閔文彬，彭駿，李施穎

(1.中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610071； 2.四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心，成都 610071)

0 引言

積雪作為冰凍圈的重要組成之一，在氣候變化和水資源中扮演著重要角色。積雪的累積和消融影響水資源循環(huán)，積雪的高反射率、低導(dǎo)熱率特性影響地表能量平衡和氣候系統(tǒng)變化。因此,準(zhǔn)確、及時掌握積雪的時空變化對于氣候變化預(yù)測、水資源管理等至關(guān)重要。目前,積雪觀測數(shù)據(jù)主要來自傳統(tǒng)的地面站點(diǎn)觀測和衛(wèi)星遙感觀測。在我國青藏高原地區(qū)，積雪觀測站點(diǎn)少，空間分布不均勻，觀測時間不連續(xù)，不足以提供區(qū)域積雪分布和變化特征信息。衛(wèi)星遙感成為該地區(qū)積雪監(jiān)測的理想手段，能夠?qū)崿F(xiàn)對積雪宏觀、快速和周期性的監(jiān)測。人們可利用光學(xué)遙感數(shù)據(jù)提取雪蓋信息[1-6]，利用微波遙感數(shù)據(jù)反演雪深和雪水當(dāng)量[7-10]，及時掌握研究區(qū)的積雪動態(tài)，認(rèn)識研究區(qū)的積雪和雪水當(dāng)量的時空分布特征[11-13]。然而，可見光遙感依賴于太陽光，受云層影響嚴(yán)重，在天空有云狀況下無法工作； 被動微波遙感雖具有穿透性及全天候工作特點(diǎn)，不受天氣狀況的影響，但空間分辨率低，主要用于全球雪深、積雪覆蓋范圍和雪水當(dāng)量的研究，在區(qū)域性的積雪動態(tài)監(jiān)測和積雪研究中，衛(wèi)星遙感積雪產(chǎn)品精度還有許多需要改進(jìn)的地方，不同傳感器、不同反演算法之間存在較大偏差[14-20]。所以，目前遙感積雪產(chǎn)品在區(qū)域性應(yīng)用之前，必須經(jīng)過真實(shí)性檢驗(yàn)和精度評估，它是評價(jià)遙感產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性和適用性的唯一手段，是提高遙感產(chǎn)品精度、改善遙感產(chǎn)品質(zhì)量的主要依據(jù)，更是推動遙感產(chǎn)品應(yīng)用范圍和應(yīng)用水平的重要保障。

我國風(fēng)云三號系列氣象衛(wèi)星不僅提供遙感觀測資料，還提供大量的業(yè)務(wù)化產(chǎn)品，包括積雪監(jiān)測產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)了廣泛的數(shù)據(jù)共享。本研究以地面積雪觀測數(shù)據(jù)為參考，開展FY-3C多儀器融合數(shù)據(jù)的積雪覆蓋產(chǎn)品(multi-sensor synergy snow cover, MULSS_SNC)和微波成像儀的雪深雪水當(dāng)量產(chǎn)品(microwave radiation imager snow water equivalent, MWRIX_SWE)在青藏高原地區(qū)的精度檢驗(yàn)和評估分析，這對于風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星積雪產(chǎn)品在研究區(qū)的應(yīng)用是必不可少的，具有非常重要的意義。

1 數(shù)據(jù)與評估方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的衛(wèi)星反演積雪產(chǎn)品取自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http: //data.cma.cn/site/index.html)，要檢驗(yàn)的FY-3C多儀器融合的積雪覆蓋產(chǎn)品(MULSS _SNC)空間分辨率為1 km，F(xiàn)Y-3C微波成像儀的雪深和雪水當(dāng)量產(chǎn)品(MWRIX_SWE)空間分辨率為25 km。作為檢驗(yàn)參考值的地面積雪觀測數(shù)據(jù)取自全國綜合氣象信息共享平臺(China integrated meteorological information sharing system, CIMISS)，包括西藏、青海和四川境內(nèi)的118個氣象臺站，臺站分布見圖1，海拔跨度較大，從1 370 m到4 800 m。

1.2 評估方法

1.2.1 地面觀測參考值

根據(jù)地面雪深觀測規(guī)范，當(dāng)氣象站四周視野地面被雪覆蓋超過一半時觀測雪深，當(dāng)雪深達(dá)到或超過5 cm時觀測雪壓。臺站雪深觀測記錄為99990表示有少量積雪，地面積雪深度觀測記錄為0表示氣象站四周視野地面被雪覆蓋超過一半，但雪深不足0.5 cm。本文把臺站雪深觀測記錄為99990和0，即有少量積雪或雪深不足0.5 cm的氣象站對應(yīng)的衛(wèi)星像元看作部分積雪像元，把雪深觀測記錄大于或等于0.5 cm的氣象站對應(yīng)的衛(wèi)星像元看作積雪像元，把無積雪氣象站對應(yīng)的衛(wèi)星像元看作陸地像元。

1.2.2 衛(wèi)星積雪覆蓋產(chǎn)品評估

以氣象站積雪觀測數(shù)據(jù)作為參考，主要對MULSS _SNC和MWRIX_SWE的積雪和陸地像元進(jìn)行積雪覆蓋有/無驗(yàn)證。將FY-3C積雪產(chǎn)品正確判識的積雪像元數(shù)記為Na、誤判為積雪的像元數(shù)記為Nb、漏判的積雪像元數(shù)記為Nc，F(xiàn)Y-3C積雪產(chǎn)品正確判識的陸地像元數(shù)記為Nd，則有[10]

衛(wèi)星產(chǎn)品判識的總體精度為：

(1)

對衛(wèi)星判識結(jié)果而言，衛(wèi)星產(chǎn)品雪蓋判識準(zhǔn)確率為：

(2)

對地面積雪觀測而言，衛(wèi)星產(chǎn)品雪蓋判識召回率為：

上世紀(jì)九十年代，隨著中國企業(yè)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，大型國企開始了“走出去”的步伐。一些大型國企如中國石油、中國石化、中國電網(wǎng)、中國建設(shè)、中國鐵路等，在“走出去”的過程中，在國際同類行業(yè)中逐步獲得較高知名度，成為全球500 強(qiáng)中很具實(shí)力的知名企業(yè)，成為全球經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要推動力量，成為中國深度參與全球治理，對外展示文明大國、東方大國、負(fù)責(zé)任大國和社會主義大國形象最活躍、最典型的代言人?？偨Y(jié)國有企業(yè)在海外的形象主要呈現(xiàn)了三個方面的特點(diǎn)：

(3)

衛(wèi)星產(chǎn)品雪蓋誤判率為:

(4)

衛(wèi)星產(chǎn)品雪蓋漏判率為:

(5)

1.2.3 衛(wèi)星反演雪深和雪水當(dāng)量產(chǎn)品評估

研究認(rèn)為地面雪深和雪壓觀測值為真值，對觀測點(diǎn)所對應(yīng)衛(wèi)星像元的雪深和雪水當(dāng)量作驗(yàn)證與評估，雪水當(dāng)量=雪壓/水的密度。參照中華人民共和國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的氣象衛(wèi)星定量產(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)內(nèi)容，本文選取的評價(jià)指標(biāo)有：

1)平均偏差Bias。是指待評估衛(wèi)星反演產(chǎn)品數(shù)據(jù)與對應(yīng)地面觀測數(shù)據(jù)差值的平均值，即

(6)

2)平均絕對誤差MAE。是將衛(wèi)星反演產(chǎn)品數(shù)據(jù)與對應(yīng)地面觀測數(shù)據(jù)差值取絕對值后再求平均值，即

(7)

3)均方根誤差RMSE。反映待評估衛(wèi)星反演產(chǎn)品數(shù)據(jù)對應(yīng)地面觀測數(shù)據(jù)的偏差，即

(8)

4)相關(guān)系數(shù)Corr。反映待評估衛(wèi)星反演產(chǎn)品數(shù)據(jù)對地面觀測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系密切程度，即

(9)

5)平均相對誤差MRE。即

(10)

2 FY-3C積雪產(chǎn)品評估分析

2.1 MULSS_SNC雪蓋產(chǎn)品

表1為MULSS_SNC判別結(jié)果，2018年10月—2019年4月118個臺站共有25 016個地面觀測樣本。

表1 MULSS_SNC判識結(jié)果Tab.1 The identification results of MULSS_SNC

假設(shè)MULSS_SNC雪蓋產(chǎn)品的云像元判識準(zhǔn)確，不考慮衛(wèi)星誤將積雪判識為云的情況，也不評估部分積雪的混合像元情況，只對2 270個積雪和陸地衛(wèi)星像元進(jìn)行評估。根據(jù)公式(1)-(5)可計(jì)算出，MULSS_SNC雪蓋產(chǎn)品總體精度為75.37%、雪蓋判識準(zhǔn)確率為87.18%、召回率為66.67%、雪蓋誤判率為12.81%、漏判率為33.33%。部分積雪像元只有2.63%被判識為積雪像元，97.37%被判識為無雪的陸地像元。

2.2 MWRIX_SWE積雪判識

將MWRIX_SWE產(chǎn)品的反演值大于0的衛(wèi)星像元作為積雪像元看待，利用地面積雪觀測數(shù)據(jù)對其有/無積雪判識準(zhǔn)確率進(jìn)行分析。從表2可見，有9 121個衛(wèi)星像元缺數(shù)據(jù)，參與評估的只有15 895個像元。MWRIX_SWE產(chǎn)品判識有4 085個積雪像元，其中998個積雪像元與地面觀測一致，誤判382個，判識的2 705個積雪像元對應(yīng)地面為部分積雪； MWRIX_SWE產(chǎn)品判識的陸地像元有11 810個，其中漏判了1 013個積雪像元，正確判識陸地像元613個，將10 184個部分積雪像元判識為了陸地。去掉缺數(shù)據(jù)的衛(wèi)星像元，只統(tǒng)計(jì)參與評估的數(shù)據(jù)，根據(jù)公式(1)-(5)計(jì)算出，MWRIX_SWE產(chǎn)品總體精度為53.59%； 積雪像元判識準(zhǔn)確率為72.32%、召回率為49.63%、誤判率為27.68%、漏判率為 50.37%。79.01%的部分積雪像元被判識為陸地。

表2 MWRIX_SWE判識結(jié)果Tab.2 The identification results of MWRIX_SWE

2.3 不同深度的積雪判識

表3給出了FY3C積雪產(chǎn)品不同積雪深度的檢驗(yàn)結(jié)果，表中不同深度積雪判識的召回率、漏判率和漏判百分比都是針對地面觀測樣本而言的，漏判百分比為某一深度的衛(wèi)星漏判的積雪像元數(shù)占衛(wèi)星漏判的積雪像元總數(shù)的比例。從分析結(jié)果可見，積雪深度在[0.5,1]cm的有460個像元，MULSS_SNC產(chǎn)品正確判識出168個，漏掉292個，積雪判識召回率只有36.52%，漏判率高達(dá)63.48%，漏判數(shù)占總漏判像元數(shù)的67.59%； 積雪深度在(1,2] cm之間的185個像元中，MULSS_SNC產(chǎn)品正確判識出116個，漏掉69個，判識召回率為62.70%，漏判率為37.30%，漏判百分比為15.97%； 當(dāng)積雪深度達(dá)到2 cm以上時，MULSS_SNC產(chǎn)品對不同深度的雪蓋判識召回率都達(dá)到80%以上，漏判率小于20%。積雪深度2 cm以上的651個像元中，MULSS產(chǎn)品正確判識出580個，漏掉71個，判識召回率達(dá)到89.09%，漏判率為10.91%，漏判百分比為16.44%。

由表3對參與評估的2 011個MWRIX_SWE像元的分析結(jié)果可見，積雪深度在[0.5,1] cm的有723個像元，MWRIX_SWE產(chǎn)品正確判識出238個，漏掉485個，判識召回率只有32.92%，漏判率高達(dá)67.08%，漏判數(shù)占總漏判像元數(shù)的47.88%； 積雪深度在(1,2] cm之間的286個像元中，MWRIX_SWE產(chǎn)品正確判識出125個，漏掉161個，判識召回率為43.71%，漏判率為56.29%，漏判百分比為15.89%； 積雪深度在(2,3] cm之間的214個像元中，MWRIX_SWE產(chǎn)品正確判識出101個，漏掉113個，判識召回率為47.20%，漏判率為52.80%，漏判百分比為11.15%。MWRIX_SWE對積雪深度在3 cm以下的積雪像元漏報(bào)率很高，超過了50%。積雪深度5 cm以上1 002個像元中，MWRIX_SWE產(chǎn)品正確判識出635個，漏掉367個，判識召回率達(dá)到63.37%，漏判率36.63%，漏判百分比36.23%。

表3 不同積雪深度的FY-3C積雪產(chǎn)品檢測結(jié)果Tab.3 The evaluation results of FY3C snow cover products with different snow depth

圖2 FY3C積雪產(chǎn)品不同積雪深度的漏判率Fig.2 The missing rate of FY3C snow coverproducts with different snow depth

通過表4和圖2的MULSS_SNC和MWRIX_SWE產(chǎn)品檢驗(yàn)結(jié)果對比可見，對于相同深度的積雪像元，MULSS_SNC產(chǎn)品雪蓋判識召回率都比MWRIX_SWE產(chǎn)品的高，漏報(bào)率低； 當(dāng)積雪深度達(dá)到2 cm以上時，MULSS_SNC產(chǎn)品雪蓋判識召回率接近90%，比MWRIX_SWE高出25%，漏報(bào)百分比低50%。

2.4 MULSS_SNC與MWRIX_SWE積雪合成產(chǎn)品雪蓋判識準(zhǔn)確率

假如MWRIX_SWE衛(wèi)星像元地表單一，將其25 km像元反演值均勻插值到1 km，與MULSS_SNC產(chǎn)品空間匹配，利用MWRIX_SWE監(jiān)測的積雪像元替代MULSS_SNC的云像元，減小MULSS_SNC產(chǎn)品的云影響，得到MULSS_SNC和MWRIX_SWE合成產(chǎn)品。從表4可見，合成積雪產(chǎn)品總體精度為64.85%、雪蓋判識準(zhǔn)確率為83.08%、召回率為61.54%、誤判率為16.92%、漏判率為38.46%，將89.77%的部分積雪像元判為陸地像元。雖然雪蓋合成產(chǎn)品的精度不比MULSS_SNC高，但能判識出的積雪像元明顯多于單一用MULSS_SNC和MWRIX_SWE的判識結(jié)果，可在一定程度上彌補(bǔ)MULSS_SNC的云和MWRIX_SWE無數(shù)據(jù)的影響，獲得更多的積雪信息。當(dāng)然，MULSS_SNC和MWRIX_SWE產(chǎn)品不同分辨率的空間匹配勢必造成判識結(jié)果差異，這里將微波與光學(xué)產(chǎn)品簡單結(jié)合應(yīng)用，只是下一步工作的思路測驗(yàn)而已。

表4 MULSS_SNC和MWRIX_SW合成的雪蓋產(chǎn)品的判識結(jié)果Tab.4 The identification results of synthetic productsof MULSS_SNC and MWRIX_SWE

2.5 MWRIX_SWE的雪深和雪水當(dāng)量定量分析

由圖3的地面觀測與衛(wèi)星反演雪深散點(diǎn)圖可知，當(dāng)?shù)孛嫜┥钸_(dá)到60 cm以上時，MWRIX_SWE反演雪深值卻不足10 cm，嚴(yán)重偏??； 反之，MWRIX_SWE反演雪深值達(dá)到60 cm以上時，地面觀測值也不足10 cm。即，不論是地面觀測還是衛(wèi)星反演雪深達(dá)到60 cm以上，二者偏差都達(dá)到50 cm以上，偏差很大。而且地面觀測與衛(wèi)星反演雪深的判定系數(shù)R2為0.022 8，說明二者沒有正相關(guān)關(guān)系。將地面雪深數(shù)據(jù)作為參考值，誤差分析得知，MWRIX_SWE反演雪深的平均偏差為6.05 cm，偏差值范圍-151 cm～72.4 cm； 絕對誤差為11.76 cm； 均方根誤差18.41 cm； 平均相對誤差高達(dá)486.16%。

圖3 地面觀測與MWRIX_SWE雪深散點(diǎn)圖Fig.3 The scatter map of snow depth fromground observation and MWRIX_SWE

接下來，在998組MWRIX_SWE積雪對比數(shù)據(jù)中，剔除出衛(wèi)星反演或地面觀測積雪深度大于60 cm的25組數(shù)據(jù)，對余下973組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，偏差范圍在-37～27.4 cm，平均偏差為7.54 cm； 絕對誤差為9.78 cm； 相關(guān)系數(shù)為-0.04。圖4為60 cm以下地面觀測與衛(wèi)星反演雪深散點(diǎn)圖，從中可以看出，地面觀測與衛(wèi)星反演雪深值之間相關(guān)性仍然不好。誤差和相關(guān)分析結(jié)果都表明MWRIX_SWE的雪深產(chǎn)品在青藏高原地區(qū)不可直接使用。分析結(jié)果表明，被動微波積雪產(chǎn)品不受天氣狀況的影響，但空間分辨率低，主要用于全球雪深、積雪覆蓋范圍和雪水當(dāng)量的研究，在區(qū)域性的積雪動態(tài)監(jiān)測中還存在較大偏差[12]。

圖4 60 cm以下地面觀測與衛(wèi)星反演雪深散點(diǎn)圖Fig.4 The scatter map of snow depth from groundobservation and satellite inversion below 60cm

鑒于以上分析結(jié)果，目前FY3C衛(wèi)星反演雪深產(chǎn)品可靠較差，而且地面雪壓觀測值與MWRIX_SWE的雪水當(dāng)量值有效配對樣本數(shù)較少，只有22個，本文就不再定量評估雪水當(dāng)量產(chǎn)品。

3 結(jié)論

利用青藏高原118個氣象站積雪觀測數(shù)據(jù)，對FY-3C的MULSS_SNC雪蓋產(chǎn)品和MWRIX_SWE雪深與雪水當(dāng)量產(chǎn)品進(jìn)行評估分析，得出如下結(jié)論：

1)MULSS_SNC產(chǎn)品的總體精度為75.37%，積雪判識準(zhǔn)確率為87.18%，召回率為66.67%，雪蓋誤判率為12.81%，雪蓋漏判率為33.33%，97.37%的部分積雪混合像元被判識為無雪。

2)MWRIX_SWE產(chǎn)品對像元有無積雪判識的總體精度為53.59%，積雪像元判識準(zhǔn)確率為72.32%，召回率為49.63%，雪蓋誤判率為27.68%，雪蓋漏判率為50.37%，79.01%部分積雪混合像元被判識為無雪。

3)利用MWRIX_SWE產(chǎn)品對MULSS_SNC產(chǎn)品進(jìn)行消云處理后的雪蓋合成產(chǎn)品總體精度為64.85%、積雪準(zhǔn)確率為83.08%、雪蓋召回率為61.54%、誤判率為16.92%、漏判率為38.46%，89.77%的部分積雪混合像元判識為無雪。

4)積雪深度在1 cm以下時，MULSS_SNC產(chǎn)品判識召回率只有36.52%，漏判率高達(dá)63.48%，漏判數(shù)占總漏判像元數(shù)的67.59%； 積雪深度達(dá)2 cm以上時，MULSS_SNC產(chǎn)品判識召回率達(dá)到89.09%，漏判率為10.91%，漏判百分比為16.44%。

5)積雪深度在1 cm以下時，MWRIX_SWE產(chǎn)品判識召回率只有32.92%，漏判率高達(dá)67.08%，漏判百分比為47.88%； 積雪深度在3 cm以下時，漏報(bào)率都很高，超過了50%。積雪深度達(dá)到5 cm以上時，判識召回率才達(dá)到63.37%，漏判率為36.63%，漏判百分比為36.23%。

6)MWRIX_SWE衛(wèi)星反演雪深的平均偏差為6.05 cm，偏差值范圍-151～72.4 cm； 絕對誤差為11.76 cm； 均方根誤差18.41 cm； 平均相對誤差高達(dá)486.16%； 衛(wèi)星反演雪深值與地面觀測值之間相關(guān)系數(shù)為-0.15； 不論是地面觀測值，還是MWRIX_SWE衛(wèi)星反演雪深值達(dá)到60 cm以上，二者偏差都達(dá)到50 cm以上。