基于DINEOF的風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星海表溫度重構(gòu)方法研究

宋晚郊,張 鵬,孫 凌,唐世浩,周芳成

(1.中國(guó)氣象局中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,國(guó)家衛(wèi)星氣象中心(國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心),北京 100081；2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012；3.自然資源部第二海洋研究所,浙江 杭州 310012；4.許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心,北京 100081)

0 引言

海表溫度是表征海洋表層熱力狀況的重要海洋參數(shù)，在海-氣之間的熱量、動(dòng)力和水汽交換中扮演著重要角色，同時(shí)對(duì)大氣環(huán)流和短周期氣候變化十分敏感，并被廣泛用于監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)和厄爾尼諾等天氣氣候事件的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程[1-3]。通過(guò)對(duì)海表溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大尺度、高精度的監(jiān)測(cè)，獲取時(shí)間序列上連續(xù)的、高時(shí)相的海溫資料，對(duì)海洋現(xiàn)象的過(guò)程分析及極端氣候事件的研究都具有重要意義。風(fēng)云三號(hào)(FY-3)氣象衛(wèi)星是實(shí)現(xiàn)全球、全天候、多光譜遙感的我國(guó)第二代極地軌道氣象衛(wèi)星系列[4-7]，裝載著可見光紅外掃描輻射計(jì)(VIRR)、中分辨率光譜成像儀II(MERSI-II)和微波輻射計(jì)(MWRI)，分別基于熱紅外和微波遙感方法可以反演得到覆蓋全球的海表溫度(sea surface temperature, SST)產(chǎn)品[8-11]。衛(wèi)星反演海表溫度包括光學(xué)紅外和被動(dòng)微波遙感兩種方式，光學(xué)紅外遙感反演的海表溫度具有高空間分辨率，但由于無(wú)法穿透云層，海面上空云覆蓋海域的海表溫度數(shù)據(jù)存在大面積、無(wú)規(guī)律的缺值[2-3]；被動(dòng)微波遙感的空間分辨率較低，但可穿透云層，在云覆蓋海域仍能反演海表溫度，彌補(bǔ)了光學(xué)紅外遙感反演海表溫度的不足，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海表溫度的全天候觀測(cè)[3]。

為了填補(bǔ)云、霧、霾覆蓋下缺失的遙感數(shù)據(jù)，研究者們提出了最優(yōu)插值[12-13]、動(dòng)態(tài)最優(yōu)插值[14]、樣條插值[15]、克里金插值、經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解插值法(data interpolating empirical orthogonal functions, DINEOF)等數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，應(yīng)用于海表溫度[16-18]、地表溫度[19]、葉綠素a質(zhì)量濃度[20-22]等變量的缺值補(bǔ)全。其中DINEOF法在數(shù)據(jù)補(bǔ)全時(shí)不需要復(fù)雜的先驗(yàn)知識(shí)信息，交叉驗(yàn)證后能夠得到可靠的重構(gòu)結(jié)果[16-22]。目前DINEOF法已成功應(yīng)用于國(guó)外衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)(AVHRR，MODIS)在局部海域的海表溫度重構(gòu)研究，如亞得里亞海[16]、我國(guó)長(zhǎng)江口流域[17]、北極地區(qū)[18]的海表溫度重構(gòu)分析，然而對(duì)風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星全球海表溫度產(chǎn)品的重構(gòu)研究尚未開展。因此，本文基于風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星可見光紅外掃描輻射計(jì)、中分辨率光譜成像儀和微波輻射計(jì)的日均海溫產(chǎn)品，利用DINEOF方法構(gòu)建全球海溫重構(gòu)數(shù)據(jù)，并與全球海溫分析場(chǎng)OISST、國(guó)際海氣綜合數(shù)據(jù)集ICOADS進(jìn)行對(duì)比并評(píng)價(jià)其精度，得到的全球海溫分析數(shù)據(jù)可為臺(tái)風(fēng)等天氣事件監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)提供可靠的熱力場(chǎng)資料。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

FY-3B 01批試驗(yàn)應(yīng)用衛(wèi)星和FY-3C/3D 02批業(yè)務(wù)應(yīng)用衛(wèi)星分別裝載著可見光紅外掃描輻射計(jì)(VIRR)、中分辨率光譜成像儀II(MERSI-II)和微波輻射計(jì)(MWRI)。其中FY-3D MWRI微波遙感反演的海溫?cái)?shù)據(jù)，首先剔除含降水和海冰的像元，按規(guī)則建立浮標(biāo)海溫觀測(cè)和微波輻射計(jì)亮溫之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，剔除與氣候平均態(tài)顯著異常的像元，得到最終反演后的海溫?cái)?shù)據(jù)[3,23]。光學(xué)紅外反演的海溫?cái)?shù)據(jù)采用非線性海溫算法、多通道海溫算法[24]、三通道海溫算法[25]進(jìn)行反演，反演結(jié)果通過(guò)多算法回歸建模和精度評(píng)估。本次研究選取國(guó)家衛(wèi)星氣象中心提供的紅外和微波遙感反演的L2級(jí)逐日海表溫度產(chǎn)品[3,11,23]，紅外海溫產(chǎn)品包括白天和夜間觀測(cè)，空間分辨率為 0.05°；微波海溫產(chǎn)品包括升軌和降軌觀測(cè)，空間分辨率為0.25°。所有觀測(cè)數(shù)據(jù)空間分辨率重采樣為 0.25° 后參與后續(xù)運(yùn)算。對(duì)比驗(yàn)證數(shù)據(jù)選取美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局提供的日均最優(yōu)插值海表溫度分析資料全球覆蓋數(shù)據(jù)OISST V2(Optimum Interpolation 1/4 degree daily sea surface temperature)[26-27]和包括船測(cè)、浮標(biāo)、站點(diǎn)數(shù)據(jù)在內(nèi)的全球長(zhǎng)期觀測(cè)資料ICOADS(International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set)[23,28](表1)。

表1 本次研究使用的海表溫度數(shù)據(jù)

1.2 方法介紹

DINEOF方法是一種無(wú)需先驗(yàn)值、自適應(yīng)的推測(cè)時(shí)空?qǐng)鲋腥敝迭c(diǎn)的方法[16,29-30]，該方法通過(guò)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)主要模態(tài)重構(gòu)空間缺失數(shù)據(jù)，由最優(yōu)截?cái)喈a(chǎn)生的最重要模態(tài)得到反映出數(shù)據(jù)整體狀態(tài)和時(shí)間發(fā)展趨勢(shì)的動(dòng)態(tài)擬合圖像[21]。DINEOF重構(gòu)后再進(jìn)行異常值檢驗(yàn)，引入中值濾波，使用中位數(shù)替換數(shù)據(jù)集合中存在的異常值像元。通過(guò)邊緣檢測(cè)方法標(biāo)記云覆蓋邊緣位置的異常像元。有值像元周圍8個(gè)像元中當(dāng)存在缺值像元時(shí)標(biāo)記為Pnan，不存在缺值像元時(shí)標(biāo)記為Pmedian，異常像元檢測(cè)處理后結(jié)果滿足公式(1)～公式(3)[31]。合成分析主要通過(guò)統(tǒng)計(jì)參與合成的海表溫度的平均值實(shí)現(xiàn)[32]。精度評(píng)價(jià)指標(biāo)采用相關(guān)系數(shù)(R)、均方根誤差(RMSE)和偏差(Bias)：

Pfinal=wnanPnan+wmedianPmedian

(1)

wnan+wmedian=1

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Pnan代表數(shù)據(jù)點(diǎn)周圍有缺值，Pmedian代表數(shù)據(jù)點(diǎn)周圍數(shù)據(jù)的中位數(shù)，Pfinal代表被替換數(shù)據(jù)，wmedian代表數(shù)據(jù)點(diǎn)周圍非缺值的權(quán)重，wnan代表數(shù)據(jù)點(diǎn)周圍缺值的權(quán)重，s代表數(shù)據(jù)點(diǎn)周圍數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，N代表參與運(yùn)算的總海溫格點(diǎn)數(shù)，Xrec代表重構(gòu)后的海溫?cái)?shù)據(jù)，Xori代表原始海溫?cái)?shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外和微波海溫產(chǎn)品重構(gòu)方案及結(jié)果分析

圖1為2020年1月1日FY-3D中分辨率光譜成像儀、微波輻射計(jì)反演的海表溫度產(chǎn)品的空間分布圖。中分辨率光譜成像儀反演的海溫產(chǎn)品在赤道和高緯度地區(qū)存在大面積云遮擋的現(xiàn)象(圖1a和1b)，微波輻射計(jì)反演的海溫產(chǎn)品在赤道和中緯度地區(qū)存在軌道條帶(圖1c和1d)。

圖1 2020年1月1日FY-3D日均海表溫度數(shù)據(jù)空間分布圖

本次研究首先針對(duì)紅外遙感反演的海溫產(chǎn)品，將FY-3B和FY-3C可見光紅外掃描輻射計(jì)、FY-3D中分辨率光譜成像儀白天和黑夜反演的海溫產(chǎn)品，分別利用合成分析方法得到逐日海溫?cái)?shù)據(jù)(圖2a～2c)。合成后的海溫?cái)?shù)據(jù)空間覆蓋率較FY-3D反演海溫產(chǎn)品有明顯提升，然而在云下覆蓋區(qū)域仍存在大范圍無(wú)規(guī)律的缺測(cè)。利用DINEOF方法對(duì)FY-3B、FY-3C和FY-3D多星紅外遙感反演的海溫產(chǎn)品進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)后海溫?cái)?shù)據(jù)的空間覆蓋率明顯提高，但在太平洋中部和南半球60°S以南仍存在大范圍云覆蓋導(dǎo)致的缺測(cè)(圖2e)。

然后針對(duì)FY-3D微波輻射計(jì)反演的海溫產(chǎn)品，分別利用合成分析和DINEOF方法得到合成和重構(gòu)的逐日海溫?cái)?shù)據(jù)(圖2d和2f)。將FY-3D微波輻射計(jì)升軌和降軌反演的海溫產(chǎn)品經(jīng)過(guò)合成分析，其逐日海溫?cái)?shù)據(jù)在熱帶及附近海域的軌道拼接處仍存在數(shù)據(jù)缺失(圖2d)?；贔Y-3B、FY-3C和FY-3D紅外遙感海溫產(chǎn)品的合成分析結(jié)果，加入FY-3D微波輻射計(jì)海溫進(jìn)行DINEOF重構(gòu)，重構(gòu)后逐日海溫?cái)?shù)據(jù)的空間覆蓋率顯著提升；然而，受到云下覆蓋范圍較大的影響，僅將逐日觀測(cè)資料作為輸入項(xiàng)，仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)全球范圍海溫?cái)?shù)據(jù)的空間連續(xù)覆蓋，南半球少部分海域仍存在數(shù)據(jù)缺失(圖2f)。

圖2 2020年1月1日的日均海表溫度數(shù)據(jù)空間分布圖

進(jìn)一步開展多天、多顆衛(wèi)星、多傳感器反演海溫產(chǎn)品的重構(gòu)分析，以多天的逐日反演海溫產(chǎn)品作為輸入項(xiàng)，包括紅外、紅外聯(lián)合微波兩組實(shí)驗(yàn)。當(dāng)僅將紅外反演的海溫產(chǎn)品作為DINEOF重構(gòu)方法的輸入數(shù)據(jù)時(shí)，需要近一個(gè)月(29 d)的數(shù)據(jù)才能夠?qū)崿F(xiàn)赤道太平洋及全球海溫的連續(xù)覆蓋(圖3b)。時(shí)間分辨率低的主要原因是：部分海域有云天數(shù)較多，需要更多的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)缺測(cè)補(bǔ)值的處理。微波反演的海溫產(chǎn)品能夠克服紅外反演的海溫產(chǎn)品存在云下缺值的局限性，因此加入FY-3D微波輻射計(jì)反演的海溫升、降軌產(chǎn)品進(jìn)行DINEOF重構(gòu)，可使重構(gòu)海溫?cái)?shù)據(jù)的時(shí)間分辨率提高到3 d。

圖3 FY-3D中分辨率光譜成像儀海表溫度空間分布(a)和基于DINEOF方法重構(gòu)的海表溫度空間分布(b)

基于FY-3B、FY-3C和FY-3D三顆極軌氣象衛(wèi)星，結(jié)合可見光紅外掃描輻射計(jì)、中分辨率光譜成像儀和微波輻射計(jì)三種傳感器反演的海溫產(chǎn)品，最終可得到時(shí)間分辨率為3 d，空間分辨率為0.25°×0.25°的重構(gòu)海溫?cái)?shù)據(jù)，基本能夠?qū)崿F(xiàn)全球范圍的空間連續(xù)覆蓋，相比原始逐日紅外或者微波反演的海溫產(chǎn)品，顯著提高了海溫資料的空間連續(xù)性和可用性。

2.2 多傳感器重構(gòu)海溫?cái)?shù)據(jù)的季節(jié)分析和精度評(píng)估

圖4為多傳感器DINEOF方法重構(gòu)后的海溫產(chǎn)品在4個(gè)季節(jié)的空間分布模態(tài)，選取2020年1月、4月、7月和10月的日均重構(gòu)海溫?cái)?shù)據(jù)，分別代表冬、春、夏、秋季，用于重構(gòu)海表溫度數(shù)據(jù)的季節(jié)分析。重構(gòu)海溫?cái)?shù)據(jù)的空間模態(tài)能夠監(jiān)測(cè)到大洋暖池的覆蓋范圍，其東西跨越熱帶西太平洋和印度洋，平均海表溫度超過(guò)28 ℃。暖池在1月范圍最小(圖4a)，4月至10月范圍較大(圖4b～4d)。暖池的中心與副熱帶高壓脊線位置具有季節(jié)變化的正相關(guān)關(guān)系，暖池的面積與副熱帶高壓面積指數(shù)也具有正相關(guān)關(guān)系[33]。重構(gòu)海溫資料指示的暖池范圍變化，對(duì)于分析受副熱帶高壓影響的臺(tái)風(fēng)路徑變化和我國(guó)夏季降水空間分布都具有指導(dǎo)意義。

圖4 DINEOF方法重構(gòu)海表面溫度的季節(jié)分布圖

以全球海氣綜合數(shù)據(jù)集ICOADS作為真值進(jìn)行精度對(duì)比，結(jié)果表明重構(gòu)海表溫度數(shù)據(jù)在熱帶的表現(xiàn)優(yōu)于在全球范圍；重構(gòu)海表溫度數(shù)據(jù)與ICOADS的相關(guān)系數(shù)較原始海溫?cái)?shù)據(jù)有一定程度提升(圖5)。由于衛(wèi)星反演的海表溫度產(chǎn)品受到太陽(yáng)輻射和不同風(fēng)速的影響，與實(shí)測(cè)海表溫度相比存在差別。因此利用實(shí)測(cè)海表溫度對(duì)衛(wèi)星反演海溫產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，是一種局限性的相對(duì)檢驗(yàn)[23]。

圖5 ICOADS與DINEOF重構(gòu)日均海溫?cái)?shù)據(jù)在熱帶范圍(a)和全球范圍(b)的相關(guān)系數(shù)、均方根誤差和偏差結(jié)果對(duì)比

以全球分析海溫場(chǎng)OISST作為真值，評(píng)估并對(duì)比不同季節(jié)熱帶(30°S—30°N)和全球范圍的重構(gòu)海溫?cái)?shù)據(jù)的精度及準(zhǔn)確性(表2)。經(jīng)過(guò)DINEOF方法重構(gòu)得到的多星、多傳感器重構(gòu)海溫?cái)?shù)據(jù)，與OISST的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.78～0.98，紅外反演海溫產(chǎn)品的相關(guān)系數(shù)僅為0.33～0.48；重構(gòu)海溫?cái)?shù)據(jù)的均方根誤差從0.59～0.70 ℃降至0.10～0.34 ℃，偏差從0.35～0.49 ℃降至0.002 2～0.11 ℃。重構(gòu)海溫?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確率明顯提升，誤差和偏差值降低。尤其在熱帶海域，不同季節(jié)重構(gòu)海溫?cái)?shù)據(jù)的精度評(píng)價(jià)指標(biāo)整體表現(xiàn)穩(wěn)定，相關(guān)系數(shù)維持在0.97以上，均方根誤差低于0.12 ℃，偏差小于 0.01 ℃，重構(gòu)海溫?cái)?shù)據(jù)的可靠性高，能夠用于監(jiān)測(cè)熱帶太平洋海洋熱力變化過(guò)程。然而，全球范圍的重構(gòu)海溫?cái)?shù)據(jù)在精度評(píng)價(jià)指標(biāo)方面普遍低于熱帶海域，具體原因需在后續(xù)工作中繼續(xù)研究。

表2 全球和熱帶范圍OISST與DINEOF重構(gòu)日均海溫?cái)?shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)、均方根誤差和偏差結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

本文基于風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星FY-3B/3C可見光紅外掃描輻射計(jì)、FY-3D中分辨率光譜成像儀和 FY-3D 微波輻射計(jì)反演的海溫產(chǎn)品，利用DINEOF方法得到全球重構(gòu)海溫?cái)?shù)據(jù)，并與OISST再分析海溫場(chǎng)和 ICOADS 全球海氣綜合數(shù)據(jù)集進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證和精度評(píng)估，結(jié)果表明：

(1)DINEOF方法能夠較好地應(yīng)用于風(fēng)云三號(hào)極軌氣象衛(wèi)星反演的海溫產(chǎn)品，重構(gòu)云下缺失的海表溫度，重構(gòu)得到的海溫?cái)?shù)據(jù)在空間分布上連續(xù)可信。

(2)聯(lián)合光學(xué)紅外和微波遙感的重構(gòu)海溫?cái)?shù)據(jù)，能夠監(jiān)測(cè)到大洋暖池的季節(jié)變化特征，對(duì)副熱帶高壓變化趨勢(shì)具有指示意義。

(3)與全球再分析海溫場(chǎng)OISST相比：原始FY-3D紅外反演海溫產(chǎn)品的均方根誤差為0.59～0.70 ℃，DINEOF重構(gòu)海溫?cái)?shù)據(jù)均方根誤差降至 0.10～0.34 ℃，相關(guān)系數(shù)從0.33～0.48提升到 0.78～0.98。

FY-3D微波海溫資料的加入，顯著提升了重構(gòu)海溫?cái)?shù)據(jù)的空間連續(xù)覆蓋率和時(shí)間分辨率，可為臺(tái)風(fēng)的海洋熱力背景場(chǎng)監(jiān)測(cè)提供可用的海溫資料。后續(xù)將進(jìn)一步完善參與融合的海表溫度數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制和偏差訂正的處理，以期提升重構(gòu)日均海溫?cái)?shù)據(jù)的精度。