FY-3衛星VIRR海表溫度產品進展

王素娟，崔 鵬，張 鵬，楊忠東，冉茂農，胡秀清，陸 風，劉 健

(1.中國氣象局 國家衛星氣象中心,北京 100081； 2.北京華云星地通科技有限公司,北京 100081)

FY-3衛星VIRR海表溫度產品進展

王素娟1，崔 鵬1，張 鵬1，楊忠東1，冉茂農2，胡秀清1，陸 風1，劉 健1

(1.中國氣象局 國家衛星氣象中心,北京 100081； 2.北京華云星地通科技有限公司,北京 100081)

介紹了在過去的5年中根據用戶需求FY-3衛星可見光紅外掃描輻射計(VIRR)海溫產品算法和產品設計的進展。給出了其中主要的國內外海溫算法。介紹了FY-3衛星VIRR海溫產品的進展：FY-3A星海表溫度(SST)用可見光閾值進行云檢測，其SST值偏低；FY-3B星SST用云檢測產品中的確信晴空進行分緯度帶的白天MCSST算法，但整體海溫仍偏低；FY-3C星SST在B星的基礎上進行了優化，首次反演了夜間海溫，并提供了逐像元的質量標識及海溫的氣候偏差，設計了5 km全球海溫，實現了5 min段海溫產品存檔，提高了風云海溫產品的可靠性、可用性和精度。給出了FY-3C星VIRR海溫產品的圖像及質量檢驗情況。歸納了海溫產品的同一框架下多級別、多源、高分辨率的發展趨勢。將風云衛星海溫產品規格與高分辨率海溫科學組(GHRSST)GDS2.0的交叉比對，海溫科學組認為中國在海溫方面的能力在不斷增強。研究認為：長序列海溫產品重處理以確保海溫產品的一致性非常必要，海溫產品需采用國際通用海溫產品規格。

風云三號衛星； 可見光紅外掃描輻射計(VIRR)； 海表溫度； 海溫檢驗； 產品規格； GHRSST； GDS； 交叉比對

0 引言

FY-3衛星是我國第二代極軌氣象衛星。01批包括A、B星，為試驗應用衛星。衛星裝載的可見光紅外掃描輻射計(VIRR)光譜范圍為0.43～12.5 μm，有通道10個，地面水平分辨率1.1 km，掃描范圍±55.4°[1]。 FY-3C星為02批業務星，于2013年9月23日在我國太原衛星發射中心成功發射。經在軌測試后，2014年5月正式投入業務運行，接替A星作為我國太陽同步軌道天基氣象觀測的主業務衛星，與B星組網形成我國極軌氣象衛星上、下午星組網觀測的業務布局。FY-3衛星VIRR有短波紅外通道1個(3.55～3.93 μm)、長波紅外通道即分裂窗通道2個(10.3～11.3 μm，11.5～12.5 μm)可用于估計海表溫度。

FY-3衛星VIRR的海表溫度(SST)反演精度除高度依賴于VIRR儀器性能、定位精度和定標精度外，還依賴于其上游產品——云檢測產品的精度。在有云的條件下，VIRR紅外通道不能穿透云，探測到的是云頂的輻射。只有在晴空條件下紅外通道才能探測到海洋表面，依據普朗克黑體輻射定律，根據大氣對不同波長的紅外遙感影響的不同，使用不同波段的線性組合消除大氣的影響，進行海溫反演。因此，SST算法是與云算法密不可分的。海溫/云算法同步發展的主要目標是確保云檢測提供可靠的“確信云”像元標識，這樣，SST的算法就不必考慮云檢測[2]。本文介紹了國內外海溫算法、FY-3衛星VIRR海表溫度產品的發展，以及海溫產品的發展趨勢，并將FY-3衛星海溫產品與 GDS2.0進行了比較。

1 國內外海溫算法概述

SST是一個很難嚴格定義的參數，由于海洋湍流與海洋大氣間的熱量、水汽和動量的交換，使海洋上層(約10 m)的溫度垂直結構復雜多變。SST可分為皮層(skin)SST、次皮層(subskin)SST、水體(bulk)SST和基礎(foundation)SST等[2-3]。其中：皮層SST和次皮層SST屬于衛星觀測SST。皮層SST是利用波長3.7～12 μm的紅外波段對地球海洋地區進行探測獲得的紅外光譜通道輻射率，通過物理或統計方法得到的海洋表層約10～20 μm處的海水溫度。次皮層SST是由6～10 GHz的微波輻射計觀測反演得到的水下約1 mm處的海水溫度。

在紅外波段，海洋表面發射的輻射接近于黑體。理論上，如洋面與衛星間無大氣的吸收和發射，通過單通道就可估計SST。實際上，離表紅外輻射在達到衛星探測器之前被大氣削弱了，因此必須進行大氣訂正[4]。水汽、二氧化碳、甲烷、二氧化氮和氣溶膠是決定紅外輻射大氣削弱的主要因子，其中水汽對吸收的影響最大[5]。1985年文獻[6]基于海溫與紅外通道亮溫和分裂窗亮溫差成線性關系假設提出了多通道海溫(MCSST)算法，文獻[7]提出了基于第一猜測海溫非線性海溫(NLSST)算法，兩者都曾用作NOAA的業務海溫算法。后來采用白天分裂窗NLSST算法，夜間三通道NLSST算法作為業務海溫算法[8]。文獻[9]在GOES衛星SST反演時在海溫算法中添加分裂窗亮溫差的二次項，該算法也一直用于衛星中心的靜止海溫業務算法[10]。文獻[11]用MCSST算法反演FY-1C星業務海溫產品并對海溫精度進行了檢驗；文獻[12]用MCSST算法對海洋一號(HY-1)衛星COCTS水色掃描儀數據進行了海溫反演及結果分析。

2 FY-3衛星VIRR海溫產品進展

FY-3衛星VIRR SST是該衛星地面應用系統的業務產品，產品物理單位為℃。本文主要討論FY-3衛星VIRR的SST產品。

2.1FY-3衛星VIRR海溫產品發展歷程

FY-3A，B星屬于01批，產品規格一致，存檔的海溫產品為全球1 km等經緯度10°×10°分塊的海溫產品。

FY-3A星SST反演算法是分緯度帶的白天多通道海溫(MCSST)算法，在01批產品生產系統(PGS)一期工程化過程中，由于云檢測結果的滯后提供，FY-3A星SST用可見光閾值法進行簡單的云檢測。與參考海溫相比，FY-3A星SST的溫度偏低。通過誤差分析，確定主要誤差源來自軌道邊緣和云污染。采用精度優先原則，對衛星天頂角大于50°的區域不進行海溫反演；同時引入空間一致性和氣候閾值控制，確保FY-3A星SST在南北緯70°以內的海域海溫基本可靠[13]。2013年1月修訂了業務軟件。通過對2013年3月至2013年10月近8個月的逐日全球日平均海溫的質量檢驗，與分辨率為0.25 ℃的OISST日平均海溫相比，海溫的精度為(-0.23±1.74) ℃。

FY-3B星SST直接選取云檢測產品中的確信晴空進行分緯度帶的白天MCSST算法，但整體海溫偏低，尤其是菲律賓附近海域。通過對誤差原因分析，提出了系列改進措施，如高精度現場海溫的選用、匹配數據集擴充、樣本優選、質量控制等。進行了多算法回歸建模及精度評估，確定FY-3B星VIRR最優算法為非線性海溫(NLSST)算法[14]。

FY-3C星SST在FY-3B星SST算法研究成果的基礎上進行了設計優化，業務系統仍采用MCSST算法。首次進行了夜間海溫的反演，以提高日平均海溫的覆蓋度。從02批海溫開始，設計添加了逐像元的質量控制標識，以提高海溫產品的可用性[15]。在5 min段海溫產品中，除海溫外，還有逐像元的質量標識及海溫的氣候偏差，為用戶提供了更多的參考。02批設計了5 km全球海溫，取代01批648個10°分塊1 km全球海溫，提高產品的易用性。從02批開始，進行了5 min段海溫產品的存檔，通過對5 min段海溫長時間序列的質量檢驗，發現了海溫精度與L1級數據質量、星上輻射計溫度及星上黑體溫度的相關性。這可為未來長序列海溫產品重處理提供重要的參考依據。FY-3衛星VIRR海溫產品見表1。

FY-3C星SST產品分為5 min段海溫產品(如圖1所示)和降低分辨率的全球產品(如圖2、3所示)。全球SST產品包括5 km分辨率等經緯度的日、旬、月平均SST產品，均區分白天和夜間。

圖1 FY-3C星VIRR 5 min段SST分布圖Fig.1 Images of FY-3C VIRR 5 minute granule SST

FY-3B星業務海溫受01批產品算法和設計的制約，只有白天1 km分辨率10°×10°等經緯度分塊海溫數據，無逐像元質量標識。在FY-3仿真系統中，FY-3B星海溫采用02批VIRR海溫產品的設計及處理方法后，可獲得與FY-3C星精度相當的海溫產品。這樣每天都可獲得全球海溫4次，充分發揮FY-3B，C星上下午星組網觀測的優勢。

圖3給出了FY-3C星海溫1、4、7、10四個月白天全球海溫的分布，分別代表冬、春、夏、秋四個季節。

2.2FY-3C星VIRR業務海溫產品質量

以現場海溫質量監測網iQUAM(https:∥www.star.nesdis.noaa.gov/sod/sst/iquam/)浮標SST為參考SST的FY-3C星SST質量檢驗是基于匹配數據集進行的[16]。匹配窗口為1 h和1.1 km。第三版的業務海溫回歸系數是由2015年10月和11月的匹配數據集回歸得到的。以2016年12月至2017年1月的獨立樣本進行質量檢驗，白天和夜間的偏差分別為0.17，0.07 ℃，標準差小于0.54 ℃。

表1 FY-3衛星VIRR海溫產品

圖2 2017年5月17日FY-3B，C星 VIRR 全球日平均SST分布圖Fig.2 Images of FY-3B，C VIRR global daily SST on May 17, 2017

圖3 FY-3C星 VIRR 全球月平均白天SST分布圖Fig.3 Images of FY-3C VIRR global monthly SST of daytime

以分析場海溫OISST為參考海溫，匹配窗口為1 d和1.1 km[17]。對FY-3C星VIRR 2017年1月1日～5月30日的5 min段海溫產品進行了分質量等級的質量檢驗。2017年1月1日～5月30日FY-3C星VIRR的5 min段SST質量為優的樣本精度為：(-0.1±0.8) ℃(白天)，(0.01±0.78) ℃(夜間)。

3 海溫產品發展趨勢

海溫產品的發展趨勢是同一標準框架下的多級別(L2P，L3U，L3C，L3S，L4)、多源(紅外海溫、微波海溫、現場海溫等)、高分辨率海溫產品，以滿足不同用戶的應用需求。高分辨率海溫工作組GHRSST(https:∥www.ghrsst.org/)最早由歐空局和英國氣象局共同出資管理，從第19屆起將由EUMETSAT接管，其目的是通過國際合作和科技創新以最有成效的方式為短、中和長期應用提供最優質的SST產品。經歷18年的發展，GHRSST制定了詳盡的海溫產品規格說明書《The Recommended GHRSST Data Specification》，目前的版本是GDS2.0版本5[18]。

2017年6月5日～9日，第18屆GHRSST會議在山東青島召開，會議由中國海洋大學主辦，是GHRSST科學組會議首次在中國舉辦，也是中國氣象局首次派員參加，來自全球的77名代表參加了會議。會議分特約報告、海溫應用、海溫產品研發、海表通量、海溫與氣候、現場海溫等板塊，以及豐富的海溫產品、海溫系統和服務、海溫科學和應用海報等。

GHRSST海溫科學組認為中國在海溫方面的能力在不斷增強，也希望通過合作，使中國氣象局的海溫按GDS2.0規范輸出(國內用戶也曾提出這樣的需求)。

同時應注意，與國外同類海溫產品相比，FY-3衛星海溫產品精度還存在差距，除海溫產品算法本身的因素外，還受FY-3衛星VIRR儀器性能的制約，如分裂窗通道亮溫差條帶現象、短波紅外通道夜間太陽污染現象等。除VIRR紅外探測儀器性能需提高外，紅外海溫反演還需突破利用輻射傳輸模擬亮溫開展海溫質量控制等關鍵技術。

目前，FY-3衛星全球海溫產品只是單星多時次的融合，尚未進行多星海溫產品的融合。若開展FY-3B，C星融合海溫產品研發，可充分發揮FY-3B、C星上下午星組網觀測的優勢，提高全球日平均海溫的覆蓋度。

4 FY-3海溫產品規格與GDS2.0交叉比對

FY-3A，B星海溫產品規格詳見《新一代風云極軌氣象衛星業務產品及應用》附錄4《FY3 L2和L3產品格式》[1]。FY-3C星海溫產品數據規格在《FY3C VIRR海溫產品數據卡》中，對5 min段海溫、5 km等經緯度全球日、旬、月海溫產品規格有詳盡的定義。FY-3海溫的L2級包括5 min段海溫和日平均海溫，L3級包括旬、月海溫。

GDS2.0的L2級產品僅包含L2P，指原始衛星軌道投影的反演產品，對應于FY-3海溫的5 min段海溫產品。L2P海溫產品除包含海溫數據、L2P標識、產品質量等級外，還要求包含輔助數據(如風速、海冰覆蓋度、氣溶膠等)和不確定性估計信息，是L3、L4級 GHRSST產品的基礎。GDS2.0 L2P海溫與FY-3星5 min段海溫產品的對比見表2。表2中：“√”表示FY-3星5 min段海溫具備GDS2.0 L2P定義的數據集。

表2 FY-3星VIRR海溫產品規格與GDS2.0交叉對比

注①：FY-3A，B星5 min段海溫中不包含經緯度數據，不存檔。

注②：FY3-C星5 min段海溫中不包含經緯度數據，存檔。使用該數據時，需從FY-3C 星GEO數據中獲取經緯度數據，如需時間信息也可在GEO數據中提取。

國家衛星氣象中心作為多衛星資料、多產品處理和存檔中心，更多的是關注存儲效率，如FY-3C星VIRR的L1B數據，分成了包含衛星觀測數據的“L1000M”和包含地理經緯度數據、角度、時間信息等的“GEO”，全部VIRR 5 min段產品和L1B資料共用一套“GEO”數據，可節約存儲。但集約存儲是個雙刃劍，這也會給5 min段產品的應用帶來額外的負擔——在用戶下載5 min段海溫數據的同時，必須下載“GEO”數據。

5 結束語

近十年來，國家衛星氣象中心風云氣象衛星海溫研發產品團隊在開展用戶需求調研的基礎上，不斷改進FY-3衛星VIRR海溫產品算法和產品設計，提高了風云衛星海溫產品的可靠性和可用性，產品精度也在逐步提高。

衛星產品的精度是一個系統工程，除取決于遙感儀器的性能外，還高度依賴于衛星資料的定位精度、定標精度，后端的衛星產品還依賴于上游的衛星產品(如云檢測)精度。GHRSST海溫科學組認為中國在海溫方面的能力在不斷增強，這也是對風云氣象衛星遙感儀器性能、定位定標精度及云檢測等上游風云氣象衛星產品能力不斷增強的肯定。同時還應注意到，業務海溫產品屬流水線作業，衛星工況的變化，紅外通道定標系數和海溫回歸系數的更新，會造成長序列海溫產品的不一致，不利于氣候應用。因此，進行長序列海溫產品重處理以確保海溫產品的一致性是非常有必要的。海溫產品的發展趨勢是在同一標準框架下，生成多級別、多源、高分辨率的海溫產品，以滿足不同用戶的應用需求。目前高分辨率海溫科學組GHRSST推薦使用的海溫產品通用規格是GDS2.0。

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ProgressofVIRRSeaSurfaceTemperatureProductofFY-3Satellite

WANGSu-juan1，CUIPeng1，ZHANGPeng1，YANGZhong-dong1，RANMao-nong2，HUXiu-qing1，LUFeng1，LIUJian1

(1. National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing100081, China;2. Beijing HuaYun Shinetek Satellite Application Engineering Technology Company Limited, Beijing100081, China)

The algorithm and products design for sea surface temperature (SST) of visible and infrared radiometer (VIRR) on FY-3meteorological satellite were introduced according to the user’s requirement in recent5years in this paper. The major SST algorithms in domestic and abroad were given. The development of VIRR SST products of FY-3satellite was presented. The visible threshold was used for cloud detection in SST of FY-3A satellite, which SST was lower than the true one. The assurance shine in cloud detection product was used for SST by day MCSST algorithm in FY-3B satellite, which SST was still low in the whole. The SST of FY-3C satellite was optimized based on FY-3B satellite. The night SST retrievals was carried first time. The quality mark pixel by pixel and climatic difference of sea temperature were provided. The5km global sea temperature was designed. The SST products with5min granule were storied. All have improved the reliability and availability as well as SST product accuracy of FY satellite. The image and quality validation of VIRR SST product of FY-3C satellite were given. The development trend of multi-level, multi-source and high resolution under the same frame was summarized for SST product. NSMC/CMA SST specification crosscheck with the GHRSST Data Specification (GDS2.0) of the Group for High Resolution Sea Surface Temperature (GHRSST) is introduced. The Science Team of GHRSST said they saw the growing capability of China in SST. To ensure the consistency of SST products, the reprocessing of long-term global time series of VIRR SST of FY-3satellite is necessary. Use the uniform SST specifications is the trend of sea temperature products.

FY-3meteorological satellite; visible and infrared radiometer (VIRR); sea surface temperature (SST); SST validation; data specification; High Resolution Sea Surface Temperature (GHRSST); GHRSST Data Specification (GDS); crosscheck

1006-1630(2017)04-0079-06

2017-06-29；

：2017-07-27

中國氣象局國家氣象科技創新工程資助(CMAGGTD003-5)

王素娟(1971—)，女，博士，正研級高級工程師，主要從事衛星遙感海溫產品研發。

TP79：P407

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.010