FY-3卫星VIRR海表温度产品进展

王素娟，崔 鹏，张 鹏，杨忠东，冉茂农，胡秀清，陆 风，刘 健

(1.中国气象局 国家卫星气象中心,北京 100081； 2.北京华云星地通科技有限公司,北京 100081)

FY-3卫星VIRR海表温度产品进展

王素娟1，崔 鹏1，张 鹏1，杨忠东1，冉茂农2，胡秀清1，陆 风1，刘 健1

(1.中国气象局 国家卫星气象中心,北京 100081； 2.北京华云星地通科技有限公司,北京 100081)

介绍了在过去的5年中根据用户需求FY-3卫星可见光红外扫描辐射计(VIRR)海温产品算法和产品设计的进展。给出了其中主要的国内外海温算法。介绍了FY-3卫星VIRR海温产品的进展：FY-3A星海表温度(SST)用可见光阈值进行云检测，其SST值偏低；FY-3B星SST用云检测产品中的确信晴空进行分纬度带的白天MCSST算法，但整体海温仍偏低；FY-3C星SST在B星的基础上进行了优化，首次反演了夜间海温，并提供了逐像元的质量标识及海温的气候偏差，设计了5 km全球海温，实现了5 min段海温产品存档，提高了风云海温产品的可靠性、可用性和精度。给出了FY-3C星VIRR海温产品的图像及质量检验情况。归纳了海温产品的同一框架下多级别、多源、高分辨率的发展趋势。将风云卫星海温产品规格与高分辨率海温科学组(GHRSST)GDS2.0的交叉比对，海温科学组认为中国在海温方面的能力在不断增强。研究认为：长序列海温产品重处理以确保海温产品的一致性非常必要，海温产品需采用国际通用海温产品规格。

风云三号卫星； 可见光红外扫描辐射计(VIRR)； 海表温度； 海温检验； 产品规格； GHRSST； GDS； 交叉比对

0 引言

FY-3卫星是我国第二代极轨气象卫星。01批包括A、B星，为试验应用卫星。卫星装载的可见光红外扫描辐射计(VIRR)光谱范围为0.43～12.5 μm，有通道10个，地面水平分辨率1.1 km，扫描范围±55.4°[1]。 FY-3C星为02批业务星，于2013年9月23日在我国太原卫星发射中心成功发射。经在轨测试后，2014年5月正式投入业务运行，接替A星作为我国太阳同步轨道天基气象观测的主业务卫星，与B星组网形成我国极轨气象卫星上、下午星组网观测的业务布局。FY-3卫星VIRR有短波红外通道1个(3.55～3.93 μm)、长波红外通道即分裂窗通道2个(10.3～11.3 μm，11.5～12.5 μm)可用于估计海表温度。

FY-3卫星VIRR的海表温度(SST)反演精度除高度依赖于VIRR仪器性能、定位精度和定标精度外，还依赖于其上游产品——云检测产品的精度。在有云的条件下，VIRR红外通道不能穿透云，探测到的是云顶的辐射。只有在晴空条件下红外通道才能探测到海洋表面，依据普朗克黑体辐射定律，根据大气对不同波长的红外遥感影响的不同，使用不同波段的线性组合消除大气的影响，进行海温反演。因此，SST算法是与云算法密不可分的。海温/云算法同步发展的主要目标是确保云检测提供可靠的“确信云”像元标识，这样，SST的算法就不必考虑云检测[2]。本文介绍了国内外海温算法、FY-3卫星VIRR海表温度产品的发展，以及海温产品的发展趋势，并将FY-3卫星海温产品与 GDS2.0进行了比较。

1 国内外海温算法概述

SST是一个很难严格定义的参数，由于海洋湍流与海洋大气间的热量、水汽和动量的交换，使海洋上层(约10 m)的温度垂直结构复杂多变。SST可分为皮层(skin)SST、次皮层(subskin)SST、水体(bulk)SST和基础(foundation)SST等[2-3]。其中：皮层SST和次皮层SST属于卫星观测SST。皮层SST是利用波长3.7～12 μm的红外波段对地球海洋地区进行探测获得的红外光谱通道辐射率，通过物理或统计方法得到的海洋表层约10～20 μm处的海水温度。次皮层SST是由6～10 GHz的微波辐射计观测反演得到的水下约1 mm处的海水温度。

在红外波段，海洋表面发射的辐射接近于黑体。理论上，如洋面与卫星间无大气的吸收和发射，通过单通道就可估计SST。实际上，离表红外辐射在达到卫星探测器之前被大气削弱了，因此必须进行大气订正[4]。水汽、二氧化碳、甲烷、二氧化氮和气溶胶是决定红外辐射大气削弱的主要因子，其中水汽对吸收的影响最大[5]。1985年文献[6]基于海温与红外通道亮温和分裂窗亮温差成线性关系假设提出了多通道海温(MCSST)算法，文献[7]提出了基于第一猜测海温非线性海温(NLSST)算法，两者都曾用作NOAA的业务海温算法。后来采用白天分裂窗NLSST算法，夜间三通道NLSST算法作为业务海温算法[8]。文献[9]在GOES卫星SST反演时在海温算法中添加分裂窗亮温差的二次项，该算法也一直用于卫星中心的静止海温业务算法[10]。文献[11]用MCSST算法反演FY-1C星业务海温产品并对海温精度进行了检验；文献[12]用MCSST算法对海洋一号(HY-1)卫星COCTS水色扫描仪数据进行了海温反演及结果分析。

2 FY-3卫星VIRR海温产品进展

FY-3卫星VIRR SST是该卫星地面应用系统的业务产品，产品物理单位为℃。本文主要讨论FY-3卫星VIRR的SST产品。

2.1FY-3卫星VIRR海温产品发展历程

FY-3A，B星属于01批，产品规格一致，存档的海温产品为全球1 km等经纬度10°×10°分块的海温产品。

FY-3A星SST反演算法是分纬度带的白天多通道海温(MCSST)算法，在01批产品生产系统(PGS)一期工程化过程中，由于云检测结果的滞后提供，FY-3A星SST用可见光阈值法进行简单的云检测。与参考海温相比，FY-3A星SST的温度偏低。通过误差分析，确定主要误差源来自轨道边缘和云污染。采用精度优先原则，对卫星天顶角大于50°的区域不进行海温反演；同时引入空间一致性和气候阈值控制，确保FY-3A星SST在南北纬70°以内的海域海温基本可靠[13]。2013年1月修订了业务软件。通过对2013年3月至2013年10月近8个月的逐日全球日平均海温的质量检验，与分辨率为0.25 ℃的OISST日平均海温相比，海温的精度为(-0.23±1.74) ℃。

FY-3B星SST直接选取云检测产品中的确信晴空进行分纬度带的白天MCSST算法，但整体海温偏低，尤其是菲律宾附近海域。通过对误差原因分析，提出了系列改进措施，如高精度现场海温的选用、匹配数据集扩充、样本优选、质量控制等。进行了多算法回归建模及精度评估，确定FY-3B星VIRR最优算法为非线性海温(NLSST)算法[14]。

FY-3C星SST在FY-3B星SST算法研究成果的基础上进行了设计优化，业务系统仍采用MCSST算法。首次进行了夜间海温的反演，以提高日平均海温的覆盖度。从02批海温开始，设计添加了逐像元的质量控制标识，以提高海温产品的可用性[15]。在5 min段海温产品中，除海温外，还有逐像元的质量标识及海温的气候偏差，为用户提供了更多的参考。02批设计了5 km全球海温，取代01批648个10°分块1 km全球海温，提高产品的易用性。从02批开始，进行了5 min段海温产品的存档，通过对5 min段海温长时间序列的质量检验，发现了海温精度与L1级数据质量、星上辐射计温度及星上黑体温度的相关性。这可为未来长序列海温产品重处理提供重要的参考依据。FY-3卫星VIRR海温产品见表1。

FY-3C星SST产品分为5 min段海温产品(如图1所示)和降低分辨率的全球产品(如图2、3所示)。全球SST产品包括5 km分辨率等经纬度的日、旬、月平均SST产品，均区分白天和夜间。

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

FY-3B星业务海温受01批产品算法和设计的制约，只有白天1 km分辨率10°×10°等经纬度分块海温数据，无逐像元质量标识。在FY-3仿真系统中，FY-3B星海温采用02批VIRR海温产品的设计及处理方法后，可获得与FY-3C星精度相当的海温产品。这样每天都可获得全球海温4次，充分发挥FY-3B，C星上下午星组网观测的优势。

图3给出了FY-3C星海温1、4、7、10四个月白天全球海温的分布，分别代表冬、春、夏、秋四个季节。

2.2FY-3C星VIRR业务海温产品质量

以现场海温质量监测网iQUAM(https:∥www.star.nesdis.noaa.gov/sod/sst/iquam/)浮标SST为参考SST的FY-3C星SST质量检验是基于匹配数据集进行的[16]。匹配窗口为1 h和1.1 km。第三版的业务海温回归系数是由2015年10月和11月的匹配数据集回归得到的。以2016年12月至2017年1月的独立样本进行质量检验，白天和夜间的偏差分别为0.17，0.07 ℃，标准差小于0.54 ℃。

表1 FY-3卫星VIRR海温产品

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

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

以分析场海温OISST为参考海温，匹配窗口为1 d和1.1 km[17]。对FY-3C星VIRR 2017年1月1日～5月30日的5 min段海温产品进行了分质量等级的质量检验。2017年1月1日～5月30日FY-3C星VIRR的5 min段SST质量为优的样本精度为：(-0.1±0.8) ℃(白天)，(0.01±0.78) ℃(夜间)。

3 海温产品发展趋势

海温产品的发展趋势是同一标准框架下的多级别(L2P，L3U，L3C，L3S，L4)、多源(红外海温、微波海温、现场海温等)、高分辨率海温产品，以满足不同用户的应用需求。高分辨率海温工作组GHRSST(https:∥www.ghrsst.org/)最早由欧空局和英国气象局共同出资管理，从第19届起将由EUMETSAT接管，其目的是通过国际合作和科技创新以最有成效的方式为短、中和长期应用提供最优质的SST产品。经历18年的发展，GHRSST制定了详尽的海温产品规格说明书《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届GHRSST会议在山东青岛召开，会议由中国海洋大学主办，是GHRSST科学组会议首次在中国举办，也是中国气象局首次派员参加，来自全球的77名代表参加了会议。会议分特约报告、海温应用、海温产品研发、海表通量、海温与气候、现场海温等板块，以及丰富的海温产品、海温系统和服务、海温科学和应用海报等。

GHRSST海温科学组认为中国在海温方面的能力在不断增强，也希望通过合作，使中国气象局的海温按GDS2.0规范输出(国内用户也曾提出这样的需求)。

同时应注意，与国外同类海温产品相比，FY-3卫星海温产品精度还存在差距，除海温产品算法本身的因素外，还受FY-3卫星VIRR仪器性能的制约，如分裂窗通道亮温差条带现象、短波红外通道夜间太阳污染现象等。除VIRR红外探测仪器性能需提高外，红外海温反演还需突破利用辐射传输模拟亮温开展海温质量控制等关键技术。

目前，FY-3卫星全球海温产品只是单星多时次的融合，尚未进行多星海温产品的融合。若开展FY-3B，C星融合海温产品研发，可充分发挥FY-3B、C星上下午星组网观测的优势，提高全球日平均海温的覆盖度。

4 FY-3海温产品规格与GDS2.0交叉比对

FY-3A，B星海温产品规格详见《新一代风云极轨气象卫星业务产品及应用》附录4《FY3 L2和L3产品格式》[1]。FY-3C星海温产品数据规格在《FY3C VIRR海温产品数据卡》中，对5 min段海温、5 km等经纬度全球日、旬、月海温产品规格有详尽的定义。FY-3海温的L2级包括5 min段海温和日平均海温，L3级包括旬、月海温。

GDS2.0的L2级产品仅包含L2P，指原始卫星轨道投影的反演产品，对应于FY-3海温的5 min段海温产品。L2P海温产品除包含海温数据、L2P标识、产品质量等级外，还要求包含辅助数据(如风速、海冰覆盖度、气溶胶等)和不确定性估计信息，是L3、L4级 GHRSST产品的基础。GDS2.0 L2P海温与FY-3星5 min段海温产品的对比见表2。表2中：“√”表示FY-3星5 min段海温具备GDS2.0 L2P定义的数据集。

表2 FY-3星VIRR海温产品规格与GDS2.0交叉对比

注①：FY-3A，B星5 min段海温中不包含经纬度数据，不存档。

注②：FY3-C星5 min段海温中不包含经纬度数据，存档。使用该数据时，需从FY-3C 星GEO数据中获取经纬度数据，如需时间信息也可在GEO数据中提取。

国家卫星气象中心作为多卫星资料、多产品处理和存档中心，更多的是关注存储效率，如FY-3C星VIRR的L1B数据，分成了包含卫星观测数据的“L1000M”和包含地理经纬度数据、角度、时间信息等的“GEO”，全部VIRR 5 min段产品和L1B资料共用一套“GEO”数据，可节约存储。但集约存储是个双刃剑，这也会给5 min段产品的应用带来额外的负担——在用户下载5 min段海温数据的同时，必须下载“GEO”数据。

5 结束语

近十年来，国家卫星气象中心风云气象卫星海温研发产品团队在开展用户需求调研的基础上，不断改进FY-3卫星VIRR海温产品算法和产品设计，提高了风云卫星海温产品的可靠性和可用性，产品精度也在逐步提高。

卫星产品的精度是一个系统工程，除取决于遥感仪器的性能外，还高度依赖于卫星资料的定位精度、定标精度，后端的卫星产品还依赖于上游的卫星产品(如云检测)精度。GHRSST海温科学组认为中国在海温方面的能力在不断增强，这也是对风云气象卫星遥感仪器性能、定位定标精度及云检测等上游风云气象卫星产品能力不断增强的肯定。同时还应注意到，业务海温产品属流水线作业，卫星工况的变化，红外通道定标系数和海温回归系数的更新，会造成长序列海温产品的不一致，不利于气候应用。因此，进行长序列海温产品重处理以确保海温产品的一致性是非常有必要的。海温产品的发展趋势是在同一标准框架下，生成多级别、多源、高分辨率的海温产品，以满足不同用户的应用需求。目前高分辨率海温科学组GHRSST推荐使用的海温产品通用规格是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

中国气象局国家气象科技创新工程资助(CMAGGTD003-5)

王素娟(1971—)，女，博士，正研级高级工程师，主要从事卫星遥感海温产品研发。

TP79：P407

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