王明，陳英英，周毓荃，李琦

(1.中國氣象局武漢暴雨研究所暴雨監(jiān)測預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430205；2.湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430205；3.中國氣象局人工影響天氣中心，北京 100081)

引 言

作為大氣圈層中最為重要的水成物，云在天氣系統(tǒng)演變、全球水循環(huán)以及氣候系統(tǒng)變化等方面發(fā)揮著極其重要的作用(盧乃錳等，2017)，了解云的物理性質(zhì)不僅有助于對天氣系統(tǒng)的診斷分析和監(jiān)測預(yù)報(楊磊等，2020)，同時對空中云水資源的合理評估和利用也極為有利(蔡淼，2013)。而云參數(shù)是建立各類云物理方案以改進(jìn)模式預(yù)報能力的關(guān)鍵因素之一(梅欽等，2018)，也是科學(xué)識別人影作業(yè)潛力區(qū)和評估作業(yè)效果的重要依據(jù)(范思睿和王維佳，2018)，其準(zhǔn)確性對于下游產(chǎn)品的生成至關(guān)重要。

目前，通過衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)計算反演得到的云參數(shù)主要包括云量、云檢測、云分類、云相態(tài)、云頂溫度/高度、云頂氣壓、云光學(xué)厚度、云粒子有效半徑、云液水路徑等。其中云光學(xué)厚度(Cloud Optical Thickness，COT)、云粒子有效半徑(Cloud Effective Radius，CER)、云頂溫度(Cloud Top Temperature，CTT)三個參數(shù)可用于降水云與非降水云的區(qū)分(劉建朝和周毓荃，2011；劉顯通和劉奇，2013；謝磊和劉奇，2017；郭文昕等，2021)。COT表示云中水成物含量，降水強(qiáng)度較大的對流云都具有較大的COT(陳英英，2013)；CER表示云中雨滴或冰晶的尺度，反映滴譜分布，CER較大時，地面出現(xiàn)降水的概率較大(蔡淼等，2010)，CER與雨強(qiáng)也存在明顯相關(guān)(盛日鋒等，2010；傅云飛，2014)；CTT則是反映暴雨過程中云頂發(fā)展旺盛程度的重要參數(shù)(楊磊等，2020)。桂海林等(2019)結(jié)合Himawari-8衛(wèi)星云產(chǎn)品，對中國東部地區(qū)2017年夏季降水進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在雨強(qiáng)隨COT增加、CER增加、CTT減小而增加的趨勢。可見，COT、CER、CTT這三個云參數(shù)對于分析降水的形成和演變過程有著重要意義。

風(fēng)云四號系列的首發(fā)星FY-4A，于2016年12月14日成功發(fā)射，與風(fēng)云二號系列衛(wèi)星相比，其核心載荷的成像性能在光譜通道、時空分辨率等方面有顯著提升(陸風(fēng)等，2017)，為我國及周邊地區(qū)，特別是“一帶一路”沿線國家和地區(qū)開展天氣預(yù)報和災(zāi)害預(yù)警提供了重要的觀測手段。作為科學(xué)試驗(yàn)星的FY-4A，其主要用途是驗(yàn)證新技術(shù)、發(fā)展新應(yīng)用，為了更好地將FY-4A產(chǎn)品應(yīng)用于天氣分析、數(shù)值預(yù)報及人工影響天氣等各領(lǐng)域，對其產(chǎn)品的精度檢驗(yàn)很有必要。中分辨光譜成像儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)作為搭載在地球觀測系統(tǒng)計劃Terra和Aqua極軌衛(wèi)星上重要的傳感器，同樣具有波段范圍廣、空間分辨率高、探測靈敏度高等特點(diǎn)，其反演算法多年經(jīng)過不斷優(yōu)化相對成熟，經(jīng)檢驗(yàn)MODIS云參數(shù)與地面觀測有較好的一致性(吳曉等，2016)。崔林麗等(2020)曾針對3次臺風(fēng)過程，開展FY-4A云頂溫度、云頂高度、云頂氣壓產(chǎn)品與MODIS和Himawari-8同類產(chǎn)品的交叉檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)二者精度相當(dāng)；吳碩秋和馬曉燕(2020)利用MODIS/AOD產(chǎn)品及FY-4A沙塵強(qiáng)度產(chǎn)品分析了中國西北地區(qū)的兩次典型沙塵過程，發(fā)現(xiàn)二者具有較好的空間一致性。但目前FY-4A云參數(shù)在科研業(yè)務(wù)中的應(yīng)用并不多見，尤其是其在降水分析中的應(yīng)用研究較少。

本文以2020年6月27日造成湖北宜昌城區(qū)“看?！钡臉O端暴雨過程為例，首先選取典型時次從平面分布、緯向分布和統(tǒng)計特征分析的角度，將FY-4A衛(wèi)星可見光、近紅外和紅外三個波段與EOS/MODIS相近波段的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比檢驗(yàn)，然后進(jìn)一步對兩類衛(wèi)星的三種對降水敏感的云參數(shù)COT、CER和CTT進(jìn)行對比，并分析產(chǎn)生偏差的可能原因。在此基礎(chǔ)上，初步評估了FY-4A衛(wèi)星云參數(shù)的精度及其在不同雨強(qiáng)條件下的適用性和可靠性，為云參數(shù)產(chǎn)品反演技術(shù)的改進(jìn)優(yōu)化提供反饋和參考，以提高FY-4A衛(wèi)星在防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)修復(fù)等各領(lǐng)域的定量應(yīng)用水平。

1 資料和方法

1.1 資料說明

選取2020年6月27日發(fā)生在湖北境內(nèi)的一次暴雨過程進(jìn)行分析。由于MODIS極軌衛(wèi)星當(dāng)日白天過境湖北區(qū)域的時次為03∶40(世界時，下同)，且這一時段出現(xiàn)雨強(qiáng)峰值，具有代表性，因此選取時間上最為接近的03∶38的FY-4A數(shù)據(jù)與MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。同時，選取了2020年6月27日03—04時湖北省2 747個氣象站(國家站+區(qū)域站)的小時降雨資料，探究不同雨強(qiáng)條件下衛(wèi)星產(chǎn)品的差異性。下面簡要介紹兩類衛(wèi)星資料。

(1)FY-4A衛(wèi)星資料。在時間頻次上，F(xiàn)Y-4A衛(wèi)星全天共計進(jìn)行40次全圓盤(包含8次測風(fēng)的16張全圓盤)觀測及56次北半球觀測(陸風(fēng)等，2017)。數(shù)據(jù)采用國際氣象衛(wèi)星合作組織(Co-ordination Group of Meteorological Satellites，CGMS)的LRIT/HRIT(Low Rate Information Transmission/High Rate Information Transmission)全球規(guī)范定義靜止軌道標(biāo)稱投影，地理坐標(biāo)可基于WGS84參考橢球計算或通過FY-4A標(biāo)稱網(wǎng)格文件查找表獲取。FY-4A衛(wèi)星多通道掃描成像輻射計的原始數(shù)據(jù)(AGRI)和二級云產(chǎn)品均來自國家衛(wèi)星氣象中心。本文選取的原始數(shù)據(jù)主要是反演所需的可見光波段(b2-0.65μm)反射率(VL)、近紅外波段(b6-2.25μm)反射率(NIR)和紅外波段(b12-10.7μm)亮溫(IR)以及云參數(shù)產(chǎn)品。原始數(shù)據(jù)空間分辨率0.5~4 km不等，為保證各波段數(shù)據(jù)協(xié)同一致，統(tǒng)一取4 km分辨率，云參數(shù)產(chǎn)品空間分辨率也是4 km。

(2)MODIS衛(wèi)星資料。EOS/Terra衛(wèi)星MODIS軌道原始數(shù)據(jù)(MOD021km)、地理信息數(shù)據(jù)(MOD03)、云參數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)(MOD06)均來自MODIS官方網(wǎng)站，數(shù)據(jù)版本為6.1版，原始數(shù)據(jù)可見光波段(b1-0.62~0.67μm)反射率、近紅外波段(b7-2.105~2.135μm)反射率、紅外波段(b31-10.78~11.28μm)亮溫及云參數(shù)產(chǎn)品，與FY-4A衛(wèi)星基本對應(yīng)?？臻g分辨率為1 km，同一觀測軌道相鄰文件時間間隔為5 min。MOD06 6.1版的COT和CER產(chǎn)品為采用可見光波段(b1-0.65μm或b2-0.86μm或b5-1.2μm)與近紅外波段(b7-2.1μm)反射率聯(lián)合反演得到，經(jīng)查產(chǎn)品標(biāo)志位信息，本個例反演主要采用b1通道，波段選取上與FY-4A一致。

1.2 研究方法

由于FY-4A衛(wèi)星與MODIS資料空間分辨率不同，首先，對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，使二者之間具有可比性；其次，在對比衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)時，考慮光譜響應(yīng)函數(shù)帶來的影響；另外，為了使云參數(shù)更好地應(yīng)用于定量降水估算，按照雨強(qiáng)大小，分類討論云參數(shù)產(chǎn)品的偏差；最后，采用統(tǒng)計分析的方法研究衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)和云參數(shù)產(chǎn)品的差異性。

(1)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理。為保證統(tǒng)計分析結(jié)果之間具有可比性，首先兩顆衛(wèi)星在觀測時間高度接近，其次，利用雙線性插值法對FY-4A的原始數(shù)據(jù)和云參數(shù)產(chǎn)品進(jìn)行空間格網(wǎng)重采樣，生成與MODIS一致的1 km空間分辨率，裁剪成湖北及周邊的空間范圍(108°—117°E、28°—34°N)。

(2)光譜響應(yīng)函數(shù)。多光譜傳感器獲取的圖像具有多個波段，受硬件限制，傳感器在某個預(yù)定波長范圍內(nèi)的響應(yīng)不可能是100%，每個波段記錄的能量值與光譜響應(yīng)函數(shù)有關(guān)，不同衛(wèi)星光譜響應(yīng)函數(shù)的差異能造成衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)的差異，因此本文利用光譜響應(yīng)函數(shù)(張勇等，2011)分析了兩套衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)精度差異的原因。

(3)雨強(qiáng)分類。降雨強(qiáng)度是指單位時段內(nèi)的降雨量，以mm·min-1或mm·h-1計，以下稱為雨強(qiáng)(RI)。參照姚莉等(2009)雨強(qiáng)的分類方法，本文將雨強(qiáng)分為[0,1)mm·h-1、[1,5)mm·h-1、[5,20)mm·h-1、[20,50)mm·h-1和[50,100)mm·h-1等五個區(qū)間。

(4)統(tǒng)計分析方法。在統(tǒng)計分析FY-4A和MODIS原始數(shù)據(jù)和云參數(shù)產(chǎn)品的差異時，用到的統(tǒng)計物理量有平均偏差(Bias)、相關(guān)系數(shù)(CORR)等(中國氣象局，2011)。其中Bias和CORR的計算公式分別為

2 衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)的對比分析

由于衛(wèi)星可見光、近紅外、紅外波段的原始數(shù)據(jù)與云參數(shù)的反演密切相關(guān)，衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)的差異能影響云參數(shù)的反演結(jié)果。因此，需要從平面分布特征、緯向平均分布特征和統(tǒng)計特征三個方面，對FY-4A和MODIS兩類衛(wèi)星觀測資料的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

2.1 平面分布特征對比

2020年6月27日03∶38 FY-4A與03∶40 MODIS可見光、近紅外和紅外波段平面分布如圖1所示。可以看出，兩顆衛(wèi)星可見光波段反射率的分布模態(tài)相同，高低值中心吻合。圖1a、d顯示FY-4A在高反射率像元區(qū)小于MODIS觀測值，F(xiàn)Y-4A反射率極值在0.7~0.8的區(qū)間，而MODIS在0.8~0.9。圖1b、e顯示兩顆衛(wèi)星近紅外波段反射率雖然高低值分布基本吻合，但除暖云區(qū)少量像元基本一致外，大部分像元定量差異較大，表現(xiàn)在色譜上相差幾個色階。而圖1c、f紅外波段亮溫的對比則顯示二者相似性很高。

2.2 緯向平均分布特征對比

圖2給出FY-4A與MODIS可見光、近紅外和紅外波段原始數(shù)據(jù)緯向平均分布的對比，緯度平均范圍是30°—31°N(宜昌暴雨云團(tuán)中心所在緯度范圍)，即圖1中兩條灰色虛線中間的區(qū)域。圖2a可見光波段反射率對比顯示，MODIS曲線特征整體上比FY-4A略右移，相差約0.25個經(jīng)度，證實(shí)二者在觀測時間上的基本協(xié)同。其中在高反射率區(qū)，MODIS可見光波段反射率高于FY-4A，最大差值可達(dá)0.16；低反射率區(qū)二者基本一致。這主要是由FY-4A和MODIS兩顆衛(wèi)星在可見光的波段設(shè)置及其光譜響應(yīng)函數(shù)的不同引起，另一方面也與衛(wèi)星天頂角有關(guān)，將在下文中說明。圖2b近紅外波段反射率對比顯示，F(xiàn)Y-4A變化區(qū)間(0.13~0.25)與MODIS(0.09~0.21)存在差異且差值大小西高東低，在冷云區(qū)FY-4A反射率偏大一倍，這主要源于光譜響應(yīng)函數(shù)的不同。圖2c紅外亮溫對比顯示，二者具有極高的相似度，在108°—109°E的區(qū)間兩條曲線基本重疊，109°—117°E的區(qū)間由于觀測時間差導(dǎo)致的云系移動，曲線之間存在些許錯位。

圖1 2020年6月27日03∶38 FY-4A(a、b、c)與03∶40 MODIS(d、e、f)可見光波段反射率VL(a、d)、近紅外波段反射率NIR(b、e)和紅外波段亮溫IR(單位:K)(c、f)平面分布(白色虛線表示30°N和31°N,即緯向平均所選取的緯度范圍)Fig.1 Distribution of(a,d)VL,(b,e)NIR and(c,f)IR(unit:K)bands in(a,b,c)FY-4A at 03∶38 UTC and(d,e,f)MODIS at 03∶40 UTC on 27 June 2020(White dotted lines denote 30°N and 31°N,namely the latitude range selected by the zonal mean)

圖2 FY-4A與MODIS可見光波段反射率VL(a)、近紅外波段反射率NIR(b)和紅外波段亮溫IR(c,單位:K))緯向平均分布的對比(藍(lán)色實(shí)線代表FY-4A,紅色實(shí)線代表MODIS,下同)Fig.2 Comparison of zonal observation values of(a)VL,(b)NIR and(c)IR(unit:K)channels between FY-4A and MODIS(Blue solid line denotes FY-4A,red solid line denotes MODIS,the same below)

2.3 統(tǒng)計特征分析

選取圖1中FY-4A和MODIS衛(wèi)星各531 321個有效樣本進(jìn)行統(tǒng)計分析，表1給出FY-4A與MODIS衛(wèi)星三個波段的原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征，從中可見：(1)FY-4A可見光波段平均反射率為0.474，MODIS為0.548，二者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.91，平均偏差為-0.07，F(xiàn)Y-4A可見光波段反射率總體上小于MODIS。(2)FY-4A近紅外波段平均反射率為0.183，比MODIS均值0.131偏大近40%，平均偏差為0.05，相關(guān)系數(shù)僅為0.42。(3)FY-4A紅外波段平均亮溫為243.1 K，MODIS為239.5 K，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.93、線性擬合斜率為0.979，平均偏差為3.70 K，F(xiàn)Y-4A觀測的紅外波段亮溫略偏高。

表1 FY-4A與MODIS衛(wèi)星三個波段的物理量統(tǒng)計Table1 Statistical characteristics of FY-4A and MODIS satellite channel data

通過對較大樣本、多種云型的綜合統(tǒng)計顯示，F(xiàn)Y-4A與MODIS衛(wèi)星對比的三個波段中，紅外波段亮溫相關(guān)性最高且線性擬合斜率接近1，與崔林麗等(2020)結(jié)果一致；可見光波段反射率相關(guān)性與紅外波段相當(dāng)，但線性擬合斜率為0.739，說明二者分布趨勢吻合、但定量上存在差異；而近紅外波段反射率相關(guān)性一般，線性擬合斜率僅為0.357，差異明顯。

圖3所示的FY-4A與MODIS可見光波段反射率、近紅外波段反射率和紅外波段亮溫的概率密度函數(shù)(PDF)也驗(yàn)證了如上結(jié)論。在可見光反射率低值區(qū)，F(xiàn)Y-4A與MODIS的占比較為一致；在可見光反射率高值區(qū)，F(xiàn)Y-4A占比偏小，MODIS可見光反射率區(qū)間分布更廣、高值區(qū)占比更大(圖3a)，這表明MODIS觀測的可見光通道反射率總體大于FY-4A的觀測結(jié)果。圖3b中FY-4A與MODIS的近紅外波段反射率PDF變化趨勢較為一致、均為單峰分布，但錯位明顯，在反射率大值區(qū)間內(nèi)，F(xiàn)Y-4A占比更大，說明FY-4A觀測的近紅外通道反射率整體偏大。圖3c中FY-4A與MODIS的PDF分布基本吻合，無論是亮溫分布區(qū)間還是峰值位置都基本一致，僅MODIS的紅外波段亮溫在低溫區(qū)占比略偏多、高溫區(qū)略偏少，整體上低于FY-4A的結(jié)果。

圖3 FY-4A與MODIS可見光波段反射率VL(a)、近紅外波段反射率NIR(b)和紅外波段亮溫IR(c,單位:K)的概率密度函數(shù)(PDF)Fig.3 Probability density function(PDF)of(a)VL,(b)NIR and(c)IR(unit:K)channels for both FY-4A and MODIS

3 衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)的偏差原因分析

不同衛(wèi)星光譜響應(yīng)函數(shù)的差異能造成衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)的差異(張勇等，2011)。此外，不同衛(wèi)星觀測角度的不同也會對原始數(shù)據(jù)的差異造成影響。因此，本節(jié)分別從光譜響應(yīng)函數(shù)的差異和衛(wèi)星觀測角度的差異兩個方面來分析FY-4A和MODIS兩類衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)的偏差原因。

3.1 光譜響應(yīng)函數(shù)的差異性

圖4給出FY-4A和MODIS衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)可見光、近紅外和紅外波段光譜響應(yīng)函數(shù)，可以看出，相比MODIS的窄光譜，F(xiàn)Y-4A的波段普遍較寬。兩顆衛(wèi)星在三個通道的中心波段位置上均存在一定的偏移，尤其是圖4b近紅外波段，F(xiàn)Y-4A可見光波段(圖4a)的光譜響應(yīng)函數(shù)呈雙峰結(jié)構(gòu)、正態(tài)特征不顯著。相比而言，二者紅外波段的光譜響應(yīng)函數(shù)差異較小(圖4c)。光譜響應(yīng)函數(shù)的差異一定程度上造成FY-4A和MODIS觀測的原始數(shù)據(jù)不同，光譜響應(yīng)函數(shù)差異最明顯的近紅外波段，原始數(shù)據(jù)偏差最為顯著。

圖4 FY-4A與MODIS衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)可見光(a)、近紅外(b)和紅外(c)波段的光譜響應(yīng)函數(shù)Fig.4 Spectral response function for(a)visible band,(b)near-infrared band and(c)infrared band in FY-4A(black line)and MODIS(red line)

3.2 衛(wèi)星觀測角度的差異性

影響觀測到的反射輻射值的幾何角度包括太陽天頂角、衛(wèi)星天頂角以及太陽和衛(wèi)星之間的相對方位角(以下簡稱相對方位角)，對于同一時間同一位置的分析對象來說，太陽天頂角是固定的，不同的是FY-4A和MODIS兩顆衛(wèi)星由于在軌位置差異所產(chǎn)生的不同衛(wèi)星觀測角度。SBDART輻射傳輸模式的敏感性試驗(yàn)表明(陳英英，2007)，相對方位角對可見光波段反射函數(shù)影響較小，而衛(wèi)星天頂角則存在一定影響，表現(xiàn)在：當(dāng)衛(wèi)星天頂角大于60°時，可見光波段反射函數(shù)對衛(wèi)星天頂角比較敏感；當(dāng)衛(wèi)星天頂角小于60°時則不敏感。

圖5給出FY-4A和MODIS衛(wèi)星天頂角的平面分布，可以看出FY-4A與MODIS衛(wèi)星的衛(wèi)星天頂角的分布區(qū)間分別為34°~40°和27°~57°，最大值均小于60°，依據(jù)陳英英(2007)的研究可知，兩種衛(wèi)星的衛(wèi)星天頂角對可見光波段反射率的影響均較小。因此，盡管兩種衛(wèi)星天頂角的空間分布存在差異，但是這種差異對可見光波段反射率影響并不大，故兩類衛(wèi)星的衛(wèi)星天頂角空間分布差異引起的原始數(shù)據(jù)的偏差可以忽略不計。

圖5 FY-4A(a)與MODIS(b)衛(wèi)星天頂角的空間分布Fig.5 Comparison of(a)FY-4A and(b)MODIS satellite zenith angle

4 衛(wèi)星云參數(shù)的對比分析

衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)是云參數(shù)反演的基礎(chǔ)，而云參數(shù)則在云和降水分析中具有更明確的物理意義，可建立與降水的定量估算關(guān)系。因此，在兩類衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)的對比分析及偏差原因分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步從平面分布特征、緯向平均分布特征和統(tǒng)計分析特征三個方面對FY-4A和MODIS衛(wèi)星產(chǎn)品云參數(shù)(COT、CER和CTT)進(jìn)行對比分析。

4.1 平面分布特征對比

2020年6月27日03∶38 FY-4A反演的COT、CER和CTT與03∶40 MODIS相應(yīng)產(chǎn)品的平面分布如圖6所示。總體來看，F(xiàn)Y-4A與MODIS反演的COT和CER兩個參數(shù)分布模態(tài)相同，高低值中心基本吻合，但定量差異較大，與圖1反映的特征一致。與MODIS相比，F(xiàn)Y-4A反演的鄂西南地區(qū)COT結(jié)果明顯小于MODIS(圖6a、d)；對于CER產(chǎn)品，F(xiàn)Y-4A的反演結(jié)果與MODIS相比，小值偏大、大值偏小，表現(xiàn)為CER分布區(qū)間較窄(圖6b、e)，這也解釋了表2中兩顆衛(wèi)星CER的均值接近但相關(guān)系數(shù)不高的原因。圖6c、f的CTT對比特征則顯示，CTT低值區(qū)十分匹配，但對于CTT較高的區(qū)域，二者則在云區(qū)判識、CTT定量反演上存在較大差異，其中圖片的右下角區(qū)域二者甚至呈反相，對比分析圖1c、f，可認(rèn)為該區(qū)域是MODIS的反演出現(xiàn)偏差。

圖6 2020年6月27日03∶38 FY-4A(a、b、c)與03∶40 MODIS(d、e、f)云參數(shù)產(chǎn)品COT(a、d)、CER(b、e,單位:μm)和CTT(c、f,單位:K)的平面分布(白色虛線分別為30°N和31°N，即緯向平均所選取的緯度范圍)Fig.6 Distribution of(a,d)COT,(b,e)CER(unit:μm)and(c,f)CTT(unit:K)retrieval cloud products of(a,b,c)FY-4A at 03∶38 UTC and(d,e,f)MODIS at 03∶40 UTC on 27 June 2020(white dotted lines denote 30°N and 31°N,namely the latitude range selected by the zonal mean)

4.2 緯向平均分布特征對比

云參數(shù)反演算法由于采用的是對應(yīng)幾何角度條件下的輻射值進(jìn)行推算，因此衛(wèi)星天頂角所帶來的影響可剔除，二者的差異主要是由光譜響應(yīng)函數(shù)所帶來的原始數(shù)據(jù)的差異及反演算法的差異所組成。選取與圖2相同的緯度范圍做緯向平均，得到圖7的FY-4A與MODIS云參數(shù)云COT、CER和CTT的緯向平均分布曲線。

從圖7a可以看出，對于COT值較小的像元，二者反演結(jié)果基本一致，對于COT較大的像元，F(xiàn)Y-4A的反演結(jié)果明顯小于MODIS，且偏差幅度與COT的大小呈正相關(guān)。與圖2a對比發(fā)現(xiàn)，兩顆衛(wèi)星反演計算后的COT差值要大于可見光波段原始數(shù)據(jù)的差值，這一方面是COT對可見光波段反射率的影響為非線性關(guān)系的原因，另一方面是反演算法中冰云粒子譜分布的選擇、冰云相函數(shù)的準(zhǔn)確計算等都會帶來影響(劉健，2015)。從圖7b可以看出，F(xiàn)Y-4A反演的CER大值偏小、小值偏大，針對不同云型，CER整體變幅為15.76~30.64μm，小于MODIS 12.51~38.32μm的變幅，由于CER與近紅外波段反射率呈負(fù)相關(guān)，F(xiàn)Y-4A反演的CER大值偏小的原因是由近紅外波段原始數(shù)據(jù)偏大而引起，但對于114.5°E以東的區(qū)域，對比圖2b可以看出，在原始數(shù)據(jù)差異不大的情況下，F(xiàn)Y-4A反演的CER小值偏大，可能是受衛(wèi)星天頂角訂正的影響。圖7c中CTT曲線的分布特征與圖2c紅外波段亮溫基本一致，主要差異體現(xiàn)在MODIS的CTT曲線在115.2°E附近存在一個明顯的谷值，幅度大于紅外波段的原始數(shù)據(jù)所帶來的偏差。

圖7 FY-4A與MODIS云參數(shù)COT(a)、CER(b,單位:μm)和CTT(c,單位:K)的緯向平均分布Fig.7 Zonal means of(a)COT，(b)CER(unit:μm)and(c)CTT(unit:K)of both FY-4A and MODIS retrieval product

4.3 云參數(shù)統(tǒng)計特征分析

表2給出了FY-4A與MODIS衛(wèi)星產(chǎn)品的三種云參數(shù)統(tǒng)計特征(從圖6中可見，MODIS反演的COT、CER產(chǎn)品與CTT產(chǎn)品的有效像素數(shù)量不同，引起樣本數(shù)不同)，主要結(jié)論為：(1)FY-4A反演的COT均值為20.9，小于MODIS的COT均值28.7，二者平均偏差為-7.7，相關(guān)系數(shù)為0.83，說明二者趨勢吻合、僅在定量數(shù)值上存在一定差異，尤其是云頂相態(tài)為固態(tài)的像素，應(yīng)建立更符合冰云模態(tài)的正演查算表(劉健，2015)。(2)FY-4A反演的CER均值為27.0μm，略低于MODIS的CER均值28.2μm，偏差僅-1.7μm，但相關(guān)性較差(相關(guān)系數(shù)為0.68)，并且FY-4A反演的CER的區(qū)間分布較窄。(3)FY-4A反演的CTT均值為238.2 K，大于MODIS的CTT均值229.4 K，二者平均偏差為9.8 K，相關(guān)系數(shù)為0.73，明顯低于紅外波段原始數(shù)據(jù)的相關(guān)性，線性擬合斜率為0.789。部分像素CTT偏差較大，F(xiàn)Y-4A反演更具優(yōu)勢，多為低云樣本或云與晴空的分界。

表2 FY-4A與MODIS衛(wèi)星產(chǎn)品的三種云參數(shù)統(tǒng)計特征Table 2 Statistical characteristics of three cloud parameters of FY-4A and MODIS satellite products

圖8給出了COT、CER和CTT的概率密度函數(shù)，驗(yàn)證了如上結(jié)論。圖8a中在COT小值區(qū)，F(xiàn)Y-4A與MODIS一致，在COT＞60的區(qū)間，F(xiàn)Y-4A占比幾乎為0，MODIS反演的COT值分布更廣、在COT＞60的區(qū)間仍有一定占比、直至150(上限)，因此在利用COT這一參數(shù)定量分析深厚降水云系的云特征時應(yīng)注意FY-4A與MODIS產(chǎn)品的差異。圖8b中CER的PDF曲線均呈較為對稱的單峰分布，但MODIS在小值區(qū)和大值區(qū)均有延展，其CER區(qū)間分布為6~56μm，明顯寬于FY-4A的12~40μm的區(qū)間，且MODIS曲線PDF峰值右移，峰值所在的CER值為34μm，大于FY-4A所對應(yīng)的28μm。圖8c中CTT的PDF曲線特征與紅外波段亮溫的PDF分布(圖3c)基本一致，表現(xiàn)為MODIS的CTT在低溫區(qū)占比略偏多、高溫區(qū)略偏少，但差異幅度比MODIS紅外波段亮溫的PDF(圖3c)要大，這主要因?yàn)槭荕ODIS對低云的CTT反演出現(xiàn)偏差的緣故。

圖8 FY-4A與MODIS云參數(shù)產(chǎn)品COT(a)、CER(b)和CTT(c)的概率密度函數(shù)Fig.8 Probability density function of FY-4A and MODIS retrieval cloud products(a)COT,(b)CER,and(c)CTT

5 不同雨強(qiáng)條件下的云參數(shù)精度比較

研究表明，云參數(shù)與降水關(guān)系密切(桂海林，2019)，不僅定性上與降水概率存在較好的相關(guān)性，還可以明顯提高小時雨量的估計精度。此外，微波亮溫的模擬計算(顧成明等，2016)、WRF模式云參數(shù)化方案的設(shè)計(曹蓓等，2019)等也都需要云參數(shù)的定量觀測真值。為了更好的利用FY-4A衛(wèi)星反演的云參數(shù)建立遙感定量降水估算模型，改進(jìn)模式參數(shù)化方案，在分析FY-4A與MODIS衛(wèi)星云參數(shù)的差異基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分類對比研究十分必要。

按照雨強(qiáng)(RI)大小分級開展FY-4A與MODIS衛(wèi)星反演云參數(shù)的對比分析，根據(jù)湖北地面站觀測的降水資料，按照不同等級的雨強(qiáng)將降水云系進(jìn)行分類統(tǒng)計。選取與各個氣象站最為鄰近的衛(wèi)星像元，按雨強(qiáng)分級統(tǒng)計了分FY-4A與MODIS衛(wèi)星反演的云參數(shù)的偏差及相關(guān)性，如表3所示。從表3可以看出，對于降水云，各個雨強(qiáng)區(qū)間都有足量樣本，隨著RI的增大，樣本數(shù)減少、三個參數(shù)的相關(guān)系數(shù)也總體呈減少趨勢。其中COT和CTT的相關(guān)系數(shù)較高，在RI＜50 mm·h-1的四個區(qū)間，CORR均大于0.5，CER的相關(guān)性略差。從不同參數(shù)來看，F(xiàn)Y-4A反演的COT普遍小于MODIS的結(jié)果，且在[0，50]mm·h-1的雨強(qiáng)區(qū)間，COT的差值隨雨強(qiáng)的增大而增大，其中在[20，50)mm·h-1的雨強(qiáng)區(qū)間，COT的平均偏差達(dá)到57.1；而對于雨強(qiáng)[50，100)mm·h-1的降水區(qū)間，二者之間的差值未進(jìn)一步增加。FY-4A反演的CER同樣小于MODIS的結(jié)果，偏差也在雨強(qiáng)為[20，50)mm·h-1的區(qū)間達(dá)到最大，而FY-4A反演的CTT大于MODIS的結(jié)果，與COT、CER不同的是，CTT的差值在雨強(qiáng)[0，1)mm·h-1的區(qū)間中最大，隨著雨強(qiáng)的增加持續(xù)遞減，在[50，100)mm·h-1的雨強(qiáng)區(qū)間中，二者的平均偏差僅為0.4 K。

表3 不同雨強(qiáng)條件下FY-4A與MODIS衛(wèi)星反演的云參數(shù)的偏差及相關(guān)性Table 3 The deviation and correlation of cloud parameters retrieved by FY-4A and MODIS satellite under different rain intensities

6 結(jié)論與討論

通過對比分析2020年6月27日湖北宜昌城區(qū)一次極端暴雨過程近同時次的FY-4A與MODIS衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)及云參數(shù)(COT、CER、CTT)，評估了FY-4A衛(wèi)星云參數(shù)產(chǎn)品的精度及其在不同雨強(qiáng)條件下的適用性和可靠性，初步得到以下結(jié)論：

(1)FY-4A可見光波段反射率總體上小于MODIS，二者的相關(guān)系數(shù)為0.91，平均偏差為-0.07，說明二者分布趨勢吻合、但存在定量差異；FY-4A近紅外波段反射率比MODIS偏大近40%，平均偏差為0.05，相關(guān)系數(shù)僅為0.42；FY-4A紅外波段亮溫略高于MODIS，平均偏差為3.70 K，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.93、線性擬合斜率為0.979。衛(wèi)星原始原始數(shù)據(jù)的偏差原因分析發(fā)現(xiàn)光譜響應(yīng)函數(shù)的差異一定程度上造成FY-4A和MODIS觀測的原始數(shù)據(jù)不同，這種差異最明顯的是近紅外波段；盡管兩種衛(wèi)星天頂角的空間分布存在差異，但是這種差異對可見光波段反射率影響并不大，因此兩類衛(wèi)星的衛(wèi)星天頂角空間分布差異引起的原始數(shù)據(jù)的偏差可以忽略不計。

(2)FY-4A反演的COT均值為20.9，小于MODIS的COT均值28.7，二者平均偏差為-7.7，相關(guān)系數(shù)為0.83，說明二者趨勢吻合、僅在定量數(shù)值上存在一定差異；FY-4A反演的CER均值為27.0μm，略低于MODIS的CER均值28.1μm，偏差僅-1.7μm，相關(guān)系數(shù)為0.68；FY-4A反演的CTT均值為238.2 K，大于MODIS的CTT均值229.4 K，二者平均偏差為9.8 K，相關(guān)系數(shù)為0.73，線性擬合斜率為0.789，F(xiàn)Y-4A反演更具優(yōu)勢。

(3)對不同雨強(qiáng)的云參數(shù)反演精度而言，F(xiàn)Y-4A反演的COT普遍小于MODIS的結(jié)果，在[0，50]mm·h-1的雨強(qiáng)區(qū)間，COT的差值隨雨強(qiáng)增大而增大，其中在[20，50)mm·h-1的雨強(qiáng)區(qū)間，COT平均偏差達(dá)57.1；而對于[50，100)mm·h-1的雨強(qiáng)區(qū)間，二者之間的差值未進(jìn)一步增加。FY-4A反演的CER同樣小于MODIS的結(jié)果，偏差差值也在雨強(qiáng)為[20，50)mm·h-1時達(dá)到最大。FY-4A反演的CTT大于MODIS的結(jié)果，在雨強(qiáng)[0，1)mm·h-1的區(qū)間最大，隨著雨強(qiáng)的增加持續(xù)遞減，在[50，100)mm·h-1的雨強(qiáng)條件下，二者平均偏差僅為0.4 K。

引起衛(wèi)星反演偏差的原因有很多，除了因光譜響應(yīng)函數(shù)不同而導(dǎo)致的衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)差異外，F(xiàn)Y-4A與MODIS觀測的視角差異、反演算法的不同(包括對薄云、冰云的處理等)和不同儀器空間分辨率的插值計算方法、兩顆衛(wèi)星觀測時間上的不完全匹配等也有可能對二者的相關(guān)性產(chǎn)生影響。但較大樣本的統(tǒng)計分析，仍能在一定程度上反映FY-4A與MODIS衛(wèi)星在原始數(shù)據(jù)及反演產(chǎn)品對比方面的普遍特性，可為建立衛(wèi)星參數(shù)化閾值指標(biāo)、數(shù)值模式資料同化和衛(wèi)星資料融合應(yīng)用等研究提供參考。