FY-3D MERSI-II云頂產(chǎn)品算法及精度檢驗

張淼，徐娜，鄭照軍，陳林

(中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標重點開放實驗室/國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

1 引 言

云頂溫度和云頂高度作為基本的云參數(shù)，在云的熱輻射強迫估計，航空氣象保障，數(shù)值天氣預(yù)報，天氣氣候研究等方面具有十分重要的意義[1-2]。目前從衛(wèi)星遙感反演云頂溫度的算法主要有兩類，一是基于輻射傳輸方程直接反演云頂溫度，包括適用于光學(xué)厚云的11 μm 通道亮溫方法和適用于光學(xué)薄卷云的雙通道發(fā)射率方法[3]；二是由反演出的云頂高度利用大氣溫-壓廓線數(shù)據(jù)得到云頂溫度。反演云頂高度的算法主要分為被動遙感和主動遙感兩類，被動遙感反演主要包括紅外窗區(qū)算法、CO2切片算法、一維變分反演方法等[4-5]，主動遙感反演主要是基于主動激光雷達或云雷達的后向散射算法[6]。雖然主動遙感反演的云頂高度精度較高，但主動遙感儀器的掃描寬度過窄，且分辨率較低。

風(fēng)云三號(FY-3)氣象衛(wèi)星是我國第二代極軌氣象衛(wèi)星，F(xiàn)Y-3 01 批為試驗應(yīng)用衛(wèi)星，包括FY-3A 和FY-3B 兩顆衛(wèi)星，F(xiàn)Y-3 02 批為業(yè)務(wù)星，共4顆衛(wèi)星(FY-3C、FY-3D、FY-3E、FY-3F)，目前已成功發(fā)射了上午星FY-3C、下午星FY-3D 及晨昏星FY-3E[7]，其中FY-3D 上搭載的中分辨率光譜成像儀II(MERSI-II)整合了原有風(fēng)云三號衛(wèi)星兩臺成像儀器(MERSI-1 和VIRR)的功能，是世界上首臺能夠獲取全球250 m 分辨率紅外分裂窗區(qū)資料的成像儀器[8]。

FY-3D/MERSI-II 的云頂性質(zhì)產(chǎn)品采用11 μm通道亮溫反演算法，該算法原理簡單，但精度較低，因此本研究將反演精度較高的一維變分反演方法應(yīng)用到FY-3D/MERSI-II 的云頂性質(zhì)產(chǎn)品中，以提高產(chǎn)品反演精度。本文主要介紹一維變分方法反演FY-3D/MERSI-II云頂性質(zhì)(包括云頂溫度、云頂高度和云頂壓強)產(chǎn)品的估算方法及精度檢驗結(jié)果。

2 數(shù)據(jù)介紹

2.1 FY-3D/MERSI-II資料介紹

FY-3D/MERSI-II的主要任務(wù)是動態(tài)監(jiān)測地球海洋、陸地、大氣等環(huán)境要素，特別是云特性、氣溶膠、陸地表面特性、海洋表面特性、低層水汽等重要大氣和環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測。共配備25 個通道，包括16 個可見光-近紅外通道、3 個短波紅外通道和6 個中長波紅外通道；25 個通道中，250 m 地面分辨率通道6個，1 000 m 地面分辨率通道19個。云頂性質(zhì)算法應(yīng)用的是MERSI-II的2個紅外分裂窗通道(11.0 μm、12.0 μm)，空間分辨率為250 m。

2.2 輔助數(shù)據(jù)介紹

2.2.1 云檢測和云類型數(shù)據(jù)

云頂性質(zhì)算法需要用到FY-3D/MERSI-II 業(yè)務(wù)生成的云檢測和云類型產(chǎn)品，其中云類型產(chǎn)品將云分為水云、過冷水云、混合云、厚冰云、單層卷云、多層卷云6 種不同的類型，云頂性質(zhì)算法將對不同的云類型賦初值。

2.2.2 數(shù)值預(yù)報資料

本研究使用我國自主研發(fā)的多尺度通用資料同化和CMA 數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)提供的溫度和壓強廓線數(shù)據(jù)，水平分辨率為0.25 °×0.25 °，垂直分辨率40層，最高層的氣壓為0.1 hPa。

2.2.3 地表發(fā)射率資料

觀察患者用藥效果之間的差異，藥效評判指標，十分有效、基本有效、無效，以最終的綜合有效率作為主要衡量數(shù)值。

本研究使用的地表發(fā)射率資料為MODIS 月平均紅外地表發(fā)射率全球數(shù)據(jù)集，水平分辨率為0.05 °，在10 個通用的波長(3.6、4.3、5.0、5.8、7.6、8.3、9.3、10.8、12.1、14.3 μm)都是可用的，利用MERSI-II的光譜響應(yīng)函數(shù)對月平均發(fā)射率進行積分使之與MERSI-II 通道相匹配，數(shù)據(jù)集和空間匹配方法詳細介紹可參考文獻[9]。

2.2.4 海表溫度資料

本研究使用的海表溫度為高分辨率融合分析場日平均海溫(Opetimum Interpolation SST，OISST)資料[10]，分辨率為0.25 °×0.25 °，具有全球覆蓋，時效性好的優(yōu)點。

2.3 MODIS云產(chǎn)品資料介紹

中分辨率成像光譜儀MODIS 是美國地球觀測系統(tǒng)EOS 極軌衛(wèi)星Terra 和Aqua 上攜帶的重要儀器，Terra 和Aqua 分別于地方時間上午10:30 和下午01:30 過境。MODIS 共有36 個光譜波段，分布在0.4～14.4 μm 之間，星下點分辨率在0.25～1.00 km 之間。為了更好地與MERSI-II 數(shù)據(jù)在時間上進行匹配，本研究使用的MODIS 資料來自Aqua 衛(wèi)星。MYD06 云產(chǎn)品[11-12]是目前國內(nèi)外較公認的云產(chǎn)品，包括云頂溫度、云頂高度、云頂壓強、云相態(tài)、云量等，可在官網(wǎng)免費下載。

3 反演算法

在單層云且不考慮散射的條件下，紅外通道的輻射傳輸方程可表示為公式(1)[13]：

其中，Robs表示衛(wèi)星觀測到的云頂大氣輻射，Tc表示云頂溫度，B 表示Planck函數(shù)，Rclr表示大氣層頂晴空輻射，Rac表示云上輻射，τac表示衛(wèi)星到云像元的透過率，ec表示云發(fā)射率，它們都是波長λ的函數(shù)?？紤]到ec隨波長而變化，引入一個β參數(shù)反映云的微物理特征[13-14]。例如1、2 兩個通道，有如下關(guān)系式：

通過公式(2)，12 μm 云發(fā)射率可以由11 μm云發(fā)射率導(dǎo)出：

本文后面的ec均表示11 μm 云發(fā)射率，β表示β(11/12 μm)。

本研究通過PFAST 快速輻射傳輸模式[15]計算得到11 μm、12 μm 晴空透過率及輻射率廓線，黑體輻射率廓線，及大氣層頂晴空輻射，通過公式(1)計算得到衛(wèi)星觀測到的輻射。

一維變分反演方法定義代價函數(shù)φ，并最小化φ：

其中x表示反演參數(shù)矢量，包括云頂溫度Tc、11μm通道發(fā)射率ec以及β，xa表示x的初估值，y表示觀測值，包括11 μm通道亮溫及11 μm與12 μm通道亮溫差，f(x)表示前向輻射傳輸模式的計算值，Sa表示xa的誤差協(xié)方差陣，Sy表示模式及測量的誤差協(xié)方差陣。FY-3D/ MERSI-II 業(yè)務(wù)生成云類型產(chǎn)品將云分為水云、過冷水云、混合云、厚冰云、單層卷云、多層卷云6 種不同的類型，參考文獻[13]，分別給出6種不同類型云的Tc、ec、β的先驗估計值及誤差協(xié)方差矩陣如表2所示，ec的先驗估計值通過公式(5)計算得到，sat_zen 表示衛(wèi)星天頂角。

表2 Tc、ec、β的先驗估計值及誤差協(xié)方差矩

11 μm 通道亮溫、11 μm 與12 μm 通道亮溫差的誤差方差矩陣由下式計算：

δ=δinstr+(1 -εc)δclear+δ2d，δinstr是儀器誤差，δclear是輻射傳輸模式的晴空誤差，δ2d是11 μm 亮溫及11 μm 與12 μm 亮溫差在3×3 像元內(nèi)的標準偏差。

利用一維變分反演方法得到云頂溫度后，對MERSI-II 的格點數(shù)據(jù)和CMA 模式數(shù)據(jù)進行時間匹配，選擇時間最接近的CMA 模式數(shù)據(jù)進行格點化處理，通過線性插值處理，將空間分辨率為0.25 °×0.25 °的CMA 模式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成空間分辨率為0.01 °×0.01 °、高度層為101 的格點數(shù)據(jù)，大氣溫度廓線上云頂溫度對應(yīng)的高度和壓強即為云頂高度和云頂壓強。當(dāng)云頂位于逆溫層之外時，通過簡單的線性插值得到相應(yīng)的云頂高度和云頂壓強，當(dāng)有逆溫層時，一個溫度值可能對應(yīng)著幾個氣壓和高度值，此時根據(jù)地面溫度和云頂溫度以及預(yù)先給定的溫度直減率，求得對應(yīng)的云頂高度和壓強。

4 產(chǎn)品質(zhì)量檢驗

利用AQUA/MODIS 所提供的云產(chǎn)品數(shù)據(jù)對FY-3D/MERSI-II 云頂溫度、云頂高度和云頂壓強產(chǎn)品進行精度檢驗。首先選取距離MERSI-II 觀測時間5 分鐘以內(nèi)的MODIS 觀測數(shù)據(jù)，進行時間匹配，再將MODIS 數(shù)據(jù)對應(yīng)到MERSI-II 像素點上進行空間匹配，最后選擇MODIS 和MERSI-II均為有效值的匹配點進行統(tǒng)計分析，個例分析如圖1 所示。從圖1 中可看出MERSI-II 的反演結(jié)果與MODIS 具有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，云頂溫度的精度為4.0±7.9 K，云頂壓強的精度為13.6±91.5 hPa，云頂高度的精度為-0.4±1.3 km。

圖1 FY3D MERSI-II 云頂溫度、云頂高度、云頂壓強產(chǎn)品(2020年7月12日12:25)與MODIS相應(yīng)產(chǎn)品(2020年7月12日12:30)對比圖 各小圖依次是FY-3D MERSI-II 云頂溫度(a)，MODIS云頂溫度(b)，F(xiàn)Y-3D MERSI-II 云頂高度(c)，MODIS云頂高度(d)，F(xiàn)Y-3D MERSI-II 云頂壓強(e)，MODIS云頂壓強(f)，F(xiàn)Y-3D MERSI-II 云頂溫度與MODIS云頂溫度對比散點圖(g)，F(xiàn)Y-3D MERSI-II云頂高度與MODIS云頂高度對比散點圖(h)，F(xiàn)Y-3D MERSI-II 云頂壓強與MODIS云頂壓強對比散點圖(i)。

選取1 月、4 月、7 月、10 月分別代表冬季、春季、夏季、秋季，分六種不同的云類型進行誤差統(tǒng)計，云頂溫度、云頂高度和云頂壓強的誤差統(tǒng)計結(jié)果如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 云頂溫度偏差（a）和均方根誤差（b）統(tǒng)計結(jié)果

圖3 云頂高度偏差（a）和均方根誤差（b）統(tǒng)計結(jié)果

圖4 云頂壓強偏差（a）和均方根誤差（b）統(tǒng)計結(jié)果

統(tǒng)計分析結(jié)果表明：FY-3D/MERSI-II 水云的云頂溫度、云頂壓強為負偏差，云頂高度為正偏差，說明存在云頂溫度、云頂壓強的低估，云頂高度的高估；而冰云則恰好相反，云頂溫度和云頂壓強為正偏差，云頂高度為負偏差，說明存在云頂溫度、云頂壓強的高估，云頂高度的低估。

水云云頂溫度精度為-1.2±4.6 K，云頂高度精度為1.4±1.8 km，云頂壓強精度為-140.9±114.5 hPa；厚冰云云頂溫度精度為7.0±6.0 K，云頂高度精度為-1.0±0.9 km，云頂壓強精度為37.1±36.0 hPa；混合云云頂溫度精度為1.5±8.5 K，云頂高度精度為0.8±2.2 km，云頂壓強精度為-87.4±157.8 hPa，相比于之前的單通道反演算法，精度有所提升。單層卷云和多層云的反演偏差較大，主要是由于卷云的透過率較大，云下輻射會對觀測輻射造成干擾，從而增加反演的不確定性。Himawari-8 和GOES-R 云頂產(chǎn)品均采用一維變分反演方法，Himawari-8云頂溫度產(chǎn)品的精度為1.3±25.2 K，云頂高度產(chǎn)品的精度為-0.6±2.3 km[16]，GOES-R 云頂溫度產(chǎn)品的精度為-0.2±4.8 K，云頂高度產(chǎn)品的精度為-0.000 2±0.940 0 km，云頂壓強產(chǎn)品的精度為-0.02±94.00 hPa[14]，F(xiàn)Y-3D/MERSI-II 云頂產(chǎn)品的精度與兩者相當(dāng)。MODIS 云頂壓強的精度為50 hPa[11]，F(xiàn)Y-3D/MERSI-II 云頂產(chǎn)品的精度與之相比略差，主要是因為MERSI-II 缺少MODIS上的CO2通道，CO2通道對高層卷云敏感[17]，也導(dǎo)致卷云的云頂產(chǎn)品估計精度較差。

對于云頂溫度，水云的反演結(jié)果優(yōu)于冰云，主要是冰云形態(tài)復(fù)雜，對冰云的性質(zhì)認識不足難以精確描述所致。對于云頂高度和壓強，水云的反演結(jié)果不如厚冰云，主要是由于低層容易出現(xiàn)逆溫層，當(dāng)云層處于逆溫層內(nèi)時，是利用預(yù)先給定的溫度直減率求得對應(yīng)的云頂高度和壓強的，逆溫層情況復(fù)雜，易導(dǎo)致較大偏差，因此水云的云頂高度和壓強偏差較厚冰云大。

5 結(jié)論與討論

本文介紹了FY-3D/MERSI-II 業(yè)務(wù)云頂產(chǎn)品估算方法及精度檢驗結(jié)果。

(1) 整體而言，MERSI-II 反演結(jié)果與MODIS具有較好的一致性，但單層卷云和多層云的反演偏差較大。主要是由于卷云的透過率較大，云下輻射會對觀測輻射造成干擾，從而增加反演的不確定性，且MERSI-II 缺少對高層卷云敏感的CO2通道，也導(dǎo)致卷云產(chǎn)品的精度較差。

(2) 水云云頂溫度精度為-1.2±4.6 K，云頂高度精度為1.4±1.8 km，云頂壓強精度為-140.9±114.5 hPa；厚冰云云頂溫度精度為7.0±6.0 K，云頂高度精度為-1.0±0.9 km，云頂壓強精度為37.1±36.0 hPa；混合云云頂溫度精度為1.5±8.5 K，云頂高度精度為0.8±2.2 km，云頂壓強精度為-87.4±157.8 hPa。產(chǎn)品精度較單通道反演方法有所提升，與同樣用一維變分方法反演的Himawari-8 和GOES-R產(chǎn)品精度相當(dāng)。

(3) 算法存在水云云頂溫度、云頂壓強的低估，云頂高度的高估，冰云云頂溫度、云頂壓強的高估，云頂高度的低估。水云的反演結(jié)果優(yōu)于冰云。

MERSI-II 云頂性質(zhì)產(chǎn)品的精度高度依賴于儀器的性能、定位定標精度、云檢測、云類型產(chǎn)品的精度、數(shù)值預(yù)報分析場的精度、輻射傳輸計算的精度及靜態(tài)輔助數(shù)據(jù)的精度。另外，時空匹配方法也是精度誤差的可能因素，我們選取距離MERSI-II 觀測時間5 分鐘以內(nèi)的MODIS 觀測數(shù)據(jù)進行匹配，在這段時間內(nèi)云系移動容易導(dǎo)致空間上匹配的偏差。在通過云頂溫度結(jié)合CMA 模式大氣廓線得到云頂高度和壓強時，兩者匹配的時間差異以及逆溫層時假定的溫度遞減率也會帶來一定的誤差。輻射傳輸模式在云頂性質(zhì)反演中有十分關(guān)鍵的作用，但目前對冰云特別是卷云的性質(zhì)認識不足，因此如何精確描述冰晶輻射特性，提高冰云特別是卷云輻射傳輸?shù)哪M精度將是下一步的工作重點。