基于MODIS數據的河北近海海域海面溫度變化特征分析

徐雯佳 許志輝 楊斌 韓笑

（河北省遙感中心，石家莊 050021）

基于MODIS數據的河北近海海域海面溫度變化特征分析

徐雯佳 許志輝 楊斌 韓笑

（河北省遙感中心，石家莊 050021）

河北省遙感中心自2013年，應用MODIS數據對河北近海海域海面溫度進行了遙感業務化監測。本文基于監測結果，對河北近海海域海面溫度的月際、季際和年際變化特征進行了統計分析。結果表明，春季和夏季，海面溫度表現為近岸海域高于遠岸海域，滄州市管轄海域高于秦皇島市和唐山市管轄海域。月均海面溫度平均值通常在1月或2月達到最小值，8月達到最大值。

MODIS 海面溫度河北海域變化特征

1、引言

海面溫度（SST）是海洋環境的主要物理參數之一，與海洋水色、海洋漁業、赤潮和海冰災害有著密切關系[1,2]。獲取海面溫度信息，對評價海洋環境狀況和防范預警海洋災害具有重要作用。

衛星遙感具有大范圍、實時、連續等特點，是一種監測海面溫度的非常有效的技術手段。利用遙感監測海面溫度的方法主要有紅外和微波兩種。相對微波遙感，紅外遙感的空間分辨率較高，應用較為廣泛。目前，基于N0AA/AVHRR和E0S/M0DIS傳感器的海面溫度算法最為成熟。算法形式可以分為多通道海面溫度反演MCSST和非線性海面溫度反演NLSST兩大類[3,4]。河北省遙感中心自2010年以來，對應用M0DIS數據進行河北近海海域海面溫度監測進行了大量研究，建立了針對河北近海海域的海面溫度反演算法，并投入業務化運行[2]。

本文介紹了應用M0DIS數據監測海面溫度的方法，分析了2015年度河北近海海域海面溫度的月際變化特征，2015年3月至2016年2月的季際變化特征，并結合2013以來的監測成果，分析了年際變化特征。

2、數據與方法

2.1 遙感數據

M0DIS是搭載在E0S系列衛星上的一個重要傳感器，具有36個光譜通道，光譜范圍從0.4μm至14 μm，覆蓋可見光、近紅外和熱紅外波段，空間分辨率分別為250m，500m和1000m，掃描寬度為2330km，每天可在不同時間過境4次[5]。

本文監測所用的M0DIS數據是基于河北省衛星遙感海洋應用平臺，從國家衛星海洋應用中心實時獲取。

2.2 監測方法

（1）基礎理論

在熱紅外通道，遙感傳感器接收到的輻射信號由以下三部分組成：海表的熱發射輻射、大氣上行輻射和大氣下行輻射的反射輻射。對于海洋來說，發射率約等于1，所以大氣頂傳感器接收到輻射度表達式為[6]：

因此，要精確反演海洋表面溫度，需消除大氣對光譜輻射的影響。在熱紅外波段，大氣的影響主要表現在H20和C02的吸收作用。

（2）數據預處理

M0DIS L1B數據存儲的是經過定標的反射率和輻射率縮放為16比特整數后的SI刻度值。在反演之前，需要對M0DIS L1B數據進行輻射預處理，利用SI縮放公式將DN值轉換為反演處理所需的輻射度[6]，然后利用下式把熱紅外波段輻射度轉換成亮溫[7]

式中，TB(λi)為第i波段亮溫，C1=3.74151×10-2(W-m2)，C2=0.0143879(m-K)，λi為第i波段的中心波長，I(λi)為第i波段輻射度。

（3）反演算法

紅外遙感數據容易受到大氣的影響，為提高海面溫度反演精度，必須消除大氣對反演結果的影響。目前，劈窗算法是用于海面溫度反演較為成熟的算法。劈窗算法是McMillin于1975年提出的，其基本原理是大氣在兩個相鄰的波段窗口具有不同的吸收特性，因而可通過這兩個通道輻射亮溫的某種組合來消除大氣影響[6]。

M0DIS第31和第32波段處于熱紅外大氣窗口，幾乎不受太陽反射的影響[4,6]。基于M0DIS的海面溫度反演算法公式如下：

SST=a+bT31+c(T31-T32)Tenv+d(T31-T32) sec(θ)-1)

式中，SST為海面溫度，T31和T32分別是31和32波段的亮溫，θ是衛星天頂角，Tenv是環境溫度，a, b, , d為模型系數。

河北省遙感中心利用2011-2014年的實測數據，獲取了上式中適用于河北近海海域的模型系數值，從而建立了適用于河北近海海域的M0DIS海面溫度遙感反演算法[2]。公式如下：

SST=-13.4552+1.0488×T31+2.8639×|T31-32|+0.9273×(T31-T32)×(sec(θ)-1)

式中，SST為海面溫度，T31和T32分別是31和32波段的亮溫，θ是衛星天頂角。

3、結果分析

應用M0DIS數據，每日對河北近海海域的海面溫度進行遙感監測，選取有效數據，進而制作月均值和季均值監測產品。

3.1 月際特征分析

（1）數值特征

2015年1月至12月，河北近海海域、秦皇島市管轄海域、唐山市管轄海域、滄州市管轄海域月均海面溫度平均值的變化范圍分別為1.2℃至26.3℃、-0.1℃至26.6℃、0.5℃至26.6℃、0.1℃至27.7℃。各海域月均海面溫度平均值整體均呈先上升后下降的變化趨勢，其中2月數值最小，8月數值最大（圖1）。

以月均海面溫度的平均值作為評價指標，秦皇島市和唐山市管轄海域的海面溫度差異甚小，而與滄州市管轄海域的海面溫度均有較為明顯的差異。

具體而言，1月、10月至12月，滄州市管轄海域海面溫度則明顯略低于秦皇島市和唐山市管轄海域的海面溫度，其中1月差值在0.8℃左右，10月至12月差值在1℃至1.7℃之間；2月和9月，三市管轄海域海面溫度基本一致，差異較小；3月至8月，滄州市管轄海域海面溫度明顯略高于秦皇島市和唐山市管轄海域的海面溫度，差值在1.7℃至5.4℃之間。

（2）時空分布特征

以月均值作為評價指標，從近岸至遠岸來看，2015年1月至2月、10月至12月河北近海海域海面溫度表現為近岸海域低于遠岸海域，4月至8月表現為近岸海域高于遠岸海域，而3月和9月橫向梯度分布特征則不明顯（圖2）。

其中3月和9月，太陽輻射分別進入加強期和減弱期，海面溫度也隨著分別進入增溫期和降溫期，而近岸海域海面溫度的變化幅度較遠岸海域明顯。海面溫度上升和下降趨勢的轉換，導致這兩個月海面溫度的橫向梯度分布特征相對不明顯。

整體上看，由近岸至遠岸，各市海域海面溫度的橫向梯度分布特征均較為明顯。相比而言，滄州市海域梯度分布特征最為明顯，秦皇島市次之，而唐山市相對較不明顯。

從南部至北部來看，南部近岸海域海面溫度與中部、北部近岸海域的海面溫度有一定的差異。總體而言，在1月、10月至12月，河北近海海域海面溫度表現為南部近岸海域低于中部、北部近岸海域；而在3月至9月，河北近海海域海面溫度表現為南部近岸海域高于中部、北部近岸海域。

3.2 季際特征分析

（1）數值特征

2015年春季至冬季，河北近海海域、秦皇島市管轄海域、唐山市管轄海域、滄州市管轄海域季均海面溫度平均值的變化范圍分別為0.6℃至23.1℃、0.9℃至23.4℃、0.3℃至26.4℃、2.2℃至22.9℃。

以季均海面溫度的平均值作為評價指標，秦皇島市和唐山市管轄海域的海面溫度差異甚小，而與滄州市管轄海域的海面溫度均有較為明顯的差異（圖3）。

具體而言，春季和夏季滄州市管轄海域海面溫度明顯略高于秦皇島市和唐山市管轄海域的海面溫度，差值在3.5℃左右。秋季和冬季，則相反，滄州市管轄海域海面溫度略低于秦皇島市和唐山市管轄海域的海面溫度，差值在0.3℃至0.9℃之間。

（2）時空分布特征

以季均值作為評價指標，從近岸至遠岸來看，2015年春季和夏季海面溫度表現為近岸海域高于遠岸海域，秋季和冬季表現為近岸海域低于遠岸海域。與其他季節相比，秋季海面溫度的橫向梯度特征略不明顯（圖4）。

各市海域海面溫度的橫向梯度分布特征均較為明顯。相比而言，滄州海域梯度分布特征最為明顯，秦皇島和唐山相對較弱。

總體而言，春季與夏季，河北近海海域海面溫度表現為從南部至北部逐漸降低的變化趨勢。秋季和冬季，河北近海海域海面溫度南北差異相對不明顯，南部的略低于北部。

3.3 年際特征分析

2013年、2014年、2015年河北近海海域月均海面溫度平均值的變化范圍分別為-0.4℃至26.0℃、1.0℃至25.8℃、1.2℃至26.3℃。2013至2015年河北近海海域海面溫度變化趨勢一致，均以8月作為拐點，呈先上升后下降的變化趨勢，總體上海面溫度的數值差異較小（圖5）。

其中，1月至4月，2014年和2015年海面溫度相對較高，2013年相對較低，差異在1.3℃至3.2℃之間；6月和7月，2014年海面溫度相對較高，2013年和2015年海面溫度相對較低，差異在1.9℃至3℃之間；其他月份，3年的海面溫度差異較小。

4、結論

本文基于河北近海海域海面溫度遙感業務化監測結果，對該海域海面溫度的月際、季際和年際變化特征進行了分析。

（1）河北各市管轄海域海面溫度月際變化趨勢有所差異。2015年度1月、10月至12月，滄州市管轄海域海面溫度明顯略低于秦皇島市和唐山市管轄海域的海面溫度；而3月至8月，海面溫度表現特征則相反。這意味著，相對秦皇島市和唐山市管轄海域，冬季滄州市管轄海域海冰持續時間可能更長，春夏季浮游植物生長可能更旺。

（2）河北近海海域海面溫度每個季節的空間分布特征不盡相同。春季和夏季海面溫度表現為近岸海域高于遠岸海域，秋季和冬季表現則相反。與其他季節相比，秋季海面溫度的橫向梯度特征略不明顯，這與海流的作用有關（圖4）。

（3）月均海面溫度的平均值大多在1月或2月達到最小值，8月達到最大值。可見，1月下旬至2月上旬是河北省近海海域海面溫度易達到最小值的時間段，這期間需加強對海冰的監測。

[1]張春桂.福建省近海區域海面表層溫度的衛星遙感應用研究[J].國土資源遙感,1999, 39(1):25-28.

[2]楊斌,徐雯佳,許志輝,等.河北海域海面溫度遙感反演業務化算法[J].海洋環境科學,2016, 35(2):270-273.

[3]朱利,顧行發,王橋等.我國東海海面溫度定量遙感反演研究[J].遙感技術與應用,2008, 23(5):495-499.

[4]鄭嘉淦,李繼龍,楊文波.利用MODIS遙感數據反演東海海域海表溫度的研究[J].海洋漁業, 2006,28(2):141-146.

[5]黃家潔,萬幼川,劉良明.MODIS的特性及其應用[J].地理空間信息, 2003, 1(12): 20-24.

[6]陳宏,許華,李家國等.基于MODIS的海表面溫度反演系統設計與實現[J].遙感應用, 2009,(2):76-80.

[7]劉玉潔,楊忠東等．MODIS遙感信息處理原理與算法[M]北京：科學出版社,2001．