問(wèn)題， 在文獻(xiàn)[4]SNO方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。 最主要的改進(jìn)是將FY-2數(shù)據(jù)和MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行了2°×2°的投影。 雖然針對(duì)可見(jiàn)光通道， 由于目標(biāo)存在方向性， 而且兩個(gè)儀器之間存在光譜差異， 這種方法不能作為輻射定標(biāo)的精確方法， 但是可以在一定程度上反映兩種儀器在輻射定標(biāo)上的一致性程度。 這里選擇FY-2和MODIS同時(shí)的星下點(diǎn)的觀(guān)測(cè)盡可能避免了觀(guān)測(cè)角度差異的問(wèn)題。

圖2 FY-2D， FY-2E和FY-2F的DCC反射率與作為

Fig.2 The DCC reflectance of FY-2D， FY-2E， FY-2F as well as the reflectance of Aqua/MODIS as the radiation reference

表2 各儀器輻射響應(yīng)的年衰減率、總衰減、 穩(wěn)定性及相對(duì)偏差

Table 2 Radiometric respond annual degradation rate, total degradation, stability and relative bias

年衰減率/%總衰減/%穩(wěn)定性指標(biāo)相對(duì)偏差/%MODIS0 080 880 0107—FY?2D1 6712 510 0163-39 56FY?2E1 697 920 0217-27 63FY?2F0 811 930 0148-18 80

圖3 FY-2D(a)FY-2E(b)FY-2F(c)采用業(yè)務(wù)定標(biāo)系數(shù)的反射率、 DCC校正后的反射率與

同時(shí)， 由于可以獲得觀(guān)測(cè)時(shí)刻的DCC反射率及相應(yīng)的FY-2的DN值以及冷空值， 因此也可以采用2點(diǎn)定標(biāo)方法對(duì)FY-2進(jìn)行絕對(duì)定標(biāo)， 以校正后反射率作為與業(yè)務(wù)反射率的對(duì)比。

圖3分別給出了2013年8月星體溫度較平穩(wěn)期選擇的幾個(gè)時(shí)次的FY-2D(a)， FY-2E(b)和FY-2F(c)分別采用業(yè)務(wù)定標(biāo)系數(shù)的反射率和經(jīng)過(guò)DCC校正后的反射率以及與MODIS反射率的比較圖， 以及它們的散點(diǎn)圖比較。 可以看出， 無(wú)論FY-2D， FY-2E還是FY-2F， 它們業(yè)務(wù)定標(biāo)系數(shù)獲得的反射率都大大低于MODIS， 其中FY-2D的偏離程度最大。 而經(jīng)過(guò)DCC定標(biāo)校正后， 其與MODIS之間的差距明顯減小， 更加接近1∶1的擬合線(xiàn)。

3 結(jié) 論

深對(duì)流云目標(biāo)具有高反射率、 云上低大氣吸收、 高穩(wěn)定性、 光譜平坦等一系列優(yōu)點(diǎn)， 是作為可見(jiàn)光輻射定標(biāo)跟蹤物的理想目標(biāo)。 利用DCC的這一特性， 以具有星上定標(biāo)器、 輻射定標(biāo)不確定度小于2%、 國(guó)際公認(rèn)的輻射基準(zhǔn)儀器AQUA/MODIS作為基準(zhǔn)， 通過(guò)光譜修正， BRDF修正等處理方法， 以DCC作為輻射定標(biāo)目標(biāo)， 評(píng)估了FY-2目前在軌衛(wèi)星可見(jiàn)光通道儀器的輻射響應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間的變化趨勢(shì)及其業(yè)務(wù)輻射定標(biāo)精度。 2015年4月， 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心采用DCC和敦煌輻射校正場(chǎng)地聯(lián)合定標(biāo)結(jié)果， 更新了FY-2系列衛(wèi)星的可見(jiàn)光定標(biāo)系數(shù)。

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間序列資料的處理， 顯示了FY-2衛(wèi)星在軌期間輻射響應(yīng)的變化情況， 發(fā)現(xiàn)FY-2各系列衛(wèi)星在軌期間均有不同程度的響應(yīng)衰減現(xiàn)象。 其中FY-2D和FY-2E的年衰減率比較接近， 分別為1.67%和1.69%。 而FY-2F輻射響應(yīng)的年衰減率明顯小于FY-2D和FY-2E， 為0.81%。 由于在軌時(shí)間較長(zhǎng)， 相比于2007年， FY-2D在軌期間的響應(yīng)衰減已經(jīng)達(dá)到12.51%。

與作為輻射參考基準(zhǔn)的AQUA/MODIS的通道1相比， FY-2衛(wèi)星的可見(jiàn)光通道輻射與之有著較大差異， 其相對(duì)偏差了分別達(dá)到了39.56%， 27.63%和18.8%， 且均低于MODIS反射率。 通過(guò)SNO方法的檢驗(yàn)， 驗(yàn)證這種差異性的存在。 經(jīng)過(guò)DCC方法校正后的FY-2的輻射定標(biāo)精度得到了顯著提升。

衛(wèi)星儀器在軌后， 存在輻射響應(yīng)跳變的可能性。 從FY-3A/MERSI的長(zhǎng)期衰變規(guī)律來(lái)看[17]， 也是衛(wèi)星在軌前幾年的衰減較為劇烈。 因此這種FY-2系列衛(wèi)星輻射響應(yīng)的差異是否是由這種跳變或者儀器的劇烈衰減引起的， 目前無(wú)法有確切的結(jié)論， 需要進(jìn)一步可靠的發(fā)射前試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

除了長(zhǎng)時(shí)間序列的衰減特性， FY-2在某些月份還會(huì)出現(xiàn)輻射響應(yīng)急劇增加或者降低的現(xiàn)象， 這種現(xiàn)象的發(fā)生可能與星上狀態(tài)的季節(jié)變化相關(guān)聯(lián)。 FY-2E的變化波動(dòng)尤為明顯。 這種儀器響應(yīng)的波動(dòng)現(xiàn)象能夠被DCC清晰發(fā)現(xiàn)。 它可能與星上狀態(tài)的季節(jié)變化有關(guān)， 其中相關(guān)的機(jī)理也需要進(jìn)一步深入研究。

綜合以上分析表明， DCC方法能夠很好應(yīng)用于FY-2可見(jiàn)光通道的輻射定標(biāo)中， 得到的結(jié)果有助于充分理解FY-2儀器的在軌輻射衰變響應(yīng)規(guī)律， 也可以作為定量應(yīng)用的參考。

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*Corresponding author

Study on Orbit Radiometric Calibration for FY-2 Visible Band based on Deep Convective Cloud

CHEN Lin1, 2, XU Na1, 2, HU Xiu-qing1, 2*, LU Feng1, 2, ZHANG Peng1, 2

1. National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China

2. Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China

A radiometric calibration method is described in this paper by using the deep convective clouds (Deep Convective Cloud, DCC) target for FY-2 visible channel. The deep convective cloud can be used as the radiometric calibration transfer object. The on-operational FY-2 radiometric calibration bias and the long-term degradation trend are evaluated according to the AQUA/MODIS instrument as the baseline of radiometric reference and DCC. The results show that: (1) There are different degrees of degradation for FY-2D, FY-2E and FY-2F, among which FY-2D has the biggest degradation due to the longest period. The annual rates of degradation for FY-2D and FY-2E are quite similar, 1.67% and 1.69% respectively, whereas the rate for FY-2F is lower with 0.81%; (2) During the period of satellite eclipse, the instruments are not stable and this phenomenon could be detected by the DCC method； (3) There are bias in the the operational radiometric calibration between FY-2 and AQUA/MODIS, which is treated as the the radiometric reference usually. The radiometric calibration method based on DCC could work well in the radiometric calibration for FY-2. The results will help us to understand the degradation of instrument and for quantitative application usage.

Deep convective cloud; Radiometric calibration; FY-2; Visible channel

May 29, 2015; accepted Nov. 18, 2015)

2015-05-29，

2015-11-18

科技部(863)計(jì)劃(2015AA123704)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41475031， 41105010， 41471304， 41590874)資助

陳 林， 1981年生， 中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心副研究員 e-mail: chenlin@cma.gov.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: huxq@cma.gov.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2639-07