基于FY-3C/MWRI的湖南省地表溫度遙感反演評價

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)是地氣交換系統中的關鍵變量之一，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、生態和生物地球化學以及農業生產研究中的關鍵參量[3，4]。

LST具有明顯的時空差異性，傳統的地面觀測方法只能獲取單點數據，無法滿足區域尺度研究及應用的需求[5]。而遙感探測技術提供了獲取該數據的新途徑，利用微波成像儀亮度溫度探測數據結合反演方法可以得到區域乃至全球尺度上的LST數據[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據反演獲取區域LST數據具有獨特優勢[8，9]。

目前廣泛使用的星載微波輻射計有美國國防氣象衛星(Defense Meteorological Sate-llite Program，DMSP)衛星搭載的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衛星搭載的螺旋微波反射器(Windsat)、中國風云三號衛星搭載的微波成像儀(Microwave Radiation Imager, MWRI)以及日本全球環境變化觀測衛星(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星，風云3C衛星(FY-3C)搭載的MWRI傳感器獲取的探測數據提高了我國在天氣預報、氣候變化、農業、交通、航運等領域的觀測能力。國家衛星氣象中心已經提供了FY-3C/MWRI 2014年5月29日至今的陸表溫度日產品，但目前仍缺乏對該產品的驗證研究[10]。

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

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

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，省內南高北低三面環山，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 遙感數據

研究中所使用的遙感數據為FY-3C微波成像儀(MWRI)陸表溫度日產品(http: //satellite.nsmc.org.cn)，FY-3C是我國第二代極軌衛星，2013年9月發射，其目標是實現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個極化通道亮溫數據，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陸表溫度日產品包含各通道亮度溫度日平均投影結果和全球陸表溫度日平均升軌、降軌投影結果及過境時間，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，遙感數據級別為Level-2，研究中使用了該產品2019年1月1日—2019年12月31日的數據。

1.3 地面觀測數據

地表溫度觀測數據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據，數據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，數據單位為攝氏度，量程為-50～80 ℃，分辨率為0.1 ℃，誤差為±0.2 ℃。數據包括世界時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據。

1.4 數據預處理

FY-3C陸表溫度數據為HDF格式，本研究利用R語言程序對其進行提取、投影轉換和截取，獲得湖南省內25 km分辨率升軌、降軌陸表溫度日數據及過境時間。MWRI觀測分辨率約為0.26×0.26個經緯度，每個觀測點中心到邊界的距離即為0.13個經緯度。研究以97個地面觀測站為中心，取0.15個經緯度作為中心到邊界的距離，篩選出范圍內最近的遙感觀測點作為地面觀測數據對比的遙感數據點。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進行對比分析。

2 數據指標評估

為全面評估FY-3C遙感陸表溫度產品在湖南省的可靠性和準確性，研究選用決定系數(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 結果與分析

3.1 總體分析

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

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

由數據對比圖(圖2)可知，湖南省遙感地溫與觀測地溫總體相近，但散點圖上數據點普遍偏向y=x線的左側，由此可知，遙感反演易低估地面溫度，而這一現象主要源自于降軌數據對總體的影響。數據中極少數高估地面溫度的離群點也源自于降軌數據(圖2(a))，但均來自不同地面觀測點，遙感產品中大于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地溫產品與地面觀測間相關性較高(圖3)，總體自南向北相關性逐漸降低，決定系數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升軌數據與地面實測一致性較強，降軌數據則在西部和南部表現較好，在東北部洞庭湖區遙感反演溫度與地面實測相關性較弱。

3.2 海拔和季節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。

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

表3 海拔和季節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、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的最差值均出現在益陽市南縣站，除R2外其他參數最優值出現在郴州市汝城站(表4)。

表4 一致性最優與最差站點的參數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象，降軌產品對于地溫的低估相對于升軌產品更甚(圖6(a),(c))。在湖南省遙感地溫產品精度最高的汝城站時序圖中可以得出，微波遙感地溫產品具有捕捉地溫非線性變化的能力，雖然數值上仍有少許低估，但相對升軌探測而言降軌探測產品的低估較不明顯，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品精度的影響分析

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

4 結論

基于遙感探測技術獲取的地表溫度產品已被廣泛應用于氣候、生態、水文等領域[13-15]。本研究基于FY-3C(MWRI)地表溫度日產品結合地面觀測站實測溫度，分析了地溫產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地表溫度日產品在湖南省具有一定可信度，但低估現象普遍存在。一致性較高的站點精度優于MODIS產品，但其精度隨區域變化較大，特別是降軌數據精度較差，不及MODIS產品穩定[15-16]。一致性較低的站點主要集中在洞庭湖周邊區域，未來仍需結合水面反射特性進一步優化反演算法。

2)微波遙感探測的優勢之一在于可以全天時獲取地面探測數據，分析結果也可體現出夜間(升軌)探測地溫精度優于日間(降軌)探測，這一結果與MODIS探測產品一致[16]。該現象可能與日間地溫變化幅度較大相關，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精度較高的原因； 同樣因為不同季節的溫度差異導致夏天遙感地溫產品精度最差，春、秋季較好，冬季則因異常點較多導致精度較差。這一結論同樣可以解釋遙感地溫的精度隨站點環境溫度上升而下降的現象。

4)遙感地溫產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，微波遙感探測產品具有捕捉地溫非線性變化的能力，若能就分析結果改進算法，提升低精度站點的遙感反演能力，微波地溫產品甚至可以在缺乏實測數據時替代使用。

風云三號作為我國自主研發的國產衛星，其地溫產品在氣候、水文、生態方面有諸多重要的研究和應用，探究大尺度下地溫產品的適用性，有助于優化反演算法，提升產品質量，為國產衛星遙感探測資料的廣泛應用打下堅實的基礎。