劉志剛，吳東麗，邵長亮，吳麗俠，劉聰

(1.秦皇島市氣象局，河北 秦皇島 066000；2.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081)

0 引言

陸表溫度(land surface temperature，LST)是地表能量平衡組分中的一個重要參數(shù)，在氣候變化、水文學(xué)、生物化學(xué)、城市熱島效應(yīng)、生態(tài)學(xué)等的研究中具有重要意義。同時，監(jiān)測陸表溫度對農(nóng)業(yè)作物適時播種、土壤與農(nóng)作物水分情況等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活也具有現(xiàn)實意義[1-8]。21世紀(jì)初期，我國氣象臺站已經(jīng)實現(xiàn)實時觀測陸表溫度，但由于受臺站分布、地形環(huán)境、地表植被、土壤種類等制約，在空間上不連續(xù)且具有一定局限性[9-10]。因此統(tǒng)計陸表溫度空間分布多采用誤差較大的插值法，此方法使得獲得大面積高空間分辨率的陸表溫度較難[11-12]。近些年來，世界空間遙感技術(shù)與大型計算機的迅速發(fā)展為陸表溫度的大范圍全方位監(jiān)測提供了連續(xù)的產(chǎn)品，如NOAA/AVHRR、FY/MWRI和FY/VIRR、EOS/MODIS等，其中MODIS LST產(chǎn)品在天氣晴朗條件下精度可達(dá) 1 K[13-14]，而我國在軌運行的FY3D衛(wèi)星MWRI探測器L2級LST產(chǎn)品反演精度如何、可用性如何，目前數(shù)據(jù)甚少。

風(fēng)云系列衛(wèi)星是我國氣象遙感專用衛(wèi)星，其中風(fēng)云三號(縮寫為FY-3)衛(wèi)星是在風(fēng)云一號(縮寫為FY-1)氣象衛(wèi)星技術(shù)基礎(chǔ)上的發(fā)展和升級，為我國氣象第二代極軌衛(wèi)星，由兩顆實驗星(FY-3A、B)和兩顆業(yè)務(wù)星(FY-3C、D)組成，攜帶多種觀測設(shè)備并依據(jù)其采集數(shù)據(jù)，生成多種數(shù)據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用在多個領(lǐng)域[15-22]。風(fēng)云系列衛(wèi)星為地面接收站提供了多種遙感反演產(chǎn)品，其中包括LST，LST數(shù)據(jù)有瞬時值、日候旬月平均值5類產(chǎn)品。文獻(xiàn)[23-25]分別利用FY-3C-MERSI、FY-3A-VIRR、FY-3C-VIRR的LST遙感日平均產(chǎn)品對寧夏、山東和石家莊、鄭州、北京、西安等地進(jìn)行評估及應(yīng)用。本文基于FY-3D-MWRI L2級 LST瞬時產(chǎn)品，利用FY-3D衛(wèi)星過境時刻觀測值(以下簡寫為“Ta”)與地面氣象臺站所觀測的地面溫度(以下簡寫為“Tg”)和草面(雪面)溫度(以下簡寫為“Ts”)數(shù)據(jù)時間差在120 s以內(nèi)的對比，來檢驗最初級瞬時產(chǎn)品的精度及可用性。

1 資料與算法

1.1 全國氣象站概況

氣象站是能夠準(zhǔn)確及時完成氣象觀測任務(wù)的設(shè)備、設(shè)施、人員、場地的集合，目前我國已有氣象觀測站10 000多個，分布在全國12個溫度帶、24個干濕區(qū)、56個氣候區(qū)內(nèi)[26-28]，其中，有Tg觀測任務(wù)的氣象站3 392個，有Ts觀測任務(wù)的氣象站2 570個[29]。綜合氣象觀測是氣象業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)工作，地面氣象觀測是綜合氣象觀測的重要組成之一，它是對地球表面一定范圍內(nèi)的氣象狀況及其變化過程進(jìn)行系統(tǒng)、連續(xù)地觀察和測定，包括云、能見度、天氣現(xiàn)象、氣溫、相對濕度、降水、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、地面溫度、草溫(雪面)溫度、日照、淺層地溫、深層地溫、凍土、蒸發(fā)、輻射、雪深、雪壓、電線積冰、地面狀態(tài)等項目，為天氣預(yù)報、氣象預(yù)警、氣候分析、氣象情報、科學(xué)研究和氣象服務(wù)等提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)依據(jù)[30-31]。

1.2 數(shù)據(jù)源

FY-3D氣象衛(wèi)星是我國第二代極軌氣象衛(wèi)星，于2017年11月15日2時35分搭載了微波成像儀、微波溫度計、紅外高光譜大氣探測儀、空間環(huán)境監(jiān)測儀器等10臺當(dāng)時最先進(jìn)的空間遙感探測設(shè)備，在我國太原衛(wèi)星發(fā)射中心搭乘長征四號丙運載火箭發(fā)射升空。其中微波成像儀(以下簡寫為“MWRI”)提供包括LST在內(nèi)的10余種L1、L2、L3級遙感反演產(chǎn)品，LST產(chǎn)品L2級反演數(shù)據(jù)可在國家衛(wèi)星氣象中心的風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)(http：//satellite.nsmc.org.cn/portalsite/default.aspx)實名注冊免費訂購下載。

本研究選取由國家氣象衛(wèi)星中心FY-3D-MWRI衛(wèi)星傳感器2019年1—12月LST反演的L2級遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率為25 km。同時，全國氣象站所在的衛(wèi)星像元，在25 km×25 km的范圍內(nèi)，有農(nóng)田、濕地、草原、林地、高原、荒漠、建設(shè)用地和裸地等多種組合，像元下墊面不均勻。

氣象站地面數(shù)據(jù)Tg和Ts來自全國有觀測任務(wù)的氣象觀測站，該數(shù)據(jù)可從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)免費下載(http：//10.1.64.154/cimissapiweb/apidataclassdefine_list.action)。目前我國氣象觀測站采用自動化觀測手段，實現(xiàn)逐5 min的Tg和Ts匯交到國家氣象信息中心。本研究選取與衛(wèi)星過境時間差在120 s內(nèi)的Tg和Ts值，利用Python 3.7編程進(jìn)行對比分析。

1.3 星地檢驗算法

為做好衛(wèi)星產(chǎn)品檢驗，首先建立全國有觀測Tg和Ts任務(wù)的氣象站地面數(shù)據(jù)集，節(jié)選2019年1—12月的地溫質(zhì)控碼(以下簡寫為“Q_GST”)和草溫質(zhì)控碼(以下簡寫為“Q_LGST”)為0(正確)、3(訂正)、4(修改)的Tg和Ts數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集采用CSV格式存儲。

之后建立FY-3D-MWRI LST L2級產(chǎn)品數(shù)據(jù)集，LST作為地球觀測產(chǎn)品(包括升軌和降軌)，須基于地圖投影呈現(xiàn)其可視化結(jié)果，因此FY-3D采用了EASE-Grid的全球圓柱等積投影[32]方式。

利用觀測臺站所在經(jīng)緯度結(jié)合EASE-Grid投影算法，提取衛(wèi)星LST觀測質(zhì)控碼(以下簡寫為“QC_Flag”)為1的Ta，計算得到Ta觀測UTC時間(升軌或降軌)與地面臺站觀測時間差在±120 s內(nèi)的數(shù)據(jù)，同一衛(wèi)星像元(25 km×25 km)范圍內(nèi)臺站地溫和草溫數(shù)據(jù)采用算數(shù)平均融合處理，作為對比基準(zhǔn)值，形成星地檢驗數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集采用CSV格式存儲。最后對形成的星地檢驗數(shù)據(jù)集Tg和Ta、Ts和Ta分別進(jìn)行比較計算，分析衛(wèi)星瞬時LST產(chǎn)品的精度及可用性。具體星地檢驗算法流程如圖1所示。

圖1 星地檢驗算法流程圖

2 結(jié)果與分析

基于星地檢驗流程算法，得出2019年FY-3D-MWRI 瞬時LST與全國2 747個地面匹配氣象站觀測Tg和2 207個Ts匹配觀測站檢驗結(jié)果數(shù)據(jù)集，包括2019全年及春夏秋冬四季逐站年平均衛(wèi)星LST瞬時Ta值、Tg平均值、Ts平均值、Ta-Tg平均值、Ta-Tg平均標(biāo)準(zhǔn)偏差、Ta-Tg平均相關(guān)性、Ta-Ts平均值、Ta-Ts平均標(biāo)準(zhǔn)偏差和Ta-Ts平均相關(guān)性，見表1。

地溫是在臺站觀測場西南側(cè)200 cm(南北向)×400 cm(東西向)疏松平整的裸地內(nèi)進(jìn)行觀測；草溫在地溫西側(cè)50 cm草地內(nèi)距地面6 cm高處進(jìn)行觀測，當(dāng)臺站出現(xiàn)積雪后雪深超過6 cm則需要將草溫傳感器人工調(diào)整到雪面上觀測，其溫度為雪面溫度。由于各地區(qū)臺站觀測任務(wù)不同，因此有地溫觀測任務(wù)的臺站不一定有草溫觀測任務(wù)，造成表1中地溫和草溫匹配站數(shù)不一致。

通過質(zhì)控碼(Q_GST、Q_LGST和QC_Flag)篩選和臺站匹配數(shù)據(jù)量(>10條)進(jìn)行對比，由表1可知，Ta-Ts平均標(biāo)準(zhǔn)偏差6.36 ℃，Ta-Tg平均標(biāo)準(zhǔn)偏差6.38 ℃，Ta-Ts平均相關(guān)性0.548 7，Ta-Tg平均相關(guān)性0.542 2，說明兩種觀測方式對地面平均狀況反應(yīng)一致，衛(wèi)星產(chǎn)品Ta也能夠較好地反演出地面平均狀況。從四季分布上看，秋季(9、10、11月)反演產(chǎn)品最接近地面狀況，冬季次之，各個季節(jié)中平均偏差與標(biāo)準(zhǔn)偏差的誤差主要是反演算法精度受地表發(fā)射率和大氣水汽含量不確定性的影響造成。

表1 Ta與Tg、Ts對比統(tǒng)計表

由各地區(qū)反演的LST產(chǎn)品Ta與Tg、Ts對比情況(表2)可知，標(biāo)準(zhǔn)偏差較小且數(shù)據(jù)相關(guān)性較高的臺站多集中在廣西、貴州、內(nèi)蒙古、吉林、重慶、遼寧等地區(qū)，云南、天津、海南、上海、新疆、西藏、青海等部分地區(qū)反演結(jié)果相對較差，總體看全國范圍內(nèi)臺站觀測與衛(wèi)星反演基本吻合。由于利用觀測站以點帶面，對于非均勻下墊面，Ts-Ta與Tg-Ta存在明顯線性正相關(guān)關(guān)系，反映衛(wèi)星反演的Ta更具有代表性。

表2 各地區(qū)Ta與Tg、Ts對比統(tǒng)計表

依據(jù)此方法，對FY-3D-MWRI LST L2級旬、月產(chǎn)品進(jìn)行檢驗，得到表3結(jié)果。

表3 Ta與Tg、Ts旬、月對比統(tǒng)計表

利用FY-3D-MWRI數(shù)據(jù)反演的Ta與地面旬月實際情況基本吻合，與Tg和Ts的相關(guān)系數(shù)穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

本文應(yīng)用FY-3D-MWRI LST 2級產(chǎn)品Ta與全國2 000多個氣象觀測站Tg和Ts數(shù)據(jù)，采用衛(wèi)星過境時間差在120 s內(nèi)的Ta與Tg和Ts值對比分析，得出以下結(jié)論。

1)對瞬時Ta、旬Ta、月Ta值與對應(yīng)地面站Tg和Ts逐站對比平均標(biāo)準(zhǔn)偏差小于6.4 ℃，說明利用FY-3D-MWRI數(shù)據(jù)反演的Ta與地面實際情況基本吻合，季節(jié)變化較為明顯，能直觀反映全國各地Ta的空間分布特征。

2)地面觀測站采用以點帶面的方式與衛(wèi)星LST對比，衛(wèi)星觀測像元25 km×25 km，有農(nóng)田、濕地、草原、林地、高原、荒漠、建設(shè)用地和裸地等多種組合，像元下墊面不均勻。對于這些非均勻下墊面，反演的Ta與Tg和Ts的平均相關(guān)性高于0.54，Ts-Ta與Tg-Ta存在顯著線性正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)穩(wěn)定。

然而，目前LST反演過程中仍然存在許多問題，如其他衛(wèi)星LST反演產(chǎn)品的驗證、地表比輻射率和大氣輻射傳輸模式的準(zhǔn)確估算等。因此，筆者在此方面的研究只是一個開始，還存在很多不足和需要改進(jìn)的地方，有待于以后利用更多的 FY衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究。