1、张淼，徐娜，郑照军，等.FY-3D MERSI-II云顶产品算法及精度检验J.热带气象学报，2022，38(6)：779-786.文章编号：1004-4965(2022)06-0779-08FY-3D MERSI-II云顶产品算法及精度检验张淼，徐娜，郑照军，陈林(中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室/国家卫星气象中心，北京 100081）摘要：云顶温度和云顶高度作为基本的云参数，在云的热辐射强迫估计，航空气象保障，数值天气预报，天气气候研究等方面具有十分重要的意义。FY-3D/MERSI-II云顶温度产品基于云在红外波段的发射率假设，利用两个红外分裂窗通道(11.0 m、12.
2、0 m)结合一维变分方法寻找最优云顶温度层，再利用数值天气预报廓线产品插值反演对应的云顶高度和压强。利用AQUA/MODIS所提供的云产品数据对FY-3D/MERSI-II云顶温度、云顶高度、云顶压强产品进行精度检验，结果表明：FY-3D/MERSI-II水云云顶温度精度为-1.24.6 K，云顶高度精度为 1.41.8 km，云顶压强精度为-140.9114.5 hPa；厚冰云云顶温度精度为 7.06.0 K，云顶高度精度为-1.00.9 km，云顶压强精度为37.136.0 hPa；混合云云顶温度精度为1.58.5 K，云顶高度精度为0.82.2 km，云顶压强精度为-87.4157.8
3、hPa，单层卷云和多层云的反演偏差较大。辐射传输模式在云顶性质反演中有十分关键的作用，但目前对冰云特别是卷云的性质认识不足，因此如何精确描述冰晶辐射特性，提高冰云特别是卷云辐射传输的模拟精度将是下一步的工作重点。关键词：FY-3；云顶温度；云顶高度；云顶压强；精度检验中图分类号：P405文献标志码：ADoi：10.16032/j.issn.1004-4965.2022.071收稿日期：2021-06-21；修订日期：2022-10-18基金项目：风云卫星应用先行计划(FY-APP-2021.0505)；国家重大科技基础设施项目“地球系统数值模拟装置”共同资助通讯作者：张淼，女，河北省人，副研究
4、员，从事卫星遥感反演和应用研究。E-mail：第38卷 第6期2022年12月热 带 气 象 学 报JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGYVol.38,No.6Dec.,20221 1 引引言言云顶温度和云顶高度作为基本的云参数，在云的热辐射强迫估计，航空气象保障，数值天气预报，天气气候研究等方面具有十分重要的意义1-2。目前从卫星遥感反演云顶温度的算法主要有两类，一是基于辐射传输方程直接反演云顶温度，包括适用于光学厚云的11 m通道亮温方法和适用于光学薄卷云的双通道发射率方法3；二是由反演出的云顶高度利用大气温-压廓线数据得到云顶温度。反演云顶高度的算法主要分为被动遥
5、感和主动遥感两类，被动遥感反演主要包括红外窗区算法、CO2切片算法、一维变分反演方法等4-5，主动遥感反演主要是基于主动激光雷达或云雷达的后向散射算法6。虽然主动遥感反演的云顶高度精度较高，但主动遥感仪器的扫描宽度过窄，且分辨率较低。风云三号(FY-3)气象卫星是我国第二代极轨气象卫星，FY-3 01 批为试验应用卫星，包括 FY-3A和FY-3B两颗卫星，FY-3 02批为业务星，共4颗卫星(FY-3C、FY-3D、FY-3E、FY-3F)，目前已成功发射了上午星FY-3C、下午星FY-3D及晨昏星FY-3E7，其中FY-3D上搭载的中分辨率光谱成像仪II(MERSI-II)整合了原有风云三
6、号卫星两台成像仪器(MERSI-1和VIRR)的功能，是世界上首台能够获取全球250 m分辨率红外分裂窗区资料的成像仪器8。FY-3D/MERSI-II的云顶性质产品采用11 m通道亮温反演算法，该算法原理简单，但精度较低，因此本研究将反演精度较高的一维变分反演方法应用到FY-3D/MERSI-II的云顶性质产品中，热 带 气 象 学 报第38卷以提高产品反演精度。本文主要介绍一维变分方法反演FY-3D/MERSI-II云顶性质(包括云顶温度、云顶高度和云顶压强)产品的估算方法及精度检验结果。2 2 数据介绍数据介绍2.1 FY-3D/MERSI-II资料介绍FY-3D/MERSI-II的主要
7、任务是动态监测地球海洋、陆地、大气等环境要素，特别是云特性、气溶胶、陆地表面特性、海洋表面特性、低层水汽等重要大气和环境参数的监测。共配备25个通道，包括16个可见光-近红外通道、3个短波红外通道和6个中长波红外通道；25个通道中，250 m地面分辨率通道6个，1 000 m地面分辨率通道19个。云顶性质算法应用的是MERSI-II的2个红外分裂窗通道(11.0 m、12.0 m)，空间分辨率为250 m。2.2 辅助数据介绍2.2.1 云检测和云类型数据云顶性质算法需要用到 FY-3D/MERSI-II 业务生成的云检测和云类型产品，其中云类型产品将云分为水云、过冷水云、混合云、厚冰云、单层
8、卷云、多层卷云6种不同的类型，云顶性质算法将对不同的云类型赋初值。2.2.2 数值预报资料本研究使用我国自主研发的多尺度通用资料同化和CMA数值预报系统提供的温度和压强廓线数据，水平分辨率为0.25 0.25，垂直分辨率40层，最高层的气压为0.1 hPa。2.2.3 地表发射率资料本研究使用的地表发射率资料为 MODIS月平均红外地表发射率全球数据集，水平分辨率为0.05，在 10 个通用的波长(3.6、4.3、5.0、5.8、7.6、8.3、9.3、10.8、12.1、14.3 m)都是可用的，利用MERSI-II的光谱响应函数对月平均发射率进行积分使之与MERSI-II通道相匹配，数据集
9、和空间匹配方法详细介绍可参考文献9。2.2.4 海表温度资料本研究使用的海表温度为高分辨率融合分析场 日 平 均 海 温(Opetimum Interpolation SST，OISST)资料10，分辨率为0.25 0.25，具有全球覆盖，时效性好的优点。2.3 MODIS云产品资料介绍中分辨率成像光谱仪 MODIS是美国地球观测系统EOS极轨卫星Terra和Aqua上携带的重要仪器，Terra和Aqua分别于地方时间上午10:30和下午01:30过境。MODIS共有36个光谱波段，分布在 0.414.4 m 之间，星下点分辨率在 0.251.00 km之间。为了更好地与MERSI-II数据在
10、时间上进行匹配，本研究使用的 MODIS 资料来自Aqua卫星。MYD06 云产品11-12是目前国内外较公认的云产品，包括云顶温度、云顶高度、云顶压强、云相态、云量等，可在官网免费下载。3 3 反演算法反演算法在单层云且不考虑散射的条件下，红外通道的辐射传输方程可表示为公式(1)13：Robs=ecRac+acecB(Tc)+(1-ec)Rclr(1)其中，Robs表示卫星观测到的云顶大气辐射，Tc表示云顶温度，B表示Planck函数，Rclr表示大气层顶晴空辐射，Rac表示云上辐射，ac表示卫星到云像元的透过率，ec表示云发射率，它们都是波长的函数。考虑到ec随波长而变化，引入一个参数反映
11、云的微物理特征13-14。例如1、2两个通道，有如下关系式：1,2=ln(1-e2)ln(1-e1)(2)通过公式(2)，12 m 云发射率可以由 11 m云发射率导出：ec(12 m)=1-1-ec(11 m)(12/11 m)(3)本文后面的ec均表示11 m云发射率，表示(11/12 m)。本研究通过PFAST快速辐射传输模式15计算得到11 m、12 m晴空透过率及辐射率廓线，黑体辐射率廓线，及大气层顶晴空辐射，通过公式(1)计算得到卫星观测到的辐射。一维变分反演方法定义代价函数，并最小化：=(x-xa)TSa-1(x-xa)+()y-f(x)TSy-1()y-f(x)(4)780第6
12、期张淼等：FY-3D MERSI-II云顶产品算法及精度检验其中x表示反演参数矢量，包括云顶温度Tc、11m通道发射率ec以及，xa表示x的初估值，y表示观测值，包括11 m通道亮温及11 m与12 m通道亮温差，f(x)表示前向辐射传输模式的计算值，Sa表示xa的误差协方差阵，Sy表示模式及测量的误差协方差阵。FY-3D/MERSI-II业务生成云类型产品将云分为水云、过冷水云、混合云、厚冰云、单层卷云、多层卷云 6 种不同的类型，参考文献13，分别给出6种不同类型云的Tc、ec、的先验估计值及误差协方差矩阵如表2所示，ec的先验估计值通过公式(5)计算得到，sat_zen 表示卫星天顶角。
13、表2Tc、ec、的先验估计值及误差协方差矩云类型水云过冷水云混合云厚冰云单层卷云多层云TcT11T11T11T11Ttrop+15Ttrop+15(Tc)10101010202011 m2.32.32.32.30.92.0(ec)0.20.20.20.20.40.41.31.31.31.11.11.1()0.20.20.20.20.20.2ec=1-exp(-11 m/cos(sat_zen)(5)11 m通道亮温、11 m与12 m通道亮温差的误差方差矩阵由下式计算：=instr+(1-c)clear+2d，instr是仪器误差，clear是辐射传输模式的晴空误差，2d是 11 m 亮温及1
14、1 m与12 m 亮温差在33像元内的标准偏差。利用一维变分反演方法得到云顶温度后，对MERSI-II的格点数据和CMA模式数据进行时间匹配，选择时间最接近的CMA模式数据进行格点化处理，通过线性插值处理，将空间分辨率为0.25 0.25 的CMA模式数据转换成空间分辨率为0.01 0.01、高度层为101的格点数据，大气温度廓线上云顶温度对应的高度和压强即为云顶高度和云顶压强。当云顶位于逆温层之外时，通过简单的线性插值得到相应的云顶高度和云顶压强，当有逆温层时，一个温度值可能对应着几个气压和高度值，此时根据地面温度和云顶温度以及预先给定的温度直减率，求得对应的云顶高度和压强。4 4 产品质量
15、检验产品质量检验利用AQUA/MODIS所提供的云产品数据对FY-3D/MERSI-II云顶温度、云顶高度和云顶压强产品进行精度检验。首先选取距离 MERSI-II观测时间5分钟以内的MODIS观测数据，进行时间匹配，再将 MODIS 数据对应到 MERSI-II像素点上进行空间匹配，最后选择 MODIS 和 MERSI-II均为有效值的匹配点进行统计分析，个例分析如图1所示。从图1中可看出MERSI-II的反演结果与 MODIS具有较好的一致性，相关系数均在 0.9以上，云顶温度的精度为4.07.9 K，云顶压强的精度为 13.691.5 hPa，云顶高度的精度为-0.41.3km。30S4
16、0S50S30S40S50S320300280260240220200180160MERSI-云顶温度/K10W20W30W40W320300280260240220200180160MODIS云顶温度/K(a)(b)10W20W30W40W781热 带 气 象 学 报第38卷图1FY3D MERSI-II 云顶温度、云顶高度、云顶压强产品(2020年7月12日12:25)与MODIS相应产品(2020年7月12日12:30)对比图各小图依次是FY-3D MERSI-II 云顶温度(a)，MODIS云顶温度(b)，FY-3D MERSI-II 云顶高度(c)，MODIS云顶高度(d)，FY-3D MERSI-II 云顶压强(e)，MODIS云顶压强(f)，FY-3D MERSI-II 云顶温度与MODIS云顶温度对比散点图(g)，FY-3D MERSI-II云顶高度与MODIS云顶高度对比散点图(h)，FY-3D MERSI-II 云顶压强与MODIS云顶压强对比散点图(i)。30S40S50S18 00016 00014 00012 00010 0008 0006 0004 0002
