王素娟 崔 鵬 張 鵬 楊忠東 胡秀清 冉茂農(nóng) 劉 健 林曼筠 邱 紅

1)(國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081) 2)(北京華云星地通科技有限公司，北京 100081)

引 言

風(fēng)云三號(hào)(FY-3)系列是中國(guó)第2代太陽(yáng)同步氣象衛(wèi)星，F(xiàn)Y-3A和FY-3B是FY-3(01)批的兩顆試驗(yàn)星，分別發(fā)射于2008年5月27日和2010年11月5日[1]。FY-3C于2013年9月23日發(fā)射，是FY-3(02)批的首顆業(yè)務(wù)星。經(jīng)過(guò)在軌測(cè)試后，于2014年5月正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。FY-3C可見(jiàn)光紅外掃描輻射計(jì)(visible and infrared radiometer,VIRR)光譜范圍為0.43～12.5 μm，有10個(gè)通道，星下點(diǎn)水平分辨率為1.1 km，掃描范圍為±55.4°[2]，其分裂窗通道(10.3～11.3 μm，11.5～12.5 μm)和中紅外通道(3.55～3.93 μm)可用于估計(jì)海表溫度(sea surface temperature，SST，以下簡(jiǎn)稱海溫)。

美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局(NOAA)首個(gè)業(yè)務(wù)AVHRR(advanced very high resolution radiometer)海溫算法采用多通道海溫算法(multichannel SST，MCSST)[3]，之后白天采用分裂窗非線性海溫算法(nonlinear SST，NLSST)[4]，夜間采用分裂窗和中紅外通道的三通道NLSST算法[5]。GEOS(geostationary operational environmental satellite)-8/9海溫采用添加了分裂窗亮溫差二次項(xiàng)的MCSST算法[6]。隨著儀器通道性能的提高，水汽窗區(qū)通道也與分裂窗、中紅外通道一起用于紅外海溫的反演[7]。

FY-3C/VIRR海溫產(chǎn)品算法[8]是在FY-3A和FY-3B的VIRR海溫算法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，F(xiàn)Y-3A/VIRR海溫產(chǎn)品采用分緯度帶的白天多通道海溫MCSST反演算法[9]，分緯度帶的回歸系數(shù)易造成緯度帶相鄰處反演海溫分布的不連續(xù)。FY-3B/VIRR開(kāi)展多海溫算法回歸建模[10]，采用與歐美海溫產(chǎn)品一致的、全球統(tǒng)一的、區(qū)分白天和夜間的回歸系數(shù)[5,7,11]，首次開(kāi)展夜間海溫的反演。從FY-3C/VIRR海溫產(chǎn)品開(kāi)始，設(shè)計(jì)逐像元的海溫質(zhì)量標(biāo)識(shí)。存檔海溫產(chǎn)品由FY-3(01)批(包括FY-3A和FY-3B)全球1 km等經(jīng)緯度10°×10°分塊改為原始投影5 min段海溫產(chǎn)品和全球5 km等經(jīng)緯度投影的日、旬、月產(chǎn)品[12]。FY-3/VIRR海溫產(chǎn)品的精度高度依賴于VIRR儀器性能、星上運(yùn)行狀態(tài)及其定位和定標(biāo)精度，且由于衛(wèi)星輻射測(cè)量誤差、反演算法誤差、地氣系統(tǒng)輻射相互影響的存在，導(dǎo)致反演產(chǎn)品總是存在誤差[13]。本文通過(guò)海溫算法精度評(píng)估和海溫質(zhì)量檢驗(yàn)比對(duì)分析海溫產(chǎn)品的精度，并從一級(jí)數(shù)據(jù)質(zhì)量、定位、業(yè)務(wù)運(yùn)行狀況等方面討論引起海溫產(chǎn)品異常的原因，為FY-3C/VIRR歷史數(shù)據(jù)重處理及海溫產(chǎn)品用戶應(yīng)用提供參考信息。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 遙感數(shù)據(jù)

選用2015—2019年FY-3C/VIRR L1B、云檢測(cè)和海溫產(chǎn)品數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，其中L1B來(lái)自國(guó)家衛(wèi)星氣象中心FY-3(02)批地面應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)(Data PreProcessing System，DPPS)，按5 min 段存放，每個(gè)5 min段L1B數(shù)據(jù)包含1000 M和GEO兩個(gè)數(shù)據(jù)文件；云檢測(cè)和海溫產(chǎn)品來(lái)自產(chǎn)品生成系統(tǒng)(Product Generation System，PGS)，原始投影海溫以5 min段HDF5格式存儲(chǔ)，星下點(diǎn)空間分辨率為1.1 km(在生成5 min段海溫產(chǎn)品時(shí)，根據(jù)PGS系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)定，不含經(jīng)緯度信息，用戶在使用時(shí)需從L1B GEO數(shù)據(jù)文件中獲取經(jīng)緯度信息)；日合成海溫產(chǎn)品為全球等經(jīng)緯度投影，空間分辨率為5 km，HDF5格式存儲(chǔ)。

1.2 觀測(cè)海溫

觀測(cè)海溫?cái)?shù)據(jù)選用2015—2019年的iQUAM[14]，來(lái)自NOAA衛(wèi)星應(yīng)用研究中心(NOAA/STAR)，以月為單位，netCDF格式存儲(chǔ)，內(nèi)含漂流浮標(biāo)、錨定浮標(biāo)、船舶海溫及其經(jīng)緯度、質(zhì)量標(biāo)識(shí)等信息，用于FY-3C/VIRR 海溫匹配數(shù)據(jù)集(matchup database，MDB)的建立。其中高精度漂流浮標(biāo)和錨定浮標(biāo)用于海溫回歸系數(shù)的計(jì)算和反演海溫的質(zhì)量檢驗(yàn)。

1.3 分析海溫

2015—2019年的日最優(yōu)插值海溫OISST[15](optimum interpolation SST，也稱作Reynolds SST)用于FY-3C/VIRR海溫產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)。該海溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)自NOAA國(guó)家氣候中心(NOAA/NCDC)，是利用船舶、浮標(biāo)海溫和經(jīng)過(guò)大尺度偏差訂正的AVHRR衛(wèi)星反演海溫，采用最優(yōu)插值處理得到的分析海溫產(chǎn)品，分辨率為0.25°×0.25°，netCDF格式存儲(chǔ)，是水體海溫(bulk SST)。

1982—2011年(30年)月平均海溫來(lái)自NOAA地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室(NOAA/ESRL)，分辨率為1°×1°，用于FY-3C/VIRR海溫質(zhì)量控制。

2 產(chǎn)品算法

2.1 海溫回歸算法

回歸系數(shù)的計(jì)算有兩種方法。一種是利用輻射傳輸模式和大氣垂直廓線模擬亮溫，采用模擬的亮溫和輻射計(jì)測(cè)得的大氣層底部溫度進(jìn)行回歸計(jì)算。該方法對(duì)衛(wèi)星儀器光譜特性要求高，且假定輻射計(jì)觀測(cè)準(zhǔn)確代表大氣狀態(tài)，然而輻射計(jì)只能測(cè)大氣溫度和水汽，其他因子無(wú)法測(cè)得[16]。另一種是從匹配數(shù)據(jù)集中的衛(wèi)星觀測(cè)亮溫與觀測(cè)海溫回歸計(jì)算得到，如美國(guó)航空航天局(NASA)的PFSST(pathfinder SST)[16]和NOAA的ACSPO(advanced clear sky processor for ocean)[17]。風(fēng)云衛(wèi)星海溫采用第2種方法。

2.1.1 海溫回歸模型

FY-3C/VIRR海溫所用的回歸模型共5個(gè)公式，其中式(1)～式(3)白天夜間均適用，式(4)～式(5)因涉及3.7 μm通道，而該通道白天受太陽(yáng)反射和散射的影響，所以僅適用于夜間海溫反演。

海溫算法公式如下：

TS=a0+a1T11+a2(T11-T12)+

a3(T11-T12)(secθ-1),

(1)

TS=a0+a1T11+a2(T11-T12)+

a3(T11-T12)2+a4(secθ-1),

(2)

TS=a0+a1T11+a2TFG(T11-T12)+

a3(T11-T12)(secθ-1),

(3)

TS=a0+a1T11+a1T4+a3T12+a4(T4-

T12)(secθ-1)+a5(secθ-1),

(4)

TS=a0+a1T11+a2TFG(T4-T11)+

a3(secθ-1)。

(5)

其中，TS表示反演海溫，T4，T11，T12分別表示3.7 μm，10.8 μm，12 μm通道亮溫，a0～a5表示回歸系數(shù)，θ表示衛(wèi)星天頂角,TFG表示第一猜測(cè)海溫。式(1)為MCSST[3]，式(3)為NLSST[4]。

為了便于后續(xù)分析，為式(2)、(4)和(5)自定義對(duì)應(yīng)名稱。其中，式(2)為QDSST(split-window quadratic term multichannel SST)，式(4)為TCSST(triple-window multichannel SST)，式(5)為DNSST(dual-window nonlinear SST)。在下文的引用中，海溫算法的前兩個(gè)字母為算法縮寫，算法縮寫后面N表示夜間算法，D表示白天算法。

2.1.2 海溫匹配數(shù)據(jù)集及回歸系數(shù)

以5 min段FY-3C/VIRR LIB數(shù)據(jù)、云檢測(cè)產(chǎn)品和觀測(cè)海溫?cái)?shù)據(jù)為輸入，按空間3 km、時(shí)間1 h的窗口進(jìn)行匹配，滿足晴空海洋及匹配條件的像元為一個(gè)匹配樣本，記錄衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間、經(jīng)緯度、分裂窗亮溫、太陽(yáng)天頂角、衛(wèi)星天頂角以及浮標(biāo)觀測(cè)時(shí)間、經(jīng)緯度、浮標(biāo)類型等信息，建立2015—2019全球逐月FY-3C/VIRR海溫匹配數(shù)據(jù)集。為了從GTS(Global Telecommunication System)搜集更多的觀測(cè)海溫，F(xiàn)Y-3C PGS系統(tǒng)滯后20 d進(jìn)行海溫匹配。

在海溫匹配數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上進(jìn)一步挑選用于回歸計(jì)算的樣本，空間窗口為1.1 km，時(shí)間窗口為1 h。因?yàn)槌嗟栏浇捎闷鞲?biāo)極少，為了提高匹配樣本的覆蓋范圍，還選擇了20°S～20°N的錨定浮標(biāo)匹配樣本，其他區(qū)域只選擇漂流浮標(biāo)的匹配樣本。根據(jù)太陽(yáng)天頂角區(qū)分白天和夜間，對(duì)回歸模型進(jìn)行最小二乘回歸，得到第一猜測(cè)回歸系數(shù)。剔除誤差大于二倍標(biāo)準(zhǔn)差的樣本后，再次進(jìn)行最小二乘回歸，得到海溫回歸系數(shù)。

2.1.3 海溫算法精度評(píng)估

圖1為基于逐月匹配數(shù)據(jù)集的FY-3C/VIRR 海溫多算法精度評(píng)估曲線，其中圖1a為白天3種算法反演海溫與浮標(biāo)海溫的均方根誤差曲線，圖1b為夜間5種算法反演海溫與浮標(biāo)海溫的均方根誤差曲線，圖1c為白天反演海溫與浮標(biāo)海溫決定系數(shù)(相關(guān)系數(shù)的平方)，圖1d為夜間反演海溫與浮標(biāo)海溫決定系數(shù)。由圖1a和圖1c可以看到，白天NL_D算法最優(yōu)。由圖1b和圖1d可以看到，3.7 μm通道參與的TC_N與DN_N算法季節(jié)性波動(dòng)明顯，夏季誤差很大，尤其是DN_N算法，系3.7 μm通道夜間在太陽(yáng)天頂角85°～118°之間存在太陽(yáng)污染[18]所致，2016年11月業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行太陽(yáng)污染修正，由圖1b和圖1d也可以看到，2017年夏季DN_N算法精度明顯改善，但2018年夏季出現(xiàn)明顯的反彈。夜間的最優(yōu)算法為NL_N。因此，F(xiàn)Y-3C/VIRR海溫反演重處理算法采用白天NL_D，夜間NL_N。

圖1 2015—2019年FY-3C/VIRR SST算法反演海溫與觀測(cè)海溫的均方根誤差和決定系數(shù)(a)白天海溫與浮標(biāo)海溫的均方根誤差，(b)夜間海溫與浮標(biāo)海溫的均方根誤差，(c)白天海溫與浮標(biāo)海溫決定系數(shù)，(d)夜間海溫與浮標(biāo)海溫決定系數(shù)

2.2 海溫反演算法

FY-3C/VIRR海溫產(chǎn)品以5 min段FY-3C/VIRR LIB數(shù)據(jù)、云檢測(cè)產(chǎn)品和30年月平均海溫?cái)?shù)據(jù)為輸入，采用MCSST算法，每日生成約288個(gè)5 min 段海溫產(chǎn)品文件。由于云檢測(cè)產(chǎn)品存在云漏判現(xiàn)象，尤其是夜間，會(huì)帶來(lái)較大的負(fù)偏差。因此開(kāi)展如下4類檢驗(yàn)進(jìn)行質(zhì)量控制，并為每個(gè)像元賦予一個(gè)質(zhì)量標(biāo)識(shí)：①衛(wèi)星天頂角閾值檢驗(yàn)。衛(wèi)星天頂角50°以內(nèi)的像元為優(yōu),其他為良。②空間一致性檢驗(yàn)。構(gòu)建3×3數(shù)據(jù)塊，分別統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)塊內(nèi)晴空像元的分裂窗亮溫的標(biāo)準(zhǔn)差，大于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的像元視為云像元。分別統(tǒng)計(jì)3×3數(shù)據(jù)塊內(nèi)晴空像元的分裂窗通道的亮溫差，當(dāng)11 μm 和12 μm亮溫最大與最小值之差不大于1℃時(shí)，質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)；當(dāng)11 μm 和12 μm亮溫最大與最小值之差不大于2℃時(shí)，質(zhì)量等級(jí)為良；其他為差。③氣候閾值檢驗(yàn)。以30年月平均海溫作為參考海溫，進(jìn)行氣候閾值檢驗(yàn)，超過(guò)氣候閾值的像元視為缺省值(為了應(yīng)對(duì)云漏判和定位異常，該閾值設(shè)為5℃，這會(huì)造成對(duì)極端氣候變化不敏感，如極區(qū)海溫異常增溫有時(shí)超過(guò)5℃)。當(dāng)反演海溫和氣候海溫的絕對(duì)溫差在T1以內(nèi)時(shí)質(zhì)量為優(yōu)，絕對(duì)溫差在T2以內(nèi)為良，其他為差。其中，T1，T2為經(jīng)驗(yàn)閾值(如T1為2℃，T2為3℃)。④反演海溫有效值域檢驗(yàn)。當(dāng)反演海溫與11 μm通道亮溫的絕對(duì)溫差大于10℃時(shí)，視為云像元或無(wú)效值；當(dāng)反演海溫小于-2℃時(shí)，視為云像元。

2.3 海溫日合成算法

在每日約288個(gè)5 min段海溫產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，根據(jù)白天、夜間標(biāo)識(shí)，分別將星下點(diǎn)1.1 km的原始海溫產(chǎn)品投影轉(zhuǎn)換為白天和夜間全球1 km等經(jīng)緯度投影中間數(shù)據(jù)。在1 km分辨率的全球投影中間數(shù)據(jù)中，構(gòu)建5×5的數(shù)據(jù)塊，采用質(zhì)量?jī)?yōu)先的原則，將1 km分辨率的等經(jīng)緯度投影降分辨率至全球5 km 的等經(jīng)緯度投影，分白天、夜間存放，并進(jìn)行逐像元的質(zhì)量控制。質(zhì)量?jī)?yōu)先的原則：在5×5的數(shù)據(jù)塊中，有質(zhì)量為優(yōu)的像元，則優(yōu)的像元求平均，賦予優(yōu)的質(zhì)量等級(jí)；沒(méi)有優(yōu)的像元，則質(zhì)量為良的像元求平均，賦予良的質(zhì)量等級(jí)；沒(méi)有良的像元，則差的像元求平均，賦予差的質(zhì)量等級(jí)；沒(méi)有差的像元，則賦為缺省值(云或丟線等)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行如下3類檢驗(yàn)質(zhì)量控制，為每個(gè)像元賦予一個(gè)質(zhì)量標(biāo)識(shí)：①海溫有效值域檢驗(yàn)。海溫有效值設(shè)為-2℃～35℃，如果SST小于-2℃，則賦為缺省值；如果SST大于35℃，則賦值為35℃。②衛(wèi)星天頂角閾值檢驗(yàn)。衛(wèi)星天頂角不大于50°的像元，設(shè)為最優(yōu)；其他像元設(shè)為良。③氣候閾值檢驗(yàn)。反演海溫與30年月平均海溫絕對(duì)溫差T1以內(nèi)為優(yōu)，絕對(duì)溫差T2以內(nèi)為良，絕對(duì)溫差5℃以內(nèi)為差，否則賦缺省值。其中T1，T2為經(jīng)驗(yàn)閾值(如T1為2℃，T2為3℃)。

3 質(zhì)量檢驗(yàn)

3.1 質(zhì)量檢驗(yàn)方法

由于海溫分析場(chǎng)具有時(shí)效性好、全球覆蓋的優(yōu)點(diǎn)，常用來(lái)作為衛(wèi)星反演海溫的檢驗(yàn)源數(shù)據(jù)[19-20]。美國(guó)NOAA/STAR的基于Web的準(zhǔn)實(shí)時(shí)海溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)SQUAM(SST quality monitor)[21](http:∥www.star.nesdis.noaa.gov/sod/sst/squam/)實(shí)現(xiàn)了基于多種海溫分析場(chǎng)的多級(jí)海溫產(chǎn)品的準(zhǔn)實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)測(cè)。EUMETSAT的METIS(monitoring & evaluation of thematic information from space，http:∥metis.eumetsat.int/sst/index.html)實(shí)現(xiàn)了基于OSTIA(operational sea surface temperature and sea ice analysis)[22]的歐洲海溫產(chǎn)品的準(zhǔn)實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)測(cè)?；谌兆顑?yōu)插值OISST(下稱OISST)的FY-3C/VIRR海溫質(zhì)量檢驗(yàn)方法如下。

3.1.1 FY-3C/VIRR 5 min段海溫產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)方法

選取OISST作為FY-3C/VIRR 5 min段海溫的檢驗(yàn)源數(shù)據(jù)，通過(guò)時(shí)空匹配，進(jìn)行海溫質(zhì)量檢驗(yàn)，檢驗(yàn)步驟如下：①選擇FY-3C/VIRR 5 min段海溫作為被檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，稱為FY3_SEC；②選擇同日的OISST作為檢驗(yàn)源數(shù)據(jù)，并將其通過(guò)雙線性插值，插值到VIRR儀器像元(星下點(diǎn)1.1 km)，得到VIRR儀器原始分辨率的FY3_OISST；③用FY3_SEC減去FY3_OISST，得到VIRR儀器原始分辨率的FY3_DIFF。

在FY3_DIFF的基礎(chǔ)上進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，根據(jù)FY-3C/VIRR 5 min段海溫質(zhì)量標(biāo)識(shí)中的優(yōu)、良、差3個(gè)質(zhì)量等級(jí)(8位字節(jié)中的低2位為質(zhì)量等級(jí))，分別統(tǒng)計(jì)誤差，再以日為單位分別統(tǒng)計(jì)白天和夜間各質(zhì)量等級(jí)的5 min段海溫的誤差。

3.1.2 FY-3C/VIRR全球日合成海溫產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)方法

選取OISST 作為FY-3C/VIRR全球日合成海溫產(chǎn)品的檢驗(yàn)源數(shù)據(jù)，通過(guò)時(shí)間空間匹配，進(jìn)行海溫質(zhì)量檢驗(yàn)，檢驗(yàn)步驟如下：①選擇FY-3C/VIRR全球5 km日合成海溫作為被檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，稱為FY3_5KM；②選擇同日的OISST作為檢驗(yàn)源數(shù)據(jù)，并將其通過(guò)雙線性插值，插值到0.05°×0.05°的格點(diǎn)上，得到與FY-3C/VIRR全球5 km日合成海溫同樣分辨率的OISST，稱作OISST_5KM；③用FY3C_5KM減去OISST_5KM，得到5 km分辨率的DIFF_5KM。

在DIFF_5KM的基礎(chǔ)上進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，根據(jù)FY-3C/VIRR日合成海溫質(zhì)量標(biāo)識(shí)中的優(yōu)、良、差3個(gè)質(zhì)量等級(jí)，區(qū)分白天和夜間，分別統(tǒng)計(jì)各質(zhì)量等級(jí)的日合成海溫的誤差。

3.2 質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 FY-3C/VIRR 5 min段海溫產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果

與OISST相比，2015年1月—2019年12月FY-3C/VIRR 5 min段海溫產(chǎn)品白天優(yōu)、良、差各質(zhì)量等級(jí)的誤差分別為-0.18±0.85℃，-0.27±1.47℃，-2.79±3.09℃，占比分別為51%，43%，6%，白天5 min段海溫產(chǎn)品全樣本的誤差為-0.33±1.42℃；夜間5 min段海溫產(chǎn)品優(yōu)、良、差各質(zhì)量等級(jí)的誤差分別為：-0.06±0.80℃，-0.23±1.38℃，-2.84±3.02℃，占比分別為51%，44%，5%，夜間5 min段海溫產(chǎn)品全樣本的誤差為-0.25±1.34℃。

圖2為2015—2019年FY-3C/VIRR 5 min段海溫質(zhì)量為優(yōu)的樣本的逐日誤差統(tǒng)計(jì)曲線。由圖2可以看到，白天5 min段海溫的均方根誤差有季節(jié)波動(dòng)，夏季誤差較大，其主要原因是衛(wèi)星紅外遙感到的是水下10 μm以上的海表溫度，即皮層溫度(skin SST)，而作為質(zhì)量檢驗(yàn)參考海溫是水體溫度(bulk SST)，在白天微風(fēng)日照強(qiáng)烈的條件下，二者差異可達(dá)1℃以上[18]。夜間海溫產(chǎn)品的均方根誤差變化較小，但自2016年1月19日之后，在回歸系數(shù)(SST_COEF_V3)不變的情況下，海溫夜間偏差有季節(jié)性波動(dòng)，經(jīng)分析，與星上黑體溫度的季節(jié)性波動(dòng)高度相關(guān)。定標(biāo)組確認(rèn)分裂窗通道定標(biāo)存在季節(jié)性變化，這也是正在進(jìn)行的定標(biāo)重處理著力解決的問(wèn)題之一。圖2中均方根誤差曲線上可見(jiàn)2015年7月有明顯異常跳變，系2015年7月2日定位異常所致。

圖2 2015—2019年FY-3C/VIRR 5 min段質(zhì)量為優(yōu)的SST產(chǎn)品逐日誤差統(tǒng)計(jì)曲線

由圖2海溫偏差曲線可以看到，2015年1月19日和2016年1月19日兩次回歸系數(shù)更新引起的跳變，同時(shí)也能看出2015年1月1—19日期間，由于定標(biāo)更新而回歸系數(shù)滯后生成及更新引起的海溫偏差的跳變。正在進(jìn)行的FY-3C/VIRR海溫產(chǎn)品重處理，反演算法采用NLSST，回歸系數(shù)采用當(dāng)月回歸系數(shù)，可以提高海溫產(chǎn)品的精度和一致性(圖3)。海溫誤差曲線上的跳變，由星上遙感儀器工況發(fā)生變化(如：黑體溫度跳變、單粒子翻轉(zhuǎn))、定位異常、業(yè)務(wù)運(yùn)行異常引起(詳見(jiàn)第3.3節(jié))。

圖3 2016年1月FY-3C/VIRR 5 min段質(zhì)量為優(yōu)的SST產(chǎn)品逐日誤差統(tǒng)計(jì)曲線

表1是2016年1月業(yè)務(wù)和重處理5 min段海溫與OISST相比各質(zhì)量等級(jí)的誤差情況，業(yè)務(wù)海溫白天優(yōu)、良、差各質(zhì)量等級(jí)的誤差分別為-0.31±0.81℃，-0.44±1.35℃，-2.81±2.97℃，占比分別為52%，42%，6%；夜間優(yōu)、良、差各質(zhì)量等級(jí)的誤差分別為-0.32±0.84℃，-0.5±1.42℃，-3.05±3.23℃，占比分別為51%，44%，5%。重處理海溫白天優(yōu)、良、差各質(zhì)量等級(jí)的誤差分別為-0.02±0.66℃，-0.56±1.14℃，-2.82±2.97℃，占比分別為59%，37%，4%；夜間優(yōu)、良、差各質(zhì)量等級(jí)的誤差分別為-0.08±0.72℃，-0.59±1.24℃，-2.89±2.98℃，占比分別為56%，38%，6%。重處理海溫與業(yè)務(wù)海溫相比，精度提高，最優(yōu)樣本數(shù)增加。

表1 2016年1月FY-3C/VIRR 業(yè)務(wù)和重處理5 min段海溫誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果(參考海溫為日OISST)

由圖3的誤差曲線可以看到，重處理海溫的精度和一致性均比業(yè)務(wù)海溫有所提高。但同時(shí)也注意到，業(yè)務(wù)和重處理海溫偏差均在2016年19—22日發(fā)生跳變，系星上黑體溫度發(fā)生跳變所致。2016年1月19日業(yè)務(wù)系統(tǒng)更新了海溫回歸系數(shù)，由圖3可以看到，自2016年1月20日起，業(yè)務(wù)海溫偏差較之前負(fù)偏差有所改善，與重處理海溫偏差較為接近。由夜間誤差曲線可見(jiàn)，2016年1月7日業(yè)務(wù)海溫偏差和均方根誤差均發(fā)生跳變，系藍(lán)色條帶異常所致(詳見(jiàn)第3.3節(jié))。

3.2.2 FY-3C/VIRR 5 km全球日合成海溫產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果

與OISST相比，2015—2019年FY-3C/VIRR 5 km 全球日合成海溫產(chǎn)品白天優(yōu)、良、差各質(zhì)量等級(jí)的誤差分別為-0.18±0.82℃，-0.46±1.41℃，-1.47±3.15℃，占比分別為45%，49%，6%，白天5 km全球日合成海溫全樣本的誤差為-0.38±1.4℃；夜間5 km全球日合成海溫產(chǎn)品優(yōu)、良、差各質(zhì)量等級(jí)的誤差分別為-0.1±0.78℃，-0.4±1.38℃，-1.47±3.08℃，占比分別為45%，49%，6%，夜間5 km全球日合成海溫全樣本的誤差為-0.31±1.35℃。

圖4為2015—2019年FY-3C/VIRR 5 km全球日合成海溫質(zhì)量為優(yōu)的樣本的逐日誤差統(tǒng)計(jì)曲線，與圖2原始投影(星下點(diǎn)1.1 km)的日平均海溫誤差趨勢(shì)一致，誤差曲線更平滑。由圖4可見(jiàn)，白天海溫的均方根誤差存在季節(jié)波動(dòng)，夏季誤差較大；夜間海溫產(chǎn)品的均方根誤差變化較小，但自2016年1月19日后，在回歸系數(shù)(SST_COEF_V3)不變的情況下，海溫夜間偏差有明顯的季節(jié)性波動(dòng)，與星上黑體溫度的季節(jié)性波動(dòng)高度相關(guān)。誤差曲線上的跳變及其原因同3.2.1節(jié)。

圖4 2015—2019年FY-3C/VIRR 5 km全球日合成質(zhì)量為優(yōu)的SST產(chǎn)品逐日誤差統(tǒng)計(jì)曲線

3.3 誤差分析

海溫產(chǎn)品是天氣預(yù)報(bào)、氣候監(jiān)測(cè)以及氣候數(shù)值模擬研究的重要輸入?yún)?shù)[23-25]。除海溫算法本身的精度外，海溫產(chǎn)品的精度還取決于遙感儀器的性能[10]、衛(wèi)星資料的定位[26-28]、定標(biāo)[29-30]、云檢測(cè)[31]算法精度和業(yè)務(wù)運(yùn)行情況。根據(jù)FY-3C/VIRR 5 min段海溫產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果，引起FY-3C/VIRR海溫產(chǎn)品異常的典型原因分析如下：當(dāng)海溫產(chǎn)品異常表現(xiàn)為有效像元減少、誤差增大時(shí)，考慮為星上紅外儀器單粒子翻轉(zhuǎn)(single event upset，SEU)所致，此時(shí)紅外遙感數(shù)據(jù)異常；當(dāng)L1B可見(jiàn)光圖像上的地標(biāo)與L1B數(shù)據(jù)中的海陸模板沖突時(shí)，考慮為定位異常所致，此類異常海溫反演程序難以識(shí)別，雖屬偶發(fā)，但會(huì)引起該5 min段海溫參與的日、旬、月海溫產(chǎn)品的異常；當(dāng)全球日合成海溫圖像上出現(xiàn)藍(lán)色條帶時(shí)，考慮為業(yè)務(wù)運(yùn)行異常所致，該異常重處理時(shí)不復(fù)現(xiàn)，雖屬偶發(fā)，但會(huì)引起該5 min段海溫參與的日合成海溫產(chǎn)品的異常。

4 小 結(jié)

1)與日分析場(chǎng)OISST相比，2015—2019年FY-3C/VIRR 5 min段海溫產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)的海溫誤差分別為-0.18±0.85℃(白天)，-0.06±0.8℃(夜間)。2015—2019年FY-3C/VIRR 5 km全球日合成海溫產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)的海溫誤差分別為-0.18±0.82℃(白天)，-0.1± 0.78℃(夜間)。建立準(zhǔn)實(shí)時(shí)的海溫產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)有利于異常的及時(shí)發(fā)現(xiàn)及處理。

2)用戶在使用FY-3C/VIRR海溫產(chǎn)品時(shí)，可根據(jù)自己的需求，選用不同質(zhì)量等級(jí)的海溫。如對(duì)于從事氣候研究的用戶，可選用質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)的海溫；對(duì)于對(duì)海溫精度要求不太高而對(duì)海溫覆蓋度要求高的洋面鋒研究及海洋漁業(yè)等用戶，可選用質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)和良的海溫；質(zhì)量等級(jí)為差的海溫中，蘊(yùn)含著一級(jí)數(shù)據(jù)異常、定位異常、定標(biāo)異常等信息，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)者分析誤差原因及改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量有益。同時(shí)，質(zhì)量等級(jí)為差的像元也可能包含極端天氣和氣候的信息，如臺(tái)風(fēng)抽吸作用造成的海溫異常偏低，或極區(qū)極端增溫使反演海溫超出氣候海溫閾值等。

3)FY-3C/VIRR海溫產(chǎn)品的精度高度依賴于VIRR儀器性能、星上運(yùn)行狀態(tài)及定位和定標(biāo)精度，歷史海溫重處理可以通過(guò)使用當(dāng)月的回歸系數(shù)和更高精度的第一猜測(cè)海溫提高海溫產(chǎn)品的精度。長(zhǎng)序列海溫產(chǎn)品的一致性研究是下一步的工作重點(diǎn)。定位定標(biāo)改進(jìn)、星上工況改變等對(duì)海溫產(chǎn)品精度的影響分析及對(duì)前端的反饋，是目前正著手開(kāi)展的工作。

致 謝:本項(xiàng)工作得到國(guó)家衛(wèi)星氣象中心許健民院士的大力支持與指導(dǎo)，盧乃錳研究員、張甲珅研究員、陸風(fēng)研究員、唐世浩研究員的大力支持，在此表示感謝。同時(shí)感謝GHRSST(the Group for High Resolution Sea Surface Temperature)海溫科學(xué)組的管磊教授、Alexander Ignatov博士和Peter Minnett教授的有益討論與解惑；感謝美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局衛(wèi)星應(yīng)用研究中心(NOAA/STAR)提供的觀測(cè)海溫；感謝美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局國(guó)家氣候中心(NOAA/NCDC)提供的雷諾茲最優(yōu)插值海溫OISST；感謝美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室(NOAA/ESRL)提供的30年月平均海溫。