基于EOS/MODIS的黑龍江省大氣可降水量反演方法研究

翟　墨，原　帥

（佳木斯氣象衛星地面站，黑龍江佳木斯154007）

基于EOS/MODIS的黑龍江省大氣可降水量反演方法研究

翟墨，原帥

（佳木斯氣象衛星地面站，黑龍江佳木斯154007）

本文以大氣水汽反演為中心，將雙通道和三通道反演算法應用于實際的黑龍江省MODIS影像中，通過對多個通道多組數據反演結果的分析和驗證，證實利用該算法反演大氣水汽是切實可行的，所獲結果反映了實際水汽分布的大致規律。

大氣水汽含量；透過率；MODIS；衛星遙感；反演

1　引言

大氣水汽含量在大氣過程的各種時間空間尺度中飾演著重要的角色。精準地確定大氣水汽的含量具有十分重要的意義，不僅能夠準確預測降水和災害性天氣，同時對于全球氣候變化的研究、水循環、地-氣系統中物質和能量的傳輸也有非常重要的作用，因此監測水汽是大氣遙感的主要目的之一。而且，由于輻射傳輸在衛星遙感反演的過程中會受到水汽的影響，因此為了獲取精確的地表參數，水汽數據的另外一個作用就是可以作為大氣校正的輸入數據。據估計，利用通用的分裂窗算法反演陸地表面溫度時，1 K精度的地表溫度需要0.6 g/cm2精度大氣水汽數據的支持［1］。

縱觀半個世紀，對于全球網絡的水汽探測一直是利用傳統的氣球探空方式進行，由于觀測儀器多變性而且缺少即時有效的訂正與校準，因此依然無法在氣候模型中使用這些探空數據［2］。另外，通常大氣水汽含量的計算需要探空資料，而其觀測的水汽數據是以點狀分布的，需要對其實施空間插值擴展，才能在接下來的氣候模型中運用，但是“以點帶面”又會帶來較大誤差導致模型的模擬結果缺乏可靠性和準確性。因此，缺乏長期穩定且精準度較高的水汽數據，勢必會嚴重阻礙水汽在氣候系統中作用與影響的深入研究。

從目前國內外的研究現狀來看，隨著對于大氣水汽的相關研究方法的發展與改進，反演算法的精度的要求也愈來愈高，但迄今為止大多數大氣水汽的研究是利用AVHRR數據［3］和ATSR數據進行的。而由于MODIS擁有比AVHRR更低的內在噪音和相對更高的精密度，且在衛星影像的光譜功能和波長上，MODIS的29、31和32通道與AVHRR的4和5通道有極大的相似性。為此，可以利用MODIS反演大氣水汽含量。

2　反演原理

近紅外通道的大氣輻射傳輸方程可表示成［4］：

式中，Lsensor（λ）是衛星傳感器接收到的總輻射；Lsun（λ）是大氣上界的入射太陽輻射；τ（λ）是大氣總透過率，即從太陽到地球表面，再從地球表面到傳感器的大氣路徑上的透過率；

ρ（λ）是下墊面反射率；Lpath（λ）是大氣的路徑輻射。由于氣溶膠在近紅外區域的光學厚度極小，因此，大氣路徑輻射Lpath（λ）僅為地表反射輻射的百分之幾［5］，可以忽略不計。

定義星上的反射率為：

MODIS第i（i＝2，5，17，18，19）通道的大氣輻射傳輸方程可用以下公式表示：

上式中，λi為MODIS第i通道的中心波長。

將簡化后的（1）式兩邊同時除以Lsun（λ）ρ（λ）得：

上式中τ（λ）為大氣透過率，對于不同波長的ρ（λ）下墊面反射率基本上不同，因此不可能通過單一通道的輻射值計算出水汽的透過率。Gao和Kaufman通過實驗證實，波長在0.85-1.25的范圍內，地物的反射率隨波長呈線性的變化［6］，因此地面的反射率不隨波長變化。若地物反射率為常數，即ρ（λ）=ρ，則由（4）式可得：

即兩通道大氣透過率的比值為兩者的星上反射率之比。當大氣路徑輻射Lpath（λ）忽略不計時，水汽吸收通道上的水汽透過率就可通過吸收通道（即λ1）的反射率與大氣窗通道（即λ2）的反射率相比獲得，且τ（λ2）≈1，此方法稱為二通道比值法，其中以大氣窗0.865 μm（即2通道）為例，具體公式如下：

若地面反射率與波長滿足線性關系，與雙通道不同，水汽吸收通道上水汽的透射率是通過吸收通道與兩個大氣窗通道之和相比獲得，此法稱為三通道比值法，具體公式如下：

其中：C1=0.8，C2=0.2；λ為MODIS吸收通道17、18、19波長；ρ（λ）為波段反射率。

MODIS近紅外940 nm（17，18，19通道）波長附近具有對水汽的強吸收特性，CO2等氣體與其相比吸收很弱，可以忽略不計。同時，在通道2和通道5附近窄波段的大氣透過率實際值大于0.99，接近于1。因此它們可以近似看成大氣窗波段，可通過水汽吸收通道和大氣窗通道的比值來獲取大氣水汽的含量。另外，近紅外波段水汽反演算法只適用于對白天的數據進行觀測，可獲取全球范圍內晴空條件下的陸地、陸地上空和海洋上空云層以上的大氣水汽含量。若在晴空的洋面區域，只能對太陽耀斑區的水汽進行反演。

整層大氣水汽含量表達式：

對于符合性地表，α=0.02，β=0.651［7］。

3　基于MODIS影像數據的大氣水汽反演應用實例

MODIS的全稱是中分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spectrum-radiometer），是搭載在美國EOS系列衛星中TERRA與AQUA上的重要傳感器。TERRA和AQUA都是太陽同步近極地軌道，主要任務都是對地觀測。MODIS是現今全球新一代“圖譜合一”的光譜傳感器，包含36個光譜通道，波譜寬度極廣，在0.4-14 μm的范圍內。其中1-19和26通道為可見光和近紅外通道，其他16個通道為熱紅外通道。MODIS數據空間分辨率分別為250、500和1000 m，還具有很高的信噪比，掃描寬度為2330 km。每1-2 d將提供覆蓋全球的白天可見光和白天/夜間紅外圖像，觀測過程中數據傳輸速度可達6.1 Mbps，可同時獲得來自大氣、陸地和海洋表面信息。

本文所用MODIS數據來源于國家衛星氣象中心的衛星遙感數據服務網（http：//satellite.cma.gov. cn），且均為AQUA產品，選擇晴空大氣下且質量較好的圖像數據，分別是2014年6-9月的7幅MOD02影像（6月1日、6月13日、6月29日、7月27日、8月8日、9月12日和9月30日）。實測資料為黑龍江省4個探空站（哈爾濱、齊齊哈爾、嫩江、伊春）與7幅MODIS遙感影像相對應時間的探空實測數據，來源于中國氣象科學數據共享服務網（http：//cdc.cma. gov.cn）。

3.1數據預處理

圖像預處理是遙感圖像處理前的必要環節，其中包括幾何校正與圖像裁剪等。MODIS水汽產品自帶的經緯度文件未經過幾何精度校正，首先需要將經緯度文件與MODIS影像相匹配，利用ENVI軟件的波段運算功能對經緯度信息進行還原，然后進行配準。

對水汽產品進行幾何校正后，以黑龍江省的矢量邊界作為Mask，從MODIS影像中裁剪出研究子區部分作為下一步的研究數據（以2014年6月1日數據為例）。

3.2反演算法實現

在這里將運用兩通道與三通道比值法對上一步裁剪出的研究子區數據進行大氣水汽反演。依據公式（6）、（7）進行兩通道與三通道比值法反演，運用ENVI提供的band math運算方法完成算法的實現。

3.3結果分析

3.3.1兩通道比值法與三通道比值法反演結果對比

分別利用兩通道比值法和三通道比值法對黑龍江大氣水汽含量進行反演計算，將反演結果與黑龍江省四個探空站（哈爾濱、齊齊哈爾、嫩江、伊春）相同時間的探空實測數據進行統計對比分析，結果表明兩種反演方法結果與探空實測數據均有顯著的正相關性，而且兩通道比值法反演結果與實測數據的相關系數（0.944）大于三通道比值法（0.811），說明對于本文研究子區兩通道比值法反演大氣水汽含量效果優于三通道比值法（圖1）。

圖1　（a）兩通道比值法與（b）三通道比值法大氣水汽含量反演結果相關性對比分析圖

3.3.2黑龍江水汽含量的變化特點

3.3.2.1時間變化特征

圖2　黑龍江省不同時次兩通道比值法的大氣水汽含量反演結果（全省平均值）

由圖2可見，黑龍江省大氣水汽含量從6月初至8月上旬呈上升趨勢，9月則明顯減少，其中黑龍江全省平均水汽含量最大值出現在8月上旬（最大值為3.73 g/cm2），最小值出現在9月下旬（最小值為0.64 g/cm2）。上述水汽含量變化趨勢比較明顯，說明夏季雨季，濕度較大；秋季氣候干燥，濕度較小。

3.3.2.2空間變化特征

以2014年6月1日的MODIS反演圖像為例，利用ENVI軟件提供的感興趣區（ROI：Region of Interest）對上步得到的反演結果進行分區域比較分析。

region1的主要地表類型是陸地，包含植被種類繁多，有草地、耕地和林地等，代表的是陸地上空大氣水汽含量區；region2的地表類型主要是水體，代表了水體上空大氣水汽含量區；region3代表全省的大氣水汽含量分布狀況。

表1　感興趣區（ROI）水汽含量統計表（g/cm2）

為了便于下一步的結果分析，分別針對三個特征區的最大值、最小值和平均值進行了統計，具體結果見表1。

從表1可以看出，水汽的最大值4.21 g/cm2出現在水體上空，對于陸地表面最大值1.37 g/cm2，結果符合自然條件下水汽的實際分布規律。region2的水汽平均值3.69 g/cm2同樣大于region1的平均值0.95 g/cm2，此結果也符合水體上空水汽總量大于陸地上空水汽總量的客觀規律。對于平均值而言，region3的值在region1和region2之間，同樣也符合實際情況。

4　結論

本文利用兩通道比值法和三通道比值法對黑龍江省MODIS影像數據進行水汽含量的反演，從目前的研究結果來看，反演結果與實際探空資料均有極顯著的相關性，且符合水汽實際分布規律，說明本文所述利用MODIS影像數據反演大氣水汽的方法是可行的。兩通道比值法反演結果的相關系數大于三通道比值法反演結果，因此認為，利用MODIS影像數據對黑龍江大氣水汽含量反演時兩通道比值法較合適。

但是本文所采用的反演方法存在一定的局限性，對數據要求晴空大氣而且僅能反演云層以上的水汽含量，并且反演得到的水汽圖與實際的水汽圖還是存在一定的誤差，因為沒有考慮到當氣溶膠達到一定光學厚度時，對近紅外波段水汽反演所產生的影響。

［1］Li Z L，Su Z，et al.A new Approach for Retrieving Precipitable Water from ATSR2 Split-window ChannelData over Land Area［J］.International Journal of Remote Sensing，2003，24:5059-5117.

［2］Brian JS.Atmospheric physics enlightening water vapor［J］.Nature，2000，406；247-248.

［3］毛克彪，覃志豪等.針對MODIS數據的大氣水汽含量反演及31和32波段透過率計算［J］.國土資源遙感，2005（01）:26-29.

［4］Liu Y J，Yang Z D.The Principle and Arithmetic of MODIS［M］.Beijing:Science Press.2001.

［5］GAO B C，Yoram J Kaufman.The MODIS Near-IR Water Vapor Algorithm.Algorithm Theoretical Basis Document［Z］.ATBD-MYD-03，NASA Goddard Space Flight Center，1988.

［6］GAO B C，Alexander F H Geotz.Column Atmospheric Water Vapor and Vegetation Liquid Water Retrievals from Airborne Imaging Spectrometer Data［J］. Journal of Geophysical Research，1990，（95）:3549-3564.

［7］Kaufman Y J.Gao B C.Remote Sensing of Water Vapor in the Near IR from EOS/MODIS［J］.IEEE Transaction on Geo science and Remote Sensing. 1992.5（30）:871-884.

1002-252X（2016）03-0020-03

2016-6-1

翟墨（1988-），男，黑龍江省哈爾濱市人，東北農業大學，本科生，助理工程師.