FY-3B/VIRR地表温度产品那曲地区适用性分析

王艳丽，宋承运，2*

(1.安徽理工大学 空间信息与测绘工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 矿山采动灾害空天地协同监测与预警安徽普通高校重点实验室,安徽 淮南 232001)

0 引言

地表温度(Land Surface Temperature,LST)是地球表面能量平衡和温室效应一个很好的指标，它在气象、水文、环境、生态等众多领域有着广泛的需求[1]。基于热红外遥感数据反演地表温度，可获得大范围空间与时间连续的地表温度，被广泛用于农业监测、环境监测、地表干旱监测及森林火灾监测等领域[2]。目前，已经发布的地表温度遥感产品主要有Landsat、MODIS、HIRS、FY系列等地表温度产品，其中，风云系列卫星提供了自2009年以来地表温度产品，可以为区域及全球环境、资源等提供有效的、连续的地表温度数据支持[3]。

由于受到地表温度遥感反演算法、区域地表覆盖类型、地形特征以及气候变化等因素的影响，不同遥感地表温度产品在不同区域的反演精度存在差异[4]，因此，地表温度产品的适用性也成为地表温度遥感产品应用研究的一个重要方面。目前，地表温度遥感产品的验证分析多针对于MODIS地表温度产品。于文凭[5]等以黑河流域为例，结合自动气象站红外辐射温度计数据和长波辐射数据，指出长时间序列的MODIS地表温度产品与夜间长波辐射数据之间的平均绝对偏差小于2.2 ℃；闵文琳[6]等利用青藏高原东侧理塘大气边界层观测站热红外测温仪和长波辐射实测数据，验证MODIS地表温度产品适用性，指出夜间地表温度相关性大于白天；王圆圆[7]等以西藏林芝地区为例，通过多点同时观测结合面积加权的方法验证MODIS地表温度产品混合像元精度，均方根误差为1.4 K；王之夏[8]等从单点、区域、模型3个方面验证了MODIS地表温度产品在青藏高原地区的适用性，指出该产品与地面观测数据时间序列变化一致，二者暖季比冷季差异大且相关系数小。国产风云三号卫星搭载的可见光红外扫描辐射计(Visible and Infra-Red Radiometer,VIRR)反演的地表温度产品FY-3B/VIRR地表温度产品的验证分析，及适用性评价较少。

为进一步分析FY-3B/VIRR地表温度产品的适用性，以那曲地区为研究区，利用2012年1月至2014年12月青藏高原那曲地区土壤水分观测网的地面实测数据，评价了FY-3B/VIRR地表温度产品的精度，并分析了研究期内那曲地区地表温度的时空分布特征。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域

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之间(如图1所示)。那曲市境内多山，面积42万平方公里，平均海拔4 500 m以上，地处西藏北部的唐古拉山脉、念青唐古拉山脉以及冈底斯山脉之间，地形地貌复杂，北部为高原山川地形，东部为高原山地，南部为藏北高原与藏东高山峡谷的交汇地带。那曲市为典型的亚寒带气候区，高寒缺氧，气候恶劣，风沙较大，分为干、湿两季，冬季干燥少雨，夏季温和湿润。年均温度0 ℃左右,年相对湿度为48%～51%，年降水量380 mm。那曲市水资源多样，湖泊众多，是长江和怒江的源头，境内也交错分布着大大小小的支流，如那曲河，青藏四大名湖之一纳木错也分布于此地[9-11]。

图1 那曲市范围及TP-SMTMN地面观测网站点分布Fig.1 Map of Naqu city and the distribution of TP-SMTMN ground observation sites

1.2 数据

1.2.1 地面观测数据

本文所用的地面观测数据来源于第三极地区土壤水分/温度监测网(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区(如图1中黑色框所示)，海拔4 470～4 950 m，监测范围可达10 000 km2，地面相对平坦，地表覆盖类型单一，多为草地覆盖，且生物量低，是监测土壤温度的适宜区域。

TP-SMTMN提供大尺度(1°)、中尺度(0.3°)、小尺度(0.01°)下地表温度与土壤水分数据，观测深度分别为0～5、10～20、40 cm，观测间隔为0.5 h；由于是热红外遥感只能监测地表表层的温度变化，选取2012年1月—2014年12月土壤深度为0～5 cm的土壤温度数据用于FY-3B/VIRR地表温度产品的验证分析[16]。

由于地面观测站分布较为分散，FY-3B/VIRR地表温度产品的空间分辨率为1 km，在其单个像元内最多有一个观测站。为减小由观测站点与地表温度产品之间空间尺度差异引起的误差，选取位于地势平坦、坡度较小、且周围地表覆盖类型均一的观测站，并取地表温度月平均值进行对比分析。选取站点所处区域坡度小于3°的站点观测值作为验证值，共选取27个地面观测站，如图1中红色站点，站点基本信息如表1所示。

表1 站点基本信息表

1.2.2 FY-3B/VIRR地表温度产品

风云三号B星是中国自主研制的新一代太阳同步轨道气象卫星，也是中国第二代极轨气象卫星的第二颗卫星，于2010年11月5日在太原发射。其搭载的可见光红外扫描辐射计(Visible and Infra-Red Radiometer,VIRR)，探测光谱范围 为0.43～12.5 μm，可以对地表温度、植被、泥沙等进行探测[13-14]。

FY-3B/VIRR地表温度产品是在Becker地表温度反演算法的基础上，结合Becker & Li模型，由半经验局部分裂窗算法反演得到，其算法具有适用范围广且简单易行等特点[15-17]。FY-3B/VIRR地表温度产品可以提供日尺度下白天与夜间地表温度，空间分辨率为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，白天与夜间地表温度产品进行分析。数据由中国气象数据网(http://data.cma.cn)。

2 研究方法

为了客观评价FY-3B/VIRR地表温度产品，以地面观测数据作为地物实际温度数据，以MODIS地表温度产品作为辅助数据，对进行对比分析，通过均方根误差(Root Mean Squard Error，RMSE)、决定系数(R2)等统计指标进行分析[18-20]。

RMSE为观测值与真实值偏差的平方和观测次数比值的平方根，衡量观测值与真实值之间的偏差。其数学表达示为：

(1)

R2取值范围为[0,1],一般来说，R2值越大，表示拟合效果越好。如果R2=0，说明拟合效果很差;如果R2=1，说明模型没有错误。其数学表达示为：

(2)

3 结果分析

3.1 FY-3B/VIRR地表温度产品与地面观测数据验证分析

选取TP-SMTMN观测网中，地面坡度小3°的观测站的月平均地表温度数据进行分析，与FY-3B/VIRR地表温度月平均地表温度的R2与RMSE值的分布图如图2所示。与地面观测站的R2的平均值为0.56，RMSE的平均值为5.57 K。其中，在L16站的R2值最大(0.7)，RMSE值为4.3 K，具有较好的精度。与其他站点相比，L16站处于河谷地区，地势较为宽阔平坦，地表覆盖类型较为一致，区域地表温度变化较小。同时，R2的最小为0.43，位于L36站，RMSE值最大值为6.8 K,位于L06站，该两站点所处区域坡度较大，分别为2.8°与3°，因此，观测站点所处区域周围环境的不一致性，区域地表温度有较大差异，可能会引起地面观测值与FY-3B/VIRR地表温度之间误差。

图2 2012—2014年FY-3B/VIRR地表温度与 地面观测值的R2与RMSEFig.2 R2 and RMSE of FY-3B/VIRR surface temperature and ground-based observation from 2012 to 2014

图3为2011—2014年地面观测站点平均值与对应像元的FY-3B/VIRR地表温度的平均值的散点图，据图可知，地面观测数据与FY-3B/VIRR地表温度决定系数为0.56，RMSE值为5.47 K,FY-3B/VIRR地表温度值大于地面观测值。

图3 FY-3B/VIRR地表温度产品与地面观测所有站点 均值散点图Fig.3 Scatter plot of FY-3B/VIRR surface temperature products and mean values of all ground observation sites

3.2 时间序列分析

将2012年1月—2014年12月 FY-3B/VIRR地表温度产品与地面观测数据的时间序列进行对比(如图4所示)，由图4可知，FY-3B/VIRR地表温度产品与地面观测数据变化趋势一致，6—9月地表温度值高，12—3月地表温度值低。2012—2014年，那曲市多年平均地温为272.89K，最高年均地温为273.29 K(2014年)，最低年均地温为272.60 K(2013年)。地表温度年际变化较小，最大温差为0.69 K；此外，地温具有明显的季节变化趋势，如表2所示，夏季地表温度较高，秋冬季逐渐降低，那曲市2012—2014年春季地温均值为272.16 K，夏季地温均值为280.77 K，秋季地温均值为274.24 K，冬季地温均值为263.91 K；2012年7月达到月均最高地温为284.06 K，2013年12月达到月均最低地温为258.92 K。但在FY-3B/VIRR地表温度在6—9月地表温度值高于地面观测值，尤其是在2013年与2014年。经过分析，引起误差的原因一方面是由FY-3B/VIRR地表温度产品采用植被覆盖度法估算地表比辐射率，在植被生长茂盛的6—9月，植被覆盖度大，地表温度反演值偏小，而在冬季，进入冰冻期，土壤中水分以固态形式存在，地表比辐射率估算存在一定误差。另一方面， 在植被生长茂盛的6—9月份，FY-3B/VIRR观测的为上层植被温度，而地面观测站为植被覆盖下土壤0～5cm深度的温度，下层土壤温度会低于上层植被的温度，造成FY-3B/VIRR地表温度产品的像元值高于地面观测值。

图4 2012年1月—2014年12月那曲市地表温度时间序列图Fig.4 Time series ofland surface temperature in Naqu city from 2012 to 2014

表2 2012.1—2014.12那曲市不同季节地表温度表

综合以上分析，FY-3B/VIRR地表温度产品与地面观测值变化趋势一致，但FY-3B/VIRR地表温度比地面观测值偏高，尤其是在植被覆盖区域。

3.3 那曲市地表温度空间分布特征

由表2中可以看出年2012年1月—2014年12月FY-3B/VIRR地表温度产品那曲地区平均地表温度相差不大，最大温差为0.69 K。2012—2014年年平均温度分布如图5所示。

(a) 2012

由图5可以看出，2012—2014年地表温度分布相似，呈现南部温度高，北部温度低，中部区域形成一条由西部至中东部的高温带， 尤其是在2012年与2014年。那曲北部属唐古拉山区域，西北部海拔较高，温度较低；中部属高原丘陵地形，相较于东部地区，中部植被覆盖稀少，植物蒸腾作用弱，年平均地表温度偏高；东部属高原山地，南部属藏北高原与藏东高山峡谷交汇地带，东部地区在夏季7、8月份植被生长较为茂盛，如图6中，2012—2014年7月份东部区域NDVI值较大，年平均地表温度较低。由以上分析可以看出，那曲地区地表温度整体呈现由北到南逐渐升高的格局。

(a) 2012

在2012—2014年间，那曲地表温度总体略微升高，中部地区温度变化较大。结合那曲地区内安多、班戈、申扎、那曲、索县和嘉黎等6个气象站点(如图1中所示)的气温、降水以及日照时长等地面观测数据(如表3)进行分析。

表3 那曲市2012—2014年气象站点统计值表

由表3中可以看出，相较于2012年，2014年各气象站点年平均气温升高了0.64℃，全年累计降水量均值减少了7 mm,各气象站点全年累计日照时数均值减少了526.32 h。各气象站点气温的升高，全年累计日照时长以及全年累计降水量的减少。

4 结束语

地表温度是地学研究中的一个重要参量，是全球变化研究中的关键参数，对水文、生态、环境研究具有重要意义。由于那曲地区的特殊性，气象站台稀少且分布不均匀，数据获取困难，无法为环境等研究提供良好的数据。伴随着遥感技术的发展，FY3B/VIRR地表温度产品为区域地表温度监测提供了重要的数据支持。结合地面观测数据，对2012年1月—2014年12月FY-3B/VIRR地表温度产品在那曲地区精度分析，评价其在该地区的适用性及地表温度时空分布特征，结果表明：

(1) FY-3B/VIRR地表温度产品与地面观测站观测值的决定系数大多在0.5以上，两者值具有较好的相关性，但FY-3B/VIRR地表温度高于地面观测值，RMSE值小于7 K。FY-3B/VIRR地表温度主要监测表层土壤与上层植被的温度，地面观测值为0～5 cm土壤温度的观测值，尤其是在6—9月，植被生长茂盛时期，上层植被层温度往往会高于0～5 cm深度的土壤温度。同时，地面监测站观测值与区域地表温度的尺度差异也是引起误差较大的一个因素。

(2) 2012年1月—2014年12月那曲地区地表温度年际变化较小，中部变化较大；季节变化明显，夏季地表温度较高，秋冬季较低。那曲地区地表温度西高东低、北低南高，整体呈现由北到南逐渐升高的格局。

随着风云系列卫星的完善，传感器性能的提高，以及地表温度反演算法与验证方法的完善，风云三号地表温度产品可以为区域及全球环境监测提供更加精确的数据支持。