应用月平均SST资料对遥感反演数据进行质量控制

1、MODIS遥感反演SST的比照测试和分析技术报告概述：利用浮标资料对MODIS的SST海外表温度反演的结果进行比照测试，是 SeaDAS卫星遥感工程的一个重要目标。目的是利用浮标实测海温资料对SST反演结果进行校正，以减少反演结果的误差，扩大海温遥感反演产品的使用范围， 为更好的利用卫星遥感资料效劳于海洋监测工作建立一个良好的根底。技术背景MODIS 中等分辨率成像光谱仪是一个拥有 36个通道的可见光和红外波 段光谱辐射计，波段范围从0.345卩m 可见光到14.235卩m 热红外。各通 道的量化等级为12Bits。MODIS第1和第2通道的空间分辨率为250米，第3到第7通道的空间分 辨率为

2、500米，其余通道的空间分辨率为1000米，扫描观测宽度达2330公里可 以同时提供反映海洋水色，叶绿素、悬浮物浓度等海洋特征信息。MODIS被两颗对地观测卫星AQUA和TERRA作为有效负载，其中TERRA 是上午星、AQUA是下午星。我单位目前使用SeaDAS5.0软件进行MODIS数据处理。SeaDAS 5.0反演 海外表温度的算法是美国航空航天局 NASA开发的“迈阿密探路人算法，有两 套，分别利用了 3.7卩m和11卩m附近的两个红外大气窗口。其中昼间使用11卩m算法，即利用11.03卩m,12.03卩m通道，夜间使用3.7卩m和11卩m通道。 由于昼间观测数据不仅可提供海外表温度，

3、而且可提供叶绿素等海洋水色数据， 我单位目前仅接收和处理 MODIS的昼间数据。我们的比测试验也是针对昼间的 11卩m算法。“迈阿密探路人在11卩m的海温反演算法如下：SST = G +6爲1 +G為日1G心其中，SST是反演的海外表温度，T31是第31通道11.03卩m的辐射亮温,T32是第32通道12.03卩m的辐射亮温。B是卫星天顶角。C1C4是四个系数。 SeaDAS软件中内置的各个系数估计值如下：两种大气条件干和湿T32-T31 < L 7T32 - T31 ；、0. 7C1L 228552L 692521C20. 9576555也 9558419C30. M821960. 0

4、873754L 7746311.199584表1:MPSST算法的系数图1 :MPSST算法反演获得的东海区域海外表温度图(2007.10.24 2:38UTC)为了对遥感反演获得的海外表温度进行比照测试， 需要选择适宜的其它测量 手段，要求这些测量手段有足够的时间分辨率，同时又有较高的精度。目前，现场测量海温的方法主要有：岸站、志愿船、资料浮标。其中，岸站受地理条件限制，测量的海水温度是近岸水温，受大陆、岛屿的 地温影响较大。志愿船不但资料较少，时间上不连续，空间分布有不确定性，难 以和遥感资料匹配。最适于海外表温度比照测试的测量手段是海洋资料浮标。国家海洋局东海分局在我国近海布置了 3个大

5、型海洋浮标。这些资料浮标直接测量水面下20-30厘米的海水温度，平时每3小时传输一次水温资料 水温传感器的技术参数如下：参数测量范围测量精度备注水温(C)3 + 35±).5 C通讯方式为VSAT表2:海洋资料浮标的水温传感器参数海洋资料浮标由锚系固定，布放完成后坐标根本不变动，这给进行比照测试 带来了方便。在了解了遥感反演算法和选择了适宜的比照测量手段后， 我们就可以设计和 实施海温比照测试。比照测试的方案设计遥感反演数据和浮标测量数据进行比照的前提是： 在时间和空间上具有可比 性。最理想的情况是，遥感反演数据和浮标测量数据的时间差和空间距离都为 0 但事实上，由于卫星轨道精度存在

6、误差，卫星遥感传感器分辨率的问题， 遥感反 演数据不可能完全吻合浮标测量数据。因此，必须容许卫星遥感数据和浮标测量 的数据在时间和空间范围内有一定的误差， 我们总的要求是，用于进行遥感比照 的数据本身和真实海外表温度之间的误差限不能大于 1度。我们设计符合比测要求的数据标准:工程允许误差时间15分钟空间约2千米，0.018纬距表3:选择遥感数据比测的时间和空间标准通常，海外表温度的时间变化率不超过1摄氏度/小时，空间变化率不超过0.4 度/千米。因此，符合上述标准的数据，其误差限可以表达为E = sqrt(e1A2+e2A2+emA2)(其中E是总误差限，el是时间误差限，在我们这里约为 &#

7、177;).25,e2是空间误差限，约为±).8,em是仪器测量精度的误差限，为±).5)，因此， 估计由于时间、空间和浮标测量仪器引入的误差，其误差限为±1.01度。根本符合要求。未经质控的遥感反演SST数据的比照测试结果从2007年3月3日到2007年7月27 日，147天内，共选取符合筛选标准的数据71组，进行了比照测试，全部数据细节详见附件1结果的摘要如下：工程结果样本数量71取小误差0.04取大误差-25.45误差的标准差8.59表4：未经质控的遥感反演数据比照测试结果摘要从上表可以看到，如果对遥感反演获得的SST不做任何处理，其误差标准差 可达8C多，

8、其应用价值很低。造成这种情况的原因是多方面的，东海海域是陆缘海，由于海水的深度较浅， 太阳加热的作用比拟明显、沿岸上空的大气状况比拟复杂，尤其云量较多时，对 红外辐射吸收严重。因此，未经质控的数据不宜直接作为海温遥感产品使用。应用月平均SST资料对遥感反演数据进行质量控制为了对遥感反演数据进行质量控制， 一条合理的思路是，通过经验判定合理 的数据区间，将明显不合理的数据丢弃，这样能够大大改善遥感数据的质量。海水的热容量巨大，日温差波动范围小，每月的波动范围也十分有限。我 们通过统计F09浮标2004-2006三年的资料其中缺少2004年4、5月份资料的发现，浮标测量的月度海温极值 偏离当月海温

9、平均值一般不超过 4C,从不超过5C,而月度海温极值距多年的月平均海温值的偏差一般不超过 3C,从不超过4C。分析发现F17和F18浮标的资料也满足上述条件。2月份9多年平均月极值最大偏差1月16.27-1.72月13.98-2.153月13.92-2.84月14.863.935月20.793.076月25.092.817月27.842.058月28.762.849月27.73.010月25.6-2.611月22.902.212月19.742.36表5： F9浮标的多年平均值和月度极值相对平均值的偏差由此，我们可以采取这样的质量控制措施：遥感反演的海温，在当月海温 多年平均值芳C范围内的，是有

10、效数据，通过质量控制，否那么，判定为是无效数 据，不做处理。在浮标定点的海域，使用浮标多年的月度平均数据作为平均月海 温F17和F18布置时间短，只取得了 这些数据已经求岀，见附件 2,在没有浮标资料覆盖的海域，可采用大范围海温等温线图资料，同时质量 控制门限可放宽到多年平均值 站C范围。经质量控制的遥感SST数据的比照测试结果和回归分析在符合筛选标准的全部71条数据中，通过质量控制的共计 49条，占69%, 这说明选取的质量控制标准宽严适度， 既考虑了数据的可靠性，又兼顾了遥感数 据的可获取性。我们对49组经质控数据的比测结果详见附件 3,摘要如下：工程结果样本数量49最小误差0.04最大误

11、差-6.48误差的标准差2.49表6:未经质控的遥感反演数据比照测试结果摘要可见，通过质量的数据减少了误差，提高了数据的可靠性。为了进一步提高海温遥感的精度，我们用经过质控的遥感反演的 SST和浮 标测得的海温分别作为自变量和函数进行了线性回归分析 ，得到了根据反演SST 结果预测实际海外表温度的线性回归方程。1年的资料，没有多年的月海温平均值。反演SST和浮标实测SST回归分析测-测量结果回归方程图2 MODIS反演SST和实测SST回归分析回归统计Multiple R0.950309344R Square0.90308785Adjusted R Square0.90102589标准误差1.

12、583839791观测值49表7 MODIS 反演SST和实测SST回归统计回归分析的结果说明，建立的线性回归方程能够有效改良反演 SST的精度, 回归方程的预测值的误差标准差降低到 1.584C,相关性系数到达0.90,作为大范 围海温监测产品，具备了实用价值。结论SeaDAS 5.0提供的SST反演算法是基于全球海域得出的，对于东海近海海 域，本身存在着一定误差。又由于 SeaDAS 5.0内置的云检测算法不完善，不能 有效过滤由于水汽吸收而造成的海温反演异常值，造成的误差更大。这些问题制约了 MODIS遥感海温产品的使用。我们通过用浮标数据和MODIS遥感反演SST数据的比照测试，寻找并确定 了排除反演SST异常值的方法，并建立了根据多年海温月平均值的数据质控措 施。为了进一步提升数据精度，我们对经质控的反演SST和实测值作了线性回归 分析，求出了根据反演SST预测实际海温的线性回归方程，进一步降低了遥感数 据的误差。虽然这个初步的SST比照测试和改良的工作已经到达了工程任务书的要求。 但是限于时间、经费等因素，在提高遥感海温产品的精度，拓展遥感产品的业务 化应用方面， 仍有很大的提升余地。 例如，可以将数据质控措施和回归方程集成 到SeaDAS 5.0软件内部，实现高精度的SST产品的稳定输出，以及启动水汽吸 收更小的夜间4卩m海温资料等。我们希望在后续的工程中能够