全球微波陸表發(fā)射率產(chǎn)品質(zhì)量評估及優(yōu)化*

劉勇洪 唐 飛 徐永明 翁富忠 韓 陽 楊 俊

1.中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心，北京，100081

2.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100081

3.南京氣象科技創(chuàng)新研究院中國氣象局交通氣象重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京，210044

4.南京信息工程大學(xué)遙感與測繪工程學(xué)院，南京，210044

1 引 言

地表發(fā)射率（Land Surface Emissivity，LSE），或稱地表比輻射率，定義為相同溫度下地表發(fā)出的熱輻射與黑體輻射的能量之比，表征了地表的熱輻射能力（吳瑩，2012；王博，2016），其中微波地表發(fā)射率（Microwave Land Surface Emissivity，MLSE）既是衛(wèi)星微波反演地表參數(shù)和大氣參數(shù)的重要條件（Prigent，et al，1997，2006；Weng，et al，2001；施建成等，2006；Grody，et al，2008），同時(shí)還是數(shù)值預(yù)報(bào)模式中實(shí)現(xiàn)微波輻射資料直接同化的重要參數(shù)（Karbou，et al，2006，2010；Yang，et al，2011a）。但目前MLSE 不確定性較大，這已成為多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)在地表數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型中應(yīng)用的一個(gè)主要障礙（Prigent，et al，1997；Moncet，et al，2011），因此，提供準(zhǔn)確可靠的MLSE 信息，對于改善陸面大氣參數(shù)和地表參數(shù)的反演精度以及提高天氣預(yù)報(bào)精度都將起重要作用，而且能讓衛(wèi)星觀測微波資料在數(shù)值預(yù)報(bào)中得到更充分的利用（Weng，et al，2007）。

目前，對MLSE 的估算主要有3 種方法：（1）基于物理模型的陸表發(fā)射率模式，即針對不同地表類型發(fā)展的基于輻射傳輸理論的反演方法，如Weng 等（2001）建立的三層（大氣-地表覆蓋層-土壤）微波陸表發(fā)射率模型（LandEM），能模擬計(jì)算各種地表類型（包括沙漠、積雪、植被和土壤等）的表面發(fā)射率，目前已用于通用輻射傳輸模式（Community Radiative Transfer Model，CRTM）和先進(jìn)輻射傳輸模擬系統(tǒng)（ Advanced Radiative Transfer Modeling System，ARMS）（Weng，et al，2020），該模型的優(yōu)點(diǎn)是容易耦合到陸面模式和資料同化系統(tǒng)中，缺點(diǎn)是輸入?yún)?shù)復(fù)雜眾多，且一些參數(shù)并非常規(guī)觀測，不易獲取。（2）衛(wèi)星觀測資料估算法，即基于微波輻射傳輸方程，利用衛(wèi)星的觀測亮溫直接估算MLSE，該算法估算的MLSE 精度依賴于輸入的輔助數(shù)據(jù)—地表溫度（Land Surface Temperature，LST）、大氣溫濕度廓線和云檢測算法等的精度。目前該方法主要用于晴空大氣下MLSE估算（Karbou，et al，2005，2006；Min，et al，2010；Wu，et al，2019），近年來也開始用于有云天氣下MLSE 的估算（Hu，et al，2021；Li，et al，2022）。該方法的優(yōu)點(diǎn)是輸入?yún)?shù)簡單，地表參數(shù)只需要LST 即可，缺點(diǎn)是大多適用于晴空天氣條件，反演精度嚴(yán)重依賴于輸入的輔助數(shù)據(jù)的精度。（3）一維變分法：一維變分（1DVar）法實(shí)際是一種物理反演算法（潘火平，2013），它利用多通道被動遙感器觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合其他輔助數(shù)據(jù)，基于貝葉斯函數(shù)的最小化代價(jià)函數(shù)來獲得MLSE 的最優(yōu)估計(jì)；優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)反演多個(gè)物理參數(shù)，并強(qiáng)調(diào)反演參數(shù)的物理?xiàng)l件約束，缺點(diǎn)是需要建立與目標(biāo)遙感器通道特性（頻率、觀測角度、極化狀態(tài)等）相匹配的MLSE初猜值。該方法已在美國 NOAA/NESDIS 開發(fā)的微波綜合反演系統(tǒng) MiRS（Microwave Integrated Retrieval System）中用于多個(gè)衛(wèi)星載荷的MLSE 產(chǎn)品生產(chǎn)（Boukabara，et al，2011）。

當(dāng)前絕大多數(shù)MLSE 產(chǎn)品均是在晴空天氣條件下采用衛(wèi)星觀測資料法所獲得，主要是由于云雨天氣下估算大氣的輻射貢獻(xiàn)存在困難，以及地表輻射被大氣強(qiáng)烈散射和吸收，尤其是高頻（＞37.0 GHz）存在困難，例如高頻85 GHz 大氣透過率一般不超過0.75，致使估算大氣輻射貢獻(xiàn)的方法差異也成為MLSE 誤差的重要來源（Norouzi，et al，2015）。即使在晴空天氣條件下也存在許多不確定性，包括儀器、亮溫定標(biāo)、大氣廓線、云識別等誤差（Jones，et al，1997；Prigent，2005；Yang，et al，2011a），還有地表的非均一性、傳感器視場位置的轉(zhuǎn)換、輔助數(shù)據(jù)（如LST、大氣廓線）插值或重采樣方式均會影響MLSE 值的估算。Yang 等（2011b）研究表明觀測亮溫10 K 的差異會導(dǎo)致低頻（≤37.0 GHz）水平極化發(fā)射率0.03—0.04 的誤差，水汽廓線25%的誤差會造成低頻（6.925 GHz）發(fā)射率0.016 的誤差和高頻（89.0 GHz）發(fā)射率0.03 的誤差。Ferraro 等（2013）研究表明不同傳感器發(fā)射率存在顯著差異，但具有相似的季節(jié)趨勢和變化，其中月尺度的發(fā)射率變化達(dá)3%或更高。Tian 等（2014）指出不同傳感器發(fā)射率差異在低頻較高頻具有更好的一致性，沙漠和熱帶雨林的系統(tǒng)誤差最高可達(dá)4%和7%。另外，受土地覆蓋類型影響，MLSE 對頻率和地表參數(shù)（如植被覆蓋、土壤水分、LST、地表粗糙度等）的依賴性也相應(yīng)變化，如熱帶雨林地區(qū)各傳感器估算的MLSE 低頻較高頻具有更好的一致性；而沙漠與之相反，最大系統(tǒng)差異可達(dá)4%（Norouzi，et al，2012，2015）。裸露地表或稀疏植被MLSE 則受LST、土壤含水量、地表粗糙度等影響較大（Liu，et al，2014），一般隨著LST 和土壤含水量的升高M(jìn)LSE逐漸降低，而隨著地表粗糙度的增大，MLSE 隨之增大（Chen，et al，2016）；此外，MLSE 還受極化方式影響，水平極化發(fā)射率對土壤含水量變化比垂直極化更敏感，由此水平極化發(fā)射率變化范圍更大（彭丹青等，2009）；且低頻更易受到土壤水分含量變化的影響（Xie，et al，2017）。

目前，多位學(xué)者已利用不同衛(wèi)星微波傳感器觀測數(shù)據(jù)反演得到全球MLSE 分布圖（Prigent，et al，2006；Norouzi，et al，2013，2023；邱玉寶等，2016）。但由于缺乏全球尺度地面“真實(shí)數(shù)據(jù)”，對MLSE 圖集的質(zhì)量及不確定性評價(jià)變得十分困難，研究者往往采用與其他微波傳感器估算得到的MLSE 數(shù)據(jù)進(jìn)行比對來驗(yàn)證估算結(jié)果，然而目前的各種MLSE數(shù)據(jù)集本身就存在著很大的差異（Ferraro，et al，2013；Tian，et al，2014）。例如石利娟等（2013）基于地球觀測系統(tǒng)先進(jìn)微波掃描輻射儀AMSR-E 反演得到的北半球發(fā)射率指出，夏季的7 月所有植被的垂直和水平極化發(fā)射率隨頻率（6.925—89.0 GHz）增大而增強(qiáng)，而吳瑩等（2019）基于FY-3B 反演青藏高原地區(qū)發(fā)射率得出，夏季裸地或半沙漠以及落葉闊葉林垂直極化發(fā)射率都隨頻率（10.65—89.0 GHz）增大而減小。Tian 等（2014）基于同樣一套AMSRE 數(shù)據(jù)，采用不同方法得出亞馬孫熱帶雨林地區(qū)發(fā)射率對頻率的依賴性存在顯著差異。但事實(shí)上，由于發(fā)射率只有唯一的“真值”，對頻率的依賴性也只有唯一的變化趨勢。因此，有必要對目前國際上發(fā)展的主要全球MLSE 圖集或數(shù)據(jù)集產(chǎn)品進(jìn)行評估，篩選出質(zhì)量具有較高可靠性的全球MLSE，無論是用于衛(wèi)星觀測算子中地表大氣參數(shù)反演中微波發(fā)射率的初猜值或是用于以后全球發(fā)射率模式的經(jīng)驗(yàn)估算和理論驗(yàn)證，均具有重要意義。

Sahoo 等（2011）指出，利用不同獨(dú)立發(fā)射率產(chǎn)品，通過加權(quán)回歸組合可以獲得新的發(fā)射率產(chǎn)品，其中權(quán)重應(yīng)在空間上變化，以體現(xiàn)各產(chǎn)品之間一致性的空間可變性；新的產(chǎn)品可以平衡不同產(chǎn)品之間的誤差，但這種組合的前提是需要挑選出質(zhì)量較為可靠的發(fā)射率產(chǎn)品。Tian 等（2014）指出，雖然MLSE的“真值”未知，但仍可以比較不同的獨(dú)立發(fā)射率數(shù)據(jù)及其之間的差異，以推斷不確定性的大小，包括系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差；雖然無法識別系統(tǒng)誤差的絕對幅度，但可以獲得它們在獨(dú)立測量中的差異，這些差異為數(shù)據(jù)集整體的可靠性評估提供依據(jù)。另外，目前雖然有從低頻（6.925 GHz）到高頻（150.0 GHz）的全球MLSE 產(chǎn)品，但由于各頻率MLSE 分散于不同的微波傳感器，還沒有形成1 套質(zhì)量可靠、寬頻率范圍（6.925—150.0 GHz）、時(shí)空一致性和頻率依賴一致性較好的全球MLSE 產(chǎn)品，有必要基于多個(gè)獨(dú)立的經(jīng)過質(zhì)量評估的產(chǎn)品，優(yōu)化組合建立1 套新的覆蓋頻率范圍更寬的發(fā)射率產(chǎn)品。

由此，本研究選擇7 套基于6 種國際上主流微波傳感器的全球0.25°空間分辨率的MLSE 產(chǎn)品進(jìn)行研究，基于統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)開展7 種MLSE 產(chǎn)品的時(shí)、空一致性研究，并結(jié)合主要土地覆蓋類型，開展不同MLSE 在典型土地覆蓋類型下隨頻率的變化一致性，從而評估各產(chǎn)品的可靠性；并在各產(chǎn)品不同頻率MLSE 評估的基礎(chǔ)上，進(jìn)行發(fā)射率產(chǎn)品優(yōu)化，重新構(gòu)建1 套頻率為6.925—150.0 GHz 的全球MLSE 數(shù)據(jù)集，為全球MLSE 數(shù)據(jù)集的優(yōu)選和應(yīng)用、不確定性評估以及未來陸表發(fā)射率模式改進(jìn)提供參考。

2 數(shù)據(jù)集和方法

2.1 全球MLSE 數(shù)據(jù)集

本研究選擇了由國際上主流微波傳感器生成的7 套全球月尺度0.25°空間分辨率MLSE 數(shù)據(jù)集，各數(shù)據(jù)集具體介紹如下。

2.1.1 SSMI/S、AMSU-A/B 和ATMS 圖集

法國國家氣象研究中心（Météo-France/CNRS，CNRM）研發(fā)了3 套分別基于專用微波成像儀/探測儀SSMI/S（Prigent，et al，2006）、先進(jìn)微波探測器AMSU-A/B 和技術(shù)先進(jìn)的微波探測器ATMS 的2014 年1 月—2015 年12 月全球月尺度0.25°空間分辨率MLSE 數(shù)據(jù)集（Karbou，et al，2005，2006），并作為靜態(tài)發(fā)射率圖集納入到國際主流衛(wèi)星觀測算子—大氣垂直探測器輻射傳輸模式（RTTOV）中。其中SSMI/S 包括4 個(gè)頻率（19.35、22.23、37.0 和91.65 GHz）垂直和水平等7 個(gè)通道發(fā)射率數(shù)據(jù)（其中22.23 GHz 僅有垂直極化通道）；AMSUA/B 包括AMSU-A 的4 個(gè)頻率（23.8、31.4、50.3和89.0 GHz） 和AMSU-B 的2 個(gè) 頻 率（ 89.0 和150.0 GHz）大、小天頂角共12 個(gè)通道發(fā)射率；ATMS包括5 個(gè)頻率（23.8、31.4、50.3、51.7 和89.5 GHz）大、小天頂角等10 個(gè)通道發(fā)射率。與SSMI/S 采用53.1°固定觀測角圓錐掃描方式不同，AMSU-A/B和ATMS 采取跨軌步進(jìn)旋轉(zhuǎn)掃描方式（掃描角在±48.3°變動），相應(yīng)地，觀測天頂角在±58°變化；因此計(jì)算出來的發(fā)射率是垂直和水平極化的混合結(jié)果，并根據(jù)衛(wèi)星觀測天頂角的大小，分為大天頂角（≥40°）和小天頂角（＜40°）兩種產(chǎn)品。AMSU-A/B和ATMS 采用通用的微波輻射傳輸方程對晴空MLSE 進(jìn)行估算，其中輔助數(shù)據(jù)采用國際衛(wèi)星云氣候計(jì)劃（ISCCP）地表溫度作為LST，采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）再分析資料作為大氣溫、濕度廓線。

2.1.2 TELSEM2 工具背景數(shù)據(jù)集

ECMWF 基于專用微波成像儀（SSM/I）觀測數(shù)據(jù)發(fā)展的微波地表發(fā)射率參數(shù)化方法（Prigent，et al，2008）針對衛(wèi)星觀測算子RTTOV 開發(fā)了微波陸表發(fā)射率估算工具TELSEM（Aires，et al，2011），可以提供10—190 GHz 范圍內(nèi)MLSE 估計(jì)和誤差協(xié)方差矩陣；目前已發(fā)展為TELSEM2 版（Wang，et al，2017），其使用的背景發(fā)射率數(shù)據(jù)集為SSM/I 觀測得到的1993—2000 年月平均發(fā)射率。TELSEM2不僅可以對陸表發(fā)射率進(jìn)行估算，還可以對不同類型海冰發(fā)射率進(jìn)行估算。用于估算的背景SSM/I MLSE 數(shù)據(jù)集主要包括4 個(gè)頻率（19.35、22.23、37.0和85.0 GHz）垂直和水平極化等7 個(gè)通道發(fā)射率數(shù)據(jù)（其中22.23 GHz 僅有垂直極化通道），也是采用通用的微波輻射傳輸方程對晴空MLSE 進(jìn)行估算得到。

2.1.3 CREST AMSR-E 和AIRCAS AMSR-E 數(shù)據(jù)集

美國國家海洋和大氣管理局遙感科學(xué)與技術(shù)合作中心（NOAA-CREST）和中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院（AIRCAS）均基于中分辨率成像光譜儀（MODIS）Aqua AMSR-E 各自研發(fā)了CREST AMSRE（簡稱AMSR-E1）數(shù)據(jù)集和AIRCAS AMSR-E（簡稱AMSR-E2）數(shù)據(jù)集。AMSR-E 包括6 個(gè)頻率（6.925、10.65、18.7、23.8、36.5 和89.0 GHz）的垂直和水平極化發(fā)射率（共12 個(gè)通道），其中AMSRE1（Norouzi，et al，2013）為2002 年7 月至2008 年6 月逐月MLSE 12 個(gè)通道數(shù)據(jù)集，AMSR-E2（邱玉寶等，2016）為2002 年6 月至2011 年10 月逐月MLSE 10 個(gè)通道（不包括6.925 GHz）數(shù)據(jù)集。與SSMI/S 相似，AMSR-E 也采用圓錐掃描方式，以55°的固定觀測入射角接收來自地表的微波亮溫。AMSR-E1 和AMSR-E2 數(shù)據(jù)集均采用通用的微波輻射傳輸方程對晴空MLSE 進(jìn)行估算；不同的是AMSR-E1 輔助數(shù)據(jù)采用ISCCP 地表溫度作為LST，采用極軌氣象衛(wèi)星泰羅斯業(yè)務(wù)垂直探測器（TOVS）反演的9 層氣溫和水汽廓線作為大氣溫、濕度廓線（Rossow，et al，1999）；而AMSR-E2 輔助數(shù)據(jù)采用MODIS 的陸表溫度產(chǎn)品（MYD11 L2）作為LST，并采用MODIS/Aqua 的20 層大氣廓線數(shù)據(jù)（MYD07L2）作為溫、濕度廓線。

2.1.4 FY-3D MWRI 數(shù)據(jù)集

中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心聯(lián)合南京氣象科技創(chuàng)新研究院研發(fā)了1 套基于風(fēng)云三號D 星（簡稱FY-3D）微波輻射成像儀（MWRI）的2022 年全球月尺度0.25°空間分辨率MLSE 數(shù)據(jù)集，包括5 個(gè)頻率（10.65、18.7、23.8、36.5 和89.0 GHz）垂直和水平極化發(fā)射率（共10 個(gè)通道）。與AMSRE 類 似，F(xiàn)Y-3D 采 用 圓 錐 掃 描 方 式（Yang，et al，2011b；Wu，et al，2019），以53.1°的固定觀測入射角接收來自地表的微波亮溫，采用一維變分反演全天空下的MLSE（Boukabara，et al，2018）。在一維變分反演中，以ARMS（Weng，et al，2020）為觀測算子，背景場中大氣溫、濕度廓線、LST 和地表發(fā)射率初猜值由MiRS 提供（Boukabara，et al，2011）。

由于微波水平極化發(fā)射率對土壤和植被水分變化更為敏感（Prigent，et al，2006），文中對圓錐掃描方式MLSE 以水平極化發(fā)射率為例開展對比分析；而對跨軌掃描方式MLSE，選用與圓錐掃描天頂觀測角55°或53.1°較為接近的大天頂角（≥40°）發(fā)射率產(chǎn)品進(jìn)行對比分析。另外，文中忽略年際變化對月均發(fā)射率的影響，只對月或季節(jié)的發(fā)射率進(jìn)行對比分析，7 套數(shù)據(jù)評估所使用的頻率及觀測時(shí)間如表1 所示。

表1 7 套全球0.25°空間分辨率數(shù)據(jù)集評估頻率與觀測時(shí)間Table 1 Evaluation frequency and observation times of 7 sets of global 0.25° spatial resolution datasets

2.2 研究方法

2.2.1 發(fā)射率空間一致性評估

這里采用統(tǒng)計(jì)分析法對不同MLSE 產(chǎn)品進(jìn)行空間一致性分析，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)（R）和平均絕對偏差MAD（Mean Absolute Deviation），如下式

式中，xi指發(fā)射率為x的產(chǎn)品第i個(gè)空間位置的MLSE 值，yi指發(fā)射率為y的產(chǎn)品第i個(gè)空間位置的MLSE 值，xˉ 和yˉ分 別 為 所 有x和y空 間 位 置 有 效 值的平均值，n為樣本數(shù)。

在分析前需要進(jìn)行簡單質(zhì)量控制，由于本研究主要針對陸表發(fā)射率，因此只對MLSE 大于0.5 且小于1.0 的區(qū)域進(jìn)行分析，并且只對兩者M(jìn)LSE 差值在[-0.5，0.5]的有效區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2.2 發(fā)射率的頻率依賴一致性評估

為分析各種MLSE 產(chǎn)品在典型土地覆蓋類型下發(fā)射率對頻率的依賴性是否一致，以2010 年MODIS 國際地圈生物圈計(jì)劃（IGBP）土地覆蓋產(chǎn)品（MCD12Q1）（Friedl，et al，2002）以及TELSEM2工具中全球夏季7 月地表類型2（Prigent，et al，2016）為基礎(chǔ)，選擇亞馬孫熱帶雨林、俄羅斯北方落葉針葉林、中國華北平原農(nóng)田、青藏高原草地、非洲撒哈拉沙漠、北極格林蘭冰蓋等6 類典型土地覆蓋類型樣區(qū)，如圖1 所示。

圖1 全球土地覆蓋類型典型樣區(qū)選擇示意Fig.1 Schematic diagram of typical sample areas selection for global land cover types

2.2.3 TELSEM2 發(fā)射率產(chǎn)品優(yōu)化

由于TELSEM2 只包括了19.35、37.0、85.0 GHz有效通道發(fā)射率產(chǎn)品，對于 19.35—85.0 GHz 的MLSE 采用內(nèi)插方法獲取，對于低于19.35 GHz 的MLSE 則直接用19.35 GHz 發(fā)射率值代替，對高于85.0 GHz 的MLSE 除了水體與海冰類型，其他類型均用85.0 GHz 發(fā)射率代替，即TELSEM2 獲取的低于19.35 GHz 和高于85.0 GHz 的陸表MLSE 均具有很大的不確定性。而AMSR-E 提供了6.925 GHz和10.65 GHz 的發(fā)射率觀測數(shù)據(jù)，AMSU-B 提供了150.0 GHz 的發(fā)射率觀測數(shù)據(jù)，這為TELSEM2 發(fā)射率產(chǎn)品拓展到低頻（6.925 GHz）和高頻（150.0 GHz）提供了可能。

以TELSEM2 發(fā)射率產(chǎn)品為基礎(chǔ)，把優(yōu)選的AMSR-E 的6.925、10.65 GHz、AMSU-B 的150.0 GHz發(fā)射率觀測產(chǎn)品訂正到TELSEM2 水平，合并這3 個(gè)新通道從而新建1 套頻率為6.925—150.0 GHz的TELSEM2 產(chǎn)品（命名為CoTELSEM2 產(chǎn)品）。訂正原理為TELSEM2 和AMSR-E 及AMSU-B 具有相同的頻率依賴性，可采用比值法進(jìn)行訂正，并假設(shè)同一微波傳感器18.7 和19.35 GHz、85.0 和89.0 GHz 的發(fā)射率近似相等，即

根據(jù)前面公式可估算得到

式中， E _TELSEM219.35和E _TELSEM285.0分別為TELSEM2 原 始 數(shù) 據(jù) 集19.35、85.0 GHz 的MLSE 值，E_TELSEM26.925、E_TELSEM210.65和E_TELSEM2150.0為估算的新TELSEM2 數(shù)據(jù)集的6.925、10.65 和150.0 GHz 的MLSE 值，E _AMSRE6.925、E_AMSRE10.65和E_AMSRE18.7分 別 為 AMSR-E 數(shù) 據(jù) 集 6.925、10.65 和 18.7 GHz 的 MLSE 值， E_AMSUB89.0和E_AMSUB150.0為AMSU-B 數(shù)據(jù)集89.0 和150.0 GHz的 MLSE 值。

3 結(jié)果與分析

3.1 全球不同MLSE 產(chǎn)品時(shí)、空分布

圖2 為7 套陸表MLSE 產(chǎn)品在低頻（18.7、19.35 GHz）和高頻（85.0、89.0、91.65 GHz）水平極化發(fā)射率或大觀測天頂角發(fā)射率于典型月份（1 和7 月）的空間分布，其中TELSEM2 產(chǎn)品還包括了海冰范圍的MLSE?？梢钥闯觯靼l(fā)射率產(chǎn)品存在明顯的空間差異，濃密植被地區(qū)（如南美熱帶雨林和非洲熱帶雨林）由于具有準(zhǔn)朗伯反射特性，具有較高發(fā)射率；而荒漠（如北非、阿拉伯半島、澳大利亞沙漠）具有準(zhǔn)鏡面反射特性，發(fā)射率較低；南極和北極永久冰雪地區(qū)由于具有鏡面反射特性，發(fā)射率普遍低于其他地區(qū)；對于常年冰雪覆蓋的格陵蘭島和南極洲，發(fā)射率季節(jié)變化很小，但仍存在較明顯的空間變化。對于季節(jié)性積雪覆蓋的北半球中、高緯度地區(qū)，發(fā)射率季節(jié)變化明顯；不同傳感器反演的發(fā)射率產(chǎn)品存在明顯差異，例如，相對于TELSEM2 發(fā)射率產(chǎn)品，AMSR-E2 發(fā)射率在低頻和高頻均普遍偏高，SSMI/S 在低頻大部分地區(qū)發(fā)射率偏高明顯，AMSU-A 和ATMS 在高頻大部分地區(qū)發(fā)射率偏高，而FY-3D 無論是低頻或是高頻均存在高植被覆蓋地區(qū)（如南美熱帶雨林、非洲熱帶雨林和北方針葉林）發(fā)射率明顯偏高，具體原因見后面分析。以上結(jié)果顯示各產(chǎn)品之間可能存在較為明顯的系統(tǒng)偏差或反演誤差。

圖2 不同產(chǎn)品不同頻率1 （a1—f1、a3—f3） 和7 （a2—f2、a4—f4） 月發(fā)射率空間分布 （a.AMSR-E1，b.AMSR-E2，c.TELSEM2，d.SSMI/S，e.FY-3D，f.AMSU-A （ATMS）；a1—a2、b1—b2、e1—e2.18.7 GHz，c1—c2、d1—d2.19.35 GHz，c3—c4.85.0 GHz，a3—a4、b3—b4、e3—e4、f1—f4.89.0 GHz，d3—d4.91.65 GHz）Fig.2 Spatial distributions of emissivity for different products in typical periods （a1—f1，a3—f3.January，a2—f2，a4—f4.July；a.AMSR-E1，b.AMSR-E2，c.TELSEM2，d.SSMI/S，e.FY-3D，f.AMSU-A （ATMS）；a1—a2，b1—b2，e1—e2.18.7 GHz，c1—c2，d1—d2.19.35 GHz，c3—c4.85.0 GHz，a3—a4，b3—b4，e3—e4，f1—f4.89.0 GHz，d3—d4.91.65 GHz）

3.2 國外傳感器發(fā)射率產(chǎn)品時(shí)、空變化一致性分析

對文中6 種國外傳感器發(fā)射率產(chǎn)品（AMSRE1、AMSR-E2、TELSEM2、SSMI/S、AMSU-A 和AMTS）在全球尺度上不同月份（1、4、7、10 月）具有相同或相近頻率下空間相關(guān)關(guān)系和平均絕對偏差進(jìn)行對比（圖3），可以看出：（1）低頻（18.7 和19.35 GHz、23.8 和36.5 或37.0 GHz）在 各 月 份AMSR-E1、TELSEM2 和SSMI/S 均有很好的空間相 關(guān)（R＞0.90） （ 圖3a、 c 和e） ， 且SSMI/S 和TESEM2、 AMSU-A 和 ATMS 空 間 相 關(guān) 較 強(qiáng)（R＞0.95）；平均絕對偏差一般在0.04 以下（圖3b、d 和f）；而AMSR-E2 與其他發(fā)射率產(chǎn)品空間相關(guān)明顯較弱（R一般小于0.85），且平均絕對偏差明顯較大（MAD 大于0.06）；另外，除了AMSR-E2 外，掃描方式相同較掃描方式不同的平均絕對偏差大。

圖3 國外產(chǎn)品不同月份不同頻率的MLSE 空間相關(guān)系數(shù) （a、c、e、g） 和平均絕對偏差 （b、d、f、h） （a、b.18.7 或19.35 GHz，c、d.23.8 GHz，e、f.36.5 或37.0 GHz，g、h.85.0、89.0 或91.65 GHz；n 為評估樣本數(shù)）Fig.3 Comparison of R （a，c，e，g） and MAD （b，d，f，h） between foreign sensors for different months and frequencies（a，b.18.7 or 19.35 GHz，c，d.23.8 GHz，e，f.36.5 or 37.0 GHz，g，h.85.0，89.0 or 91.65 GHz；n is the number of samples）

（2）高頻（85.0、89.0、91.65 GHz）各發(fā)射率產(chǎn)品具有較好空間相關(guān)（圖3g），以ATMS 和AMSUAR最大（4 個(gè)月平均為0.973），且平均絕對偏差最?。▓D3h）（4 個(gè)月平均為0.0126）；其次，TELSEM2和AMSU-A、ATMS、SSMI/S 及AMSR-E1 的空間相關(guān)系數(shù)也較大（平均為0.902），平均絕對偏差為0.0343；而AMSR-E2 與其他產(chǎn)品的空間相關(guān)總體偏低（R小于0.88），相應(yīng)的平均絕對偏差也普遍較大（MAD 一般大于0.07）。

以上結(jié)果顯示，AMSR-E2 發(fā)射率產(chǎn)品存在明顯反演誤差，幾乎不可用。因此，對剩下5 類國外傳感器發(fā)射率產(chǎn)品所有時(shí)段和頻率的R和MAD 進(jìn)行分析，并區(qū)分所有產(chǎn)品（All）、掃描方式相同和掃描方式不同3 種情形。如圖4 所示，TELSEM2、AMSR-E1、SSMI/S、AMSU-A 和ATMS與其他所有產(chǎn)品4 個(gè)月各種頻率下的平均空間相關(guān)系數(shù)分別為0.928、0.887、0.924、0.919 和0.908，平均絕對偏差分別為0.031、0.034、0.037、0.032和0.032；在考慮掃描方式情形下，除了SSMI/S，掃描方式相同的空間相關(guān)系數(shù)明顯大于掃描方式不同，平均絕對偏差則相反；此外，即使有大的空間相關(guān)系數(shù)，但平均絕對偏差并不一定為低值，如SSMI/S 與其他產(chǎn)品的R均大于AMSR-E1，但MAD卻明顯大于AMSR-E1。總體而言，掃描方式相同較掃描方式不同的發(fā)射率產(chǎn)品空間一致性更好，其中圓錐掃描方式以TELSEM2 表現(xiàn)最佳，跨軌掃描方式以AMSUA 表現(xiàn)更好。

圖4 不同MLSE 產(chǎn)品的平均空間相關(guān)系數(shù) （a） 和平均絕對偏差 （b）Fig.4 Comparison of average R （a） and MAD （b） between different MLSE products including all scanning methods，the same scanning method，and different scanning methods

3.3 FY-3D 發(fā)射率產(chǎn)品分析

考慮到SSMI/S 與其他發(fā)射率產(chǎn)品之間平均MAD 較 大， 選 擇 與FY-3D 相 同 掃 描 方 式 的TELSEM2 和AMSR-E1 對FY-3D 發(fā)射率產(chǎn)品進(jìn)行評估。如圖5 所示，F(xiàn)Y-3D 與AMSR-E1 和TELSEM2各頻率各月空間相關(guān)普遍較好，平均R為0.914，且在低頻（≤23.8 GHz）明顯大于高頻（85.0、89.0 GHz），R分 別 為0.931 和0.868； FY-3D 與AMSR-E1 和TELSEM2 的平均MAD 為0.041，明顯大于AMSRE1 和TELSEM2（0.027），且高頻（85.0、89.0 GHz）的MAD 大于低頻（≤23.8 GHz），分別為0.053 和0.035。結(jié)果顯示，F(xiàn)Y-3D 與TELSEM2 和AMSRE1 的MAD 明顯偏大，F(xiàn)Y-3D 發(fā)射率較AMSR-E1和TELSEM2 很可能具有更大的反演誤差。

圖5 三種發(fā)射率產(chǎn)品不同頻率和不同月份的發(fā)射率空間相關(guān)系數(shù) （a、c、e、g、i） 與平均絕對偏差 （b、d、f、h、j） （a、b.10.65 GHz，c、d.18.7 或19.35 GHz，e、f.23.8 GHz，g、h.36.5 或37.0 GHz，i、j.85.0 或89.0 GHz；n 為樣本數(shù)）Fig.5 Comparison of R （a，c，e，g，i） and MAD （b，d，f，h，j） between FY-3D and AMSR-E1 and TELSEM2 at different frequencies for different months （a，b.10.65 GHz，c，d.18.7 or 19.35 GHz，e，f.23.8 GHz，g，h.36.5 or 37.0 GHz，i、j.85.0 or 89.0 GHz；n is the number of samples）

3.4 典型土地覆蓋類型發(fā)射率的頻率依賴一致性分析

從前面分析可知，TELSEM2 相對于其他產(chǎn)品在時(shí)、空一致性上具有更好的表現(xiàn)。由此，在分析TELSEM2 低頻（19.35 GHz）和高頻（89.0 GHz）垂直和水平極化發(fā)射率的年、季節(jié)變化（圖6）基礎(chǔ)上，結(jié)合典型土地覆蓋類型，開展6 種發(fā)射率產(chǎn)品（AMSR-E1、TELSEM2、SSMI/S、FY-3D、ATMS和AMSU-A/B）在典型季節(jié)（1 和7 月）發(fā)射率的頻率變化依賴一致性分析，如圖7 所示。

圖6 基于TELSEM2 產(chǎn)品的典型土地覆蓋類型逐月19.35 GHz 和85.0 GHz 發(fā)射率變化 （a.亞馬孫熱帶雨林，b.北方落葉針葉林，c.華北平原農(nóng)田，d.青藏高原草地，e.非洲撒哈拉沙漠，f.北極格林蘭冰蓋；V-pol 表示垂直極化，H-pol 表示水平極化）Fig.6 Monthly changes in emissivity of typical land cover types based on TELSEM2 at 19.35 GHz and 85.0 GHz（a.Amazon rainforest，b.Boreal forest，c.North China farmland，d.Qingzang plateau grassland，e.Sahara desert，f.Greenland ice；vertical polarization：V-pol，horizontal polarization：H-pol）

圖7 不同產(chǎn)品典型土地覆蓋類型 （a、b.亞馬孫熱帶雨林，c、d.北方落葉針葉林，e、f.華北平原農(nóng)田，g、h.青藏高原草地，i、j.非洲撒哈拉沙漠，k、l.北極格林蘭冰蓋） 發(fā)射率在1 月（a、c、e、g、i、k）和7 月（b、d、f、h、j、l） 隨頻率的變化 （V 代表垂直極化，H 代表水平極化）Fig.7 Variations of average emissivity of typical land cover types （a，b.Amazon rainforest，c，d.Boreal forest，e，f.North China farmland，g，h.Qingzang plateau grassland，i，j.Sahara desert，k，l.Greenland ice） for different products with frequency in January （a，c，e，g，i，k） and July （b，d，f，h，j，l） （vertical polarization：V，horizontal polarization：H）

亞馬孫熱帶雨林TELSEM2 月均MLSE 年內(nèi)變化（圖6a）很?。ㄕ穹鶅H為0.011），這是由于其全年高植被覆蓋特征使得地表特征變化很小，從而對MLSE 季節(jié)變化影響很小，且低頻（19.35 GHz）大于高頻（85.0 GHz），主要是由于高植被覆蓋地區(qū)低頻較高頻具有更高的穿透性從而增加向上輻射使得發(fā)射率增大。對比1 月和7 月隨頻率的變化（圖7a 和b）可以看出，各產(chǎn)品MLSE 在不同通道均存在系統(tǒng)差異；隨頻率增大TELSEM2、SSMI/S和AMSU-A/B 發(fā)射率具有減小趨勢，但AMSR-E1和FY-3D 并沒有類似變化規(guī)律，且在23.8 GHz 和89.0 GHz 有2 個(gè) 發(fā) 射 率 峰 值 區(qū)，89.0 GHz 尤 為 突出；對于23.8 GHz 很可能是由于其位于水汽吸收帶附近，對水汽影響考慮不足造成發(fā)射率高估；對于89.0 GHz，則很可能是由于大氣對高頻影響顯著高于低頻（Karbou，et al，2005），對亞馬孫熱帶雨林潮濕多云雨天氣影響考慮不足，從而造成發(fā)射率明顯高估；另外，ATMS 發(fā)射率在51.7 GHz 處有1 個(gè)發(fā)射率峰值區(qū)，可能是由于其位于氧氣吸收帶（50—60 GHz）附近，對氧氣吸收影響考慮不足造成發(fā)射率高估；而AMSU-A/B 發(fā)射率隨頻率雖呈下降趨勢，但在50.3 GHz 有1 個(gè)弱峰區(qū)，這與Karbou 等（2005）對熱帶雨林地區(qū)的研究結(jié)果一致，造成這一現(xiàn)象的原因可能是儀器的絕對定標(biāo)誤差和此頻率大氣吸收估算造成的系統(tǒng)誤差。此外，F(xiàn)Y-3D 發(fā)射率在10.65、23.8 和 89.0 GHz 均明顯高于其他發(fā)射率產(chǎn)品，結(jié)合圖2 中FY-3D 的MLSE 空間分布，表明在亞馬孫熱帶雨林區(qū)存在較為明顯的高估。

北方針葉林區(qū)TELSEM2 發(fā)射率存在明顯季節(jié)變化（圖6b），這是由于其地表覆蓋存在明顯季節(jié)變化（冬季為積雪，夏季為高植被覆蓋），MLSE 年振幅最高可達(dá)0.166，而低頻（19.35 GHz）與高頻（85.0 GHz）發(fā)射率存在幾乎相反的季節(jié)變化特征：19.35 GHz發(fā)射率冬季高于夏季，最低值出現(xiàn)在4 月，這是由于大量積雪融化后造成地表土壤含水量明顯升高從而顯著降低發(fā)射率，而85.0 GHz 發(fā)射率冬季明顯低于夏季，主要是由于冬季積雪在高頻段的強(qiáng)散射特性使得發(fā)射率明顯低于夏季植被發(fā)射率。另外，冬季19.35 GHz 發(fā)射率顯著高于85.0 GHz 發(fā)射率，夏季則較為接近，主要是由于頻率的增大使得冬季積雪對上行微波輻射的體散射增大，致使高頻的發(fā)射率降低明顯，夏季高植被覆蓋則沒有這種影響。對比該地區(qū)各產(chǎn)品發(fā)射率隨頻率的變化（圖7c和d），可以看出， 1 月由于積雪覆蓋，隨頻率增大各產(chǎn)品發(fā)射率呈減小趨勢，但AMSU-A/B 的150.0 GHz例外，可能與該頻率電磁輻射穿透能力較低，受林地與積雪覆蓋綜合影響有關(guān)； 7 月由于高植被覆蓋特性，各產(chǎn)品發(fā)射率隨頻率的變化較小，但TELSEM2、SSMI/S、AMSU-A/B 和ATMS 總 體 仍 呈 下 降 趨勢，且仍存在ATMS 的51.7 GHz、AMSR-E1 和FY-3D 的89.0 GHz 發(fā)射率高估問題。但相對于亞馬孫熱帶雨林，89.0 GHz 發(fā)射率高估明顯減弱，這是由于北方針葉林地區(qū)潮濕云雨天氣不多，相應(yīng)地大氣影響造成的誤差減小。類似地，與其他產(chǎn)品相比，無論在1 月或是7 月，F(xiàn)Y-3D 也存在對北方針葉林發(fā)射率高估現(xiàn)象。

華北平原農(nóng)田由于冬、夏季存在明顯的植被覆蓋變化，TELSEM2 發(fā)射率也相應(yīng)存在季節(jié)變化（圖6c），其中5 月有一個(gè)發(fā)射率弱峰區(qū)，這是由于此時(shí)華北平原以小麥為主的作物正值生長盛期，而植被覆蓋度的增大有利于發(fā)射率的增大， 6 月由于小麥?zhǔn)斋@后植被覆蓋明顯降低造成發(fā)射率下降；7—8 月，受雨季影響土壤濕度較高，農(nóng)田發(fā)射率處于全年低值，且低頻（19.35 GHz）發(fā)射率大于高頻（85.0 GHz），與已有的研究結(jié)果（Li，et al，2013，2022）一致。對比該地區(qū)各產(chǎn)品發(fā)射率隨頻率的變化（圖7e 和f），1 月和7 月差異不明顯；隨頻率增大TELSEM2、SSMI/S 垂直和水平極化發(fā)射率呈輕微減小趨勢，而AMSU-A/B 變化較小，但仍存在ATMS的51.7 GHz、AMSR-E1 的23.8 和89.0 GHz 發(fā)射率高估。另外，與其他產(chǎn)品相比，1 月FY-3D 在18.7、23.8 和36.5GHz 水平極化發(fā)射率存在低估現(xiàn)象，7 月FY-3D 的36.5 和89.0 GHz 垂直極化發(fā)射率存在高估現(xiàn)象。

青藏高原草地由于冬季為積雪、凍土所覆蓋，夏季為草地植被覆蓋，TELSEM2 發(fā)射率季節(jié)變化與北方針葉林相似（圖6d），即低頻（19.35 GHz）與高頻（85.0 GHz）發(fā)射率存在幾乎相反的季節(jié)變化特征，且冬季19.35 GHz 發(fā)射率明顯大于85.0 GHz，而夏季兩者則較為接近。對比該地區(qū)各產(chǎn)品發(fā)射率隨頻率的變化（圖7g 和h），各產(chǎn)品發(fā)射率隨頻率在1 月和7 月的變化與北方針葉林相似，即1 月發(fā)射率隨頻率增大呈減小趨勢，而7 月變化平穩(wěn)；另外1 月也存在ATMS 的51.7 GHz 發(fā)射率高估問題。與其他產(chǎn)品相比，F(xiàn)Y-3D 水平極化發(fā)射率在1 月和7 月23.8 GHz 和36.5 GHz 存在低估現(xiàn)象。

撒哈拉沙漠由于地表覆蓋幾乎不存在季節(jié)變化，TELSEM2 垂直和水平發(fā)射率季節(jié)變化很小（圖6e），年內(nèi)發(fā)射率振幅平均值僅為0.0099，為6 類土地覆蓋類型季節(jié)變化最?。坏皖l（19.35 GHz）發(fā)射率明顯高于高頻（85.0 GHz），這是由于砂粒與雪粒均屬于密介質(zhì)（Weng，et al，2001），在高頻處具有更高的體散射從而降低發(fā)射率。對比該地區(qū)各產(chǎn)品發(fā)射率隨頻率的變化（圖7i 和j），存在明顯系統(tǒng)偏差，且低頻差異大于高頻，這主要是由于低頻在沙漠具有更深的穿透能力，從而造成LST 與亮溫日振幅和相位的差異，這會造成明顯誤差。隨頻率增大垂直極化發(fā)射率有緩慢減小趨勢，而水平極化發(fā)射率則相反，與已有研究（Grody，et al，2008）一致。與前面類似，仍存在一定程度ATMS 的51.7 GHz 發(fā)射率高估問題。另外，相對于其他產(chǎn)品，1 月FY-3D 的23.8、36.5 和89.0 GHz 水平極化發(fā)射率存在低估，7 月垂直極化發(fā)射率存在高估。

格陵蘭冰蓋TELSEM2 發(fā)射率存在明顯季節(jié)變化（圖6f），這是由于夏季冰雪融化、冰蓋厚度減小，從而造成夏季與冬季發(fā)射率的明顯差異；且低頻（19.35 GHz）與高頻（85.0 GHz）的季節(jié)變化存在明顯差異，低頻的發(fā)射率高值和低值分別出現(xiàn)在2 和6 月，而高頻發(fā)射率低值和高值分別出現(xiàn)在5 和8 月，這是不同時(shí)期的冰粒和冰蓋厚度對低頻和高頻微波輻射存在明顯體散射差異造成的。對比該地區(qū)各產(chǎn)品發(fā)射率隨頻率的變化（圖7k 和l），TELSEM2、AMSR-E1 和SSMI/S 各產(chǎn)品發(fā)射率在冬季1 月隨頻率增大呈先降后增趨勢（36.5、37.0 GHz為波谷），而在夏季7 月發(fā)射率呈先升后降趨勢（36.5、37.0 GHz 為波峰）；與其他產(chǎn)品相比，F(xiàn)Y-3D 在1 月發(fā)射率隨頻率呈明顯不同的變化趨勢，在89.0 GHz 也存在明顯低估。

總的來看，在MLSE 對頻率的依賴方面，大部分產(chǎn)品垂直和水平極化發(fā)射率具有相同的變化趨勢，且垂直和水平極化發(fā)射率的差異隨著植被覆蓋減?。◤臒釒в炅帧⑥r(nóng)田、草地和沙漠，植被覆蓋度依次減?。┏试龃筅厔荩籘ELSEM2 和AMSU-A/B的質(zhì)量可靠性較高，ATMS 的51.7 GHz 通道存在系統(tǒng)性高估；AMSR-E1 和FY-3D 發(fā)射率在23.8、89.0 GHz 通道存在系統(tǒng)性高估。

3.5 CoTELSEM2 產(chǎn)品質(zhì)量分析

由前面分析可知，AMSR-E1 在低頻（6.925 和10.65 GHz）和AMSU-B 在高頻（150.0 GHz）具有較好質(zhì)量，可對TELSEM2 產(chǎn)品現(xiàn)有頻率范圍之外的低頻和高頻進(jìn)行補(bǔ)充優(yōu)化。圖8 為優(yōu)化后的新產(chǎn)品CoTELSEM2 的6.925、10.65 和150.0 GHz 在1 和7 月水平極化發(fā)射率的空間分布，低頻（6.925和10.65 GHz）的MLSE 空間分布一致性很高，與AMSR-E1 的6.925 和10.65 GHz 平均空間相關(guān)系數(shù)分別為0.943 和0.950，平均絕對偏差分別為0.022 和0.021；高頻（85.0 與150.0 GHz）（圖2c3、2c4）的MLSE 空間分布一致性很高，與AMSUB 的150.0 GHz 平均空間相關(guān)系數(shù)為0.915，平均絕對偏差為0.035。表明CoTELSEM2 產(chǎn)品發(fā)射率與其他發(fā)射率產(chǎn)品具有較好的時(shí)、空一致性。

圖8 CoTELSEM2 產(chǎn)品6.925 （a、d）、10.65 （b、e） 和150.0 （c、f） GHz 水平極化發(fā)射率1 月 （a—c） 和7 月 （d—f） 空間分布Fig.8 Spatial distributions of horizontal polarization emissivity for CoTELSEM2 product at 6.925 （a，d）， 10.65 （b，e） and 150.0 （c，f） GHz in January （a—c） and July （d—f）

圖9 為CoTELSEM2 產(chǎn)品垂直和水平極化發(fā)射率在5 種典型土地覆蓋類型中隨頻率（6.925—150.0 GH）的變化：除了北方針葉林1 月和華北農(nóng)田7 月高頻（150.0 GHz）發(fā)射率略有偏高外，其他類型具有隨頻率增加發(fā)射率緩慢減小或變化穩(wěn)定的趨勢，并沒有出現(xiàn)圖7 顯示的MLSE 明顯偏高或偏低問題，顯示優(yōu)化后的CoTELSEM2 產(chǎn)品發(fā)射率總體上具有較好的土地覆蓋和頻率依賴一致性。

圖9 基于CoTELSEM2 產(chǎn)品典型土地覆蓋類型發(fā)射率在1 月 （a） 和7 月 （b） 隨頻率的變化 （V-pol 代表垂直極化，H-pol 代表水平極化）Fig.9 Variations of average emissivity of typical land cover types for CoTELSEM2 product with frequency in January （a）and July （b） （vertical polarization：V-pol，horizontal polarization：H-pol）

3.6 CoTELSEM2 產(chǎn)品發(fā)射率不確定性分析

對 CoTELSEM2 產(chǎn) 品 選 擇 低 頻（ 10.65 和19.35 GHz）和高頻（85.0 和150.0 GHz）開展產(chǎn)品年內(nèi)水平極化發(fā)射率季節(jié)變化的不確定性分析（以年內(nèi)各月MLSE 之間的標(biāo)準(zhǔn)差表征，圖10）。CoTELSEM2 產(chǎn)品不確定性在低頻（10.65 和19.35 GHz）、高頻（85.0 和150.0 GHz）均具有很好的空間一致性，高頻的不確定性明顯大于低頻，尤其是在北半球中、高緯度陸地地區(qū)，這主要是隨著頻率增大大氣的影響增大造成MLSE 不確定性增大；高不確定性（標(biāo)準(zhǔn)差＞0.04）主要發(fā)生于地表水分和植被存在顯著變化地區(qū)，這些地區(qū)存在積雪季節(jié)凍融、植被覆蓋變化以及季節(jié)性降水顯著等特征；而海冰的MLSE 不確定性最大，標(biāo)準(zhǔn)差一般在0.20 以上。就典型地表類型來看，撒哈拉沙漠和亞馬孫熱帶雨林MLSE 季節(jié)變化很小，無論是低頻或是高頻，平均標(biāo)準(zhǔn)差不超過0.006；華北平原農(nóng)田受冬、夏植被覆蓋和季節(jié)降雨變化影響，低頻（10.65 和19.35 GHz）標(biāo)準(zhǔn)差平均為0.018，高頻（85.0 和150.0 GHz）略高，標(biāo)準(zhǔn)差平均為0.021；青藏高原草地受冬季積雪凍土影響，不確定性高于農(nóng)田，其中低頻和高頻標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.024 和0.033；而北方針葉林受冬季積雪覆蓋變化，MLSE 季節(jié)變化明顯偏高，尤其是在高頻，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.068；格陵蘭冰蓋的MLSE 季節(jié)變化也較為明顯，低頻和高頻標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.018和0.048。

圖10 基于CoTELSEM2 產(chǎn)品全球陸表不同頻率 （a.10.65 GHz，b.19.35 GHz，c.85.0 GHz，d.150.0 GHz） 水平極化發(fā)射率不確定性 （年內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差） 空間分布Fig.10 Spatial distributions of uncertainty （annual standard deviation） of global land surface horizontal polarization emissivity for different frequencies （a.10.65 GHz，b.19.35 GHz，c.85.0 GHz，d.150.0 GHz） based on CoTELSEM2 product

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

本研究選擇7 套國際上主流微波傳感器0.25°空間分辨率的全球微波月均發(fā)射率產(chǎn)品（AMSRE1、AMSR-E2、TELSEM2、SSMI/S、AMSU-A/B、ATMS 和 FY-3D），開展時(shí)、空一致性和頻率依賴一致性分析，以此為基礎(chǔ)對TELSEM2 進(jìn)行了優(yōu)化，新建了1 套更寬頻率范圍的全球逐月MLSE 產(chǎn)品（命名為CoTELSEM2）。研究結(jié)果顯示：

（1）AMSR-E2 產(chǎn)品幾乎不可用，其余6 套產(chǎn)品之間存在系統(tǒng)性偏差，但也存在明顯空間相關(guān)關(guān)系， TELSEM2、 AMSR-E1、 SSMI/S、 AMSU-A、ATMS 和 FY-3D 平均空間相關(guān)系數(shù)分別為0.928、0.887、0.924、0.919、0.908 和0.914，平均絕對偏差分別為0.031、0.034、0.037、0.032、0.032 和0.041；掃描方式相同較掃描方式不同的空間一致性更好，其中圓錐掃描方式以TELSEM2 表現(xiàn)最佳，跨軌掃描方式以AMSU-A/B 表現(xiàn)更好。

（2）各發(fā)射率產(chǎn)品具有明顯的頻率和土地覆蓋依賴特征，但部分產(chǎn)品在一些通道上存在頻率依賴的不一致，其中ATMS 在51.7 GHz 通道由于位于氧氣吸收帶附近，存在MLSE 高估現(xiàn)象；AMSRE1 和FY-3D 發(fā)射率在23.8、89.0 GHz 通道很可能存在系統(tǒng)性高估，且主要發(fā)生在高植被覆蓋地區(qū)；而FY-3D 的MLSE 在不同時(shí)間、地區(qū)和頻率下存在一些明顯偏高或偏低。綜合考慮空間一致性和頻率依賴的一致性特征，TELSEM2 和AMSU-A/B 的質(zhì)量可靠性較高，其次是ATMS、AMSR-E1、SMMI/S，F(xiàn)Y-3D 質(zhì)量較差。

（3）CoTELSEM2 產(chǎn)品從原始TELSEM2 產(chǎn)品19.35—85.0 GHz 范 圍 擴(kuò) 展 到6.925—150.0 GHz，且具有較好的時(shí)空一致性和頻率變化一致性，不確定性具有明顯的土地覆蓋依賴特征，其中撒哈拉沙漠和亞馬孫熱帶雨林發(fā)射率不確定性很小，而北方針葉林不確定性最大，且高頻的不確定性明顯大于低頻。

4.2 討 論

本研究結(jié)果顯示，衛(wèi)星觀測算子RTTOV 提供的 SSMI/S、 AMSU-A/B 和 ATMS 全 球 靜 態(tài) 月MLSE 圖集和TELSEM2 工具背景數(shù)據(jù)集雖然空間相關(guān)較強(qiáng)，但差異明顯，如SSMI/S 和TELSEM2的全球MAD 在低頻（18.7、19.35 GHz）為0.0235—0.029，高頻（85.0、89.0 GHz）為0.0242—0.0368；而AMSU-A、ATMS 和TELSEM2 在 高 頻（85.0、89.0 GHz）全球MAD 為0.0349—0.0417，明顯超出了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)對MLSE 精度小于0.01 的要求（Karbou，et al，2006）。另外，從MLSE 對頻率的依賴一致性分析可以看出，各產(chǎn)品之間也存在明顯差異，例如7 月常綠闊葉林和沙漠地區(qū)各產(chǎn)品低頻（18.7、19.35 GHz）下水平發(fā)射率的最大差異分別為0.048 和0.054，高頻（85.0、89.0、91.65 GHz）下水平發(fā)射率的最大差異分別為0.057 和0.03，表明各圖集還是存在較為明顯的系統(tǒng)偏差。

系統(tǒng)偏差形成的原因除了傳感器配置如頻率、過境時(shí)間、入射角、視場足跡等和空間分辨率、時(shí)空采樣等的差異外，輔助輸入?yún)?shù)和反演算法差異也是重要原因。文中 7 種MLSE 產(chǎn)品，除了FY-3D，其他均是通過衛(wèi)星觀測亮溫直接估算晴空MLSE，因此輸入的輔助數(shù)據(jù)包括LST、大氣溫、濕度廓線和云檢測精度均會對MLSE 的估算產(chǎn)生較大影響。例如Ruston 等（2004）指出LST 是衛(wèi)星觀測反演MLSE 的主要誤差因子；而已有的研究（Moncet，et al，2011）指出MODIS 白天LST 在7 月比ISCCP地表溫度低5 K，某些地區(qū)可達(dá)25 K，而一般LST偏低會導(dǎo)致發(fā)射率偏高，這可能是文中AMSRE2 產(chǎn)品MLSE 偏高的一個(gè)重要原因。各產(chǎn)品使用不同的大氣溫、濕度廓線，如ECMWF、NCEP、GFS再分析產(chǎn)品和衛(wèi)星反演得到的TOVS、MYD07L2溫、濕度廓線不但存在大氣參數(shù)值的差異，還存在垂直和空間分辨率的差異，也會導(dǎo)致MLSE 存在系統(tǒng)偏差。反演算法不同也可能造成MLSE 存在系統(tǒng)偏差，例如文中FY-3D 在高植被覆蓋地區(qū)尤其是夏季MLSE 明顯偏高，可能與其采用的全天空反演算法（即對云區(qū)也進(jìn)行MLSE 反演）有關(guān)，由于衛(wèi)星觀測亮溫包含地表輻射亮溫與云輻射亮溫的貢獻(xiàn)，如果對云的輻射亮溫貢獻(xiàn)考慮不足，會造成衛(wèi)星觀測的地表亮溫偏高，導(dǎo)致云雨較多的高植被覆蓋地區(qū)MLSE 高估。

除了系統(tǒng)偏差外，還存在MLSE 對頻率和局地土地覆蓋依賴的隨機(jī)誤差，圖7 中各產(chǎn)品在亞馬孫熱帶雨林之間的偏差較青藏高原草地的偏差更大，主要是由于熱帶雨林具有更豐富的水汽，相應(yīng)的大氣影響造成的誤差增大；還有各產(chǎn)品在更高頻率較更低頻率具有更大的誤差，也是由于高頻對大氣影響更為敏感從而造成誤差加大。

從各發(fā)射率產(chǎn)品在不同土地覆蓋類型下隨頻率的變化還可以看出，不同MLSE 產(chǎn)品隨頻率的變化規(guī)律并不一致。AMSR-E1 和FY-3D 在高植被覆蓋地區(qū)（亞馬孫熱帶雨林、北方針葉林、華北平原農(nóng)田）7 月發(fā)射率均呈雙峰（23.8、89.0 GHz）曲線變化，與掃描方式相同的TELSEM2、SSMI/S 發(fā)射率近似單調(diào)遞減的變化差異很大，而已知的研究顯示地表物理特性沒有對其中任一頻率具有不同的響應(yīng)，理論上微波發(fā)射率光譜曲線是平滑且單調(diào)的，因此不同傳感器發(fā)射率光譜形狀的非單調(diào)特性實(shí)際上是系統(tǒng)誤差的另一種表征，由此可以判斷出AMSR-E1 和FY-3D 在23.8、89.0 GHz 發(fā)射率反演中存在明顯系統(tǒng)誤差，且主要發(fā)生在高植被覆蓋地區(qū)，因?yàn)檫@種系統(tǒng)誤差（即雙峰特征）在植被稀疏地區(qū)（如青藏高原草地）和沙漠地區(qū)（撒哈拉沙漠）、冰雪地區(qū)幾乎不再存在。Tian 等（2014）指出水汽吸收帶（21—24 GHz）反演得到的發(fā)射率很不可靠，因此，針對23.8 GHz 發(fā)射率偏高的問題，利用相鄰頻率且大氣透過率高的發(fā)射率進(jìn)行插值獲取該頻段發(fā)射率不失為一種有效方法（Prigent，et al，2016）。Norouzi 等（2015）指出AMSR-E 存在的89.0 GHz發(fā)射率偏高是由于受大氣影響更大，而且輔助數(shù)據(jù)和輻射傳輸模擬的影響至關(guān)重要。AMSR-E 不一定存在89.0 GHz 發(fā)射率高估，如Tian 等（2014）基于同樣AMSR-E 數(shù)據(jù)，針對亞馬孫熱帶雨林地區(qū)利用微波輻射傳輸方程方法估算得到的89.0 GHz 發(fā)射率明顯高于36.5 GHz，與文中AMSR-E1 結(jié)果相似，而利用一維變分法估算得到的89.0 GHz 發(fā)射率則低于36.5 GHz，發(fā)射率隨頻率變化與文中TELSEM2、SSMI/S 相似。因此，選擇合適的反演算法，有可能克服由于高頻對大氣影響異常敏感造成的系統(tǒng)誤差。

格陵蘭冰蓋發(fā)射率在1 月隨頻率的變化并非呈單調(diào)形狀，難以從冰雪的微波機(jī)理上解釋，很可能是由于其復(fù)雜的冰雪特性和地表強(qiáng)散射特性，尤其是高頻對于相態(tài)改變、粒子尺度更為敏感從而造成顯著反演誤差，這是在評價(jià)全球發(fā)射率數(shù)據(jù)質(zhì)量時(shí)，一般都不考慮冰雪的重要原因（Prigent，et al，2006，2015）。因此，需要針對局地雪地特征，除了加強(qiáng)質(zhì)量評估分析，還需發(fā)展更為科學(xué)合理的冰雪微波發(fā)射率反演算法。

本研究以TELSEM2 產(chǎn)品為基礎(chǔ)，利用表現(xiàn)較好的AMSR-E1 和AMSU-B 分別對其低頻和高頻發(fā)射率進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)充，假設(shè)TELSEM2 與其他產(chǎn)品具有相同的頻率變化特征，如果各產(chǎn)品的頻率依賴特征差別較大，則這種優(yōu)化方法可能并不適用，一種可行的方法是采取基于多種產(chǎn)品的權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化（Sahoo，et al，2011），但前提是所參與的產(chǎn)品質(zhì)量可靠性較高。因此如何優(yōu)化組合利用多種獨(dú)立發(fā)射率產(chǎn)品構(gòu)建1 套新的產(chǎn)品，并能體現(xiàn)各產(chǎn)品之間時(shí)、空一致性和頻率變化一致性是未來“最優(yōu)”發(fā)射率地圖集構(gòu)建的研究重點(diǎn)。