FY-4A气象卫星LST L2级产品地面检验.pdf

第 卷 第期 年月遥 感 信 息 ，收稿日期：修订日期：基金项目：中国气象局大气探测重点开放实验室和中国气象局气象探测工程技术研究中心联合基金开放课题（）。作者简介：刘志刚（），男，高级工程师，主要研究方向为综合气象观测。犈 犿 犪 犻 犾：通信作者：邵长亮（），男，博士，高级工程师，主要研究方向为数据质量控制、资料同化。犈 犿 犪 犻 犾：犉 犢 犃气象卫星犔 犛 犜犔 级产品地面检验刘志刚，刘昊野，邵长亮，刘聪，杨佳，包玉龙（中国气象局大气探测重点开放实验室，成都 ；中国气象局气象探测工程技术研究中心，成都 ；秦皇岛市气象局，河北 秦皇岛 ；中国气象局气象探测中心，北京 ）摘要：为了检验 气象卫星陆表温度（，）级产品数据的精度及可用性，对 年 卫星逐分钟全圆盘及中国区反演的 产品（），与全国区域（除台湾省）多个气象观测站观测时间差 之内的地面温度（）和草面（雪面）温度（）进行标准差对比与相关性分析。结果表明：反演的 产品与地面气象站观测结果一致，产品平均标准偏差为 和 ，数据平均相关性 和 ，能够准确反映我国各地 的时空分布特征。对于像元（）内下垫面，反演的 与地面温度和草面地温的相关性高度一致，（）与（）存在显著线性正相关关系，且相关系数稳定。关键词：；气象卫星；陆表温度；地面温度；草面温度；平均标准偏差；数据相关性犱 狅 犻：中图分类号：文献标志码：文章编号：（）犌 狉 狅 狌 狀 犱犆 犪 犾 犻 犫 狉 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犔 犛 犜犔 犘 狉 狅 犱 狌 犮 狋 狊狅 犳犉 犢 犃犕 犲 狋 犲 狅 狉 狅 犾 狅 犵 犻 犮 犪 犾 犛 犪 狋 犲 犾 犾 犻 狋 犲 ，（犓 犲 狔犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔狅 犳犃 狋 犿 狅 狊 狆 犺 犲 狉 犲犛 狅 狌 狀 犱 犻 狀 犵，犆犕犃，犆 犺 犲 狀 犵 犱 狌 ，犆 犺 犻 狀 犪；犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺犆 犲 狀 狋 狉 犲狅 狀犕 犲 狋 犲 狅 狉 狅 犾 狅 犵 犻 犮 犪 犾犗 犫 狊 犲 狉 狏 犪 狋 犻 狅 狀犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔，犆犕犃，犆 犺 犲 狀 犵 犱 狌 ，犆 犺 犻 狀 犪；犙 犻 狀 犺 狌 犪 狀 犵 犱 犪 狅犕 犲 狋 犲 狅 狉 狅 犾 狅 犵 犻 犮 犪 犾犅 狌 狉 犲 犪 狌，犙 犻 狀 犺 狌 犪 狀 犵 犱 犪 狅，犎 犲 犫 犲 犻 ，犆 犺 犻 狀 犪；犆犕犃犕 犲 狋 犲 狅 狉 狅 犾 狅 犵 犻 犮 犪 犾犗 犫 狊 犲 狉 狏 犪 狋 犻 狅 狀犆 犲 狀 狋 狉 犲，犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 ，犆 犺 犻 狀 犪）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：（），（），（）（）（）（），（），（）（），犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊：；引用格式：刘志刚，刘昊野，邵长亮，等 气象卫星 级产品地面检验遥感信息，（）：引言陆表温度（，）是地表物理过程的重要参数，在地表和大气相互作用以及大气与陆地之间能量交换的过程中起着关键作用。观测 的准确与否，对气象、生态、水文、全球气候变化等众多领域具有重要意义 。同时，的观测对农业作物的适时播种、土壤与农作物水分情况等农业生产生活也具有现实意义 。进入 世纪，全国气象台站观测自动化程度逐年提升，目前已具备每分钟观测一次地面温度和草面（雪面）温度能力，但受到台站站网分布、地形地理环境、地 表植被 覆盖、土 壤 土质 种类 等 因素 的 制约，在空间上不连续且具有一定局限性。因此，统计计算 空间分布多采用误差较大的插值法，但此法使得获得大面积高空间分辨率的 较难 。近年来，各国空间遥感技术和大型计算机的应用与发展为 的大范围全方位监测提供了连续的产品，如、和 、等，其中 产品在天气晴朗条件下精度可达 。而对于我国在轨运行的风云四号（）静止试验卫星的 级 产品反演精度如何、可用性怎样，目前数据检验研究甚少。风云系列卫星是我国气象遥感专用卫星，其中风云四号（）卫星是我国第二代地球静止气象卫星，是在风云二号（）气象卫星技术基础上的发展和升级，与 相比在诸多方面实现了突破和创新，填补了多项国际空白。是中国静止轨道气象卫星从第一代向第二代跨越的首发星，主要探测仪器有先进的静止轨道辐射成像仪、干涉式大气垂直探测器、闪电成像仪和空间环境监测仪器。其中，作为先进的静止轨道辐射成像仪（探测器）的一项产品为全国提供服务。文献 曾 利 用 、的 遥感日平均产品，对湖南、宁夏、山东和石家庄、郑州、北京、西安等地进行评估及应用；等 对 的 温度和湿度反演；祝善友等 对 的 气溶胶光学厚度反演；黄守友等 对 的 闪电数据；王诗圣等 对 的 蓝光通道交叉辐射定标等展开了最新研究。本文基于 探测器的 级 实时产品，利用 静止卫星观测值（以下简写为“”）与地面气象台站（全文研究不包括台湾省）所观测的地面温度（以下简写为“”）和草面（雪面）温度（以下简写为“”）数据时间差在 以内的对比，来检验 卫星 产品的精度及可用性。资料与算法 气象站概况截至 年，除台湾省，我国气象部门已有气象观测站 多个，分布在全国 个温度带、个干湿区、个气候区内 。其中，有 观测任务且正常年传输数据量在万条以上的气象站 个，有 观测任务且正常年传输数据量在万条以上的气象站 个。综合气象观测是气象业务的基础工作，地面气象观测是综合气象观测的重要组成之一，它是对地球表面一定范围内的气象状况及其变化过程进行系统、连续的观察和测定，包括云、能见度、天气现象、气温、相对湿度、降水、风向、风速、气压、地面温度、草温（雪面）温度、日照、浅层地温、深层地温、冻土、蒸发、辐射、雪深、雪压、电线积冰、地面状态等项目，为天气预报、气象预警、气候分析、气象情报、科学研究和气象服务等提供关键数据依据。数据源 气象卫星是我国第二代地球静止气象卫星，于 年 月 日时 分在我国西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射。年月日时起，中国以及亚太地区用户可正式接收 星数据，其所提供的 遥感 级反演产品包括中国区和全圆盘数据两种。全圆盘反演数据可在国家卫星气象中心的风云卫星遥感数据服 务 网（：）实名注册免费订购下载。中国区反演数据需要在气象大数据云平台中获取。本研究选取由国家气象卫星中心 静止卫星 年 月 反演的 级全圆盘和中国区数据，空间分辨率为，数据为 格式，星下点经度 ；每日获取的 幅全圆盘数据，幅中国区域数据；中国区域观测范围为 ，；每小时一次全圆盘观测，时间为整点整点过 ；每进行一次连续幅全圆盘观测，时间为：（，下同）：时次全圆盘云图和该时次前后各一幅全圆盘云图（例如：的连续幅全圆盘观测时间为：、：、：）；无全圆盘观遥 感 信 息 年期测时进行 中国区域观测；每 观测空隙内进行定位定标观测；星下点午夜进行飞轮卸载停止观测，时间为：。我国气象站所在的卫星像元在 的范围内，有农田、草原、湿地、荒漠、高原、林地、建设用地和裸地等多种组合，像元下垫面不均匀。地面温度观测是在国家气象台站观测场西南侧 （南北向）（东西向）疏松平整的裸地内进行。草面（雪面）温度观测在地面温度西侧 草地内距地面 高处进行，当台站出现积雪且雪深超过 时，则需要将草面温度传感器人工调整到雪面上观测，此时观测的温度为雪面温度。气象站地面数据 和 来自有人值守且有观测任务的国家级气象观测站，观测方法、设备和标准全国统一，但由于当前各台站观测任务不同，因此有地面温度观测任务的台站不一定有草面温度观测任务，有草面温度观测任务的台站不一定有地面温度观测任务，两种观测只要有一种观测任务的台站，即列为对比检验研究对象，其空间观测站点分布如图所示，与 数据可从中国气象数据网免费下（：）。年我国气象观测站采用自动化观测手段，实现逐 的 和 汇交到国家气象信息中心。本研究选取与卫星观测时间相差在 内的 和 值，利用 编程进行对比分析。注：台湾省资料暂缺。图研究区域气象站点分布图 星地检验算法为做好星地检验，首先将研究区有观测 和 任务的气象站地面数据集进行质控，选取 年 月的地温质控码（以下简写“”）和草温质控码（以下简写“”）为（正确）、（订正）、（修改）的 和 数据集，数据集采用 格式存储。之后建立 卫星 级全圆盘和中国区产品数据集，作为地球观测产品，须基于地图投影呈现其可视化结果，采用了投影（标称投影转化为矢量数据的投影方式）几何校正方式。投影定义如式（）至式（）所示。犮 犆 （狉狉）犆 （）引用格式：刘志刚，刘昊野，邵长亮，等 气象卫星 级产品地面检验遥感信息，（）：犾 犔 （狉狉狀）犔 （）狉犎狊犚犲 （犈犅犈犃 （犾 ）（犾 犔）（）狉犚犲 （犾 犔 ）（犾 犔 ）（）狉犚犲 （犈犅犈犃 （犾 ）（）狉狀狉狉狉槡（）犚犲犈犅（犈犃犈犅）犈犃 （犈犅犈犃 （犾 ）（犈犅犈犃 （犾 槡）（）式中：犮 为列号；犾 为行号；犆 为全圆盘列偏移 对应的数值（）；犔 为全圆盘行偏移 对应的数值（）；犆 为全圆盘列比例因子 对应的数值（）；犔 为全圆盘行比例因子 对应的数值（）；犎狊为地心到卫星质心的距离（）；犈犃为地球赤道半径（）；犈犅为地球极半径（）；犾 为经度；犾 为纬度；犔 为卫星星下点的经度（）。中国区与全圆盘相差行列数在中国区卫星观测文件中参数地理空间经纬度范围（）的 和 、和 中查询获得。利用观测台站所在经纬度结合 投影算法，提取卫星 观测质控码（以下简写“”）等级为优（值为）的，依据 探测器逐行扫描方式，计算得到 观测时间（）与地面台站观测时间差在 内的质控码为、的 与 数据。同一卫星像元（）范围内台站地温和草温数据采用算术平均融合处理，作为对比基准值，即同一像元内视同下垫面均一，与所在台站一致，当有多个台站观测数据按照算术平均代表对比像元的面值，当同一像元内只有一个台站观测数据时以点带面作为像元的对比值，再结合匹配像元内台站现在天气现象、云量、能见度、辐射、湿度等气象要素情况，进一步对卫星数据进行质控检验，剔除因云、雾等遮挡造成较大误差的，最后形成星地检验数据集，数据集采用 格式存储。最终对形成的星地检验数据集 和、和 分别进行比较 计 算，分 析 卫 星 瞬 时 产 品 的 精 度 及 可用性。具体星地检验算法流程如图所示。图星地检验算法流程图结果与分析基于星地检验流程算法，得出 年 瞬时 与研究区 个地面匹配气象站观测 和 个 匹配观测站检验结果数据集，利用式（）式（）计算 全年、四季和昼夜逐站的对比情况，对比部分台站质量见图，对比结果见表和图。狀犻（犻 犻）狀（）狀犻（犻 犻）狀（）遥 感 信 息 年期 狀犻（犻）（犻）狀犻（犻）狀犻（犻）槡（）狀犻（犻）（犻）狀犻（犻）狀犻（犻）槡（）式中：为卫星陆表温度与地面温度的平均标准偏差；犻为第犻次卫星陆表温度瞬时观测值；犻为 第犻次 地 面 气 象 台 站 地 面 温 度 观 测 值；为卫星陆表温度与草面（雪面）温度的平均标准偏差；犻为第犻次地面气象台站草面（雪面）温度观测值；为卫星陆表温度与地面温度的平均数据相关性；为平均卫星陆表温度；为平均地面温度；为卫星陆表温度与草面（雪面）温度的平均数据相关性；为平均草面（雪面）温度。通过质控码（、和 ）和多源数据质量控制筛选后，与台站匹配数据量（大于 条）进行对比，由表可知，平均标准偏差为 ，平均标准偏差为 ，平均相关性为 ，平均相关性为 ，说明两种观测方式对地面平均状况反应一致，卫星产品 也能够较好地反演出地面平均状况。从四季分布上看，冬季（月、月、月）反演产品最接近与地温和草温状况，春季（月、月、月）草温与秋季（月、月、月）地温次之，且 与 平均相关性数据在西南地区和华东、华南地区相对略差。从昼夜分布上看，夜间（至 时，）反演产品最接近与地温和草温状况，草温与卫星观测值平均差值更小为 ，说明夜间卫星反演 值受太阳辐射影响明显减少后与草温更接近。季节及昼夜中平均偏差与标准偏差的误差一是卫星反演算法精度受地表发射率和大气水汽含量不确定性的影响，二是下垫面有农田、草原、湿地、荒漠、高原、林地、建设用地和裸地等多种组合的非均一所造成。图表明台站所在像元内的下垫面比较均一的对比结果高度一致，像元内的下垫面相差较大的结果一致性相差也较大。引用格式：刘志刚，刘昊野，邵长亮，等 气象卫星 级产品地面检验遥感信息，（）：图 年犜 犪与犜 犵、犜 狊对比散点图部分台站质量图表犜 犪与犜 犵、犜 狊对比统计表时间段对比要素气象台站的匹配个数匹配的数据条数 、全年地温 草温 白天地温 草温 夜间地温 草温 春季地温 草温 夏季地温 草温 秋季地温 草温 冬季地温 草温 注：因当前各台站的观测任务不同，造成表中地温和草温匹配台站数量不一致。遥 感 信 息 年期引用格式：刘志刚，刘昊野，邵长亮，等 气象卫星 级产品地面检验遥感信息，（）：遥 感 信 息 年期引用格式：刘志刚，刘昊野，邵长亮，等 气象卫星 级产品地面检验遥感信息，（）：注：台湾省资料暂缺。图 年犜 犪与犜 犵、犜 狊对比平均标准偏差和平均相关性台站分布图遥 感 信 息 年期因台站所在像元与周围探测环境均一性不同及本地区气候等因素影响，造成对比出现的结果不同。在图中，由图（）和图（）可知，和 平均标准偏 差 小 于 占 比 全 部 台 站 的 和 ，占比为 和 ，多集中在海南、广西、新疆、西藏、陕西、安徽、河南、内蒙、山西、北京、天津、河北、山东、辽宁等地区，这些地区观测站所在位置与所在卫星观测像元内下垫面环境相差较小，福建、浙江、江苏、四川、重庆、贵州、湖南、湖北等部分地区反演结果相对略差，主要受当地阴雨等气象条件影响。由图（）和图（）可知，和 平 均 相 关 性 小 于 的 台 站 占 比 为 和 ，主要集中在福建、江苏、甘肃和宁夏等地区，由于部分台站与像元内下垫面环境相差较大造成。由图（）、图（）、图（）和图（）可知，夜间 平均相关性小于 的台站主要在甘肃省，白天 与 平均相关性较小的台站集中在海南、四川、西藏、云南、贵州、福建等地区，均由台站所在位置周围探测环境与像元内平均状况相差较大造成。总体看，除台湾省，全国范围内台站观测与卫星反演基本吻合。由于本文利用观测站以点带面，对于非均匀下垫面，与 存在明显线性正相关关系，反映卫星反演的 更具有代表性。瞬时值产品平均标准偏差小于 ，数据平均相关性 以上，与 检验结果相比，明显高于 的 产品精度。结束语本文应用 卫星 级产品 与除台湾省全国数千个国家气象观测站 和 数据，采用全圆盘和中国区卫星观测时间差在 内的 与 和 值对比分析，得出以下结论。）对 卫星瞬时 值与对应地面站 和 逐站对比平均标准偏差小于 ，说明利用 卫星 反演的 产品 值与地面实际情况基本吻合，昼夜和季节变化较为明显，能直观反映全国各地区 的空间分布特征。）地 面 观 测 站 采 用 以 点 带 面 的 方 式 与 卫 星 对比，卫星观测像元 ，对于相对均一的下垫面站点对比散点图一致性非常高，有农田、草原、湿地、荒漠、高原、林地、建设用地和裸地等多种组合。像元下垫面非均匀的，其反演的 与 和 的平均相关性也较好，一般高于，与 存在显著线性正相关关系，且相关系数稳定。然而，目前 反演过程中仍然存在一些问题，如与其他国际公认质量高的卫星（等）反演产品进行对比验证等。因此，笔者在此方面的研究只是一个开始，还存在很多不足和需要改进的地方，有待于以后进行研究。参考文献苏扬，吴鹏海，程洁，等 地表温度数据重建深度学习方法遥感学报，（）：，（）：王建凯，王开存，王普才基于 地表温度产品的北京城市热岛（冷岛）强度分析遥感学报，（）：，：，（）：李天祺，朱秀芳，潘耀忠，等 陆地表面温度数据重构方法研究北京师范大学学报（自然科学版），（）：，（）：林忠辉，莫兴国，李宏轩，等中国陆地区域气象要素的空间插值地理学报，（）：王之夏，南卓铜，赵林 地表温度产品在青藏高原冻土模拟中的适用性评价冰川冻土，（）：，（）：郭广猛，杨青生利用 数据反演地表温度的研究遥感技术与应用，（）：引用格式：刘志刚，刘昊野，邵长亮，等 气象卫星 级产品地面检验遥感信息，（）：陈燕丽，何立，莫建飞，等融合 和 数据生成高分辨率影像方法对比科学技术与工程，（）：范嘉智，罗宇，谭诗琪，等基于 的 湖 南 省 地 表 温 度 遥 感 反 演 评 价 国 土 资 源 遥 感，（）：刘晨晨风云卫星地表温度反演及其在霜冻监测中的应用成都：电子科技大学，张文智，许文波，范向杰，等利用风云卫星 数据反演叶面积指数的研究遥感技术与应用，（）：李峰，曹张驰，赵红，等基于 数据的山东省地表温度反演及应用研究，中国农学通报，（）：董立新，杨虎，张鹏，等 陆表温度反演及高温天气过程动态监测应用气象学报，（）：，（）：祝善友，李佳敏，向嘉敏，等基于 数据的气溶胶光学厚度反演研究地理与地理信息科学，（）：黄守友，徐国强 的 闪电数据对云信息初始化的影响及数值试验高原气象，（）：王诗圣，向嘉敏，祝善友，等利用 数据对 传感器蓝光通道交叉辐射定标遥感信息，（）：吴友法我国气象行业现状与行业管理问题沙漠与绿洲气象，（）：郑景云，卞娟娟，葛全胜，等中国 年及 年的气候区划地理研究，（）：郑景云，卞娟娟，葛全胜，等 年中国气候区划科学通报，（）：中国气象局综合观测司综合观测司关于发布国家级气象观测站名录的通知北京：中国气象局，中国气象局地面气象自动观测规范（第一版）北京：气象出版社，中国气象局地面气象观测规范北京：气象出版社，中国气象局气象观测资料质量控制 地面：北京：中国标准出版社，刘志刚，吴东丽，邵长亮，等 陆表温度的全国气象台站检验研究遥感信息，（）：遥感信息 编辑部版权声明本刊已许可 中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司、北京万方数据股份有限公司、重庆维普资讯有限公司、北京世纪超星信息技术发展有限责任公司以数字化方式复制、汇编、发行、信息网络传播本刊全文。本刊支付的稿酬已包含上述公司著作权使用费，所有署名作者向本刊提交文章发表之行为视为同意上述声明。