近日，厦门大学海洋与地球学院光学海洋学实验室（OOL）在南大洋水色遥感大气校正与卫星叶绿素a浓度（CHL）反演领域取得新进展，相关研究成果以“The role of atmospheric correction errors in the underestimation of satellite-derived chlorophyll-a concentration in the Southern Ocean”为题发表于International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation。研究基于第38次中国南极科学考察期间获取的现场遥感反射率（R_rs）与CHL数据，系统评估了南大洋卫星观测CHL偏低的成因，揭示了大气校正误差是导致反演偏差的重要来源。研究结果表明，团队提出的跨卫星大气校正算法（CSAC）能显著提升南大洋R_rs与CHL遥感产品精度，并成功恢复了因高太阳天顶角与太阳耀光而在NASA标准产品中被掩膜的像元，大幅提升了极区海洋水色遥感产品精度和时空覆盖率。

图1. 第38次南极科考生物光学参数采样站位分布（2021年12月至2022年3月）

研究背景

南大洋环绕南极洲，是全球气候调节、深层海洋环流和海洋碳汇过程中的关键区域。准确监测该区域浮游植物生物量及CHL变化，对于理解南大洋生态系统对气候变化的响应及其在全球碳循环中的作用具有重要意义。然而，已有研究表明，卫星反演的南大洋CHL普遍存在系统性低估现象，部分研究将其归因于南大洋独特的生物光学性质。

传统卫星水色遥感首先通过大气校正，从传感器接收到的顶层大气信号中分离出水体离水辐射信号，获得遥感反射率（R_rs），随后基于蓝绿波段比值等统计关系估算CHL。因此，南大洋高太阳天顶角、频繁云覆盖、强风以及复杂气溶胶条件，均可能显著增加大气校正误差，并进一步影响R_rs质量及CHL反演精度。

研究亮点

针对上述问题，研究团队利用南大洋现场R_rs和CHL观测数据，分别评估了基于现场R_rs、NASA标准VIIRS（Visible Infrared Imaging Radiometer Suite） R_rs以及CSAC校正后VIIRS R_rs的CHL反演表现，旨在厘清大气校正误差在南大洋卫星CHL低估问题中的作用机制，并评估CSAC方法对极区海洋水色遥感反演精度的改善效果。

研究首先使用现场R_rs作为输入，检验三种经典CHL反演算法（OC2、OC3和OCI）在南大洋的适用性。结果显示，当以高质量现场R_rs作为输入时，三种经典算法均能取得较好表现，平均百分比偏差（MAPD）约为23.0%-30.2%，偏差接近零。这说明南大洋CHL卫星产品的系统性低估原因不是CHL算法本身，而可能与卫星R_rs产品质量相关。

图2. 基于现场R_rs-CHL匹配数据评估不同CHL算法反演算法表现（a-c分别为OC2，OC3和OCI结果）

当使用NASA标准VIIRS R_rs作为输入时，三种CHL算法均出现明显低估，MAPD升高至41.7%—55.4%。相比之下，采用CSAC校正后的VIIRS R_rs后，CHL反演精度显著提升，MAPD降低至21.4%—25.4%，并且低估现象也得到明显缓解。尤其在高太阳天顶角（SOZA）条件下，CSAC仍能显著改善CHL反演精度，说明其在南大洋复杂观测环境下仍保持良好的R_rs数据精度。

图3. 基于标准VIIRS R_rs (a-c)与CSAC校正后的R_rs (d-f)的CHL反演对比。其中，蓝色和红色点分别代表低和高太阳天顶角下的观测，绿色圈为子图（c）中差异最大的点

采用标准VIIRS R_rs产品作为输入导致CHL低估主要因为其在蓝光波段存在系统性高估，尤其在高太阳天顶角条件下更为明显。这种蓝绿波段R_rs偏差会通过经验CHL算法传播，最终导致CHL被低估。CSAC能够有效减小不同波段R_rs偏差，并改善蓝绿波段比值的精度，从而同时提升CHL反演精度和空间覆盖度。以2020年12月2日的日平均影像为例，相比标准VIIRS产品，CSAC可有效恢复在高太阳天顶角和杂散光影响等条件下被标准产品掩膜掉的像元，恢复比例超过90%，从而显著提升复杂观测条件下南大洋CHL产品的空间覆盖率。

图4. 标准VIIRS (a)与CSAC (b)产品生成的南大洋L3 CHL产品对比。图c为b和a的CHL产品差异百分比，图d为b相对a多出的有效观测像元。

研究意义

本研究从大气校正角度解释了南大洋卫星CHL产品低估的重要原因，指出高质量R_rs输入是提升极地海洋卫星CHL反演可靠性的关键。该研究验证了跨卫星大气校正算法在极地海洋适用性，成功实现高太阳天顶角和中低耀光下卫星观测数据的高质量恢复，为生成高精度、高时空覆盖的极区海洋水色遥感产品奠定了基础。相关数据产品可进一步为南大洋浮游植物动态监测、海洋碳循环研究和气候变化评估提供更加可靠的数据支撑。

研究团队及资助

论文第一作者为厦门大学海洋与地球学院2022级博士研究生王天浩，通讯作者为余小龙副教授，合作者包括澳大利亚Curtin University的David Antoine教授、厦门大学李忠平教授和商少凌教授等。本研究得到国家重点研发计划项目（2024YFF0808900）、国家自然科学基金项目（42430107、42376173）、中央高校基本科研业务费专项资金（20720240102），以及MEL自主研究课题（MELRI2602和MELRI2605）等项目的联合资助。

论文来源及链接

Wang, T., Lee, Z., Antoine, D., Zhao, L., Li, X., Zhang, Y., Wang, D., Shang, S., Lin, G., Yu, X.* (2026). The role of atmospheric correction errors in the underestimation of satellite-derived chlorophyll-a concentration in the Southern Ocean. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 151, 105399.

https://doi.org/10.1016/j.jag.2026.105399

延伸阅读

[1] Wang T., Lee Z.*, Li X., et al. (2026). Improving the accuracy and spatial coverage of remote sensing reflectance from VIIRS under strong sunglint and high solar zenith angle via cross-satellite atmospheric correction. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 64, 1-12.

[2] Zhang Y., Yu X.*, Lee Z., et al. (2024). Performance of two semi-analytical algorithms in deriving water inherent optical properties in the Southern Ocean. Optics Express, 9,15741-15759.

供稿：光学海洋学实验室

编辑：苏颖 房月

审核：上官明佳 曹知勉