王素娟，崔 鵬，張 鵬，楊忠東，冉茂農(nóng)，胡秀清，陸 風(fēng)，劉 健

(1.中國氣象局 國家衛(wèi)星氣象中心,北京 100081； 2.北京華云星地通科技有限公司,北京 100081)

FY-3衛(wèi)星VIRR海表溫度產(chǎn)品進(jìn)展

王素娟1，崔 鵬1，張 鵬1，楊忠東1，冉茂農(nóng)2，胡秀清1，陸 風(fēng)1，劉 健1

(1.中國氣象局 國家衛(wèi)星氣象中心,北京 100081； 2.北京華云星地通科技有限公司,北京 100081)

介紹了在過去的5年中根據(jù)用戶需求FY-3衛(wèi)星可見光紅外掃描輻射計(VIRR)海溫產(chǎn)品算法和產(chǎn)品設(shè)計的進(jìn)展。給出了其中主要的國內(nèi)外海溫算法。介紹了FY-3衛(wèi)星VIRR海溫產(chǎn)品的進(jìn)展：FY-3A星海表溫度(SST)用可見光閾值進(jìn)行云檢測，其SST值偏低；FY-3B星SST用云檢測產(chǎn)品中的確信晴空進(jìn)行分緯度帶的白天MCSST算法，但整體海溫仍偏低；FY-3C星SST在B星的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，首次反演了夜間海溫，并提供了逐像元的質(zhì)量標(biāo)識及海溫的氣候偏差，設(shè)計了5 km全球海溫，實現(xiàn)了5 min段海溫產(chǎn)品存檔，提高了風(fēng)云海溫產(chǎn)品的可靠性、可用性和精度。給出了FY-3C星VIRR海溫產(chǎn)品的圖像及質(zhì)量檢驗情況。歸納了海溫產(chǎn)品的同一框架下多級別、多源、高分辨率的發(fā)展趨勢。將風(fēng)云衛(wèi)星海溫產(chǎn)品規(guī)格與高分辨率海溫科學(xué)組(GHRSST)GDS2.0的交叉比對，海溫科學(xué)組認(rèn)為中國在海溫方面的能力在不斷增強。研究認(rèn)為：長序列海溫產(chǎn)品重處理以確保海溫產(chǎn)品的一致性非常必要，海溫產(chǎn)品需采用國際通用海溫產(chǎn)品規(guī)格。

風(fēng)云三號衛(wèi)星； 可見光紅外掃描輻射計(VIRR)； 海表溫度； 海溫檢驗； 產(chǎn)品規(guī)格； GHRSST； GDS； 交叉比對

0 引言

FY-3衛(wèi)星是我國第二代極軌氣象衛(wèi)星。01批包括A、B星，為試驗應(yīng)用衛(wèi)星。衛(wèi)星裝載的可見光紅外掃描輻射計(VIRR)光譜范圍為0.43～12.5 μm，有通道10個，地面水平分辨率1.1 km，掃描范圍±55.4°[1]。 FY-3C星為02批業(yè)務(wù)星，于2013年9月23日在我國太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。經(jīng)在軌測試后，2014年5月正式投入業(yè)務(wù)運行，接替A星作為我國太陽同步軌道天基氣象觀測的主業(yè)務(wù)衛(wèi)星，與B星組網(wǎng)形成我國極軌氣象衛(wèi)星上、下午星組網(wǎng)觀測的業(yè)務(wù)布局。FY-3衛(wèi)星VIRR有短波紅外通道1個(3.55～3.93 μm)、長波紅外通道即分裂窗通道2個(10.3～11.3 μm，11.5～12.5 μm)可用于估計海表溫度。

FY-3衛(wèi)星VIRR的海表溫度(SST)反演精度除高度依賴于VIRR儀器性能、定位精度和定標(biāo)精度外，還依賴于其上游產(chǎn)品——云檢測產(chǎn)品的精度。在有云的條件下，VIRR紅外通道不能穿透云，探測到的是云頂?shù)妮椛?。只有在晴空條件下紅外通道才能探測到海洋表面，依據(jù)普朗克黑體輻射定律，根據(jù)大氣對不同波長的紅外遙感影響的不同，使用不同波段的線性組合消除大氣的影響，進(jìn)行海溫反演。因此，SST算法是與云算法密不可分的。海溫/云算法同步發(fā)展的主要目標(biāo)是確保云檢測提供可靠的“確信云”像元標(biāo)識，這樣，SST的算法就不必考慮云檢測[2]。本文介紹了國內(nèi)外海溫算法、FY-3衛(wèi)星VIRR海表溫度產(chǎn)品的發(fā)展，以及海溫產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，并將FY-3衛(wèi)星海溫產(chǎn)品與 GDS2.0進(jìn)行了比較。

1 國內(nèi)外海溫算法概述

SST是一個很難嚴(yán)格定義的參數(shù)，由于海洋湍流與海洋大氣間的熱量、水汽和動量的交換，使海洋上層(約10 m)的溫度垂直結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變。SST可分為皮層(skin)SST、次皮層(subskin)SST、水體(bulk)SST和基礎(chǔ)(foundation)SST等[2-3]。其中：皮層SST和次皮層SST屬于衛(wèi)星觀測SST。皮層SST是利用波長3.7～12 μm的紅外波段對地球海洋地區(qū)進(jìn)行探測獲得的紅外光譜通道輻射率，通過物理或統(tǒng)計方法得到的海洋表層約10～20 μm處的海水溫度。次皮層SST是由6～10 GHz的微波輻射計觀測反演得到的水下約1 mm處的海水溫度。

在紅外波段，海洋表面發(fā)射的輻射接近于黑體。理論上，如洋面與衛(wèi)星間無大氣的吸收和發(fā)射，通過單通道就可估計SST。實際上，離表紅外輻射在達(dá)到衛(wèi)星探測器之前被大氣削弱了，因此必須進(jìn)行大氣訂正[4]。水汽、二氧化碳、甲烷、二氧化氮和氣溶膠是決定紅外輻射大氣削弱的主要因子，其中水汽對吸收的影響最大[5]。1985年文獻(xiàn)[6]基于海溫與紅外通道亮溫和分裂窗亮溫差成線性關(guān)系假設(shè)提出了多通道海溫(MCSST)算法，文獻(xiàn)[7]提出了基于第一猜測海溫非線性海溫(NLSST)算法，兩者都曾用作NOAA的業(yè)務(wù)海溫算法。后來采用白天分裂窗NLSST算法，夜間三通道NLSST算法作為業(yè)務(wù)海溫算法[8]。文獻(xiàn)[9]在GOES衛(wèi)星SST反演時在海溫算法中添加分裂窗亮溫差的二次項，該算法也一直用于衛(wèi)星中心的靜止海溫業(yè)務(wù)算法[10]。文獻(xiàn)[11]用MCSST算法反演FY-1C星業(yè)務(wù)海溫產(chǎn)品并對海溫精度進(jìn)行了檢驗；文獻(xiàn)[12]用MCSST算法對海洋一號(HY-1)衛(wèi)星COCTS水色掃描儀數(shù)據(jù)進(jìn)行了海溫反演及結(jié)果分析。

2 FY-3衛(wèi)星VIRR海溫產(chǎn)品進(jìn)展

FY-3衛(wèi)星VIRR SST是該衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)產(chǎn)品，產(chǎn)品物理單位為℃。本文主要討論FY-3衛(wèi)星VIRR的SST產(chǎn)品。

2.1FY-3衛(wèi)星VIRR海溫產(chǎn)品發(fā)展歷程

FY-3A，B星屬于01批，產(chǎn)品規(guī)格一致，存檔的海溫產(chǎn)品為全球1 km等經(jīng)緯度10°×10°分塊的海溫產(chǎn)品。

FY-3A星SST反演算法是分緯度帶的白天多通道海溫(MCSST)算法，在01批產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)(PGS)一期工程化過程中，由于云檢測結(jié)果的滯后提供，F(xiàn)Y-3A星SST用可見光閾值法進(jìn)行簡單的云檢測。與參考海溫相比，F(xiàn)Y-3A星SST的溫度偏低。通過誤差分析，確定主要誤差源來自軌道邊緣和云污染。采用精度優(yōu)先原則，對衛(wèi)星天頂角大于50°的區(qū)域不進(jìn)行海溫反演；同時引入空間一致性和氣候閾值控制，確保FY-3A星SST在南北緯70°以內(nèi)的海域海溫基本可靠[13]。2013年1月修訂了業(yè)務(wù)軟件。通過對2013年3月至2013年10月近8個月的逐日全球日平均海溫的質(zhì)量檢驗，與分辨率為0.25 ℃的OISST日平均海溫相比，海溫的精度為(-0.23±1.74) ℃。

FY-3B星SST直接選取云檢測產(chǎn)品中的確信晴空進(jìn)行分緯度帶的白天MCSST算法，但整體海溫偏低，尤其是菲律賓附近海域。通過對誤差原因分析，提出了系列改進(jìn)措施，如高精度現(xiàn)場海溫的選用、匹配數(shù)據(jù)集擴充、樣本優(yōu)選、質(zhì)量控制等。進(jìn)行了多算法回歸建模及精度評估，確定FY-3B星VIRR最優(yōu)算法為非線性海溫(NLSST)算法[14]。

FY-3C星SST在FY-3B星SST算法研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化，業(yè)務(wù)系統(tǒng)仍采用MCSST算法。首次進(jìn)行了夜間海溫的反演，以提高日平均海溫的覆蓋度。從02批海溫開始，設(shè)計添加了逐像元的質(zhì)量控制標(biāo)識，以提高海溫產(chǎn)品的可用性[15]。在5 min段海溫產(chǎn)品中，除海溫外，還有逐像元的質(zhì)量標(biāo)識及海溫的氣候偏差，為用戶提供了更多的參考。02批設(shè)計了5 km全球海溫，取代01批648個10°分塊1 km全球海溫，提高產(chǎn)品的易用性。從02批開始，進(jìn)行了5 min段海溫產(chǎn)品的存檔，通過對5 min段海溫長時間序列的質(zhì)量檢驗，發(fā)現(xiàn)了海溫精度與L1級數(shù)據(jù)質(zhì)量、星上輻射計溫度及星上黑體溫度的相關(guān)性。這可為未來長序列海溫產(chǎn)品重處理提供重要的參考依據(jù)。FY-3衛(wèi)星VIRR海溫產(chǎn)品見表1。

FY-3C星SST產(chǎn)品分為5 min段海溫產(chǎn)品(如圖1所示)和降低分辨率的全球產(chǎn)品(如圖2、3所示)。全球SST產(chǎn)品包括5 km分辨率等經(jīng)緯度的日、旬、月平均SST產(chǎn)品，均區(qū)分白天和夜間。

圖1 FY-3C星VIRR 5 min段SST分布圖Fig.1 Images of FY-3C VIRR 5 minute granule SST

FY-3B星業(yè)務(wù)海溫受01批產(chǎn)品算法和設(shè)計的制約，只有白天1 km分辨率10°×10°等經(jīng)緯度分塊海溫數(shù)據(jù)，無逐像元質(zhì)量標(biāo)識。在FY-3仿真系統(tǒng)中，F(xiàn)Y-3B星海溫采用02批VIRR海溫產(chǎn)品的設(shè)計及處理方法后，可獲得與FY-3C星精度相當(dāng)?shù)暮禺a(chǎn)品。這樣每天都可獲得全球海溫4次，充分發(fā)揮FY-3B，C星上下午星組網(wǎng)觀測的優(yōu)勢。

圖3給出了FY-3C星海溫1、4、7、10四個月白天全球海溫的分布，分別代表冬、春、夏、秋四個季節(jié)。

2.2FY-3C星VIRR業(yè)務(wù)海溫產(chǎn)品質(zhì)量

以現(xiàn)場海溫質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)iQUAM(https:∥www.star.nesdis.noaa.gov/sod/sst/iquam/)浮標(biāo)SST為參考SST的FY-3C星SST質(zhì)量檢驗是基于匹配數(shù)據(jù)集進(jìn)行的[16]。匹配窗口為1 h和1.1 km。第三版的業(yè)務(wù)海溫回歸系數(shù)是由2015年10月和11月的匹配數(shù)據(jù)集回歸得到的。以2016年12月至2017年1月的獨立樣本進(jìn)行質(zhì)量檢驗，白天和夜間的偏差分別為0.17，0.07 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差小于0.54 ℃。

表1 FY-3衛(wèi)星VIRR海溫產(chǎn)品

圖2 2017年5月17日FY-3B，C星 VIRR 全球日平均SST分布圖Fig.2 Images of FY-3B，C VIRR global daily SST on May 17, 2017

圖3 FY-3C星 VIRR 全球月平均白天SST分布圖Fig.3 Images of FY-3C VIRR global monthly SST of daytime

以分析場海溫OISST為參考海溫，匹配窗口為1 d和1.1 km[17]。對FY-3C星VIRR 2017年1月1日～5月30日的5 min段海溫產(chǎn)品進(jìn)行了分質(zhì)量等級的質(zhì)量檢驗。2017年1月1日～5月30日FY-3C星VIRR的5 min段SST質(zhì)量為優(yōu)的樣本精度為：(-0.1±0.8) ℃(白天)，(0.01±0.78) ℃(夜間)。

3 海溫產(chǎn)品發(fā)展趨勢

海溫產(chǎn)品的發(fā)展趨勢是同一標(biāo)準(zhǔn)框架下的多級別(L2P，L3U，L3C，L3S，L4)、多源(紅外海溫、微波海溫、現(xiàn)場海溫等)、高分辨率海溫產(chǎn)品，以滿足不同用戶的應(yīng)用需求。高分辨率海溫工作組GHRSST(https:∥www.ghrsst.org/)最早由歐空局和英國氣象局共同出資管理，從第19屆起將由EUMETSAT接管，其目的是通過國際合作和科技創(chuàng)新以最有成效的方式為短、中和長期應(yīng)用提供最優(yōu)質(zhì)的SST產(chǎn)品。經(jīng)歷18年的發(fā)展，GHRSST制定了詳盡的海溫產(chǎn)品規(guī)格說明書《The Recommended GHRSST Data Specification》，目前的版本是GDS2.0版本5[18]。

2017年6月5日～9日，第18屆GHRSST會議在山東青島召開，會議由中國海洋大學(xué)主辦，是GHRSST科學(xué)組會議首次在中國舉辦，也是中國氣象局首次派員參加，來自全球的77名代表參加了會議。會議分特約報告、海溫應(yīng)用、海溫產(chǎn)品研發(fā)、海表通量、海溫與氣候、現(xiàn)場海溫等板塊，以及豐富的海溫產(chǎn)品、海溫系統(tǒng)和服務(wù)、海溫科學(xué)和應(yīng)用海報等。

GHRSST海溫科學(xué)組認(rèn)為中國在海溫方面的能力在不斷增強，也希望通過合作，使中國氣象局的海溫按GDS2.0規(guī)范輸出(國內(nèi)用戶也曾提出這樣的需求)。

同時應(yīng)注意，與國外同類海溫產(chǎn)品相比，F(xiàn)Y-3衛(wèi)星海溫產(chǎn)品精度還存在差距，除海溫產(chǎn)品算法本身的因素外，還受FY-3衛(wèi)星VIRR儀器性能的制約，如分裂窗通道亮溫差條帶現(xiàn)象、短波紅外通道夜間太陽污染現(xiàn)象等。除VIRR紅外探測儀器性能需提高外，紅外海溫反演還需突破利用輻射傳輸模擬亮溫開展海溫質(zhì)量控制等關(guān)鍵技術(shù)。

目前，F(xiàn)Y-3衛(wèi)星全球海溫產(chǎn)品只是單星多時次的融合，尚未進(jìn)行多星海溫產(chǎn)品的融合。若開展FY-3B，C星融合海溫產(chǎn)品研發(fā)，可充分發(fā)揮FY-3B、C星上下午星組網(wǎng)觀測的優(yōu)勢，提高全球日平均海溫的覆蓋度。

4 FY-3海溫產(chǎn)品規(guī)格與GDS2.0交叉比對

FY-3A，B星海溫產(chǎn)品規(guī)格詳見《新一代風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)產(chǎn)品及應(yīng)用》附錄4《FY3 L2和L3產(chǎn)品格式》[1]。FY-3C星海溫產(chǎn)品數(shù)據(jù)規(guī)格在《FY3C VIRR海溫產(chǎn)品數(shù)據(jù)卡》中，對5 min段海溫、5 km等經(jīng)緯度全球日、旬、月海溫產(chǎn)品規(guī)格有詳盡的定義。FY-3海溫的L2級包括5 min段海溫和日平均海溫，L3級包括旬、月海溫。

GDS2.0的L2級產(chǎn)品僅包含L2P，指原始衛(wèi)星軌道投影的反演產(chǎn)品，對應(yīng)于FY-3海溫的5 min段海溫產(chǎn)品。L2P海溫產(chǎn)品除包含海溫數(shù)據(jù)、L2P標(biāo)識、產(chǎn)品質(zhì)量等級外，還要求包含輔助數(shù)據(jù)(如風(fēng)速、海冰覆蓋度、氣溶膠等)和不確定性估計信息，是L3、L4級 GHRSST產(chǎn)品的基礎(chǔ)。GDS2.0 L2P海溫與FY-3星5 min段海溫產(chǎn)品的對比見表2。表2中：“√”表示FY-3星5 min段海溫具備GDS2.0 L2P定義的數(shù)據(jù)集。

表2 FY-3星VIRR海溫產(chǎn)品規(guī)格與GDS2.0交叉對比

注①：FY-3A，B星5 min段海溫中不包含經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，不存檔。

注②：FY3-C星5 min段海溫中不包含經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，存檔。使用該數(shù)據(jù)時，需從FY-3C 星GEO數(shù)據(jù)中獲取經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，如需時間信息也可在GEO數(shù)據(jù)中提取。

國家衛(wèi)星氣象中心作為多衛(wèi)星資料、多產(chǎn)品處理和存檔中心，更多的是關(guān)注存儲效率，如FY-3C星VIRR的L1B數(shù)據(jù)，分成了包含衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的“L1000M”和包含地理經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、角度、時間信息等的“GEO”，全部VIRR 5 min段產(chǎn)品和L1B資料共用一套“GEO”數(shù)據(jù)，可節(jié)約存儲。但集約存儲是個雙刃劍，這也會給5 min段產(chǎn)品的應(yīng)用帶來額外的負(fù)擔(dān)——在用戶下載5 min段海溫數(shù)據(jù)的同時，必須下載“GEO”數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

近十年來，國家衛(wèi)星氣象中心風(fēng)云氣象衛(wèi)星海溫研發(fā)產(chǎn)品團(tuán)隊在開展用戶需求調(diào)研的基礎(chǔ)上，不斷改進(jìn)FY-3衛(wèi)星VIRR海溫產(chǎn)品算法和產(chǎn)品設(shè)計，提高了風(fēng)云衛(wèi)星海溫產(chǎn)品的可靠性和可用性，產(chǎn)品精度也在逐步提高。

衛(wèi)星產(chǎn)品的精度是一個系統(tǒng)工程，除取決于遙感儀器的性能外，還高度依賴于衛(wèi)星資料的定位精度、定標(biāo)精度，后端的衛(wèi)星產(chǎn)品還依賴于上游的衛(wèi)星產(chǎn)品(如云檢測)精度。GHRSST海溫科學(xué)組認(rèn)為中國在海溫方面的能力在不斷增強，這也是對風(fēng)云氣象衛(wèi)星遙感儀器性能、定位定標(biāo)精度及云檢測等上游風(fēng)云氣象衛(wèi)星產(chǎn)品能力不斷增強的肯定。同時還應(yīng)注意到，業(yè)務(wù)海溫產(chǎn)品屬流水線作業(yè)，衛(wèi)星工況的變化，紅外通道定標(biāo)系數(shù)和海溫回歸系數(shù)的更新，會造成長序列海溫產(chǎn)品的不一致，不利于氣候應(yīng)用。因此，進(jìn)行長序列海溫產(chǎn)品重處理以確保海溫產(chǎn)品的一致性是非常有必要的。海溫產(chǎn)品的發(fā)展趨勢是在同一標(biāo)準(zhǔn)框架下，生成多級別、多源、高分辨率的海溫產(chǎn)品，以滿足不同用戶的應(yīng)用需求。目前高分辨率海溫科學(xué)組GHRSST推薦使用的海溫產(chǎn)品通用規(guī)格是GDS2.0。

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ProgressofVIRRSeaSurfaceTemperatureProductofFY-3Satellite

WANGSu-juan1，CUIPeng1，ZHANGPeng1，YANGZhong-dong1，RANMao-nong2，HUXiu-qing1，LUFeng1，LIUJian1

(1. National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing100081, China;2. Beijing HuaYun Shinetek Satellite Application Engineering Technology Company Limited, Beijing100081, China)

The algorithm and products design for sea surface temperature (SST) of visible and infrared radiometer (VIRR) on FY-3meteorological satellite were introduced according to the user’s requirement in recent5years in this paper. The major SST algorithms in domestic and abroad were given. The development of VIRR SST products of FY-3satellite was presented. The visible threshold was used for cloud detection in SST of FY-3A satellite, which SST was lower than the true one. The assurance shine in cloud detection product was used for SST by day MCSST algorithm in FY-3B satellite, which SST was still low in the whole. The SST of FY-3C satellite was optimized based on FY-3B satellite. The night SST retrievals was carried first time. The quality mark pixel by pixel and climatic difference of sea temperature were provided. The5km global sea temperature was designed. The SST products with5min granule were storied. All have improved the reliability and availability as well as SST product accuracy of FY satellite. The image and quality validation of VIRR SST product of FY-3C satellite were given. The development trend of multi-level, multi-source and high resolution under the same frame was summarized for SST product. NSMC/CMA SST specification crosscheck with the GHRSST Data Specification (GDS2.0) of the Group for High Resolution Sea Surface Temperature (GHRSST) is introduced. The Science Team of GHRSST said they saw the growing capability of China in SST. To ensure the consistency of SST products, the reprocessing of long-term global time series of VIRR SST of FY-3satellite is necessary. Use the uniform SST specifications is the trend of sea temperature products.

FY-3meteorological satellite; visible and infrared radiometer (VIRR); sea surface temperature (SST); SST validation; data specification; High Resolution Sea Surface Temperature (GHRSST); GHRSST Data Specification (GDS); crosscheck

1006-1630(2017)04-0079-06

2017-06-29；

：2017-07-27

中國氣象局國家氣象科技創(chuàng)新工程資助(CMAGGTD003-5)

王素娟(1971—)，女，博士，正研級高級工程師，主要從事衛(wèi)星遙感海溫產(chǎn)品研發(fā)。

TP79：P407

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.010