FY-3C/VIRR熱紅外通道精細化再定標模型的構(gòu)建和精度驗證

徐寒列，胡秀清，徐娜，張里陽，漆成莉

1.國家衛(wèi)星氣象中心(國家空間天氣監(jiān)測預警中心) 中國氣象局,北京 100081;

2.中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標重點開放實驗室 中國氣象局,北京 100081;

3.許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心,北京 100081;

1 引言

風云三號極軌氣象衛(wèi)星所搭載的可見光紅外掃描輻射計（FY-3/VIRR）是唯一繼承了風云一號多通道掃描輻射計（MVISR），也是目前風云氣象衛(wèi)星中提供觀測資料時間最長的光學成像儀器，風云三號的A、B、C星均搭載了VIRR儀器，3顆星共提供了自2008 年以來10 余年的對地觀測數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)長時間序列的地球物理參數(shù)定量反演。作為風云衛(wèi)星再定標數(shù)據(jù)集的主要目標儀器之一，F(xiàn)Y-3/VIRR 歷史數(shù)據(jù)可廣泛應用于氣候研究和氣候服務的各個方面。由于早期的認知水平和儀器制造工藝的限制，歷史數(shù)據(jù)的業(yè)務定標過程可能會存在一些考慮不全之處，使得L1 輻射級業(yè)務存檔數(shù)據(jù)存在明顯的系統(tǒng)性偏差及偏差的時空變化特征。

VIRR熱紅外通道（10.8和12.0 μm）的長期觀測數(shù)據(jù)對于研究氣候變化具有重要意義。VIRR 熱紅外通道以用來反演眾多陸表和大氣參數(shù)，其中全球海表溫度（SST）就是熱紅外通道反演的重要產(chǎn)品之一，研究表明，VIIRS 熱紅外通道0.1 K 的定標偏差會引起0.3 K 的日海溫反演偏差（Cao 等，2017）。在氣候變化的研究中全球海溫精度要求約為0.1 K/十年（Allen等，1994），這也對熱紅外通道的定標精度提出來更高的需求。對VIRR 熱紅外通道歷史數(shù)據(jù)進行再定標需要對長期歷史數(shù)據(jù)進行偏差來源和特征規(guī)律分析，構(gòu)建精細化再定標模型，從而實現(xiàn)長序列再定標數(shù)據(jù)集的構(gòu)建。

FY-3/VIRR 紅外通道采用的是星上黑體—冷空兩點法定標，這種定標模式已經(jīng)延續(xù)了幾十年，早期的AVHRR、MODIS以及后來的VIIRS、MERSI、高分辨率對地觀測紅外相機等國內(nèi)外光學成像類儀器的紅外通道均采用該定標方法（Walton 等，1998；Xiong等，2006；趙艷華 等，2021）。隨著定量應用的進一步精細化，紅外通道星上定標的誤差來源及在軌訂正的科學問題日益受到定標科技工作者和儀器研制方的高度關注。研究表明，紅外通道定標的主要誤差來源在于以下3個方面：一是儀器在特殊情況下響應異常，如儀器在軌運行時受到來自太陽或地球的污染。國內(nèi)外諸多研究針對AVHRR 紅外通道太陽污染的產(chǎn)生原因和對定標的影響做過全面分析（Walton 等，1998；Cao 等，2001，2004；徐寒列 等，2015；鈕新華 等，2015；朱吉彪 等，2021）；儀器異常響應所引起的偏差表現(xiàn)為空間局部特征，通常出現(xiàn)在特定時空位置；二是對定標模型中的一些特征參數(shù)描述不準確所引起的誤差，比如定標模型中對儀器的非線性響應特征的描述不準確（Weinreb 等，1990；Brown等，1993；Xu等，2014；Wu等，2014）。儀器的非線性響應所引起的偏差表現(xiàn)為目標局部特征，在高溫端或低溫端的影響會更明顯。三是黑體輻射源估計偏差引起的定標誤差，包括黑體測溫精度以及由于黑體的“非黑性”（即黑體發(fā)射率不為1）所引起的一系列影響，如黑體等效亮溫的計算偏差、環(huán)境輻射在定標模型中所引起的誤差來源等。相比起前兩類定標誤差來源，作為參考定標源黑體輻射偏差對遙感器定標精度的影響是全局的，影響載荷全生命期、全域、全動態(tài)的定標偏差分布，是紅外通道星上定標最主要的誤差來源之一。

本文通過分析FY-3/VIRR 紅外通道業(yè)務定標模型，結(jié)合FY-3C/VIRR 熱紅外通道偏差時空特征，對星上定標模型進行精細化重構(gòu)，實現(xiàn)了定標模型中星上黑體路徑輻射的在軌計算。將再定標模型應用于實際數(shù)據(jù)中并結(jié)合GSICS推薦的交叉定標方法對再定標結(jié)果進行檢驗，該模型不僅對VIRR 的系統(tǒng)性偏差有較大改進，且對定標偏差的周期性特征（軌道變化、季節(jié)變化等）也有顯著改進：熱紅外通道精細化定標模型所計算的月平均偏差均在±0.3 K以內(nèi)，以2018年為例，冬季晝夜差異由業(yè)務定標的0.4 K 減小至小于0.1 K；白天偏差最大與最小月份之差由業(yè)務定標的0.6 K 以上減小至0.2 K。

本文對FY-3C/VIRR 和Metop/IASI 進行儀器簡要介紹，以及以Metop-B/IASI 為參考儀器的VIRR熱紅外通道的偏差特征，并結(jié)合FY-3C/VIRR 的業(yè)務定標模型，分析了VIRR 熱紅外通道定標偏差的主要來源；提出一種基于非線性定標的考慮星上環(huán)境輻射的熱紅外通道精細化再定標模型，并介紹了模型參數(shù)的推導過程，完成對FY-3C/VIRR 熱紅外通道的精細化再定標模型構(gòu)建；同時介紹該精細化定標模型的應用效果，對2017 年—2019 年FY-3C/VIRR熱紅外通道再定標后的實際效果的改進評估。

2 FY-3C/VIRR 熱紅外通道定標偏差特征分析

VIRR是FY-3A、3B和3C上均搭載的重要光學成像儀器，它在繼承了FY-1C/1D的MVISR的設計的基礎上進行改進，同時也是目前風云衛(wèi)星平臺中提供數(shù)據(jù)時間最長的光學儀器。VIRR 共設置有10個通道（各通道的波段范圍和性能指標見表1），7個太陽反射波段和3個紅外波段（1個中紅外通道和2個熱紅外通道），可實現(xiàn)云、霧探測、云參數(shù)反演、地表海表溫度等地球物理參數(shù)的反演。熱紅外通道探測器為HgCdTe 器件，這種器件被廣泛的應用在熱紅外探測器中，HgCdTe 探測器明顯的非線性響應特征也被研究人員所熟知，如早期的AVHRR 紅外通道的非線性特征，F(xiàn)Y-3A/VIRR 的分裂窗通道的非線性特征等，國內(nèi)外也進行了很多研究（Walton等，1998；Mittaz等，2009；Mittaz和Harris，2011；Xu等，2014）。

表1 VIRR光譜和通道性能測試結(jié)果（楊軍 等，2011）Table 1 VIRR spectral specification and band performance results（Yang et al.，2011）

2.1 FY-3C/VIRR熱紅外通道偏差特征

具有相近光譜的不同的極軌衛(wèi)星的儀器可以利用兩者的近同時同地的觀測數(shù)據(jù)（SNO）進行交叉比對，以國際公認的定標精度和穩(wěn)定度較高的儀器為參考儀器，對目標儀器進行定標精度的評估。Metop 系列衛(wèi)星上的紅外高光譜探測儀IASI是國際公認的定標精度較高的紅外載荷，它可獲得紅外譜段地球發(fā)射的高光譜輻射。IASI 的光譜覆蓋范圍為645—2760 cm-1（3.6—15.5 μm），光譜分辨率為0.25 cm-1，其光譜可以全部覆蓋FY-3/VIRR的熱紅外通道（CH4和CH5）。IASI對地掃描的視場角為±48.3°通過30次駐留觀測實現(xiàn)，每個駐留由2×2個探元組成，每個探元的星下點空間分辨率為12 Km。IASI 的通過對星上黑體和冷空觀測實現(xiàn)在軌定標。一些列研究證明了IASI 的光譜和輻射定標精度和穩(wěn)定度（Aumann 和Pagano，2008；Blumstein 等，2004，2007；Larar 等，2010），IASI 的測量精度和穩(wěn)定度在0.1 K 以內(nèi)。高精度、高穩(wěn)定度和高光譜的對地觀測使得IASI 作為國內(nèi)外普遍使用的交叉比對和交叉定標所用的地球觀測的參考源，IASI也是全球空基交叉定標系統(tǒng)（GSICS）推薦使用的紅外通道參考儀器之一，國內(nèi)外學者以IASI為參考儀器進行定標改進或定標評估。Xu 等（2014）以IASI為參考儀器實現(xiàn)了對FY-3A/VIRR 紅外通道非線性修正系數(shù)的推導，改進了FY-3A/VIRR偏差的非線性特征。IASI 也經(jīng)常被用來進行定標模型改進效果的檢驗。Mittaz 和Harris（2011）、Chang 等（2017）、Wu等（2014）以IASI為參考儀器對AVHRR和MODIS 紅外通道的定標模型和非線性系數(shù)進行驗證。Cao 等（2009）使用Metop/IASI 作為參考儀器來評估HIRS的光譜偏差。

對在軌儀器進行定標精度評估可以以國內(nèi)外公認的高精度儀器為參考儀器，利用SNO 匹配數(shù)據(jù)進行評估。該方法最關鍵的確定待比對的兩個儀器的光譜響應一致性和觀測條件的一致性。本文以IASI為參考儀器，利用FY-3C/VIRR和IASI的SNO 觀測匹配數(shù)據(jù)對VIRR 熱紅外通道進行定標評估和再定標模型參數(shù)的確定。LEO-LEO基于SNO的交叉定標方法參考GSICS 推薦的GEO-LEO 的SNO交叉定標方法，結(jié)合Xu等（2014）所用的LEO-LEO的SNO 交叉匹配過程，經(jīng)過數(shù)據(jù)匹配、觀測匹配、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和輻射比較4 個步驟，實現(xiàn)FY-3C/VIRR和IASI基于SNO的交叉匹配數(shù)據(jù)的獲取。

FY-3C/VIRR 熱紅外通道的業(yè)務定標偏差存在3 個明顯特征：偏差的非線性特征、偏差的晝夜差異性以及偏差的季節(jié)變化特征。Xu等（2014）在研究FY-3A/VIRR 的熱紅外通道的偏差時曾經(jīng)指出，F(xiàn)Y-3A/VIRR的窗區(qū)通道存在明顯的非線性特征，并利用VIRR 和IASI 的SNO 結(jié)果對VIRR 的非線性特征進行修正，使得FY-3A/VIRR熱紅外輻射偏差非線性特征得到了明顯的改善。類似的，F(xiàn)Y-3C/VIRR的熱紅外通道偏差也存在顯著的非線性特征，以Metop-B/IASI為參考儀器，從2021年4月FY-3C/VIRR與IASI的偏差分布可以看出（圖1（a）、（b）），VIRR熱紅外通道偏差隨目標溫度的分布，在約230 K 以上的中高端，平均偏差在-0.5 K 左右；在230 K 以下，隨著目標溫度的降低，VIRR 的偏差逐漸變大，當目標溫度為210 K 左右，平均偏差增大至-1.0 K左右。

圖1 2017年4月和11月FY-3C/VIRR紅外CH4與IASI基于GSICS匹配結(jié)果的散點圖和偏差隨目標溫度的分布（紅色：白天匹配樣本，藍色：夜晚匹配樣本）Fig.1 TBB comparison between FY-3C/VIRR and Metop-A/IASI and their observation difference（VIRR-IASI）using collocation samples in April and November，2017（Red：samples in day；blue：samples at night）

FY-3C/VIRR 熱紅外通道偏差還存在晝夜差異特征。由2017 年11 月的FY-3C/VIRR 紅外CH4通道與IASI 在2017 年11 月的SNO 匹配結(jié)果可見（圖1（c）、（d）），晝、夜匹配樣本存明顯的分叉現(xiàn)象，白天的匹配樣本平均偏差為-1.375 K，夜晚匹配樣本的平均偏差為-0.682 K，晝夜差異高達0.7 K左右。VIRR熱紅外通道定標偏差的周期性化特征比較明顯，白天尤為顯著（圖2）。這也進一步說明了FY-3C/VIRR 紅外通道偏差在某些月份的定標結(jié)果存在晝夜差異性。

圖2 FY-3C/VIRR紅外CH4通道偏差的長時間序列Fig.2 The time series of TBB bias between FY-3C/VIRR CH4 and Metop-A/IASI

2.2 熱紅外通道定標偏差來源分析

熱紅外通道定標模型直接影響定標偏差及其時空分布特征。VIRR 紅外通道的星上定標模型采用與早期AVHRR 類似的星上線性定標加非線性修正的方式。衛(wèi)星在跨軌掃描中，儀器在一次掃描中分別實現(xiàn)對星上定標黑體（ICT）、冷空（SV）和對地進行掃描，利用星上黑體和冷空的觀測進行定標系數(shù)（斜率項和截距項）的計算，即：

式中，G和I分別為斜率項和截距項，RSV為冷空輻射（常數(shù)），由發(fā)射前試驗確定，DNICT和DNSV分別為儀器對黑體和冷空的觀測計數(shù)值，RICT為星上黑體輻射，計算如下：c1=1.1910427 × 10-5mW/（m2· sr · cm-4），c2=1.4387752 cm · K，νc為通道中心波數(shù)，為“有效”黑體溫度（即通過實際光譜響應函數(shù)進行通道訂正后的黑體溫度）：

式中，A和B為“有效”黑體溫度訂正系數(shù)，在發(fā)射前地面定標時給出。

在軌定標過程計算出斜率和截距項后，則紅外通道對地觀測的計數(shù)值DNEV與對地觀測的輻射值線性部分RLIN可表示為

實際上，紅外通道對入射輻射的響應是非線性的，F(xiàn)Y-3/VIRR 基于輻射值的非線性訂正方法計算二次項輻射訂正量，即：

式中，非線性訂正系數(shù)b0、b1和b2在地面定標試驗中給出。對地觀測的輻射可以表示為

結(jié)合式（5）、（6）和（7），F(xiàn)Y-3/VIRR 紅外通道的對地輻射可以表示為

由式（8）可見，VIRR熱紅外通道業(yè)務定標模型的誤差主要來自于兩方面：（1）二次項系數(shù)。該定標模型中的二次項系數(shù)并非是常數(shù)，而是與線性系數(shù)G或星上黑體輻射RICT有關，即衛(wèi)星在軌運行中，當星上定標黑體溫度發(fā)生變化時，線性系數(shù)發(fā)生變化，二次項系數(shù)也隨之變化。Mittaz 等（2009）研究曾指出，熱紅外通道探測器的二次項系數(shù)與探測器溫度密切相關，即當探測器溫度不變是，熱紅外通道的二次響應形狀基本保持不變。該定標模型中，當黑體溫度發(fā)生變化時，本質(zhì)上改變了二次項系數(shù)，由此會引入定標偏差。（2）黑體輻射計算。星上黑體輻射通過發(fā)射前試驗得到的定標系數(shù)進行計算：在發(fā)射前試驗中相同工況下，利用面源黑體變溫試驗推算的定標系數(shù)應用于該工況下星上的變溫試驗中，計算星上黑體亮溫，進而建立星上黑體PRT 溫度計測量碼值與星上黑體亮溫的關系，進而在軌計算星上黑體的“等效”亮溫用于定標系數(shù)的計算。在軌儀器進行星上黑體觀測時，探測器的響應實際包括：星上黑體的發(fā)射輻射、黑體反射的環(huán)境輻射、掃描鏡自身的發(fā)射輻射以及儀器背景輻射。實際定標計算中，認為在一個定標周期內(nèi)掃描鏡自身的發(fā)射輻射和儀器背景輻射在短時間內(nèi)保持不變，通過在定標模型中星上黑體觀測減去冷空背景觀測消除這兩項輻射來源。利用發(fā)射前的黑體“等效”亮溫轉(zhuǎn)換系數(shù)實際上是對以上星上黑體發(fā)射率和黑體反射的環(huán)境輻射之和進行等效，即將星上黑體觀測路徑上的輻射體現(xiàn)在一組多項式擬合系數(shù)中。這個擬合過程基于發(fā)射前真空試驗獲得，在軌的適用情況也會帶來定標偏差。

結(jié)合以上分析可知，F(xiàn)Y-3/VIRR的定標誤差來源，一方面可能來自于業(yè)務定標模型中二次項系數(shù)所引起的偏差，從而導致明顯的偏差非線性特征；另一方面與在軌黑體“等效”亮溫和黑體輻射的計算，特別是黑體反射的環(huán)境輻射項的缺少考慮有關。因此在對FY-3/VIRR 熱紅外通道進行再定標精細化模型重構(gòu)時，首先選擇與探測器二次響應基本不變的特征更加一致的星上二次擬合定標模型進行二次定標模型重構(gòu)，并確定非線性系數(shù)；其次，對星上定標過程的黑體路徑輻射的計算進行精細化模型構(gòu)建，使之可以較好的反應環(huán)境輻射的儀器溫度依賴特征，進而更加真實的反應出星上黑體觀測時探測器所接收到的路徑輻射。

3 VIRR 熱紅外通道精細化再定標模型構(gòu)建

VIRR 分裂窗通道探測器采用的是光導型碲鎘汞器件，由輻冷器二級冷塊進行制冷，器件的非線性特征不可忽略，且非線性與探測器工作溫度直接相關。MODIS、VIIRS以及FY-3D/MERSI（Xu等，2018；McIntire 等，2019）熱紅外通道星上定標算法中，均認為探測器響應為二次響應模型，即：

式中，dnEV=DNEV-DNSV，即對地觀測與冷空觀測碼值之差。在二次定標模型中，假設儀器的非線性響應是小量，且在相同工作溫度下在軌前后非線性響應形狀不發(fā)生變化，即由發(fā)射前真空試驗確定非線性系數(shù)a0和a2，斜率項b1由在軌定標計算時進行逐掃描行的計算，即定標系數(shù)b1的計算公式為

式中，dnICT=DNICT-DNSV，即黑體與冷空觀測碼值之差。由式（10）可見，在該定標模型中，定標精度常數(shù)項、二次項，以及在軌計算的黑體路徑輻射共同決定，一旦確定了常數(shù)項和二次項，定標偏差則主要來自于星上黑體觀測路徑上的輻射值的計算偏差決定。在對FY-3/VIRR熱紅外通道進行精細化再定標模型構(gòu)建時，采取直接二次擬合的方式進行定標模型的構(gòu)建。

在星上定標定標過程中，假設儀器為二次響應的，則進行黑體觀測時入瞳處的輻射可以表示為

式中，εICT· Planck(TICT)為星上黑體ICT 的發(fā)射輻射，(1 -εICT)·RENV為由于ICT 的發(fā)射率不為1 所導致的定標黑體反射的環(huán)境輻射，RSM為掃描鏡自身的發(fā)射輻射，RBKG為儀器背景輻射。同樣，當儀器對冷空進行觀測時，同一掃描行儀器分別進行冷空和黑體觀測的間隔時間較短，假設探測器響應、掃描鏡發(fā)射輻射和儀器自身的背景輻射保持不變，則冷空觀測時入瞳處的輻射可以表示為

式中，RSV為冷空端的輻射。假設RSV非常小可以忽略，即：

理論上，當精確已知星上黑體ICT 的發(fā)射率εICT、星上黑體溫度TICT和以及黑體路徑上的環(huán)境輻射RENV時，式（13）是常數(shù)項a0接近于0。

通過以上分析可知，黑體路徑的輻射計算精度直接決定定標精度。環(huán)境輻射是黑體路徑上計算中的重要影響因子。環(huán)境輻射與儀器溫度密切相關，極軌衛(wèi)星在軌運行過程中，儀器溫度受外界影響較大，存在晝夜變化和軌道周期、季節(jié)周期以及長期變化趨勢，因此在計算星上黑體的路徑輻射時，利用發(fā)射前試驗數(shù)據(jù)或短期在軌觀測數(shù)據(jù)對黑體反射環(huán)境輻射進行簡單的等效，會導致定標結(jié)果偏差出現(xiàn)與儀器溫度變化相關的不同尺度的周期性特征。在對FY-3C/VIRR 紅外通道星上定標模型進行重構(gòu)采用式（13）的形式表示，模型重構(gòu)包括星上二次多項式定標模型的中非線性系數(shù)的確定，和儀器溫度相關的星上黑體路徑輻射模型的構(gòu)建兩部分。

本文利用FY-3C/VIRR 和Metop-A/IASI 的匹配結(jié)果，以Metop-A/IASI 的模擬觀測值為輻射參考值，進行精細化定標模型二次響應系數(shù)的擬合確定，同時構(gòu)建儀器溫度相關的星上黑體路徑輻射模型，并確定參數(shù)。為了盡量減小由于匹配所引起的不確定度對于模型參數(shù)的影響，在匹配結(jié)果選擇時除了需要對匹配數(shù)據(jù)進行嚴格的質(zhì)控外，還需要重點考慮以下3個問題：（1）參與模型參數(shù)擬合的樣本要去除太陽污染等各類污染區(qū)的觀測數(shù)據(jù)；（2）非線性系數(shù)的計算要選擇FY-3C/VIRR 晝夜偏差相對一致的時間段進行模型參數(shù)擬合；（3）參與擬合的樣本處于相同或相近的儀器工況下。綜合以上影響因素的共同考慮，本文選擇2017年4月FY-3C/VIRR 和Metop-A/IASI 的SNO 匹配結(jié)果并進行質(zhì)量控制后作為模型參數(shù)擬合的數(shù)據(jù)。

基于2017 年4 月FY-3C/VIRR 和Metop-B/IASI的匹配數(shù)據(jù)進行二次定標模型的系數(shù)擬合。以紅外高光譜IASI與VIRR 的通道光譜響應函數(shù)進行卷積得到VIRR 對應通道的IASI 模擬輻亮度，以IASI的模擬輻亮度為觀測目標參考值，建立VIRR 對地觀測碼值與輻射參考值的多項式關系。通過對FY-3C/VIRR 紅外CH4通道經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)控篩選后基準工況下用于進行非線性系數(shù)擬合的匹配數(shù)據(jù)利用最小二乘法進行二次擬合，得到二次定標模型的擬合系數(shù)。

結(jié)合常數(shù)項和二次項系數(shù)以及黑體“等效”溫度及其輻射，可重新計算得到VIRR 的對地觀測輻射。再定標后的誤差來源主要來自于線性項系數(shù)的計算，即與定標時刻星上黑體觀測的路徑輻射計算偏差直接相關。結(jié)合前面的分析可知，儀器對星上黑體進行觀測時，路徑輻射包括黑體自身的發(fā)射輻射和由于黑體發(fā)射率不為1所引起的黑體反射的環(huán)境輻射，業(yè)務定標算法中利用黑體“等效”亮溫計算黑體路徑輻射會引起一定的定標偏差。FY-3/VIRR 作為早期儀器，星上測溫遙測數(shù)據(jù)較少，缺乏儀器溫度或掃描鏡支架溫度等遙測溫度，直接建立考慮星上黑體反射的環(huán)境輻射的黑體觀測路徑輻射的模型構(gòu)建存在很大難度?？紤]到FY-3/VIRR 星上黑體不控溫，與黑體溫度與儀器溫度始終處于熱平衡狀態(tài)，雖然黑體溫度并不能真正代表儀器溫度，它在一定程度上可以反應儀器所處的環(huán)境溫度以及環(huán)境溫度的變化特征，因此本文擬采用星上黑體溫度作為儀器代理溫度進行星上黑體觀測路徑輻射模型構(gòu)建。

根據(jù)式（13），儀器對星上黑體觀測時刻，觀測路徑輻射可以表示為

考慮早期儀器星上黑體發(fā)射率的測量偏差以及環(huán)境輻射利用星上黑體物理溫度進行替代建模，因此黑體輻射模型中暫時不考慮使用黑體發(fā)射率的實測數(shù)據(jù)，式（14）可以寫成：

式中，ICTtemp為星上黑體的物理溫度。在式（15）中，f(ICTtemp)表示利用星上黑體ICT的物理溫度對儀器所觀測到的由于黑體自身發(fā)射率不為1所引起的反射的環(huán)境輻射以及黑體自身發(fā)射輻射的共同等效作用。該黑體路徑輻射模型中，等號右邊第一項可以利用黑體實際物理溫度（黑體鉑電阻溫度計實測溫度）和通道的SRF計算結(jié)合Planck函數(shù)計算得到，該模型的關鍵在于等號右邊第二項的黑體等效環(huán)境輻射的函數(shù)模型構(gòu)建及模型參數(shù)的確定。

黑體路徑輻射的模型可表示為

經(jīng)過以上分析，F(xiàn)Y-3C/VIRR 紅外通道在軌定標模型采用固定常數(shù)項和二次項系數(shù)的二次擬合定標模型，在軌計算的一次項定標系數(shù)可表示為

式中，dnICT=DNICT-DNSV。CH4和CH5的模型系數(shù)見表2。FY-3C/VIRR 熱紅外通道的對地輻射可表示為

表2 FY-3C/VIRR熱紅外通道再定標模型系數(shù)Table 2 The re-calibration model coefficients of FY-3C/VIRR IR channels

式中，dnEV=DNEV-DNSV。

4 模型應用與結(jié)果分析

圖3為利用本文所構(gòu)建的精細化再定標模型對2017 年4 月和11 月的FY-3C/VIRR 紅外通道進行再定標之后的偏差分布情況，其結(jié)果可以與圖1進行對比。該再定標模型對FY-3C/VIRR 熱紅外通道偏差的非線性特征（2017 年4 月）以及偏差的晝夜差異（2017年11月）進行了很好的修正，修正后的2017年11月晝、夜偏差分別為-0.13 K和0.07 K，晝夜偏差之差異差異由修正前的接近0.7 K 降低至0.06 K左右。

圖3 同圖1，但為再定標后的偏差結(jié)果。2017年4月（上）和11月（下）FY-3C/VIRR紅外CH4與IASI基于GSICS匹配結(jié)果的散點圖（左）和偏差隨目標溫度的分布（右）（紅色：白天匹配樣本，藍色：夜晚匹配樣本）Fig.3 As Fig.1，but the re-calibration result of FY-3C/VIRR CH4.TBB comparison between FY-3C/VIRR and Metop-A/IASI（left）and their observation difference（VIRR-IASI）using collocation samples in April（Upper）and November（Bottom），2017（Red：samples in day；blue：samples at night）

圖4為以Metop-B/IASI為參考儀器，VIRR熱紅外通道2018 年業(yè)務定標和再定標的偏差結(jié)果。以CH4 為例，表3 給出了VIRR CH4 逐月的的晝、夜偏差以及晝、夜定標偏差的差異的具體數(shù)值。業(yè)務定標結(jié)果偏差的晝夜差異較大，白天的定標偏差明顯大于夜間，晝夜偏差的差異在冬季普遍達到了0.35 K 以上冬季晝夜差異較大，2018 年的1 月、11 月和12 月的SNO 匹配樣本中，白天和夜間的業(yè)務定標偏差之差分別達到-0.38 K、-0.412 K 和-0.436；對數(shù)據(jù)進行再定標修正后，冬季3個月的偏差的晝夜差異分別為-0.038、-0.047 和-0.099 K，晝夜差異均小于0.1 K，說明再定標模型對冬季晝夜偏差的差異改進效果非常明顯。在偏差的季節(jié)變化方面，2018 年逐月的白天匹配樣本統(tǒng)計結(jié)果中，偏差最大月份與偏差最小月份分別是12 月和6 月，之間差異達到0.665 K；修正后的結(jié)果中，全年偏差最大月份與偏差最小月份的差異在0.2 K左右，說明隨著該模型對偏差晝夜差異的改進，偏差的季節(jié)變化尤其是白天數(shù)據(jù)的偏差季節(jié)變化也得到了明顯的改進。

圖4 FY-3C/VIRR紅外CH4和CH5 2018年業(yè)務定標與再定標模型的偏差Fig.4 The TBB bias of operational calibration result and re-calibration result between FY-3C/VIRR CH4 and CH5

表3 FY-3C/VIRR紅外4通道2018年業(yè)務定標與再定標的偏差統(tǒng)計Table 3 The TBB bias of operational calibration result and re-calibration result between FY-3C/VIRR CH4 vs.IASI in 2018

為了進一步檢驗該精細化模型的定標精度和模型的適用性，本文以另一個國際公認的紅外高光譜探測器Metop-A/IASI 為參考儀器，對再定標模型的定標偏差進行評估。圖5 為評價結(jié)果。由圖5可見，再定標模型不僅對業(yè)務定標的系統(tǒng)性偏差進行了修正，對于晝夜偏差的不一致性和偏差的季節(jié)變特征也進行了較好的修正。晝、夜定標偏差的長時間序列比較穩(wěn)定，業(yè)務定標偏差中，冬季出現(xiàn)的較大的晝、夜定標差異也得到了很好的修正。

圖5 FY-3C/VIRR紅外CH4通道業(yè)務定標與再定標偏差的長時間序列結(jié)果藍（藍色：夜間匹配數(shù)據(jù)；紅色：白天匹配數(shù)據(jù)，參考儀器為Metop-A/IASI）Fig.5 The time series of TBB bias between FY-3C/VIRR and Metop-A/IASI（Blue：samples at night；red：samples in day；green：all collection samples，reference instruments is Metop-A/IASI）

5 結(jié)論

本文分析了FY-3C/VIRR紅外通道的業(yè)務定標模型和偏差規(guī)律。以IASI 為參考輻射，F(xiàn)Y-3C/VIRR熱紅外通道的業(yè)務定標存在明顯的系統(tǒng)性偏差，同時定標偏差也存在明顯白天和夜晚差異，尤其在冬季，白天的偏差明顯大于夜晚，另外偏差存在季節(jié)波動特征，冬季的偏差明顯大于夏季。

通過對FY-3C/VIRR 紅外通道偏差的特征分析，發(fā)現(xiàn)FY-3C/VIRR 紅外通道的定標偏差主要是來源兩個原因，一是業(yè)務的定標模型采用線性定標加非線性能量修正的方式；二是星上黑體輻射計算中對黑體發(fā)射率不為1所產(chǎn)生的反射環(huán)境輻射部分的考慮不周所引起的差異，從而出現(xiàn)偏差的非線性特征以及偏差的晝夜差異和季節(jié)變化特征。

針對FY-3C/VIRR 熱紅外通道的偏差現(xiàn)象，本文對業(yè)務定標模型的進行深入細致分析，重構(gòu)了星上黑體定標模型。該模型基于二次擬合的定標方案，采用VIRR 和參考載荷IASI 的SNO 匹配數(shù)據(jù)，確定了定標模型的常數(shù)項和二次項系數(shù)；并使用IASI 的參考輻射和二次定標模型，對定標時刻星上黑體的路徑輻射進行了模型構(gòu)建，以星上黑體的物理溫度作為環(huán)境輻射的代理數(shù)據(jù)，分析黑體溫度偏差與黑體物理溫度的關系，進而構(gòu)建星上黑體路徑輻射模型，并基于SNO 匹配數(shù)據(jù)確定模型參數(shù)。

本文再定標模型應用于FY-3C/VIRR 熱紅外通道中，對2017年—2019年的FY-3C/VIRR熱紅外通道的觀測數(shù)據(jù)進行再定標示范，以IASI 為參考儀器采用GSICS LEO-LEO 方法的定標精度評估，評估結(jié)果表明，該再定標模型對VIRR 熱紅外通道的系統(tǒng)性偏差、偏差的晝夜差異和季節(jié)性波動均有明顯的修正效果，月平均偏差均在±0.3 K以內(nèi)；以2018 年為例，冬季晝夜差異由業(yè)務定標的0.4 K 左右減小至小于0.1 K；白天偏差最大與最小月份之差由業(yè)務定標的0.6 K 以上波動減小至0.2 K。由此可見，本研究開發(fā)的在定標模型值得進一步推廣和應用到更長序列和多個遙感器的歷史再定標處理。