风云三号（FY-3）/中分辨率光谱成像仪（MERSI）弱信号海洋水色通道的替代定标

《Atmospheric and Oceanic Science Letters》：Vicarious calibration of the weak-signal ocean color channels for the Fengyun-3/MERSI sensors

　　

海洋水色（OC）遥感在评估全球海洋初级生产力方面发挥关键作用。然而，OC卫星传感器受到星上定标精度不足的严重制约，这会给反演得到的OC产品引入不确定性。由于归一化离水辐亮度（Lwn）信号较弱，仅约占大气顶层（TOA）总辐射的10%，大气校正的内在困难进一步加剧了这一挑战。此外，为满足中国风云三号系列卫星所载中分辨率光谱成像仪（MERSI）的OC观测精度要求，需要建立一种基于传感器特定光谱响应特征的辐射定标模型。为解决上述问题，研究人员针对FY-3D和FY-3F的MERSI传感器开发了一种替代定标方法。该方法将现场实测Lwn与辐射传输建模相结合，通过精确表征大气组分以及由现场观测导出的海洋贡献来模拟TOA反射率。定标系数通过将模拟TOA反射率与卫星观测结果进行回归获得。随后，对替代定标后的遥感反射率（Rrs）反演性能进行了评估。结果表明，FY-3D传感器在蓝光波段中的辐射偏差表现为低估，而FY-3F传感器表现为高估，上述偏差在定标后得到校正。经定标后的Rrs反演结果在开阔海域与中分辨率成像光谱仪（MODIS）海洋水色产品表现出较高的时空一致性。利用AERONET-OC数据验证发现，412、443和490 nm波段的Rrs在替代定标后均得到改善，其均方根误差（RMSE）分别降低74%、74%和49%，且负值Rrs现象被消除。

该文发表于《Atmospheric and Oceanic Science Letters》，聚焦风云三号FY-3D与FY-3F卫星搭载中分辨率光谱成像仪（MERSI）海洋水色通道的替代定标问题，核心目标是提高弱海洋信号条件下海洋水色参数反演的辐射精度。海洋水色遥感对于海洋碳汇评估、初级生产力估算以及海洋生态环境监测具有基础性意义，但这类遥感反演面临一个长期存在的技术瓶颈，即卫星在大气顶层（TOA）接收到的辐射中，真正来自海水后向散射的海洋信号仅占很小比例，而绝大部分辐射由瑞利散射、气溶胶散射以及其多次散射过程主导。在这种背景下，任何轻微的传感器辐射定标误差都可能在大气校正（AC）过程中被放大，进而显著影响归一化离水辐亮度（Lwn）与遥感反射率（Rrs）的反演质量。尤其对于蓝光波段，由于信号更弱、对大气校正更敏感，其误差更容易表现为Rrs偏低甚至出现负值，因此开展针对FY-3/MERSI海洋水色通道的替代定标研究具有明确的现实必要性。

目前该领域的关键问题主要体现在三个方面。其一，海洋水色传感器的星上辐射定标精度有限，难以完全满足海洋弱信号定量化遥感需求。其二，传统替代定标高度依赖大气校正过程，而大气校正又受气溶胶模型、散射参数化、水体光学模型以及偏振辐射等多因素影响，任何环节的不确定性都可能传递至最终产品。其三，FY-3系列MERSI具有自身的光谱响应特性与信噪比（SNR）特征，不能简单沿用其他国际海洋水色传感器的经验模型，必须构建适用于本传感器的专门替代定标框架。研究人员因此提出并验证了一套面向FY-3D/MERSI-II与FY-3F/MERSI-III海洋水色通道的替代定标方案，以解决传感器在轨辐射偏差问题，并提高海洋水色产品反演的可信度。研究结论表明，该方法能够有效校正FY-3D在蓝光通道中的低估偏差以及FY-3F在可见光通道中的轻微高估偏差，从而显著提升Rrs产品质量。这一成果的重要意义在于，它为FY-3系列卫星海洋水色数据的业务化定量应用提供了辐射一致性基础，也说明基于辐射传输模型的大气校正框架能够支撑国产海洋水色传感器达到较高精度水平。

研究人员采用的主要技术方法可以概括为以下几个方面。首先，以AERONET-OC（海洋水色自动观测气溶胶机器人网络）和MOBY（Marine Optical Buoy，海洋光学浮标）提供的高精度现场Lwn数据作为替代定标与验证基础，并结合OMI/Aura的臭氧总量产品（OMTO3）和对流层NO₂总量产品（OMNO2d）估算气体透过率。其次，基于CARE-RTM辐射传输模型预计算瑞利散射和气溶胶散射查找表（LUT），并纳入偏振辐射、大气透过率、海表镜面反射、白帽效应及双向反射分布函数（BRDF）影响，构建TOA反射率模拟体系。再次，通过将模拟TOA反射率与MERSI观测TOA反射率进行线性回归求取替代定标系数k_v，并在2019—2022年AERONET-OC与MOBY站点严格质量控制的匹配样本上进行评估。对于验证环节，研究还使用MODIS海洋水色产品和AAOT站点数据，在Case 1寡营养—中营养海域中检验Rrs精度。

在研究结果部分，论文首先讨论了气溶胶模型对模拟TOA反射率的影响。研究人员构建了9种不同细模态占比的气溶胶模型，并进一步建立了两类专用查找表：适用于非吸收或弱吸收气溶胶的LUT-A，以及考虑气溶胶吸湿增长的LUT-B。结果显示，在相同气溶胶光学厚度（AOT）条件下，LUT-B给出的TOA反射率整体低于LUT-A；同时，当波长短于670 nm时，TOA反射率对细模态气溶胶比例增加高度敏感。该结果说明，在海洋水色通道尤其是短波可见光波段中，气溶胶性质的刻画对大气校正和替代定标精度具有决定性影响，也为后续筛选适用于FY-3/MERSI的气溶胶模型奠定了依据。

在“替代定标系数反演与TOA误差比较”部分，研究人员依据大气校正框架，通过最小化模拟TOA反射率与FY-3/MERSI观测TOA反射率之间的标准差来识别最优非吸收或弱吸收气溶胶模型，随后利用对应反射率对的线性回归确定k_v。结果表明，FY-3D/MERSI除865 nm外，各通道k_v均小于1，说明其TOA反射率整体存在轻微低估；在可见光通道中，随波长增加，定标后误差总体减小，555 nm通道的k_v最接近1，而412 nm通道不确定性最高，定标后RMSE为0.0179。近红外波段的k_v更稳定，定标后误差也更小。对于FY-3F/MERSI，由于在轨运行时间较短且AERONET-OC数据发布时间滞后，可用于定标的有效匹配样本较少，但其替代定标结果仍显示FY-3F观测TOA反射率与辐射传输模拟结果高度一致，相关系数R均大于0.90；412—555 nm波段的k_v略大于1，并且整体比FY-3D更接近1，表明FY-3F本身具备更优的辐射测量性能，但可见光通道仍存在轻微高估。

在“替代定标对Rrs反演的影响”部分，研究重点评估了定标后FY-3D数据在美国东海岸Case 1清洁海域中的表现。结果显示，经过替代定标的FY-3D Rrs与MODIS海洋水色产品在空间分布上具有优异一致性，各通道均取得较低RMSE，说明替代定标能够有效纠正FY-3D固有的辐射测量偏差，尤其能够缓解412 nm和443 nm蓝光波段因低信噪比引起的误差。这一结果证明，经替代定标后的FY-3D数据已具备在清洁海洋环境中开展定量应用的可靠性。

在“基于AAOT站点的可见光通道验证”部分，研究人员利用2020—2022年的匹配数据对FY-3D/MERSI可见光波段Rrs进行验证，并选取叶绿素a浓度低于1.0 mg m^?3的寡营养—中营养Case 1海域，以尽量减少双向效应干扰。AAOT作为国际海洋水色定标研究中长期使用的高质量沿海观测站点，为评价结果提供了可靠基准。验证结果表明，412—670 nm各通道的Rrs在替代定标后精度均有提升，其中蓝光波段改善最为显著：412、443和490 nm通道的RMSE分别下降74%、74%和49%。这一结果直接表明蓝光通道对大气校正最为敏感，也最能从替代定标中获益。此外，412 nm和443 nm通道中原先较常出现的负值Rrs在校正后被有效消除，说明替代定标显著改善了短波段反演的不稳定性。相较之下，555 nm通道定标前已具有较高辐射精度，因此校正前后变化较小，这与其k_v接近1的结果一致。

在“结果讨论”部分，论文指出，本研究建立的是FY-3D/3F MERSI海洋水色通道替代定标的基础框架，其结果证明基于辐射传输模型的大气校正方法能够实现较高精度的Rrs反演，并使FY-3系列传感器在辐射精度上接近国际海洋水色传感器水平。研究同时明确了FY-3D在蓝光波段表现为低估、FY-3F在蓝光波段表现为高估的辐射特征。然而，研究也强调对于光学性质更复杂的Case 2水体，当前方法仍面临挑战。该类水体的固有光学特性（IOPs）会受到叶绿素a、悬浮泥沙和有色可溶性有机物（CDOM）共同影响，且Rrs也随IOPs变化，因此现有框架在复杂近岸或浑浊海域中的适用性仍需进一步检验。论文提出后续可从增加不同水体类型的AERONET-OC站点验证、将框架扩展到Case 2水体以及开展FY-3D/3F时间序列定标系数稳定性分析等方向继续完善，但这些内容仅作为展望而非本研究结论的一部分。

研究结论部分可概括为：本研究构建并验证了适用于FY-3D/3F MERSI海洋水色通道的替代定标框架。该方法基于大气校正体系，将现场Lwn与辐射传输模型推导的大气参数相结合，用于模拟TOA反射率并反演替代定标系数。结果成功量化了FY-3D与FY-3F MERSI在轨辐射特性差异。FY-3D/MERSI在短波可见光通道412、443和490 nm存在系统性低估，而550 nm通道具有较高辐射精度；FY-3F/MERSI在可见光通道表现为轻微高估，即k_v>1，但整体辐射性能优于FY-3D。替代定标后，FY-3D反演的Rrs精度显著提高，在清洁海域与MODIS海洋水色产品具有良好空间一致性。基于AERONET-OC数据的精度评估显示，412、443和490 nm通道的RMSE分别下降74%、74%和49%，短波通道精度提升还有效缓解了负值Rrs长期存在的问题。此外，555 nm通道表现出较高的初始辐射稳定性。总体而言，该研究为FY-3海洋水色数据的高精度反演与业务应用提供了关键的替代定标支撑。