FY-3B/VIRR地表溫度產品那曲地區適用性分析

王艷麗，宋承運，2*

(1.安徽理工大學 空間信息與測繪工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 礦山采動災害空天地協同監測與預警安徽普通高校重點實驗室,安徽 淮南 232001)

0 引言

地表溫度(Land Surface Temperature,LST)是地球表面能量平衡和溫室效應一個很好的指標，它在氣象、水文、環境、生態等眾多領域有著廣泛的需求[1]?；跓峒t外遙感數據反演地表溫度，可獲得大范圍空間與時間連續的地表溫度，被廣泛用于農業監測、環境監測、地表干旱監測及森林火災監測等領域[2]。目前，已經發布的地表溫度遙感產品主要有Landsat、MODIS、HIRS、FY系列等地表溫度產品，其中，風云系列衛星提供了自2009年以來地表溫度產品，可以為區域及全球環境、資源等提供有效的、連續的地表溫度數據支持[3]。

由于受到地表溫度遙感反演算法、區域地表覆蓋類型、地形特征以及氣候變化等因素的影響，不同遙感地表溫度產品在不同區域的反演精度存在差異[4]，因此，地表溫度產品的適用性也成為地表溫度遙感產品應用研究的一個重要方面。目前，地表溫度遙感產品的驗證分析多針對于MODIS地表溫度產品。于文憑[5]等以黑河流域為例，結合自動氣象站紅外輻射溫度計數據和長波輻射數據，指出長時間序列的MODIS地表溫度產品與夜間長波輻射數據之間的平均絕對偏差小于2.2 ℃；閔文琳[6]等利用青藏高原東側理塘大氣邊界層觀測站熱紅外測溫儀和長波輻射實測數據，驗證MODIS地表溫度產品適用性，指出夜間地表溫度相關性大于白天；王圓圓[7]等以西藏林芝地區為例，通過多點同時觀測結合面積加權的方法驗證MODIS地表溫度產品混合像元精度，均方根誤差為1.4 K；王之夏[8]等從單點、區域、模型3個方面驗證了MODIS地表溫度產品在青藏高原地區的適用性，指出該產品與地面觀測數據時間序列變化一致，二者暖季比冷季差異大且相關系數小。國產風云三號衛星搭載的可見光紅外掃描輻射計(Visible and Infra-Red Radiometer,VIRR)反演的地表溫度產品FY-3B/VIRR地表溫度產品的驗證分析，及適用性評價較少。

為進一步分析FY-3B/VIRR地表溫度產品的適用性，以那曲地區為研究區，利用2012年1月至2014年12月青藏高原那曲地區土壤水分觀測網的地面實測數據，評價了FY-3B/VIRR地表溫度產品的精度，并分析了研究期內那曲地區地表溫度的時空分布特征。

1 研究區域與數據

1.1 研究區域

那曲市位于西藏北部、青藏高原中部，83°55′～95°5′E，29°55′～36°30′N之間(如圖1所示)。那曲市境內多山，面積42萬平方公里，平均海拔4 500 m以上，地處西藏北部的唐古拉山脈、念青唐古拉山脈以及岡底斯山脈之間，地形地貌復雜，北部為高原山川地形，東部為高原山地，南部為藏北高原與藏東高山峽谷的交匯地帶。那曲市為典型的亞寒帶氣候區，高寒缺氧，氣候惡劣，風沙較大，分為干、濕兩季，冬季干燥少雨，夏季溫和濕潤。年均溫度0 ℃左右,年相對濕度為48%～51%，年降水量380 mm。那曲市水資源多樣，湖泊眾多，是長江和怒江的源頭，境內也交錯分布著大大小小的支流，如那曲河，青藏四大名湖之一納木錯也分布于此地[9-11]。

圖1 那曲市范圍及TP-SMTMN地面觀測網站點分布Fig.1 Map of Naqu city and the distribution of TP-SMTMN ground observation sites

1.2 數據

1.2.1 地面觀測數據

本文所用的地面觀測數據來源于第三極地區土壤水分/溫度監測網(Soil Moisture/Temperature Monitoring Networks on the Tibetan Plateau，TP-SMTMN)[12]，TP-SMTMN位于青藏高原中部那曲地區(如圖1中黑色框所示)，海拔4 470～4 950 m，監測范圍可達10 000 km2，地面相對平坦，地表覆蓋類型單一，多為草地覆蓋，且生物量低，是監測土壤溫度的適宜區域。

TP-SMTMN提供大尺度(1°)、中尺度(0.3°)、小尺度(0.01°)下地表溫度與土壤水分數據，觀測深度分別為0～5、10～20、40 cm，觀測間隔為0.5 h；由于是熱紅外遙感只能監測地表表層的溫度變化，選取2012年1月—2014年12月土壤深度為0～5 cm的土壤溫度數據用于FY-3B/VIRR地表溫度產品的驗證分析[16]。

由于地面觀測站分布較為分散，FY-3B/VIRR地表溫度產品的空間分辨率為1 km，在其單個像元內最多有一個觀測站。為減小由觀測站點與地表溫度產品之間空間尺度差異引起的誤差，選取位于地勢平坦、坡度較小、且周圍地表覆蓋類型均一的觀測站，并取地表溫度月平均值進行對比分析。選取站點所處區域坡度小于3°的站點觀測值作為驗證值，共選取27個地面觀測站，如圖1中紅色站點，站點基本信息如表1所示。

表1 站點基本信息表

1.2.2 FY-3B/VIRR地表溫度產品

風云三號B星是中國自主研制的新一代太陽同步軌道氣象衛星，也是中國第二代極軌氣象衛星的第二顆衛星，于2010年11月5日在太原發射。其搭載的可見光紅外掃描輻射計(Visible and Infra-Red Radiometer,VIRR)，探測光譜范圍 為0.43～12.5 μm，可以對地表溫度、植被、泥沙等進行探測[13-14]。

FY-3B/VIRR地表溫度產品是在Becker地表溫度反演算法的基礎上，結合Becker & Li模型，由半經驗局部分裂窗算法反演得到，其算法具有適用范圍廣且簡單易行等特點[15-17]。FY-3B/VIRR地表溫度產品可以提供日尺度下白天與夜間地表溫度，空間分辨率為1 km，采用Hammer投影方式。本研究采用2012年1月至2014年12月日尺度下，白天與夜間地表溫度產品進行分析。數據由中國氣象數據網(http://data.cma.cn)。

2 研究方法

為了客觀評價FY-3B/VIRR地表溫度產品，以地面觀測數據作為地物實際溫度數據，以MODIS地表溫度產品作為輔助數據，對進行對比分析，通過均方根誤差(Root Mean Squard Error，RMSE)、決定系數(R2)等統計指標進行分析[18-20]。

RMSE為觀測值與真實值偏差的平方和觀測次數比值的平方根，衡量觀測值與真實值之間的偏差。其數學表達示為：

(1)

R2取值范圍為[0,1],一般來說，R2值越大，表示擬合效果越好。如果R2=0，說明擬合效果很差;如果R2=1，說明模型沒有錯誤。其數學表達示為：

(2)

3 結果分析

3.1 FY-3B/VIRR地表溫度產品與地面觀測數據驗證分析

選取TP-SMTMN觀測網中，地面坡度小3°的觀測站的月平均地表溫度數據進行分析，與FY-3B/VIRR地表溫度月平均地表溫度的R2與RMSE值的分布圖如圖2所示。與地面觀測站的R2的平均值為0.56，RMSE的平均值為5.57 K。其中，在L16站的R2值最大(0.7)，RMSE值為4.3 K，具有較好的精度。與其他站點相比，L16站處于河谷地區，地勢較為寬闊平坦，地表覆蓋類型較為一致，區域地表溫度變化較小。同時，R2的最小為0.43，位于L36站，RMSE值最大值為6.8 K,位于L06站，該兩站點所處區域坡度較大，分別為2.8°與3°，因此，觀測站點所處區域周圍環境的不一致性，區域地表溫度有較大差異，可能會引起地面觀測值與FY-3B/VIRR地表溫度之間誤差。

圖2 2012—2014年FY-3B/VIRR地表溫度與 地面觀測值的R2與RMSEFig.2 R2 and RMSE of FY-3B/VIRR surface temperature and ground-based observation from 2012 to 2014

圖3為2011—2014年地面觀測站點平均值與對應像元的FY-3B/VIRR地表溫度的平均值的散點圖，據圖可知，地面觀測數據與FY-3B/VIRR地表溫度決定系數為0.56，RMSE值為5.47 K,FY-3B/VIRR地表溫度值大于地面觀測值。

圖3 FY-3B/VIRR地表溫度產品與地面觀測所有站點 均值散點圖Fig.3 Scatter plot of FY-3B/VIRR surface temperature products and mean values of all ground observation sites

3.2 時間序列分析

將2012年1月—2014年12月 FY-3B/VIRR地表溫度產品與地面觀測數據的時間序列進行對比(如圖4所示)，由圖4可知，FY-3B/VIRR地表溫度產品與地面觀測數據變化趨勢一致，6—9月地表溫度值高，12—3月地表溫度值低。2012—2014年，那曲市多年平均地溫為272.89K，最高年均地溫為273.29 K(2014年)，最低年均地溫為272.60 K(2013年)。地表溫度年際變化較小，最大溫差為0.69 K；此外，地溫具有明顯的季節變化趨勢，如表2所示，夏季地表溫度較高，秋冬季逐漸降低，那曲市2012—2014年春季地溫均值為272.16 K，夏季地溫均值為280.77 K，秋季地溫均值為274.24 K，冬季地溫均值為263.91 K；2012年7月達到月均最高地溫為284.06 K，2013年12月達到月均最低地溫為258.92 K。但在FY-3B/VIRR地表溫度在6—9月地表溫度值高于地面觀測值，尤其是在2013年與2014年。經過分析，引起誤差的原因一方面是由FY-3B/VIRR地表溫度產品采用植被覆蓋度法估算地表比輻射率，在植被生長茂盛的6—9月，植被覆蓋度大，地表溫度反演值偏小，而在冬季，進入冰凍期，土壤中水分以固態形式存在，地表比輻射率估算存在一定誤差。另一方面， 在植被生長茂盛的6—9月份，FY-3B/VIRR觀測的為上層植被溫度，而地面觀測站為植被覆蓋下土壤0～5cm深度的溫度，下層土壤溫度會低于上層植被的溫度，造成FY-3B/VIRR地表溫度產品的像元值高于地面觀測值。

圖4 2012年1月—2014年12月那曲市地表溫度時間序列圖Fig.4 Time series ofland surface temperature in Naqu city from 2012 to 2014

表2 2012.1—2014.12那曲市不同季節地表溫度表

綜合以上分析，FY-3B/VIRR地表溫度產品與地面觀測值變化趨勢一致，但FY-3B/VIRR地表溫度比地面觀測值偏高，尤其是在植被覆蓋區域。

3.3 那曲市地表溫度空間分布特征

由表2中可以看出年2012年1月—2014年12月FY-3B/VIRR地表溫度產品那曲地區平均地表溫度相差不大，最大溫差為0.69 K。2012—2014年年平均溫度分布如圖5所示。

(a) 2012

由圖5可以看出，2012—2014年地表溫度分布相似，呈現南部溫度高，北部溫度低，中部區域形成一條由西部至中東部的高溫帶， 尤其是在2012年與2014年。那曲北部屬唐古拉山區域，西北部海拔較高，溫度較低；中部屬高原丘陵地形，相較于東部地區，中部植被覆蓋稀少，植物蒸騰作用弱，年平均地表溫度偏高；東部屬高原山地，南部屬藏北高原與藏東高山峽谷交匯地帶，東部地區在夏季7、8月份植被生長較為茂盛，如圖6中，2012—2014年7月份東部區域NDVI值較大，年平均地表溫度較低。由以上分析可以看出，那曲地區地表溫度整體呈現由北到南逐漸升高的格局。

(a) 2012

在2012—2014年間，那曲地表溫度總體略微升高，中部地區溫度變化較大。結合那曲地區內安多、班戈、申扎、那曲、索縣和嘉黎等6個氣象站點(如圖1中所示)的氣溫、降水以及日照時長等地面觀測數據(如表3)進行分析。

表3 那曲市2012—2014年氣象站點統計值表

由表3中可以看出，相較于2012年，2014年各氣象站點年平均氣溫升高了0.64℃，全年累計降水量均值減少了7 mm,各氣象站點全年累計日照時數均值減少了526.32 h。各氣象站點氣溫的升高，全年累計日照時長以及全年累計降水量的減少。

4 結束語

地表溫度是地學研究中的一個重要參量，是全球變化研究中的關鍵參數，對水文、生態、環境研究具有重要意義。由于那曲地區的特殊性，氣象站臺稀少且分布不均勻，數據獲取困難，無法為環境等研究提供良好的數據。伴隨著遙感技術的發展，FY3B/VIRR地表溫度產品為區域地表溫度監測提供了重要的數據支持。結合地面觀測數據，對2012年1月—2014年12月FY-3B/VIRR地表溫度產品在那曲地區精度分析，評價其在該地區的適用性及地表溫度時空分布特征，結果表明：

(1) FY-3B/VIRR地表溫度產品與地面觀測站觀測值的決定系數大多在0.5以上，兩者值具有較好的相關性，但FY-3B/VIRR地表溫度高于地面觀測值，RMSE值小于7 K。FY-3B/VIRR地表溫度主要監測表層土壤與上層植被的溫度，地面觀測值為0～5 cm土壤溫度的觀測值，尤其是在6—9月，植被生長茂盛時期，上層植被層溫度往往會高于0～5 cm深度的土壤溫度。同時，地面監測站觀測值與區域地表溫度的尺度差異也是引起誤差較大的一個因素。

(2) 2012年1月—2014年12月那曲地區地表溫度年際變化較小，中部變化較大；季節變化明顯，夏季地表溫度較高，秋冬季較低。那曲地區地表溫度西高東低、北低南高，整體呈現由北到南逐漸升高的格局。

隨著風云系列衛星的完善，傳感器性能的提高，以及地表溫度反演算法與驗證方法的完善，風云三號地表溫度產品可以為區域及全球環境監測提供更加精確的數據支持。