范嘉智，羅宇，譚詩琪，馬雯，張弘豪，劉富來

(1.中國氣象局氣象干部培訓學院湖南分院，長沙 410125； 2.氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410118； 3.湖南省氣象服務中心，長沙 410118； 4.廣東省陽江市應急指揮平臺技術(shù)中心，陽江 529500； 5.廣東省陽江市氣象局，陽江 529500)

0 引言

陸表溫度(land surface temperature, LST)是地氣交換系統(tǒng)中的關(guān)鍵變量之一，對反映地表與大氣間多種相互作用及能量通量具有重要意義[1，2]，是氣候、水文、生態(tài)和生物地球化學以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究中的關(guān)鍵參量[3，4]。

LST具有明顯的時空差異性，傳統(tǒng)的地面觀測方法只能獲取單點數(shù)據(jù)，無法滿足區(qū)域尺度研究及應用的需求[5]。而遙感探測技術(shù)提供了獲取該數(shù)據(jù)的新途徑，利用微波成像儀亮度溫度探測數(shù)據(jù)結(jié)合反演方法可以得到區(qū)域乃至全球尺度上的LST數(shù)據(jù)[6]，且相對于其他光學遙感方式，微波遙感對于云層甚至雨區(qū)具有穿透性，可全天時獲取地表輻射信息[7]，因此利用微波遙感探測數(shù)據(jù)反演獲取區(qū)域LST數(shù)據(jù)具有獨特優(yōu)勢[8，9]。

目前廣泛使用的星載微波輻射計有美國國防氣象衛(wèi)星(Defense Meteorological Sate-llite Program，DMSP)衛(wèi)星搭載的7通道線極化被動微波輻射器(Special Sensor Microwave/Image, SSM/I)、美國Aqua衛(wèi)星搭載的高級微波掃描輻射計(Advanced Microwave Scanning Radiometer - Earth Observing System, AMSR-E)、美國Coriolis衛(wèi)星搭載的螺旋微波反射器(Windsat)、中國風云三號衛(wèi)星搭載的微波成像儀(Microwave Radiation Imager, MWRI)以及日本全球環(huán)境變化觀測衛(wèi)星(Global Change Observation Mission 1st - Water，GCOM-W1)搭載的高性能微波輻射計-2(Advanced Microwave Scanning Radiometer 2, AMSR-2)等[6]。作為中國自行研制的第二代極軌氣象衛(wèi)星，風云3C衛(wèi)星(FY-3C)搭載的MWRI傳感器獲取的探測數(shù)據(jù)提高了我國在天氣預報、氣候變化、農(nóng)業(yè)、交通、航運等領(lǐng)域的觀測能力。國家衛(wèi)星氣象中心已經(jīng)提供了FY-3C/MWRI 2014年5月29日至今的陸表溫度日產(chǎn)品，但目前仍缺乏對該產(chǎn)品的驗證研究[10]。

本文利用湖南省97個地面觀測站地表溫度觀測數(shù)據(jù)對2019年FY-3C陸表溫度日產(chǎn)品進行驗證分析。本研究可為風云極軌衛(wèi)星陸表溫度產(chǎn)品在湖南省的可用性提供參考，為不同季節(jié)、海拔、站點溫度條件等要素對LST反演精度的影響及風云衛(wèi)星陸表溫度產(chǎn)品的發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

湖南省介于24°38′～30°08′N，108°47′～114°15′E之間，全省面積21.18萬km2，處于云貴高原向江南丘陵和南嶺山脈向江漢平原過渡的地帶，省內(nèi)南高北低三面環(huán)山，地理位置特殊[11]。湖南為大陸性亞熱帶季風濕潤氣候，光、熱、水資源豐富但年內(nèi)變化大、垂直變化明顯(圖1)。

圖1 湖南省地形、FY-3C遙感觀測格網(wǎng)及地面觀測站分布圖Fig.1 The geography, the footprints of FY-3C and groundobservation station located in Hunan province

1.2 遙感數(shù)據(jù)

研究中所使用的遙感數(shù)據(jù)為FY-3C微波成像儀(MWRI)陸表溫度日產(chǎn)品(http: //satellite.nsmc.org.cn)，F(xiàn)Y-3C是我國第二代極軌衛(wèi)星，2013年9月發(fā)射，其目標是實現(xiàn)全球大氣和地表物理要素的全天候、多光譜和三維觀測。FY-3C荷載的MWRI可探測地球表面10.65～89 GHz共10個極化通道亮溫數(shù)據(jù)，各通道對地觀測空間分辨率依頻率變化(表1)。

表1 FY-3C微波輻射計探測信息[12]Tab.1 Introduction to the microwaveradiation imager channels

MWRI陸表溫度日產(chǎn)品包含各通道亮度溫度日平均投影結(jié)果和全球陸表溫度日平均升軌、降軌投影結(jié)果及過境時間，過境湖南省的升軌時間為世界時12—15時，降軌時間為世界時1—3時，反演算法采用了基于土地覆蓋分類的多通道回歸模型，投影方式為EASE-GRID(Equal Area Scalable Earth-GRID)，分辨率為25km，遙感數(shù)據(jù)級別為Level-2，研究中使用了該產(chǎn)品2019年1月1日—2019年12月31日的數(shù)據(jù)。

1.3 地面觀測數(shù)據(jù)

地表溫度觀測數(shù)據(jù)為中國氣象局地面氣象觀測站自動觀測的地面溫度小時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于全國綜合氣象信息共享平臺(China Integrated Meteorological Information Sharing System, CIMISS)。觀測儀器為4線制鉑電阻溫度計，其原理為鉑電阻的電阻值會隨溫度升高而增大，數(shù)據(jù)單位為攝氏度，量程為-50～80 ℃，分辨率為0.1 ℃，誤差為±0.2 ℃。數(shù)據(jù)包括世界時2019年1月1日0時—2019年12月31日23時湖南省共97個國家級自動觀測站地表溫度小時數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)預處理

FY-3C陸表溫度數(shù)據(jù)為HDF格式，本研究利用R語言程序?qū)ζ溥M行提取、投影轉(zhuǎn)換和截取，獲得湖南省內(nèi)25 km分辨率升軌、降軌陸表溫度日數(shù)據(jù)及過境時間。MWRI觀測分辨率約為0.26×0.26個經(jīng)緯度，每個觀測點中心到邊界的距離即為0.13個經(jīng)緯度。研究以97個地面觀測站為中心，取0.15個經(jīng)緯度作為中心到邊界的距離，篩選出范圍內(nèi)最近的遙感觀測點作為地面觀測數(shù)據(jù)對比的遙感數(shù)據(jù)點。將對應觀測點升軌和降軌遙感地溫與該過境時間下地面觀測的地表溫度轉(zhuǎn)為攝氏溫度一一對應，對2019年遙感觀測和地面觀測均未缺測的日數(shù)進行對比分析。

2 數(shù)據(jù)指標評估

為全面評估FY-3C遙感陸表溫度產(chǎn)品在湖南省的可靠性和準確性，研究選用決定系數(shù)(R2)、均方根誤差(RMSE)、平均絕對誤差(MAE)和相對誤差(RE)作為評價指標進行分析。計算公式分別為：

(1)

(2)

(3)

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 總體分析

經(jīng)數(shù)據(jù)處理，97個地面觀測站中有4個站對應的FY-3C遙感觀測點全年數(shù)據(jù)缺測，分別是岳陽站、桃江站、沅江站和赫山站，其他各對應點2019年遙感產(chǎn)品和地面觀測數(shù)據(jù)均不缺測，平均每站點升軌數(shù)據(jù)176條，降軌數(shù)據(jù)166條，F(xiàn)Y-3C地溫產(chǎn)品總體可信度較高，其中升軌數(shù)據(jù)明顯優(yōu)于降軌(表2)。

表2 FY-3C地溫產(chǎn)品與地面觀測間誤差參數(shù)Tab.2 The error parameters in land surfacetemperature of FY-3C with observation

由數(shù)據(jù)對比圖(圖2)可知，湖南省遙感地溫與觀測地溫總體相近，但散點圖上數(shù)據(jù)點普遍偏向y=x線的左側(cè)，由此可知，遙感反演易低估地面溫度，而這一現(xiàn)象主要源自于降軌數(shù)據(jù)對總體的影響。數(shù)據(jù)中極少數(shù)高估地面溫度的離群點也源自于降軌數(shù)據(jù)(圖2(a))，但均來自不同地面觀測點，遙感產(chǎn)品中大于34.5 ℃的值其實測地溫均低于20 ℃，為異常高估點。

湖南省西部和東南部FY-3C地溫產(chǎn)品與地面觀測間相關(guān)性較高(圖3)，總體自南向北相關(guān)性逐漸降低，決定系數(shù)最大值為懷化市通道站的0.85，最小值為益陽市南縣站的0.12。在湖南省大部分地區(qū)升軌數(shù)據(jù)與地面實測一致性較強，降軌數(shù)據(jù)則在西部和南部表現(xiàn)較好，在東北部洞庭湖區(qū)遙感反演溫度與地面實測相關(guān)性較弱。

3.2 海拔和季節(jié)因子對遙感地溫精度影響分析

湖南省地面站海拔普遍在400 m以下，400 m以上僅有5個站點，其中最高海拔1 265 m，400 m以上站點遙感地溫精度略高于400 m以下站點。

經(jīng)相關(guān)性分析，遙感地溫與實測間誤差系數(shù)與海拔間呈顯著相關(guān)，隨著海拔的升高，遙感反演地溫準確性提高。不同季節(jié)對遙感探測的地溫有較大影響，其中春季和秋季表現(xiàn)最好，遙感地溫與實測一致性較強； 夏季表現(xiàn)最差，R2僅為0.11，遙感地溫與實測間差異較大且普遍偏低； 冬季遙感探測數(shù)據(jù)量最少，大多數(shù)數(shù)據(jù)較為一致，但對地溫嚴重高估的數(shù)個離群點均出現(xiàn)在冬季(表3、圖4和圖5)。

表3 海拔和季節(jié)對遙感地溫精度的影響Tab.3 The influence of altitude and season on the precisionof land surface temperature from remote sensing

3.3 精度最優(yōu)、最差站點升、降軌地溫時間序列分析

在所有站點中，MAE，RMSE，R2和RE的最差值均出現(xiàn)在益陽市南縣站，除R2外其他參數(shù)最優(yōu)值出現(xiàn)在郴州市汝城站(表4)。

表4 一致性最優(yōu)與最差站點的參數(shù)Tab.4 The error parameters in stations ofbest and worst consistency

南縣站作為遙感地溫與實測偏差一致性最差的站點，在升軌和降軌探測中普遍存在低估地溫的現(xiàn)象，降軌產(chǎn)品對于地溫的低估相對于升軌產(chǎn)品更甚(圖6(a),(c))。在湖南省遙感地溫產(chǎn)品精度最高的汝城站時序圖中可以得出，微波遙感地溫產(chǎn)品具有捕捉地溫非線性變化的能力，雖然數(shù)值上仍有少許低估，但相對升軌探測而言降軌探測產(chǎn)品的低估較不明顯，但存在一個異常值(圖6(b),(d))。

3.4 地面氣候條件對遙感地溫產(chǎn)品精度的影響分析

根據(jù)前文分析，微波遙感探測產(chǎn)品在絕大多數(shù)溫度水平下精度較高，但對于較高的溫度而言，遙感產(chǎn)品精度會有所下降。因此將本研究數(shù)據(jù)中各站點實測地溫平均值及誤差系數(shù)作圖，分析遙感地溫產(chǎn)品在各地面氣候環(huán)境下的精度。由散點圖可發(fā)現(xiàn)(圖7)，隨著站點年均溫上升，遙感探測產(chǎn)品精度呈線性下降，平均溫度在25℃以上的站點，遙感地溫與實測間差異明顯。

4 結(jié)論

基于遙感探測技術(shù)獲取的地表溫度產(chǎn)品已被廣泛應用于氣候、生態(tài)、水文等領(lǐng)域[13-15]。本研究基于FY-3C(MWRI)地表溫度日產(chǎn)品結(jié)合地面觀測站實測溫度，分析了地溫產(chǎn)品在湖南省的準確性及多種因素對其誤差的影響。

1)FY-3C MWRI地表溫度日產(chǎn)品在湖南省具有一定可信度，但低估現(xiàn)象普遍存在。一致性較高的站點精度優(yōu)于MODIS產(chǎn)品，但其精度隨區(qū)域變化較大，特別是降軌數(shù)據(jù)精度較差，不及MODIS產(chǎn)品穩(wěn)定[15-16]。一致性較低的站點主要集中在洞庭湖周邊區(qū)域，未來仍需結(jié)合水面反射特性進一步優(yōu)化反演算法。

2)微波遙感探測的優(yōu)勢之一在于可以全天時獲取地面探測數(shù)據(jù)，分析結(jié)果也可體現(xiàn)出夜間(升軌)探測地溫精度優(yōu)于日間(降軌)探測，這一結(jié)果與MODIS探測產(chǎn)品一致[16]。該現(xiàn)象可能與日間地溫變化幅度較大相關(guān)，地表溫度較高時，微波探測地溫低估嚴重，甚至不存在遙感地溫大于34.5 ℃的正常值點。

3)溫度較低時，遙感地溫產(chǎn)品精度有所提升。海拔升高帶來的溫度降低可能是高海拔地區(qū)精度較高的原因； 同樣因為不同季節(jié)的溫度差異導致夏天遙感地溫產(chǎn)品精度最差，春、秋季較好，冬季則因異常點較多導致精度較差。這一結(jié)論同樣可以解釋遙感地溫的精度隨站點環(huán)境溫度上升而下降的現(xiàn)象。

4)遙感地溫產(chǎn)品精度隨地面站點年均溫呈線性變化。在高精度站點的時序圖中可以看出，微波遙感探測產(chǎn)品具有捕捉地溫非線性變化的能力，若能就分析結(jié)果改進算法，提升低精度站點的遙感反演能力，微波地溫產(chǎn)品甚至可以在缺乏實測數(shù)據(jù)時替代使用。

風云三號作為我國自主研發(fā)的國產(chǎn)衛(wèi)星，其地溫產(chǎn)品在氣候、水文、生態(tài)方面有諸多重要的研究和應用，探究大尺度下地溫產(chǎn)品的適用性，有助于優(yōu)化反演算法，提升產(chǎn)品質(zhì)量，為國產(chǎn)衛(wèi)星遙感探測資料的廣泛應用打下堅實的基礎(chǔ)。