地表温度驱动地表-大气热交换过程，是气候变化和地球系统科学等研究中的重要参数，已被世界气象组织列为基本气候变量之一。通过卫星遥感技术，能够以一定的时空分辨率获取区域甚至全球尺度的地表温度数据。AGRI是我国新一代静止卫星首发星FY-4A的主要载荷之一，能够以15分钟完成一次标称圆盘的多光谱成像，是开展区域高频次地表温度监测的可贵数据源。热红外遥感地表温度反演方法发展成熟、精度可靠，但云下地表温度反演无法通过热红外数据实现。

该研究反演了FY-4A/AGRI全天候地表温度，包含基于改进的温度与发射率分离算法的晴天地表温度反演和基于地表能量平衡理论的云天地表温度估算。对于晴天地表温度反演，通过引入大气水汽缩放算法以降低湿热大气条件下因水汽廓线误差带来的不确定性；引入4SAIL模型针对植被覆盖区构建了最大-最小发射率之差模块的经验关系。对于云天地表温度估算，以经过地理加权空间降尺度的陆面模式逐小时假定晴天地表温度为基础，以反演的晴天地表温度为参考对假定晴天地表温度进行累计直方图匹配校正，并在此基础上基于地表能量平衡理论开展昼夜通用的地表温度云天校正，发展了一种在未知全天候上行长波辐射的条件下获取地表温度云天校正项的解析解方法。

图1 基于地表能量平衡理论的FY-4A/AGRI全天候地表温度反演流程图

收集了来自HiWater、CARN和OzFlux的共计15个分布于中国、澳洲地区的地面站点实测数据对反演的FY-4A/AGRI地表温度进行验证。结果表明，FY-4A/AGRI晴空地表温度的Bias（RMSE）在白天和夜晚分别为0.69 K（2.79 K）和-0.26 K（2.01 K）；云天地表温度的Bias（RMSE）在白天和夜晚分别为0.10 K（3.71 K）和-0.20 K（2.73 K）。

图2 FY-4A/AGRI逐小时地表温度地面验证精度。(a) 晴天/白天；(b) 晴天/夜晚；(c) 云天/白天；(d) 云天/夜晚

图3以2019年6月30日为例展示了FY-4A/AGRI逐小时全天候地表温度空间分布，观测圆盘不同区域在一天内主要受日照驱动的地表升温和降温过程被正确描述，也说明了反演的FY-4A/AGRI全天候地表温度在捕捉地表温度日变化方面的优势。

图3 FY-4A/AGRI逐小时地表温度空间分布变化

本研究对FY-4A/AGRI首次实现了完整的全天候地表温度反演并取得了良好的精度，其中创新性地提出了未知云天上行长波辐射条件下地表能量平衡方程中由云引起的地表温度变化量的一元四次解析解方法，对其他静止卫星数据具有一定的推广应用价值。

研究成果获得国家自然科学基金42071308，42192580，42192581和42090012项目的资助，以“Estimating Hourly All-Weather Land Surface Temperature From FY-4A/AGRI Imagery Using the Surface Energy Balance Theory”为题发表于IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing杂志（https://doi.org/10.1109/TGRS.2023.3254211）。