用輻射傳輸方程改進(jìn)算法反演LandSAT8海表溫度的效果檢驗(yàn)和適用條件分析

黃 路，邵 浩，張彩云，夏文杰，楊星晨

(1.國家海洋技術(shù)中心漳州基地籌建辦公室, 福建 廈門 361007；2.廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院, 福建 廈門 361102；3.91039部隊(duì), 北京 102401；4.聲場聲信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所, 北京 100190)

高分辨率海表溫度(Sea Surface Temperature,SST)在亞中尺度和小尺度海洋鋒結(jié)構(gòu)[1]、河流水動(dòng)力過程[2]、海氣相互作用[3]、水產(chǎn)養(yǎng)殖[4]、海冰熱異常[5]、海岸帶水質(zhì)監(jiān)測[6]等研究中發(fā)揮著重要作用。LandSAT 8衛(wèi)星于2013年2月11日發(fā)射，有10、11兩個(gè)熱紅外波段，中心波長分別為10.9 μm和12.0 μm，經(jīng)重采樣后空間分辨率均為30 m，其長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行為獲取高分辨率SST提供了大量可靠數(shù)據(jù)源。目前，LandSAT8SST相關(guān)反演算法主要有單窗算法[7-8]、普適性單通道算法[9-10]、劈窗算法[8,10]以及輻射傳輸方程算法等。其中，基于美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NECP)再分析數(shù)據(jù)集、中等光譜分辨大氣透過率和輻射計(jì)算軟件包(Moderate Spectral Resolution Atmospheric Transmitance, MODTRAN)等大氣輻射傳輸模型建立的輻射傳輸方程算法[11-13](以下簡稱輻射方程法)不依賴于地面觀測站點(diǎn)資料，因而非常便于業(yè)務(wù)化遙感反演SST，美國航空航天局(NASA)也對(duì)其各個(gè)輸入?yún)?shù)的計(jì)算過程進(jìn)行集成，并開發(fā)出大氣校正參數(shù)計(jì)算器(https://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)，內(nèi)有專門針對(duì)LandSAT8第10波段的大氣校正模塊。

雖然NECP再分析數(shù)據(jù)集提供了地表到30 km高度的大氣廓線數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，較大程度提高了整層大氣廓線的估算精度，但其較低的時(shí)間和空間分辨率、相對(duì)簡單的插值計(jì)算方式以及數(shù)據(jù)集本身的準(zhǔn)確性等都會(huì)影響輻射方程法輸入?yún)?shù)的計(jì)算精度，同時(shí)也使得該算法最終反演的SST結(jié)果存疑。有學(xué)者針對(duì)輻射方程法在反演環(huán)境一號(hào)B衛(wèi)星(HJ-1B)SST存在較大偏差的情況，從修正大氣透過率參數(shù)入手，提出普適性的輻射傳輸方程改進(jìn)算法[13](以下簡稱改進(jìn)算法)，并獲得了較高HJ-1BSST反演精度，但該改進(jìn)算法還未推廣應(yīng)用在LandSAT8衛(wèi)星上，其實(shí)際反演效果還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。此外，改進(jìn)算法使用研究區(qū)中心位置附近一點(diǎn)處的大氣透過率來近似代表整個(gè)研究海域的大氣透過率，但是即使在小范圍研究海域，大氣透過率也可能會(huì)出現(xiàn)較大變化，尤其是在水汽含量較高的夏季，或有較多的不易剔除的薄云存在等極端情況下，該算法的反演精度和適用條件也需要進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估和分析。

因此，本研究選擇冬、夏各2景LandSAT8圖像，其中1景夏季圖像研究區(qū)內(nèi)云覆蓋較多，在修正算法部分參數(shù)的基礎(chǔ)上，分別反演出算法改進(jìn)前后的LandSAT8SST，并使用MODISSST和浮標(biāo)SST對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和比較。最后以電廠溫排水遙感監(jiān)測作為改進(jìn)算法的應(yīng)用案例，分析了其時(shí)空分布情況。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)

以廈門灣及其鄰近海域作為研究區(qū)，如圖1所示。取金門島南側(cè)海域一點(diǎn)(24.38°N，118.41°E)作為研究海域的中心點(diǎn)，在中心點(diǎn)位置附近分別平行岸線方向和垂直岸線方向劃設(shè)2條斷面，在斷面上隨機(jī)均勻選取20個(gè)點(diǎn)作為算法驗(yàn)證點(diǎn)。

圖1 廈門灣及其鄰近海域研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

4景LandSAT8第10波段熱紅外圖像來源于對(duì)地觀測中心(http://ids.ceode.ac.cn/)，成像日期分別為2013-08-04、2014-01-27、2019-08-21、2019-12-11，除2019-08-21圖像外，其他3景圖像質(zhì)量較好，云覆蓋少，水汽含量相對(duì)均勻；與LandSAT8圖像同日1 km的Aqua MODISSST產(chǎn)品[14-15]下載于美國NASA水色衛(wèi)星網(wǎng)站(http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/)。此外，還使用了2014年1月27日的5個(gè)浮標(biāo)驗(yàn)證數(shù)據(jù)，來源于福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)海洋觀測網(wǎng)(http://www.fjhyyb.cn/Ocean863Web_MAIN/default.aspx?r=1#hygc)，浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集時(shí)間與當(dāng)日衛(wèi)星成像時(shí)間相差小于5 min。

對(duì)4景LandSAT8熱紅外圖像進(jìn)行幾何精校正、圖像配準(zhǔn)，控制點(diǎn)誤差小于0.5個(gè)像元；裁剪出研究區(qū)，并利用水體像元和非水體像元的光譜特征差異，人機(jī)交互判讀提取出研究海域純水體像元。

1.3 基于改進(jìn)算法反演LandSAT8 SST

大氣表觀輻亮度LTOA可用下式近似表示[16-17]：

LTOA=[ε·LT+(1-ε)Ld]·τ1+Lu

(1)

式(1)中：ε是海水發(fā)射率，這里取0.988 8；Lu和Ld分別表示中心點(diǎn)處的大氣上行和下行輻亮度[W/(m2·sr·μm)]，由大氣校正參數(shù)計(jì)算器求得；LT是海表輻亮度[W/(m2·sr·μm)]；τ1是中心點(diǎn)處修正的大氣透過率。

LandSAT8LTOA通過以下定標(biāo)公式計(jì)算：

LTOA=ML·Qcal+AL

(2)

式(2)中：系數(shù)ML和AL可在MTL.txt元數(shù)據(jù)文件中查找得到，Qcal為第10波段DN值。

對(duì)普朗克公式進(jìn)行簡化計(jì)算[18]，將海區(qū)SST分成10～20 ℃和21～33 ℃兩個(gè)區(qū)間，分別進(jìn)行線性擬合得到LandSAT8LT和LandSAT8SST轉(zhuǎn)換關(guān)系式：

SST10～20= 7.771 5LT-47.316(R2= 0.999 8)

(3)

SST21～33= 6.992 3LT-40.481(R2= 0.999 8)

(4)

τ1的計(jì)算過程參考前人做法[13]，即將中心點(diǎn)處的MODISSST近似看作真值并作為該點(diǎn)處的LandSAT8SST，分不同的SST區(qū)間將其代入公式(3)或(4)，得到中心點(diǎn)處的LandSAT8LT，再將LandSAT8LT連同中心點(diǎn)處的Lu、Ld和LTOA一起代入式(1)即可得到修正的τ1。

此外，為了便于比較，本研究還將未修正的τ，即基于大氣校正參數(shù)計(jì)算器計(jì)算的中心點(diǎn)處的τ代入式(1)，計(jì)算得到基于輻射方程法反演的LandSAT8 SST。

1.4 算法精度評(píng)價(jià)

2種算法計(jì)算的大氣透過率偏差用均方根誤差rmse來表示，分別為：

(5)

(6)

式(5)、(6)中：τ2i為使用1.3節(jié)計(jì)算τ1的方法求取的第i個(gè)MODIS驗(yàn)證點(diǎn)處的大氣透過率τ2，下同。

2種算法反演的LandSAT8SST偏差主要用平均偏差bias和均方根誤差rmse來表示，分別為：

(7)

(8)

式(7)、(8)中：SSTi為MODISSST或浮標(biāo)SST。

使用大氣透過率標(biāo)準(zhǔn)差σ(τ2)定性表示研究海域大氣透過率分布的均勻程度，計(jì)算公式為：

(9)

2 結(jié)果與討論

2.1 改進(jìn)算法精度驗(yàn)證及適用性探討

MODISSST精度驗(yàn)證結(jié)果如表1所示，輻射方程法計(jì)算的τ及其反演的LandSAT8SST存在不同程度的偏差，偏差大小與季節(jié)無關(guān)，SST偏差(包括平均偏差bias和均方根誤差rmse)最大超過2.5 ℃，最小僅為0.5 ℃左右。相比輻射方程法，改進(jìn)算法則對(duì)大氣透過率偏差和SST偏差均有明顯改善，除2019-08-21圖像外，其他3景圖像τ1偏差在0.005左右，SST偏差在0.5 ℃左右；而對(duì)于2019-08-21圖像，改進(jìn)算法對(duì)其SST反演精度也有較大提高，平均偏差由2.52 ℃降為1.09 ℃。浮標(biāo)SST精度驗(yàn)證結(jié)果如表2所示，改進(jìn)算法在近岸海域?qū)ST偏差改善效果同樣顯著，輻射方程法反演的SST偏差超過了1.5 ℃，而算法改進(jìn)后平均偏差bias和均方根誤差rmse分別減少到0.14、0.18 ℃。

表1 MODIS SST精度驗(yàn)證結(jié)果

表2 浮標(biāo)SST精度驗(yàn)證結(jié)果

進(jìn)一步對(duì)改進(jìn)算法的適用條件進(jìn)行分析，如圖2所示，σ(τ2)與τ1偏差和SST偏差相關(guān)系數(shù)分別為R2[rmse(τ1)]=0.648 5、R2[bias(SST)]=0.920 7、R2[rmse(SST)]=0.934 0，可看出改進(jìn)算法SST反演精度與研究海域大氣透過率分布均勻程度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，而研究海域大氣透過率分布不均勻則可能是該算法產(chǎn)生較大偏差的主要原因，即對(duì)于大氣透過率分布均勻的研究海域，改進(jìn)算法對(duì)其SST偏差具有顯著改善，而當(dāng)水汽含量不均勻，有云覆蓋，尤其是不易剔除的薄云存在時(shí)，往往會(huì)造成局部大氣透過率分布存在較大突變，在此情況下，基于中心點(diǎn)計(jì)算的τ1可能就難以代表整片研究海域大氣透過率的平均狀況，如2019-08-21圖像σ(τ2)在4景圖像中最大，相應(yīng)的SST偏差也最大?；蚩梢酝ㄟ^縮小研究海域范圍、增加τ1的計(jì)算數(shù)量，以及進(jìn)行更嚴(yán)格細(xì)致的薄云剔除等措施來提高改進(jìn)算法的反演精度。

圖2 線性相關(guān)性分析結(jié)果

2.2 改進(jìn)算法在電廠溫排水遙感監(jiān)測上的應(yīng)用

大中型核電或火力發(fā)電廠循環(huán)冷卻水排放入海，會(huì)引起一定范圍的海水增溫，進(jìn)而影響浮游動(dòng)、植物的多樣性，增加海洋生物病害和赤潮暴發(fā)頻率[19]。廈門灣及其鄰近海域主要有后石、嵩嶼、晉江3座火力發(fā)電廠，如圖1所示，后石電廠總裝機(jī)容量可達(dá)420萬千瓦，最后一號(hào)機(jī)組于2009年建成投產(chǎn)；嵩嶼電廠總裝機(jī)容量120萬千瓦，二期兩臺(tái)機(jī)組分別于2006年3月、8月轉(zhuǎn)入商業(yè)運(yùn)行；晉江電廠總裝機(jī)容量140萬千瓦，4臺(tái)燃-蒸氣聯(lián)合循環(huán)機(jī)組于2010年10月竣工投產(chǎn)。

基于改進(jìn)算法反演的各電廠表層溫排水分布，如圖3所示。后石電廠表層溫升現(xiàn)象最顯著，呈射流狀，沿岸線向東南方向流動(dòng)，主流軸越過了鳥嘴尾角，羽流尾部形態(tài)不固定，差異較大；嵩嶼電廠未形成較為明顯的溫升羽流痕跡，其排水口附近SST分布特征與相鄰海岸海水較為相似，溫排水增溫效應(yīng)基本可忽略不計(jì)；晉江電廠溫升羽流呈扇形分布，主流軸近似垂直岸線向東，流軸短，影響范圍小，部分羽流尾部存在向南擴(kuò)散的特征。

進(jìn)一步定量分析后石、晉江電廠的溫排水特征。從排水口出發(fā)，沿主流軸方向做溫升羽流的擴(kuò)散斷面，如圖3黑線曲線所示，查找斷面無明顯降溫變化的初始位置，將該位置處的溫度作為基準(zhǔn)溫度，分別統(tǒng)計(jì)溫升高于基準(zhǔn)溫度0、3、5 ℃的熱污染半徑和面積，如表3所示。后石電廠排水口附近存在較為穩(wěn)定的高溫水體(溫升>3 ℃的水體，下同)，其溫升幅度和擴(kuò)散影響范圍最大，各圖像最大溫升和熱污染面積均超過了5 ℃和1.5 km2；晉江電廠熱污染半徑和面積較小，主要集中在排水口附近，但不排除部分年份排水口附近出現(xiàn)高溫水體的可能，如在2019年8月21日?qǐng)D像中，高溫水體面積占比達(dá)到了20.69%。

表3 羽流溫升結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖3 廈門灣及其鄰近海域各電廠表層溫排水分布圖

從應(yīng)用效果來看，改進(jìn)算法對(duì)于遙感監(jiān)測電廠表層溫排水具有很好的優(yōu)勢，但也需注意遙感手段僅能描述和說明特定時(shí)刻電廠表層溫排水情況，對(duì)于其實(shí)際排放通量和表層以下溫排水情況，還需結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬手段做進(jìn)一步分析。

3 結(jié)論

本研究使用MODIS SST和浮標(biāo)SST分別對(duì)算法改進(jìn)前后反演的LandSAT8SST進(jìn)行驗(yàn)證和研究比較，并初步分析了廈門灣及其鄰近海域的電廠溫排水時(shí)空分布情況，得出的主要結(jié)論如下：

(1)輻射方程法反演的LandSAT8SST精度不穩(wěn)定，可能存在較大偏差。而改進(jìn)算法則對(duì)τ1和SST偏差均有明顯改善，MODISSST驗(yàn)證表明除2019-08-21圖像外，其他3景圖像SST偏差在0.5 ℃左右；浮標(biāo)SST驗(yàn)證表明其平均偏差bias和均方根誤差rmse分別減少到0.14、0.18 ℃，基本可以忽略不計(jì)。

(2)改進(jìn)算法SST反演精度與研究海域大氣透過率分布均勻程度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為R2[bias(SST)]=0.920 7、R2[rmse(SST)]=0.934 0，大氣透過率分布不均勻可能是該算法產(chǎn)生較大偏差的主要原因。

(3)改進(jìn)算法對(duì)于遙感監(jiān)測電廠表層溫排水具有很好的優(yōu)勢，從反演的SST圖像來看，嵩嶼電廠表層海水溫升羽流不明顯；后石電廠表層溫升現(xiàn)象最顯著，溫升幅度和擴(kuò)散影響范圍最大，其排水口附近存在較為穩(wěn)定的高溫水體；晉江電廠溫排水呈扇形分布，影響范圍小，主要集中在排水口附近。