文章标题：An Integrated Framework for Estimating the  All-Sky Surface Downward Longwave Radiation  From FY-3D/MERSI-II Imagery

发表期刊：IEEE GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING LETTERS

在线时间：2025年11月

作    者：

1. 曾琪，讲师，研究方向为地表辐射收支参量的遥感反演、产品评价及其时序分析

2. 张婉春，研究员，研究方向为大气辐射参数反演与应用

3. 程  洁，教 授/博导，长期从事定量遥感与地球辐射平衡研究

作者单位：北京师范大学 遥感与数字地球全国重点实验室；中国气象局 国家卫星气象中心

摘 要

本研究为风云三号D星（FY-3D）搭载的中分辨率光谱成像仪II（MERSI-II）开发了一套全天候地表长波向下辐射（SLDR）估算综合框架。该框架包含晴空SLDR估算的混合方法和基于云底温度（CBT）的单层云模型(SLCM)用于云天SLDR估算。实测站点验证表明：混合方法的偏差/均方根误差为−0.78/21.70 W/m²，CBT-SLCM方法为5.79/23.61 W/m²。全天候SLDR的偏差/均方根误差为3.37/22.93 W/m²。通过将估算的全天候瞬时SLDR与ERA5时序信息结合，采用偏差校正的正弦积分法推导天均SLDR，偏差为0.04 W/m²与均方根误差为16.77 W/m²。这些结果证明了所提框架的稳健性，及其在生成1 km空间分辨率瞬时与天均SLDR产品方面的巨大潜力。

 

研究方法

A.晴天混合方法

针对晴空SLDR，我们采用大气总水汽含量(PWV)、地表上行长波辐射(SLUR)以及MERSI-II通道23（R₂₃）的亮度温度作为输入变量，推导出混合方法。SLUR通过地表温度-宽带发射率（LST-BBE）方法计算，其中LST和BBE数据源自ELITE产品数据集。混合方法的公式如下：

     （1）

B. 云底高度和云底温度的反演

针对云天SLDR估算，我们首先分别开发了独立的LightGBM模型来获取白天和晚上的CBH。具体而言，70%的样本用于训练，剩余30%用于验证。主要超参数（如max_depth、num_leaves、min_data_in_leaf、feature_fraction和learning_rate）通过网格搜索结合十折交叉验证进行优化。CBH可表示为：

       (2)

随后，基于获取的CBH和大气温度廓线，通过线性插值法计算MERSI-II CBT。该方程可表示为：

                    (3)

C. 云天SDLR估算

理论上，多云天空辐射通量（SLDR）包含来自云下大气层和云底向地表的热辐射。SLCM是描述这种辐射传输过程最有效的物理方法之一，其数学表达式可表述为：

               (4)

研究结果

A. MERSI-II全天候SLDR验证

在晴空条件下，来自11个站点的同位样本被划分为70%用于训练，30%用于验证。训练与验证结果如图1所示。训练数据集实现R²值0.89、偏差为零、均方根误差为20.57 W/m²；验证数据集则分别达到0.90、-0.78和21.7 W/m²，表明模型具有良好的泛化能力。这些结果与Cheng等(2005)报道的SLDR验证结果一致。然而模型训练样本量仍显不足，未来研究若能扩大观测站点空间覆盖范围，有望进一步提升模型泛化能力。

Fig. 1. 晴天SLDR训练和验证结果

在云天条件下，我们首先评估了MERSI-II CBH的精度。图2展示了MERSI-II CBH的反演结果。白天时段，训练数据集的估计CBH具有0.96的R²值、bias为0及0.54 km的RMSE，测试数据集则呈现0.89的R²值、bias为0.01 km，同时测试数据集的RMSE为0.86公里。夜间时段，MERSI-II CBH在训练数据集上的R²值为0.99、偏差为0公里、均方根误差为0.25公里；在测试数据集上则呈现R²值0.9、偏差0.02公里、均方根误差0.82公里。需注意夜间CBH样本数量有限会增加模型过拟合风险，可能降低CBH检索精度。此误差可能进一步传导至后续MERSI-II多云天SLDR的估算结果。

Fig. 2. MERSI-II CBH训练和验证金额承受. (a) 和 (b)为白天结果, (c) 和(d)为晚上结果.

图3展示了MERSI-II云天SLDR估算精度。预测的SLDR与地面测量数据高度吻合，相关系数R²为0.90，bias为5.79 W/m²，RMSE为23.61 W/m²。样本点紧密贴合1:1线，表明CBT-SLCM模型在估算MERSI-II云天SLDR方面表现优异。结合经验证的晴空SLDR数据，MERSI-II全天候SLDR估算结果分别达到R²=0.88、bias为3.37 W/m²及RMSE为22.93 W/m²。

Fig. 3. MERSI-II 云天SLDR估算结果 

B. MERSI-II天均SLDR估算

利用瞬时MERSI-II SLDR估算日均SLDR存在挑战，因其每日仅有一次过境观测时间。为克服此局限，我们采用线性正弦插值与积分方法，结合估算的全空域MERSI-II SLDR与ERA5 SLDR时间序列数据推导日均SLDR[47]。值得注意的是，在估算MERSI-II日辐射通量密度前，已对MERSI-II全天空辐射通量密度与ERA5辐射通量密度进行偏差校正。日辐射通量密度的验证结果如图4所示。其R²值达0.92，偏移量为-0.04 W/m²，均方根误差为16.77 W/m²，优于全球尺度验证的ELITE日SLDR精度。由此可见，MERSI-II日SLDR在精度方面具有显著潜力，为构建全球高精度SLDR数据集展现出良好前景。

Fig. 4. MERSI-II 天均SLDR验证结果

论文链接：https://doi.org/10.1109/LGRS.2025.3636236 (点击下载)