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SEVIRI、MODIS和GOES数据之间的校准比较
D. R. Doelling, L. Nguyen, and P. Minnis
摘要：在这项研究中，五个旋转增强可见光和红外成像仪（SEVIRI）通道在中分辨率成像光谱仪(MODIS)和对地静止操作环境卫星（GOES）-12 /可见光红外扫描仪（VIRS）上使用类似通道进行了相互校准。光线匹配技术通过直接对相同时间、 相同地点和相同观测角度下的不同传感器相近波段的观测值进行比对分析, 实现交叉系数的获取。MODIS和VIRS得出的SEVIRI 0.635和0.810mu;m增益表明其自发射以来已增加。2004年4月至8月计算的月度增益确定SEVIRI可见通道在此期间非常稳定。SEVIRI 3.9mu;m比相应的MODIS和GOES-12温度冷的温度。然而,SEVIRI 11.7micro;m温度是温暖的。
- 引言
辐射校准是从各种平台计算适当和一致的云、辐射和其他环境产品所必需的。通过在各种卫星上使用相同的算法获得一致的产品。这需要已经经过参考校准的辐射数据。地球同步衍生产品在业务预测、航空和日常研究中至关重要。许多产品直接依赖于校准。 SEVIRI仪器与其前代产品相比具有扩展的功能。但是，SEVIRI可见通道没有机载校准。为了充分利用4个可见光通道，他们需要随着时间的推移进行准确和稳定的校准。在本研究中，通过MODIS和VIRS作为参考的GOES-8可见光校准被转移到SEVIRI，使用光线匹配技术执行转移。MODIS推导的校准与欧洲气象卫星和发射前的校准进行了比较。SEVIRI校准已经监测了5个月，以跟踪任何明显的漂移，但时间跨度不足以消除任何长期漂移。SEVIRI红外通道有机载黑体，并经过校准。在SEVIRI和MODIS红外光谱之间进行比较以确定相应的3.9mu;m和11.7mu;m通道的相似性[1]。
- 方法
2.1数据
在2003年8月至2004年2月期间，XPIF格式的SEVIRI 3公里像素级可视信道数字计数(DC)从比利时皇家气象研究所(RMIB)存档中获得，网址为http://gerb.oma.be从2004年4月开始的SEVIRI像素级辐射从空间科学和工程中心获得（SSEC）在威斯康星大学（http://www.ssec.wisc.edu）的人类计算机交互式数据分析系统（McIDAS）格式以及GOES-12 4公里辐射也是如此。在Langley分布式活动档案中心（DAAC）（http://eosweb.larc.nasa.gov）的5分钟颗粒文件中获得了1公里像素辐射2-km的Terra和Aqua MODIS在Terra的MOD02
或Aqua格式的MYD02中。VIRS 2-km像素级辐射在兰利 DAAC获得，并且是1B01格式。
2.2光线匹配技术
光线匹配技术使用重合、共角和共定位的像素辐射来将参考卫星的校准转移到另一颗。VIRS和MODIS都有机载校准，利用太阳能扩散器，可以作为参考，因为它们校准精度较高并具有长期稳定性[2]。通过MODIS和SEVIRI的经度网格辐射搭配0.5°纬度，Aqua和Terra MODIS辐射是光线匹配的。光线匹配域(30°经度乘20°经度)与Meteosat-8子卫星点(3°W, 0°N)的中心略有偏离，以包含尽可能多的海洋，并以5°W和5°S为中心。只使用海洋区域，因为陆地上的光谱反射是不可预测的。分别在5°、10°和15°范围内匹配太阳、观测角度和方位角。时差不超过15分钟。射线匹配网格SEVIRI DC每月对MODIS辐射进行回归。
MODIS辐射用相应的SEVIRI通道太阳常数归一化。通过用太阳天顶角的SEVIRI余弦归一化MODIS辐射来计算时间差。没有对单个通道的光谱响应函数进行光谱校正。用于SEVIRI，0.635,0.810,1.640mu;m通道的太阳常数分别为515.03,354.28,73.28 Wm-2sr-1um-1，由EUMETSAT提供[3]。Terra-MODIS相应的太阳常数分别为508.83、316.84、75.05 Wm-2sr-1um-1。 Terra太阳常数也用于Aqua，因为它们的差异小于0.2％。 Iqbal [4]太阳光谱辐照度和公布的归一化光谱响应函数用于计算MODIS太阳常数。这项研究依赖于MODIS辐射作为绝对真理。然后应用SEVIRI和MODIS太阳常数与余弦太阳天顶角的比率。各种太阳常数比率为使用Iqbal ，Wehrli [5]和Kurucz [6]太阳光谱辐射计算。 0.635,0.810,1.640mu;m通道的比率分别为0.3,1.6和1.3％。大多数太阳常数比差的计算来自带宽的计算。
采用相同的光线匹配技术将校准从VIRS传输到GOES-12可见通道。GOES-12/VIRS辐射在太阳午时以平分经度为中心，通过光线匹配的网格化1°区域对SEVIRI DCs进行回归。太阳正午确保匹配的太阳，视图和方位角。基于Iqbal的VIRS、GOES-12和SEVIRI的太阳常数分别为531.7517.3和515.03。
为了确定可见光通道道的稳定性，将月增益绘制为时间的函数。由于偏移与增益成反比关系，因此计算给定时间段内的平均偏移。趋势线的月收益是用均值偏移量。SEVIRI仪器有一个深空的外观，这意味着偏移量在一段时间内是稳定的。光线匹配技术至少需要一个完整的季节周期和三年时间来确定长期的退化趋势，因为角度匹配不是随机的，而且依赖于赤道附近的太阳天顶角。
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结果
- 0.635mu;m通道结果
2004年4月至8月进行每月Terra和Aqua MODIS/SEVIRI回归，2003年8月至2004年8月进行GOES-12/SEVIRI回归。2004年8月的回归如图1所示。对于2004年8月Terra，Aqua和GOES-12的估计标准误差分别为3.3,3.5和9.5 Wm-2sr-1um-1。由于GOES-12最初是针对VIRS和SEVIRI进行校准的，因此标准误差预计将大于MODIS/SEVIRI的情况。每组回归的平均偏移量，并在表1第一行中显示。SEVIRI操作（发布前）偏移为51 [7]。 在2003年8月4日至8日期间进行的EUMETSAT SEVIRI校准验证（文献 [7]中的表4）表明检索到的偏移量为51. Aqua-MODIS，偏移量也是51. Terra和GOES-12的平均偏移量分别为55和46，均在标称偏移量的10％范围内。
0.635micro;m增益趋势图2所示，实线显示了增益趋势，分析期间增益的平均值如表2所示。SEVIRI 0.635micro;m增益相当稳定,没有出现短检测项漂移。GOES-12的增益显示出轻微的上升趋势，但可能是由于噪声。通常需要3年的收益才能发现任何长期退化。收益的平均值见表2。与2003年8月公布的名义增幅相比，本研究的增益均在3%以内，增幅超过10%。目前还不清楚是什么原因造成了这种差异。本研究中使用的SEVIRI图像不是首选的EUMETSAT原生格式，可能忽略了一个可能的校准因素。因此，这些结果被认为是初步的。其他可能的解释包括使用的偏移量，太阳常数的计算，用于传输校准的光线匹配方法，以及MODIS和SEVIRI之间光谱响应函数的差异。如果使用51的偏移量，Terra、Aqua和GOES-12的增益分别为0.617、0.647和0.669。太阳常数比的不确定度为1.3%(见2.1部分)。地球同步射线匹配技术已被证实在1%[8]以内。由于Terra和Aqua MODIS是绝对校准的，因此光线匹配技术应该可以达到两者之间2.3%的差异。臭氧和水每个谱带所特有的蒸气吸收可以解释计算所得增益的差异。0.635micro;m光谱响应函数如图3a所示。SEVIRI的带宽比MODIS大，但比VIRS或GOES-1小。这表明，如果MODIS带宽外存在一个强吸收带，它也会在VIRS/GOES-12增益中表现出来。
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- 0.810mu;m和1.64mu;m通道结果
0.810和1.64micro;m SEVIRI平均偏移如表1所示。有趣的是，来自Terra和Aqua MODIS的偏移量对所有通道都是一致的。MODIS对所有可见光通道使用相同的太阳能扩散板。Aqua1.64mu;m通道失效，GOES-12在可见光中有一个0.65mu;m的通道。2004年4月至8月的平均收益如表2所示。MODIS得出的0.810mu;m增益相差3％，比2003年8月的增益高12％[7]。如果使用51的增益，Terra-MODIS的增益会降低4%。MODIS获得的收益明显大于2003年8月的或名义增益。2.2中讨论的增益差参数在这种情况下是有效的。0.810/0.635micro;m 比例的收益来源于MODIS和那些来自于2003年8月的分别是是0.80和0.83,是相似的。这意味着SEVIRI和MODIS的植被指数不应存在显著差异。图4 a和4 b显示0.810micro;m通道的增益趋势线。有噪音大于0.635micro;m频道和趋势线是无关紧要的。0.810micro;m漂移本研究不能确定。
2004年4月至8月的1.64mu;mMODIS得出的增益和偏移分别在表2和1中给出。 Terra MODIS和2003年8月的增益在1％以内，如果使用51作为偏移，Terra MODIS增益将比表2中所示的增益低2.5％。这与EUMETSAT增益相匹配，并且与标称增益有显著差异。在这种情况下，SEVIRI带宽是MODIS的3倍(图3c)。
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- 3.9 mu;m和11.7 mu;m通道结果
SEVIRI仪器在红外通道中具有机载校准。光谱带中的大气吸收远大于可见光波段。卫星之间的红外温度差通常更多的是带宽和位置的函数，而不是校准异常。红外绝对标定不确定度一般小于1°K[9]。然而，要检索一致的云属性，需要知道红外通道的差异。比较了SEVIRI与MODIS和GOES-12的温差。
SEVIRI温度与Terra、Aqua MODIS和GOES-12温度进行了回归。差异如表3所示。对于3.9和11.7mu;m通道，SEVIRI平均温度分别为287°~ 293°K。3.9micro;m通道的动态范围不足以计算回归的斜率。10.7mu;m的斜率在1％的范围内。表3中的3.9mu;m温差表明SEVIRI中的温度显着较低。回归在白天进行，辐射包括短波和长波分量。不确定SEVIRI带宽和可能的频谱泄漏会产生什么影响。请注意，GOES-12之间的温差较小，其中心波长比MODIS更接近SEVIRI。表3给出了11.7mu;m的温差。 SEVIRI温度比MODIS或GOES-12更温暖。 MODIS的带宽（图5b）比GOES-12或SEVIRI小。然而，GOES-12和SEVIRI10.7mu;m滤波器是相似的（图5b），差异是1°。Terra和Aqua之间温差为0.2°K，这说明光线匹配技术中的噪声并不是造成这种现象的原因。
4.总结
Terra和Aqua MODIS采用光线匹配技术与SEVIRI进行交叉校准。VIRS校准首先转移到GOES-12，然后转移到SEVIRI。MODIS和VIRS获得的增益与2003年8月验证的标称和EUMETSAT的增益进行了比较。对于SEVIRI0.635mu;m通道，MODIS和VIRS得到的增益相差3％，比欧洲气象卫星组织的增益大10%。在光线匹配技术中，利用标称偏移量、太阳常数比值、大气吸收或不确定度不能解释这种差异。短的分析周期排除了任何重大的长期收益趋势的揭示。短暂的分析期无法解决任何重大的长期收益趋势。 2004年4月至8月期间，Aqua和Terra MODIS得出的SEVIRI增益在所有频道都保持稳定。对于SEVIRI0.810mu;m通道观察到类似的结果。MODIS获得的增益比欧洲气象卫星组织高出3%和12%。Terra MODIS得出的1.64mu;m增益与EUMETSAT增益相似。与MODIS和GOES-12相比，白天SEVIRI3.9mu;m的温度分别低了6.7°和3.3°K。 11.7mu;mSEVIRI温度升温1.5°。相应的通道光谱差异可以解释一些差异。结果是初步评估得出的。
5.致谢
美国宇航局地球科学企业办公室，代码YS辐射科学分部，支持了这项研究。非常感谢Steven Dewitte提供了2004年4月之前拍摄的SEVIRI数据和 EUMETSAT的Marianne Koenig负责开发McIDAS服务器代码，并以McIDAS格式提供一些SEVIRI数据。感谢Bob Arduini对太阳常数的计算。作者希望感谢Yves Govaerts为确定MODIS和SEVIRI校准之间的差异进行了许多对话。
图1 2004年8月SEVIRI0.635mu;mDC对（a）Terra-MODIS，（b）Aqua-MODIS和（c）GOES-12的回归
图2 SEVIRI0.635mu;m的增益趋势及增益趋势线基于（a）Terra MODIS，（b）Aqua-MODIS和（c）GOES-12
图3 SEVIRI [met-8]，MODIS [terra，aqua]，VIRS和GOES-12归一化光谱响应函数
（a）0.635mu;m，（b）0.810mu;m，和（c）1.640mu;m可见光通道
图4 SEVIRI0.810mu;m增益趋势及增益趋势线基于（a）Terra MODIS，（b）Aqua MODIS和1.640mu;m增益趋势基于Terra MODIS
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