用HJ-1B IRS數(shù)據(jù)反演海表溫度的2種輻射傳輸方程改進(jìn)算法

黃 路，張彩云，李 炎，邵 浩，楊星晨

(1.廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361102；2.國家海洋技術(shù)中心 漳州基地籌建辦公室，福建 廈門 361007；3.福建省海陸界面生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廈門大學(xué))，福建 廈門 361102；4.91039部隊(duì)，北京 102401)

0 引言

海表溫度(SST)是建立數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和全球氣候變化算法的一個(gè)關(guān)鍵變量[1]，它影響著海洋表面與大氣之間感熱和潛熱的交換，在氣候變化、海流變動、鋒面、熱污染等不同尺度海洋現(xiàn)象中發(fā)揮著重要的作用[2-5]。相比一些已經(jīng)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的中低分辨率SST產(chǎn)品，如AVHRR、MODIS等，分辨率在幾百、幾十米甚至更低的SST產(chǎn)品，其遙感反演算法還不成熟，主要原因是不少高分辨率的熱紅外數(shù)據(jù)多為單波段數(shù)據(jù)，無法像AVHRR、MODIS等通過兩個(gè)相鄰熱紅外通道建立劈窗算法來剔除大氣的影響[6-7]。

目前單波段溫度反演算法主要有輻射傳輸方程法、單窗算法[8]、普適性單通道算法[9]以及一些修正算法[10-11]等。輻射傳輸方程法需要輸入大氣透過率、大氣上下行輻射等參數(shù)，通常這些實(shí)時(shí)精確的大氣廓線數(shù)據(jù)并不容易獲??；其他幾種算法則是通過對輻射傳輸方程進(jìn)行線性化[8]或近似擬合等處理，將復(fù)雜的輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)化為少量的地面可觀測變量，如大氣平均作用溫度、大氣水汽含量、近地表氣溫和相對濕度等，但對于缺少觀測站點(diǎn)的海洋，獲得上述參數(shù)依然存在相當(dāng)困難。不少學(xué)者[12-15]使用空間分辨率為1°、時(shí)間分辨率為6 h的NCEP再分析數(shù)據(jù)，將其輸入MODTRAN等模型中獲取輻射傳輸方程法所需參數(shù)，該方法不依賴地面氣象觀測站點(diǎn)[16-17]，非常便于反演SST。NASA對該計(jì)算流程進(jìn)行集成并提供在線數(shù)據(jù)服務(wù)，開發(fā)了大氣校正參數(shù)計(jì)算器(https://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)。但已有研究結(jié)果表明該方法反演的SST可能存在較大誤差[12-13,17]，絕對誤差從0.05 ℃至5.71 ℃不等[12]，其中大氣透過率是主要的誤差來源[18]。

HJ-1B衛(wèi)星重返周期為4 d，空間分辨率為300 m，IRS熱紅外波段范圍為10.5～12.5 μm，目前在軌運(yùn)行已超過10 a，有利于開展中長期、高分辨率SST觀測。此外，部分中低分辨率的SST產(chǎn)品在沿岸海域質(zhì)量等級往往較低，甚至存在數(shù)據(jù)缺失，獲取高精度的HJ SST成為彌補(bǔ)該地區(qū)數(shù)據(jù)缺失的一次有益嘗試。本文以HJ SST反演為例，從修正大氣透過率入手，建立了2種反演HJ SST的輻射傳輸方程改進(jìn)算法，使用MODIS SST和浮標(biāo)SST檢驗(yàn)算法改進(jìn)及外推效果，并比較2種改進(jìn)算法間的反演結(jié)果差異。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)

以廈門灣及其周邊海域?yàn)檠芯繀^(qū)(24.21°N—24.76°N,117.86°E—118.76°E)，取研究區(qū)中心位置附近一點(diǎn)(24.38°N，118.4133°E)為中心點(diǎn)，在其兩側(cè)劃設(shè)4條斷面，如圖1所示。在各條斷面隨機(jī)均勻選取30個(gè)點(diǎn)，其中20個(gè)點(diǎn)作為算法訓(xùn)練點(diǎn)，10個(gè)點(diǎn)作為算法驗(yàn)證點(diǎn)。

圖1 研究區(qū)及點(diǎn)位分布Fig.1 Study area and points distribution

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

選擇研究區(qū)云覆蓋較少、圖像質(zhì)量較好的HJ-1B IRS圖像，數(shù)據(jù)來源于中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心(http://www.cresda.com/)。每個(gè)季節(jié)選2景，日期分別為2011-03-13、2014-04-15、2011-07-24、2012-07-08、2011-10-19、2013-10-22、2013-12-31、2014-01-27，成像時(shí)間均在上午9點(diǎn)30分至11點(diǎn)之間。Aqua MODIS數(shù)據(jù)成像時(shí)間約為下午13點(diǎn)30分，數(shù)據(jù)來源于美國NASA水色衛(wèi)星網(wǎng)站(http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/)，分辨率為1 km。

浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)來源于福建省海洋預(yù)報(bào)臺海洋觀測網(wǎng)(http://www.fjhyyb.cn/Ocean863Web_MAIN/default.aspx?r=1#hygc)，浮標(biāo)均分布在廈門灣向內(nèi)一側(cè)，與算法訓(xùn)練點(diǎn)和中心點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，可用于檢驗(yàn)算法的外推效果。選擇2014年1月27日XM1～XM5浮標(biāo)數(shù)據(jù)以及2013年12月31日XM1浮標(biāo)數(shù)據(jù)，浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集時(shí)刻與當(dāng)天衛(wèi)星成像時(shí)間相差小于20 min。

借助ENVI 5.3軟件對HJ-1B IRS圖像進(jìn)行幾何精校正，裁剪出研究區(qū)，并與MODIS SST圖像做圖像配準(zhǔn)，人機(jī)交互判讀掩膜去除非水體像元，將中心點(diǎn)和驗(yàn)證點(diǎn)處的MODIS SST與周圍溫度場進(jìn)行比較，對于SST變化不連續(xù)、躍變幅度過大的數(shù)據(jù)點(diǎn)(躍變幅度>2 ℃)，查明原因，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量良好、可靠。

1.3 輻射傳輸方程改進(jìn)算法

大氣表觀輻亮度LTOA與海表輻亮度LT轉(zhuǎn)換公式為[16-17]：

LTOA=[ε·LT+(1-ε)·Ld]·τ+Lu

(1)

式中：ε是海水發(fā)射率，這里取0.988 8；Lu和Ld分別表示中心點(diǎn)處的大氣上行輻射和下行輻射，單位：W·m-2·sr-1·μm-1，通過大氣校正參數(shù)計(jì)算器獲得；τ是修正的大氣透過率。

HJ-1B IRS圖像大氣表觀輻亮度LTOA通過輻射定標(biāo)公式計(jì)算：

(2)

式中：A為絕對定標(biāo)系數(shù)增益；L0為偏移量；DN為傳感器記錄的數(shù)值。輻射定標(biāo)系數(shù)來源于中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心逐年發(fā)布的定標(biāo)文件。

參考前人做法[19]，對普朗克公式進(jìn)行線性化處理，將海區(qū)溫度劃分為10～20 ℃和20～30 ℃兩個(gè)區(qū)間，分別對LT和SST進(jìn)行線性擬合，如表1所示。

表1 LT與SST的轉(zhuǎn)化計(jì)算公式Tab.1 Conversion formulas of LT into SST

1.4 修正的大氣透過率

1.4.1 基于中心點(diǎn)修正

將中心點(diǎn)處的MODIS SST值代入表1中的回歸方程，得到MODIS海表輻亮度，將其作為HJ海表輻亮度，代入公式(1)得到修正的大氣透過率τ。以下將該值稱中心點(diǎn)τ。

1.4.2 基于均值點(diǎn)修正

分別計(jì)算圖1中20個(gè)訓(xùn)練點(diǎn)處的HJ海表輻亮度(方法同1.4.1),代入公式(1)得到各點(diǎn)的大氣透過率τ，取平均值作為修正的大氣透過率τ。以下將該值稱均值點(diǎn)τ。

為了便于論述，將基于中心點(diǎn)τ和均值點(diǎn)τ建立的改進(jìn)算法及其反演的SST，分別稱中心點(diǎn)算法、中心點(diǎn)SST和均值點(diǎn)算法、均值點(diǎn)SST。將大氣校正參數(shù)計(jì)算器計(jì)算的中心點(diǎn)處大氣透過率τ，稱為輻射方程τ，其SST反演算法和反演的SST分別稱為輻射方程算法和輻射方程SST。

2 結(jié)果與討論

2.1 修正前后大氣透過率的比較

將3種大氣透過率τ進(jìn)行比較(文中偏差均取絕對值)，如圖2所示，可以看到修正后的τ偏差改善效果明顯。2種改進(jìn)算法的τ值十分相近，與輻射方程τ的最大偏差和平均偏差均較大。均值點(diǎn)τ與輻射方程τ的最大偏差和平均偏差分別達(dá)到了0.031 7和0.018 6；而中心點(diǎn)τ與輻射方程τ的最大偏差和平均偏差分別為0.026 8和0.019 1。進(jìn)一步分析均值點(diǎn)τ和中心點(diǎn)τ，其平均偏差和均方差分別為0.003 2和0.003 4，且偏差曲線平穩(wěn)，沒有較大突變，表明2種大氣透過率修正方法較穩(wěn)定和相似。2種方法取值方式不同，但計(jì)算結(jié)果比較相近，這可能與小面積海域海-氣邊界層水汽分布均勻、各點(diǎn)大氣透過率差異較小有關(guān)。

2.2 HJ SST反演結(jié)果與分析

2.2.1 HJ SST空間分布差異

3種算法反演的冬季和夏季HJ SST與MODIS SST空間分布差異如圖3所示，圖像未著色部分表示其反演的SST低于色標(biāo)設(shè)定的最小溫度。相比MODIS SST圖像在沿岸海域存在較多的數(shù)據(jù)缺失，HJ SST數(shù)據(jù)在該區(qū)域則較為完整，且其空間分布特征比MODIS 圖像更加細(xì)致豐富，可以更清楚地看到冷暖水舌的梯度變化。由輻射方程算法反演的HJ SST，除2012-07-08外，其余3景圖像均與MODIS SST存在明顯差異，說明該算法精度不穩(wěn)定，其反演的HJ SST可能存在較大偏差。而2種改進(jìn)算法對該偏差則有明顯改善，2種算法反演的HJ SST差異較小，且均與MODIS SST呈現(xiàn)顯著的一致性，如夏季在廈門灣及其他海灣灣頂、九龍江河口出現(xiàn)的高溫現(xiàn)象，從外海延伸到圍頭灣的低溫現(xiàn)象，以及冬季從灣內(nèi)到外海逐漸升高的溫度特征，圍頭灣北部沿岸出現(xiàn)的相對低溫等，在MODIS SST和HJ SST圖像上均有體現(xiàn)。HJ SST與MODIS SST的空間分布一致性與大氣透過率偏差也有密切關(guān)系，以輻射方程算法反演的HJ SST為例，圖3b2的大氣透過率在4景圖像中偏差最小，其SST空間分布與MODIS SST圖像最相似，而圖3d2的大氣透過率偏差最大，其反演得到的SST空間分布與MODIS SST圖像差別也最為明顯。

圖2 大氣透過率偏差曲線Fig.2 Difference curve of atmospheric transmittance

圖3 SST空間分布Fig.3 The spatial distribution of SST (圖像a2、c2、d2部分海域未著彩色，表示該海域反演的SST低于色標(biāo)的最小溫度。) (The uncolored parts of images a2, c2 and d2 indicate that the SST retrieved in these seas is below the minimum temperature of color scale.)

2.2.2 精度驗(yàn)證

MODIS SST精度驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。使用輻射方程算法反演的4景圖像的HJ SST最大偏差均大于2 ℃，平均偏差和均方差均大于1 ℃；而2種改進(jìn)算法反演的HJ SST，最大偏差均在1 ℃左右，平均偏差和均方差均在0.5 ℃左右，說明2種改進(jìn)算法對HJ SST反演偏差均有明顯改善。2種改進(jìn)算法的偏差曲線基本重合，但不完全相同，中心點(diǎn)算法反演的4景圖像的SST平均偏差分別為0.45、0.36、0.54和0.22 ℃，均值點(diǎn)算法分別為0.37、0.35、0.20和0.20 ℃，偏差較前者更小，精度更高。在不均勻的大氣條件下，均值點(diǎn)算法因通過對一組大氣透過率數(shù)據(jù)取平均，其反演精度可能更有保證，但計(jì)算量較大；而中心點(diǎn)算法僅計(jì)算中心點(diǎn)處的大氣透過率，計(jì)算量小，便于快速反演HJ SST，但對中心點(diǎn)處圖像的質(zhì)量要求更嚴(yán)格，其不應(yīng)受到云污染、船只、島礁等非水體像元的干擾。

浮標(biāo)SST精度驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。中心點(diǎn)算法和均值點(diǎn)算法反演的HJ SST平均偏差分別為0.81 ℃和0.55 ℃，均明顯小于輻射方程算法的1.37 ℃，說明即使在沿岸海域，2個(gè)改進(jìn)算法依然具有較高的反演精度和較好的外推效果，即基于灣外數(shù)據(jù)建立的改進(jìn)算法擴(kuò)展得到灣內(nèi)的SST是可行的，其反演的HJ SST可填補(bǔ)部分在沿岸地區(qū)缺失的或低質(zhì)量等級的中低分辨率SST數(shù)據(jù)。

此外，本文提出的修正大氣透過率和建立輻射傳輸方程改進(jìn)算法的思路和過程具有普適性，修正大氣透過率的數(shù)據(jù)并不局限于MODIS SST，也可以是AVHRR SST、浮標(biāo)SST、船測SST或其他高精度的數(shù)據(jù)；同時(shí)，高分辨率SST反演對象也可以應(yīng)用在ASTER、LandSAT TM/ETM+/TIRS等其他類型的單波段熱紅外數(shù)據(jù)上。

圖4 MODIS SST精度驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 Accuracy verification result based on MODIS SST data

表2 浮標(biāo)SST精度驗(yàn)證結(jié)果Tab.2 Accuracy verification result based on buoy SST data

3 結(jié)論

基于MODIS SST數(shù)據(jù)提出了2種修正大氣透過率的方法和相應(yīng)的HJ SST反演輻射傳輸方程改進(jìn)算法，比較改進(jìn)前后結(jié)果，得出結(jié)論如下：

(1)修正后的大氣透過率，其偏差改善效果明顯，均值點(diǎn)τ和中心點(diǎn)τ的偏差曲線平穩(wěn)，沒有較大突變，表明2種大氣透過率修正方法較穩(wěn)定和相似。

(2)2種改進(jìn)算法反演的HJ SST空間分布與MODIS SST均呈現(xiàn)顯著的一致性。MODIS SST驗(yàn)證顯示，改進(jìn)后的SST平均偏差和均方差在0.5 ℃左右；浮標(biāo)SST驗(yàn)證顯示，中心點(diǎn)算法和均值點(diǎn)算法的SST平均偏差分別為0.81 ℃和0.55 ℃，2個(gè)改進(jìn)算法均具有較高的反演精度和較好的外推效果。

(3)均值點(diǎn)算法反演精度更高，但計(jì)算復(fù)雜；中心點(diǎn)算法計(jì)算量小，但對中心點(diǎn)處的圖像質(zhì)量要求更嚴(yán)格。

致謝本文使用到的HJ-1B衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及MODIS數(shù)據(jù)分別下載于中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心以及美國NASA海洋水色數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站，在此一并致謝。