团队CARE产品新成果：我国风云3E黎明星全球云检测算法研究
2023-08-30
团队研制的云遥感、大气辐射与再生能源（CARE，http://www.slrss.cn/care）及模拟器又新增了国产风云3E黎明星卫星云检测新算法。近日，电气与电子工程师协会IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）旗下期刊Transactions on Geoscience and Remote Sensing发表了以中国科学院空天信息创新研究院和国家卫星气象中心合作的论文“A Cloud Detection Algorithm for Early Morning Observations from the FY-3E Satellite”。该研究基于世界上首颗晨昏观测极轨气象卫星FY-3E观测数据，实现了全球范围晨昏时刻、复杂陆表背景下的云检测。
FY-3E黎明星是我国第二代极轨气象卫星风云三号序列的第五颗卫星，于2021年发射、2022年投入业务运行，主要用于全球环境监测、全球数值天气预报和空间环境监测业务。它与FY-3F和FY-3D三星组网，填补了上、下午极轨卫星观测轨道时空间隙。FY-3E搭载了11台套仪器，其中的中分辨率光谱成像仪（微光型）MERSI-LL（Medium Resolution Spectral Imager-Low Light）配置有1个微光通道、6个红外通道和1个可见光试验通道，可为整颗卫星的仪器同步提供云检测支持。
云检测是定量遥感产品处理的基础，黎明星云检测的难点在于同传统上午、下午过境卫星相比，观测光照条件差、可用通道信息少、图像内亮暗目标能量差异大，高精度全球云检测算法挑战极高。合作团队利用FY-3E/MERSI-LL晨昏轨道红外观测数据，结合海表温度、陆表温度、冰雪掩码、地形高程等辅助数据，研发了一种适用于晨昏观测时段和复杂陆表等背景下的动态阈值云检测方法，实现了全球范围的云、可能云、晴空、可能晴空四类目标检测，如图1-2所示。基于Himawari-8和GOES-16东、西半球的云产品，以及地面站点MPLCMASK产品，开展了不同地区的云检测验证，如图3所示。结果表明：算法能检测出的云分布合理；在低中纬度地区(60°N-60°S)，各季节平均的云与晴空命中率RH分别为73.24%和76.46%，遗漏率LR与虚警率FAR分别为14.46%和8.15%，总体准确率ACC(云和晴空)为77.33%；算法在海上的性能优于陆地。该算法为完全基于红外观测开展晨昏时段云检测提供了借鉴，也为云辐射强迫和气候研究与监测提供了重要的数据支持。完善和丰富了我国现有的气象业务观测产品体系，助推我国气象事业现代化建设发展。
安妮博士为第一作者，尚华哲助理研究员、胡斯勒图研究员为论文通讯作者，合作作者包括团队石崇研究员，国家卫星气象中心的郑照军副研究员、徐娜研究员、陈林研究员、张鹏研究员等。该研究得到国家杰出青年科学基金项目、中国科学院青年创新促进会项目、国家自然科学基金项目、风云应用开拓项目的大力支持。
图1 不同季节(2021年9月10日和12月11日，2022年3月10日和7月10日)FY-3E上升(右)/下降(左)全球云检测结果。
图2 FY-3E云检测结果(CM)与Himawari-8/AHI 10.4μm亮温图像对比（UTC: 20220508）。
图3 FY-3E云检测与Himawari-8云产品在海洋和陆地的ACC验证结果（2021年9月和12月以及2022年3月和7月，日均约30景影像数据）。
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