基于SEVIRI观测的昼夜反射与温度循环中热斑效应联合分析与建模研究

《Science of Remote Sensing》：JOINT ANALYSIS AND MODELING OF THE HOT SPOT EFFECT FROM THE DIURNAL REFLECTANCE AND TEMPERATURE CYCLES OBSERVED BY SEVIRI

　　本研究针对TRISHNA等热红外遥感任务中由太阳-传感器几何关系引起的热斑效应问题，通过联合分析SEVIRI传感器观测的昼夜反射循环(DRC)和温度循环(DTC)，开发了时间演化核驱动模型(TEKDM)来量化热斑对地表温度(LST)和亮度温度(Tb)的影响。研究发现热斑可导致Tb偏差达3K、LST差异达4°C，强调了在跨站点/季节比较DTC时进行角度效应校正的必要性，为高精度热红外遥感数据应用提供了重要方法论支撑。

　　

在地球观测领域，地表温度(Land Surface Temperature, LST)作为全球气候观测系统(GCOS)认定的基本气候变量，是理解陆-气界面能量分配和物质交换的关键指标。然而，热红外遥感中一个长期被忽视的挑战是方向性效应——特别是当太阳与传感器观测方向重合时产生的"热斑效应"，这种现象会显著改变观测到的辐射信号，给温度反演带来系统性偏差。

随着法国-印度合作的TRISHNA(Thermal infraRed Imaging Satellite for High-resolution Natural Resource Assessment)任务计划于2026年底发射，这一高时空分辨率的热红外卫星将面临更严峻的方向性效应挑战。TRISHNA任务具有±34°的宽视场角，在热带地区活跃生长季节将频繁遭遇热斑效应的影响。因此，深入理解热斑效应如何影响昼夜温度循环(Diurnal Temperature Cycle, DTC)变得尤为重要。

在这项发表于《Science of Remote Sensing》的研究中，由法国图卢兹大学领导的国际团队利用MSG(Meteosat Second Generation)卫星上的SEVIRI(Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager)传感器数据，开展了热斑效应对昼夜反射循环(Diurnal Reflectance Cycle, DRC)和DTC影响的联合分析。SEVIRI每15分钟提供一次观测，其高时间分辨率为研究日尺度上的方向性热变化提供了独特优势。

研究人员采用了多种核驱动模型(Kernel-Driven Models, KDM)与DTC模型耦合的方法，包括Roujean-Lagouarde(RL)模型、Vinnikov模型以及新提出的PR-RL模型等，构建了时间演化核驱动模型(Time-Evolving KDMs, TEKDM)。这些模型被应用于六个具有不同土地覆盖类型的站点，评估光学BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)特征是否能为热红外BRDF行为提供信息，以及方向性效应在多大程度上扭曲了DTC轮廓。

研究团队选取了2023年7月至10月的观测数据，涵盖了秋分时期的热斑高发期。六个研究站点包括法国拉克罗、西班牙特内里费岛、安哥拉、博茨瓦纳、黎巴嫩贝鲁特和突尼斯查尔，代表了从城市建筑用地到常绿针叶林、稀树草原和荒漠等多种土地覆盖类型。通过分析SEVIRI的可见光(0.6μm、0.8μm)、近红外(1.6μm)和热红外(8.7μm、10.8μm、12.0μm)波段数据，结合ERA5-Land再分析资料，研究人员系统评估了热斑对光学和热红外信号的影响。

主要技术方法

研究采用SEVIRI传感器的多光谱观测数据，结合ERA5-Land再分析资料，通过四种核驱动模型(RL、Vinnikov、Vinnikov-RL、PR-RL)与四参数DTC模型的耦合构建TEKDM。利用Python Scipy模块的Levenberg-Marquardt优化算法进行模型反演，评估热斑对昼夜反射和温度循环的影响，并比较不同空间尺度(3km vs 9km)下方向性效应的表现。

热斑对昼夜反射和温度循环的影响特征

光学信号中显著的热斑特征

研究结果显示，在光学域，热斑效应表现为反射率的明显峰值，且该峰值与散射角余弦(cosξ)峰值高度对齐。当cosξ接近1时，即太阳与传感器方向完全重合时，可见光波段(0.6μm)和短波红外波段(1.6μm)的反射率出现显著增强。在安哥拉站点的分析表明，有热斑条件下(9月12日，cosξ=0.9988)的光学信号呈现三角形变化趋势，而无热斑条件(8月6日，cosξ=0.9659)下则呈现经典的钟形曲线。

热红外信号中微妙但重要的热斑影响

与光学信号不同，热红外域的热斑效应更为复杂。研究发现，虽然热斑不会改变DTC的峰值出现时间(仍与太阳正午对齐)，但会显著改变温度曲线的振幅和形态。两个Meteosat卫星(欧洲盘和IODC盘)对同一地点的观测显示，在热斑条件下，亮度温度(Tb)差异可达3K，地表温度(LST)差异高达4°C。这种差异在一天中的大部分时间持续存在，但在正午前后最为明显。

模型性能比较与评估

热红外模型的性能表现

在热红外域，DTC+RL模型和TEKDM模型在捕捉热斑效应方面表现最佳。在安哥拉站点，DTC+RL模型在有热斑条件下的RMSE为0.4101(欧洲盘LST)和0.2636(IODC盘LST)，显著优于传统DTC模型。TEKDM模型虽然参数更多(7个参数)，但在处理复杂角度条件时表现出更好的灵活性。

特别值得注意的是，当热斑峰值与太阳峰值不对齐时(如Meteosat IODC观测)，传统KDM模型难以准确再现DTC形状，而DTC+KDM组合模型则能更好地捕捉这种复杂的角度-时间耦合效应。

光学模型的性能表现

在光学域，简单的两参数指数模型在拟合DRC方面表现出色，其RMSE值在有热斑和无热斑条件下均低于更复杂的KDM模型。例如在安哥拉站点，0.6μm波段的指数模型RMSE为0.0053(无热斑)和0.01(有热斑)，而RL模型的RMSE分别为0.0089和0.0121。

多尺度验证与ERA5-Land对比

通过将SEVIRI的3km分辨率数据聚合到9km分辨率与ERA5-Land对比，研究发现方向性效应在不同空间尺度上保持一致。温度偏差在3km和9km分辨率产品之间较小(RMSE<0.82K)，表明本研究开发的模型在不同空间尺度上均具有适用性。同时，ERA5的2米温度(T2m)与SEVIRI Tb(10.8μm)表现出良好的相关性，为模型参数初始化提供了有价值的先验信息。

研究结论与意义

本研究通过系统分析SEVIRI观测数据，揭示了热斑效应对昼夜反射和温度循环的显著影响。主要结论包括：光学信号中的热斑效应表现为明显的反射率峰值，且与散射角余弦峰值对齐；热红外信号中的热斑效应虽不改变温度峰值出现时间，但会导致显著的温差(最高4°C)；DTC+RL和TEKDM模型在捕捉热斑效应方面表现最佳，而光学域中简单指数模型已足够有效。

这些发现对即将发射的TRISHNA任务具有重要指导意义。TRISHNA计划在12:30地方太阳时过境，这恰是热斑效应最显著的时段。研究表明，必须将角度校正策略纳入TRISHNA的LST反演链中，以确保数据的准确性和可比性。同时，光学和热红外信号的协同分析为发展更稳健的方向性校正方法提供了新思路。

该研究不仅深化了我们对热红外方向性效应的理解，还为未来高分辨率热红外任务的数据处理和质量控制提供了重要方法论基础。通过整合多源数据和先进建模技术，本研究为提升热红外遥感在气候监测、农业评估和城市热环境研究等领域的应用精度开辟了新途径。