针对所有光学水类别中非水成分的OLCI（Ocean Light Color Index）吸收系数的评估

《Frontiers in Remote Sensing》：Assessment of OLCI absorption coefficients for non-water components across all optical water classes

海洋光学特性参数评估：基于Sentinel-3 OLCI卫星的全球验证与国际比较。研究通过超过5500个现场匹配数据集，评估了EUMETSAT OLCI推出的四个吸收系数产品（a_nw、a_phy、a_cdm、a_cdom）在8个波段（400-665 nm）的性能。结果显示，443 nm波段a_nw（相关系数0.86，均方根误差30%）表现最佳，a_cdom（相关系数0.69，均方根误差51%）最差。560-665 nm波段性能显著下降，相关系数低于0.5。国际比较表明，EUMETSAT与NASA产品在443 nm波段高度一致（相关系数0.68-0.86），但OCCCI和GlobColour存在系统性偏差（均方根误差达40%-60%）。研究证实算法在复杂水体（OWC1-2）和开放海洋（OWC13-17）中的适用性，并建议改进高纬度数据质量与多光谱卫星验证。

　　科学家们近期利用欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）为欧洲委员会（EC）哥白尼计划开发的新产品，对Sentinel-3（S3）海洋和陆地颜色成像仪（OLCI）的水体固有光学特性（IOPs）进行了全面评估。这些产品包括对所有非水成分的吸收系数（a?w）、浮游植物的吸收系数（a?hy）、有色悬浮物和溶解物的吸收系数（a?cd）以及来自OLCI 443纳米波段的有色溶解有机物（CDOM）吸收系数（a?cdom）。研究团队使用了覆盖全球所有光学水体类别的大量、广泛且综合的现场观测数据集，评估了这些产品在Sentinel-3任务前7年的表现。结果表明，这四种OLCI吸收系数产品在所有水体类型中均表现出稳健的性能，其对数相关系数（R????）在0.68至0.86之间，而所有水体类型的中位数绝对百分比偏差（MAPD）则在30%至51%之间。这些性能在443纳米波段和400、412、490及510纳米波段中表现一致。

然而，研究还发现，在560、620和665纳米波段中，这些产品的表现较差，尤其是a?cd（λ）的性能最弱，而a?w（λ）和a?hy（λ）则相对较强。总体而言，a?w（λ）在不同水体类别中的表现最为稳定，而a?cd（λ）则在某些复杂水体中表现较差。研究进一步确认了这些产品在欧洲海域的现场验证结果的一致性，同时提出了针对全球范围内的长期和空间一致性评估。通过将2019年的a?hy（443）和a?cd（443）数据与现有的操作性产品进行对比，研究发现所有产品在它们的平均中位数值和整体区域分布以及季节变化方面表现出良好的一致性。

在实际应用中，EUMETSAT的操作性处理系统现在能够提供Sentinel-3 OLCI的吸收系数产品，包括a?hy（443）、a?w（443）、a?cd（443）和a?cdom（443）。本研究确认了这些产品的有效性，并进一步验证了EUMETSAT算法在蓝绿光谱范围内的能力，这对于未来新发射的高光谱卫星任务具有重要的应用潜力。

为了确保这些产品在各种水体条件下的可靠性，研究团队采用了两种主要方法进行验证。首先，他们将OLCI的全分辨率（FR）产品与全球范围内的现场观测数据集进行了比对，这些数据覆盖了不同光学水体类别，包括清澈水体和光学复杂水体。其次，他们对每月9公里网格化的OLCI减少分辨率（RR）产品进行了与其他任务产品的交叉对比，以评估其在时间和空间上的稳定性。

现场验证数据集包括从公开来源和新采集的数据中整合而成，覆盖了全球范围内的海洋、沿海和内陆水域。数据集包含了来自多个研究机构和测量项目的数据，如Alfred Wegener研究所（AWI）和希腊海洋研究所以及多个国际数据平台，如SeaWiFS生物光学档案与存储系统（SeaBASS）、PANGAEA和澳大利亚开放海洋数据门户（AODN）。这些数据集提供了超过1,000个现场观测点，用于评估OLCI吸收系数产品在不同波段和水体类别中的表现。此外，研究还考虑了现场数据的不确定性，通过分析不同数据集的不确定性，确保了验证结果的准确性。

对于不同波段的吸收系数产品，研究团队使用了多种统计指标进行评估，包括相关系数（R????）、斜率（S????）、截距（I????）、中位数偏差（MD）和中位数绝对偏差（MAD）以及中位数百分比偏差（MPD）和中位数绝对百分比偏差（MAPD）。这些指标帮助研究团队理解产品在不同水体类别中的表现，并评估其与现场数据的一致性。结果表明，对于443纳米波段，所有四种吸收系数产品均表现出良好的一致性，其中a?w（443）的性能最佳，其MAPD为30%，而a?cd（443）和a?cdom（443）的偏差较大，MAPD分别为51%和40%。相比之下，a?hy（443）表现出较低的偏差，其MAPD为40%，且无明显偏倚。

在其他波段中，如400、412、490和510纳米，a?w（λ）的性能与443纳米波段相似，而a?cd（λ）和a?cdom（λ）的性能则相对较低。此外，研究还发现，在某些水体类别中，如极地和高纬度地区，OLCI吸收系数产品可能存在异常值或高偏差，这可能是由于大气校正过程引入的不确定性所致。因此，研究建议对这些区域的校正方法进行优化，以提高产品在高纬度和高太阳天顶角条件下的准确性。

研究团队还进行了全球范围内的产品对比，将EUMETSAT的OLCI产品与其他任务的产品（如NASA、GlobColour和OCCCI）进行了比较。结果显示，EUMETSAT的OLCI产品在443纳米波段与其他产品在整体季节性和区域分布上表现出良好的一致性，但在某些特定区域（如高纬度）可能存在一些偏差。这些结果为EUMETSAT在2024年2月将这些产品纳入操作性处理提供了有力支持。

研究还指出，尽管这些产品在某些波段表现良好，但在560、620和665纳米波段中，其性能较差。这可能与这些波段中特定光学成分的贡献较小有关，导致大气校正的不确定性增加。因此，研究建议对这些波段的算法进行优化，以提高其在不同水体条件下的适用性。

此外，研究团队还发现，这些产品在不同水体类别中的表现存在差异。例如，在光学复杂水体类别（OWC 1-2）中，a?cd（λ）和a?cdom（λ）的偏差较大，而在寡营养水体类别（OWC 9-17）中，a?w（λ）和a?hy（λ）的偏差较小。这些发现有助于理解不同水体类别对产品性能的影响，并为未来的算法优化提供了方向。

综上所述，本研究通过全球范围的现场数据验证和与其他任务产品的对比，确认了EUMETSAT OLCI吸收系数产品的有效性，并提出了进一步优化算法和提高数据质量的建议。这些结果不仅为当前的卫星数据处理提供了支持，也为未来高光谱卫星任务的数据分析奠定了基础。