GF-5卫星模拟单通道SST反演

崔文杰，李忠，李家国，朱利，张永红

(1.防灾科技学院，河北 廊坊 065000；2.中国科学院遥感与数字地球研究所，北京 100101；3.环境保护部卫星环境应用中心，北京100094)

0 引 言

SST(sea surface temperature)是海洋-大气之间物质和能量交换的重要参数，对理解海洋生物物理过程具有重要意义[1]。SST测量方法有2种：一种是实地测量；另一种是用遥感手段进行反演。这2种测量方法因测量深度的不同，测量结果有着本质的差异。实测数据是利用海洋浮标或者船只实地在0.3～5 m 不等深度测量得到的水温，这个温度叫作“体温”(bulk temperature)，可以获取全球或区域实时的、较为精确的表面温度[2]。采用遥感手段测量的是海水表面小于1 mm厚度的水温叫作“皮肤温度”(skin temperature)[3]，与实测数据相比往往偏低。传统的实测数据很难获取大面积同步SST，且成本高、速度慢，而热红外数据可以快速获取大面积的SST数据，成本低、速度快、数据更新快，方便进行SST反演[4]。

使用单个通道算法的主要有辐射传输算法、单通道物理法、QIN单窗算法、普适性单窗算法[5-7]。辐射传输算法是利用大气辐射传输方程模拟出大气透过率、大气上下行辐射等参数求出SST，该方法需要获取实时大气参数，计算复杂。单通道算法对大气参数的要求较高[8]，反演的 SST 是海水表层温度，时空变化适应性强，尤其适用于缺乏浮标数据的海域，其精度在理论上要高于 0.5 K，不过对大气温湿廓线和海水比辐射率方向性模型提出了很高的要求[9-11]。李万彪等[12]进行过单通道物理法反演SST的研究，由于缺少精确的大气温湿廓线，对海水比辐射率模型进行了过度简化，反演 SST的均方根误差为2.86 K，难以满足业务化的要求。目前，针对该算法的研究较少。单通道物理算法，主要思想是利用大气辐射传输方程求解 SST。该算法要求对大气海洋环境参数有较准确的了解，并能对其物理机制及相互间关系进行精确定量化建模。它的优点是时空变化适应性强、精度较高，适用于缺乏浮标数据的海域，但对大气参数的精度，特别是温度和湿度廓线[13]的要求较高。周旋等[14]利用像元尺度的大气廓线，精确计算大气上行辐射、下行辐射和透过率，然后将这些参数与海水比辐射率代入大气红外辐射传输方程，求解SST。周旋等[15]定量分析了反演SST的单通道物理法对海水比辐射率、海面风速、海水盐度、大气透过率、大气上下行辐射等参数的敏感性，发现海水比辐射率、大气透过率对算法精度影响较大，是单通道物理法反演SST的主要误差来源。单通道物理法需要大量参数，水汽含量等参数随着时间和空间发生剧烈变化，对SST反演结果造成较大误差。为了减少对探空数据的依赖性，Qin等[16]提出了一种基于Landsat-5 TM数据的单通道反演算法。该算法只需知道大气透过率与水汽含量关系、近地表气温、大气平均作用温度之间的线性关系，而无需知道大气廓线。文献[7，17]提出了一种通用型单通道算法，前提是只需知道总的大气水汽含量和地表发射率。本文采用GF-5卫星热红外数据进行JM&S和QIN单通道算法SST的仿真模拟研究，有利于GF-5卫星热红外数据SST反演的卫星遥感监测业务化应用。

1 数据来源与方法

GF-5卫星全谱段成像仪在热红外8～13 μm谱段范围内具有4个温度反演通道(B09为8.01～8.393 μm；B10为8.42～8.833 μm；B11为10.3～11.33 μm；B12为11.4～12.53 μm)，空间分辨率优于40 m的特点，是国内首个具有4个热红外通道的卫星，为温度反演等领域研究提供良好的基础。本文用大气廓线数据库数据作为模拟SST反演基础。该数据库共有1 761条大气廓线，编号1～322为热带地区廓线，编号323～1 064为中纬度地区廓线(中纬度夏季廓线388条，中纬度冬季廓线354条)，编号1 065～1 761为极地区廓线。研究选取的是中纬度廓线数据。大气廓线包含大气风向、风速、温度、湿度、经纬度等参数。将大气廓线数据与GF-5通道响应函数结合MODTRAN 4.0可以模拟出不同条件下所需参数，用于SST的模拟反演。

2 单通道算法修订

2.1 普适性单通道算法修订

普适性单通道算法是通过辐射传输过程模拟得到大气上行辐射、大气下行辐射、大气透过率，建立大气影响因子ψ1、ψ2、ψ3与大气水汽含量w、辐射等效波长λc的关系。对于GF-5的B09、B10、B11、B12 4个热红外通道，分别模拟求出全球中纬度夏季(水汽含量较大)、中纬度冬季(水汽含量较低)和中纬度大气廓线中的参数，得到大气影响因子ψ1、ψ2、ψ3与大气水汽含量w的关系，最后通过曲线拟合得到算法估算系数。

普适性单通道算法修订是从同一发射率不同角度及同一角度不同发射率2个方面进行的。观测天顶角度不同导致传感器接收能量不同，大气影响因子受大气透过率、大气上行辐射、大气下行辐射的影响不同，需要进行不同观测天顶角条件下的曲线拟合。GF-5传感器的观测天顶角偏离基本在20°以内，因此选取角度为0°、5°、10°、15°、20°进行不同角度的普适性单通道算法修订，发射率选取的是水体发射率0.98[18-19]。同一观测天顶角不同发射率的大气水汽含量与大气影响因子拟合是在垂直观测条件下进行的，因此选用该角度进行SST的反演。不同海表状态下发射率也有所不同，本文选取的发射率为0.99、0.98、0.97、0.96、0.95，基本涵盖所有不同水表状态。

2.2 QIN单通道算法修订

1)大气透过率估算方程修订。大气透过率估算方程的修订是基于TIGR大气廓线数据，结合MODTRAN 4.0 模拟出的大气水汽含量ω与大气透过率τ的线性关系进行修订。结合GF-5的4个热红外通道，分别模拟出在全球中纬度夏季、中纬度冬季和中纬度大气廓线条件下的不同参数。

2)大气平均作用温度估算方程。大气平均作用温度Ta估算方程修订需要确定大气剖面各层实时气温和水汽含量。覃志豪等[20]指出平均作用温度需要用标准大气廓线模式和真实海表温度T0来估算。大气平均作用温度是基于全球真实的TIGR数据提取，不受观测天顶角度和海表发射率的影响，因此大气平均作用温度Ta和真实海表温度T0的拟合同上，用0°观测天顶角度、发射率0.98为标准。

3)系数a和b的修订。亮温和辐亮度关系在不同区间内近似为线性关系，因此划分不同区间进行线性关系的拟合。系数a、b为B09、B10、B11、B12 4个热红外通道在不同的亮温范围下得到的通道等效辐亮度与亮温之间线性关系的系数。根据中纬度地区不同大气模式下的SST特点，把海表温度划分为243.15～293.15 K、293.15～343.15 K、273.15～313.15 K 3个区间，分别应用于中纬度冬季、中纬度夏季和中纬度。

3 修订结果及精度分析

3.1 JM&S单通道算法修订结果及精度分析

通过对普适性单通道算法的修订，在不同角度、发射率为0.98条件下得到SST反演精度结果，如图1所示。在发射率为0.98时，0°观测天顶角的反演温度与真实温度误差最小，反演效果最好。其中，在中纬度夏季、冬季和中纬度3种模式下，B11通道反演效果最好，偏差在1.7 K左右。B09通道反演效果最差，偏差在4.5 K左右。B10、B12通道反演效果居中，第12通道结果优于第10通道。普适性单通道算法4个热红外通道在中纬度冬季大气模式反演效果最好，在中纬度大气模式反演效果较好，在中纬度夏季大气模式反演效果不好。在中纬度大气廓线条件下，所有通道的反演精度随天顶角(从0°到20°)的增大而降低[21]：B09通道的RMSE从5.105 K变化到5.366 K；B10通道的RMSE从3.307 K变化到3.384 K；B11通道的RMSE从1.854 K变化到1.931 K；B12通道的RMSE从2.594 K变化到2.704 K。

图1 JM&S单通道算法不同大气模式、不同角度条件下的不同通道的RMSE比较

由上述分析可知，0°观测天顶角的反演温度与真实温度误差最小，因此选取在0°观测天顶角、不同发射率条件下的SST反演精度进行分析，结果如图2所示。在观测天顶角为0°时，发射率为0.99条件下的反演温度与真实温度误差最小，反演效果最好。发射率为0.99在中纬度夏季、中纬度冬季和中纬度3种模式下，B11通道反演效果最好，偏差在1.2 K左右；B09通道反演效果最差，偏差在4.5 K左右；B10、B12通道反演效果居中，第12通道反演效果优于第10通道。普适性单通道算法4个热红外通道在中纬度冬季大气模式反演效果最好，在中纬度大气模式反演效果较好，在中纬度夏季大气模式反演效果较差。在中纬度大气廓线条件下，所有通道反演精度随着发射率(从0.95到0.99)的增大而降低[21]：B09通道的RMSE从5.689 K变化到4.908 K；B10通道的RMSE从4.058 K变化到2.922 K；B11通道的RMSE从3.071 K变化到1.473 K；B12通道的RMSE从3.673 K变化到2.269 K。

图2 JM&S单通道算法不同大气模式、不同发射率条件下的不同通道的RMSE比较

3.2 QIN单通道算法修订结果及精度分析

通过对QIN单通道算法的修订，在不同角度、发射率为0.98条件下得到SST反演精度结果，如图3所示。在发射率为0.98、0°观测天顶角条件下的反演温度与真实温度误差最小，反演效果最好。在4个热红外通道的中纬度夏季、中纬度冬季和中纬度3种模式下，B11通道反演效果最好，偏差在0.8 K左右；B09通道反演效果最差，偏差在3 K左右；B10、B12通道反演效果居中，第12通道反演效果优于第10通道。QIN单通道算法4个热红外通道在中纬度冬季大气模式下反演效果最好，在中纬度大气模式反演效果好，在中纬度夏季大气模式下反演效果较差。在中纬度大气廓线条件下，所有通道的反演精度随天顶角(从0°到20°)的增大而降低：B09通道的RMSE从3.475 K变化到3.832 K；B10通道的RMSE从1.938 K变化到1.955 K；B11通道的RMSE从0.842 K变化到0.872 K；B12通道的RMSE从0.996 K变化到1.029 K。

图3 QIN单通道算法不同大气模式、不同角度条件下的不同通道的RMSE比较

由上述分析知，0°观测天顶角的反演温度与真实温度误差最小，因此选取在0°观测天顶角、不同发射率条件下的SST反演精度进行分析，结果如图4所示。在观测天顶角为0°时，发射率为0.99条件下的反演温度与真实温度误差最小，反演效果最好。发射率为0.99时在中纬度夏季、中纬度冬季和中纬度3种模式下，B11通道反演效果最好，偏差在0.5 K左右；B09通道反演效果最差，偏差在3.5 K左右；B10、B12通道反演效果居中，第12通道反演效果优于第10通道。QIN单通道算法4个热红外通道在中纬度冬季大气模式反演效果最好，在中纬度大气模式反演效果好，在中纬度夏季大气模式反演效果不好。中纬度大气廓线条件下，所有通道反演精度随着发射率(从0.95到0.99)的增大而降低：B09通道的RMSE从4.295 K变化到3.216 K；B10通道的RMSE从2.757 K变化到1.494 K；B11通道的RMSE从2.080 K变化到0.478 K；B12通道的RMSE从2.242 K变化到0.598 K。

图4 QIN单通道算法不同大气模式、不同发射率条件下的不同通道的RMSE比较

4 二次修订及结果评价

4.1 二次修订

利用单通道算法进行温度反演，反演精度较低，因此本文以观测天顶角度0°(误差最小)和海水发射率0.98条件下进行反演温度结果的二次修订。具体如下。

利用式(1)、式(2)将拟合线尽量矫正到标准线上。理想的反演温度算法公式为式(1)。拟合的反演温度算法公式为式(2)。

y1=x

(1)

y2=ax+b

(2)

式中：yi代表反演温度；x代表真实温度。

为了将误差降到最小，需要让反演温度尽量靠近真实温度，因此需要将反演温度进行推导。标准的反演温度算法公式如式(3)所示。推导的反演温度算法公式如式(4)所示。

x=y1

(3)

(4)

推导系数a和b由两通道劈窗算法真实温度与模拟反演温度拟合得出，具体数值见表1和表2。

表1 JM&S单通道算法真实温度与反演温度拟合系数

表2 QIN算法真实温度与反演温度拟合系数

4.2 结果评价

将JM&S单通道算法、QIN单通道算法分别利用公式法进行二次修订，得到最终反演值与SST真实值误差统计分析结果(表3、表4)。可以看出，经过二次修订后，反演结果误差明显减小，且不同大气模式下不同通道的算法反演误差基本在1 K以内，二次修订有效。

表3 JM&S算法公式法二次修订后的误差分析汇总

表4 QIN算法公式法二次修订后的误差分析汇总

5 结束语

本文基于GF-5卫星4个热红外通道的通道响应函数与TIGR大气探空数据，结合MODTRAN 4.0做了SST单通道算法的模拟反演研究。结果表明，JM&S单通道算法反演精度小于QIN单通道算法反演精度。JM&S单通道算法受水汽含量影响较大，且需要的参数较多，反演精度较低；QIN单通道算法由于大气平均作用温度的经验公式推导增加了算法误差。这2种算法在不同条件下的反演误差规律一致。在相同的观测天顶角和发射率条件下，夏季大气模式下的反演精度低于中纬度大气模式下的反演精度，中纬度大气模式下的反演精度低于冬季大气模式下的反演精度。2种算法误差随着观测天顶角的增大而增大，随着发射率的增大而减小。由于JM&S和QIN单通道算法的反演误差较大，因此进行了二次修订。修订后反演精度明显提高，误差在1 K以内。因此，二次修订后的单通道算法可以用于SST的反演。