基于CRTM的植被覆蓋微波地表發(fā)射率模擬分析

王喜峰+李憲光+許東紅

摘要 地表發(fā)射率是表征地表輻射特性的重要參數(shù)，也是反演大氣參數(shù)和地表其他參數(shù)的重要參量。微波地表發(fā)射率在衛(wèi)星資料的同化和應(yīng)用中占有很重要的地位，更是輻射傳輸模式衛(wèi)星資料應(yīng)用中不可缺少的重要部分。本文提取了CRTM輻射傳輸模式中的微波地表發(fā)射率模式，對(duì)植被覆蓋地表發(fā)射率進(jìn)行了模擬計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，以期為地表、大氣參數(shù)反演及衛(wèi)星資料的同化使用提供參考。

關(guān)鍵詞 地表發(fā)射率；輻射傳輸模式；植被覆蓋；CRTM；模擬分析

中圖分類號(hào) TP722.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）24-0220-02

地表發(fā)射率是指在相同的溫度下地表發(fā)出的熱輻射能量與黑體輻射能量的比值，是反映地表熱輻射能力的重要參數(shù)。微波地表發(fā)射率是表征地表特性的重要參數(shù)，不僅是實(shí)現(xiàn)微波輻射資料直接同化的重要參數(shù)，也是衛(wèi)星微波反演地表參數(shù)和大氣參數(shù)的重要條件[1]。現(xiàn)在越來越多的衛(wèi)星微波傳感器探測資料被應(yīng)用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中，以提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。地表發(fā)射率的不確定性導(dǎo)致衛(wèi)星資料中包含的大氣溫度、濕度等信息不能很好地提取并應(yīng)用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中。對(duì)于陸地表面而言，只能在有限地表?xiàng)l件下推導(dǎo)出微波地表發(fā)射率模型[2]。對(duì)于缺乏準(zhǔn)確發(fā)射率模型對(duì)應(yīng)的地表類型，可以直接利用衛(wèi)星資料估計(jì)地表的發(fā)射率。

不同的地表類型由于結(jié)構(gòu)、含水量和粗糙程度等的不同各自具有不同的輻射信息，故微波發(fā)射率也有所差異[3]。可見光和紅外波段，不同地表類型的光譜各不相同，可以利用高光譜、多光譜的遙感影像進(jìn)行地表覆蓋類型的分類、變化檢測和地物特征的分析研究[4]；紅外波段地表的微波發(fā)射率也不相同，不同地表類型的微波發(fā)射率以及不同類型的微波發(fā)射率隨頻率和植被覆蓋率等參數(shù)的變化都有相應(yīng)的變化規(guī)律。利用微波遙感觀測地表發(fā)射率的最大優(yōu)勢在于能夠提供大范圍空間上連續(xù)的地表和大氣信息。

1 模擬方法

本文提取CRTM（Community Radiative Transfer Model）輻射傳輸模式中的微波發(fā)射率模式，對(duì)植被覆蓋地表的微波地表發(fā)射率進(jìn)行模擬計(jì)算，并進(jìn)行衛(wèi)星觀測天頂角、土壤含水量、植被覆蓋率等參數(shù)對(duì)微波地表發(fā)射率的敏感性試驗(yàn)。

2 微波地表發(fā)射率敏感性試驗(yàn)

2.1 微波地表發(fā)射率模式的輸入?yún)?shù)與輸出

本文所使用的地表發(fā)射率的模式從CRTM輻射傳輸模式中提取，用于模擬分析微波地表發(fā)射率的變化。模式的輸入?yún)?shù)為衛(wèi)星觀測天頂角、衛(wèi)星觀測頻率、土壤含水量、土壤質(zhì)量含水量、植被覆蓋率、植被類型、土壤類型、地表溫度、土壤溫度，模式的輸出為不同地表類型的微波發(fā)射率。本文將對(duì)有植被覆蓋地表類型條件下不同參數(shù)輸入值進(jìn)行模擬，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析說明。

2.2 植被覆蓋地表發(fā)射率的變化特征

對(duì)衛(wèi)星觀測頻率、植被覆蓋率、土壤含水量、土壤溫度、衛(wèi)星觀測天頂角和土壤溫度對(duì)植被的微波發(fā)射率的敏感性進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果如圖1～5所示。

圖1顯示植被的微波發(fā)射率隨頻率的變化趨勢。其中，橫坐標(biāo)表示衛(wèi)星觀測頻率（范圍為10～90 GHz，間隔為10 GHz），縱坐標(biāo)表示植被表面的微波發(fā)射率。衛(wèi)星觀測天頂角為45°，土壤含水量為0.5，植被覆蓋率為0.7，土壤溫度為280 K，表面溫度為290 K。植被表面微波發(fā)射率的主要影響因素是衛(wèi)星觀測頻率、土壤含水量、表面粗糙程度和植被覆蓋率。可以看出，植被的微波發(fā)射率隨頻率的增大而增大，當(dāng)頻率 <50 GHz時(shí)發(fā)射率增大速度比較快，頻率>50 GHz時(shí)發(fā)射率增長比較慢。隨頻率的增大，植被表面的散射作用增強(qiáng)，導(dǎo)致植被的輻射增強(qiáng)，最終使總輻射能量隨頻率的增大而增大。

圖2表示不同頻率下植被表面微波發(fā)射率隨植被覆蓋率變化的變化趨勢。植被覆蓋率分別為0.3、0.5、0.7、0.9，衛(wèi)星測量天頂角為45°，土壤含水量為0.5，土壤溫度為280 K，表面溫度為290 K。可以明顯看出，表面發(fā)射率隨植被覆蓋率增大而增大，并且地表微波發(fā)射率隨植被覆蓋率的增大，其增長速度先增大后減小。可能是由于高頻率微波波長短、穿透能力較強(qiáng)，對(duì)植被輻射率的變化不敏感，而低頻率穿透能力較弱，接收到的輻射能量很小，導(dǎo)致發(fā)射率的變化比較慢。相同的植被覆蓋率下，發(fā)射率隨頻率的增大而增大。發(fā)射率隨植被覆蓋率變化，主要是由于植被覆蓋率增大時(shí)，植被表面的發(fā)射率大于無植被覆蓋的裸土的發(fā)射率。植被覆蓋率增大，植被密度也相應(yīng)增大，植被對(duì)發(fā)射率的貢獻(xiàn)增大，導(dǎo)致總體發(fā)射率增大。當(dāng)植被覆蓋率為0.9、頻率>40 GHz時(shí)，發(fā)射率有減小趨勢。Karbou等在處理AMSU-A數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率為23～31 GHz時(shí)發(fā)射率會(huì)下降，并將其原因歸結(jié)為儀器定標(biāo)時(shí)的絕度誤差和此頻率下大氣吸收隨頻率的增大而減小。此處發(fā)射率的數(shù)值不符合實(shí)際規(guī)律也可能是這個(gè)原因造成的。此外，植被的衰減和吸收等輻射特性主要受植被介電常數(shù)、植被密度、植被組成成分大小（例如樹枝長度、葉片大小）和相對(duì)波長等因素影響。

圖3表示不同頻率下發(fā)射率隨土壤含水量變化的變化趨勢。土壤含水量分別為0.3、0.5、0.7、0.9，衛(wèi)星測量的天頂角為45°，植被覆蓋率為0.5，土壤溫度為270 K，表面溫度為270 K。相同頻率下植被的微波發(fā)射率隨土壤含水量的增大而減小，并且頻率越小微波發(fā)射率減小越快。原因是水的比熱容較大，會(huì)吸收部分熱輻射能量，導(dǎo)致發(fā)射的熱輻射能量減小；而溫度不變黑體的輻射能量不變，最終使總輻射能量減小。

圖4表示植被的微波發(fā)射率隨衛(wèi)星觀測天頂角變化的變化趨勢。頻率為31.4 GHz，植被覆蓋率為0.7，土壤溫度為290 K，表面溫度為290 K，土壤含水量為0.5，測量的天頂角為5°～60°，間隔5°。可以看出，植被地表發(fā)射率隨衛(wèi)星天頂角的增大而減小，并且<40°時(shí)變化不明顯，>40°時(shí)變化加速。原因是隨衛(wèi)星觀測天頂角的增大輻射到達(dá)衛(wèi)星的距離增大，大氣衰減的能量增大導(dǎo)致到達(dá)衛(wèi)星的輻射能量減小，最終導(dǎo)致植被的微波發(fā)射率減小。endprint

圖5顯示的是植被發(fā)射率隨土壤溫度變化的變化趨勢。頻率為23.8 GHz，衛(wèi)星觀測天頂角為45°，植被覆蓋率為0.7，土壤含水量為0.5，土壤溫度280～392 K，間隔為1 K，表面溫度為290 K。植被的微波發(fā)射率隨土壤溫度的升高有明顯的下降趨勢。原因是隨著地表溫度的增高，黑體輻射能量和地表的熱輻射能量都增大，但是黑體增大幅度大于地表熱輻射能量，導(dǎo)致比值減小，即地表微波發(fā)射率減小。

3 結(jié)論

隨著衛(wèi)星資料在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的廣泛應(yīng)用，地表發(fā)射率也越來越受各學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注[5-6]。表面發(fā)射率跟衛(wèi)星觀測天頂角、土壤含水量、植被覆蓋率、土壤溫度等有很大的關(guān)系，這些參數(shù)可表述地表變化，也能作為反演地表發(fā)射率的初始值。根據(jù)不同地表類型和不同參數(shù)對(duì)地表發(fā)射率變化趨勢的分析得到以下結(jié)論：一是地表微波發(fā)射率會(huì)隨頻率的變化而變化，并且植被的微波發(fā)射率隨頻率的增大而增大；二是地表微波發(fā)射率與土壤溫度有關(guān)，植被表面發(fā)射率都隨土壤溫度的增大而減小；三是植被覆蓋率影響表面發(fā)射率，隨植被覆蓋率的增大裸土對(duì)表面發(fā)射率的貢獻(xiàn)減小，植被輻射增大，總發(fā)射率增大，發(fā)射率隨衛(wèi)星觀測天頂角的增大而減小，并且隨土壤含水量的增大而減小。

總之，根據(jù)以上研究分析可看出，頻率、植被覆蓋率是影響地表發(fā)射率最重要的因素。本研究為進(jìn)一步反演地表和大氣的各種參數(shù)、衛(wèi)星資料的同化使用打下良好的基礎(chǔ)。

4 參考文獻(xiàn)

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