大氣水汽含量反演

會計學1大氣水汽含量反演CompanyLogo目錄1、大氣水汽含量反演的意義2、現(xiàn)有大氣水汽含量研究方法簡介3、MODIS數(shù)據(jù)反演大氣水汽4、MODIS影像近紅外反演大氣水汽5、MODIS

05大氣可降水量產(chǎn)品介紹第1頁/共31頁CompanyLogo大氣水汽含量反演的意義

水汽是一種非常重要的溫室氣體。同其它溫室氣體(如二氧化碳)不同的是，水汽涉及到很重要的熱反饋作用。這一作用過程將增加其它溫室氣體(如二氧化碳)的溫室效應。在溫室效應影響下，地表、大氣溫度上升，海洋表面就會蒸發(fā)更多的水汽。同時，溫度升高導致大氣飽和，水汽壓、大氣可容納水汽量增大，這些新增水汽作為溫室氣體，加劇溫室效應，從而使整層大氣變得更熱。第2頁/共31頁CompanyLogo大氣水汽含量反演的意義

水汽是天氣變化的主要動力因素之一，因此對水汽監(jiān)測是大氣遙感的一個主要目的。同時大氣中的水汽含量也是影響遙感應用的一個主要因素之一，特別是在地表溫度反演，遙感影像的大氣校正中，水汽會對輻射傳輸產(chǎn)生的影響，因此水汽數(shù)據(jù)還被用作大氣校正的輸入，來獲取準確的地表參數(shù)，如陸地表面溫度。第3頁/共31頁CompanyLogo現(xiàn)有大氣水汽含量研究方法簡介

無線電探空技術探測大氣水汽含量無線電探空技術，即通過施放探空氣球，收集有關的溫度、氣壓、濕度等氣象要素來計算水汽含量。但無線電探空成本較高，相對于地面觀測站而言探空站分布稀疏，并且一般每天僅進行早晚2次探測，不足以分辨水汽的時空變化，因此不能很好地監(jiān)測大范圍的天氣變化(如雷雨和多變天氣)。第4頁/共31頁CompanyLogo現(xiàn)有大氣水汽含量研究方法簡介GPS探測大氣水汽含量GPS在傳輸信號時，地球大氣的存在對信號傳輸產(chǎn)生折射影響。當采用一定的觀測方案和求解模型將這種影響消除后，GPS定位才達到一定精度。同時，這種影響作為未知量也可解算出來。GPS氣象正是基于此而發(fā)展起來。GPS探測大氣水汽含量根據(jù)接收機位置分為地基和空基兩種技術。第5頁/共31頁CompanyLogo現(xiàn)有大氣水汽含量研究方法簡介太陽輻射計反演大氣水汽含量太陽輻射計是一種便攜式儀器，利用它的940nm水汽吸收通道可以測量大氣柱水汽總量。胡秀清、張玉香等利用MODTRAN3.7模式模擬出太陽輻射計940nm通道透過率與水汽量關系常數(shù)，總消光剔除了氣溶膠和分子散射，就得到了水汽透過率，從透過率反演了水汽量。第6頁/共31頁CompanyLogo衛(wèi)星遙感反演大氣水汽這些水汽探測手段存在很多限制,如費用昂貴、時間空間分辨率低、不能全天候觀測等。衛(wèi)星技術的發(fā)展為探測大氣水汽提供了新的手段。第7頁/共31頁CompanyLogo衛(wèi)星遙感反演大氣水汽大氣水汽吸收的作用機理：

水汽是大氣中的重要吸收成分，水分子表現(xiàn)為一個不對稱的陀螺分子形狀，由于正、負離子的重心不重合，所以水分子是一個極性分子，具有很強的永電偶極矩。水汽的最強和最寬的振轉吸收帶是以6.3μm為中心的吸收帶；其次還有兩個分別以2.74μm和2.66μm為中心的吸收帶；此外，在近紅外區(qū)還有很多泛頻和并合頻率吸收帶。第8頁/共31頁CompanyLogo衛(wèi)星遙感反演大氣水汽第9頁/共31頁CompanyLogoMODIS數(shù)據(jù)反演大氣水汽一、MODIS傳感器簡介

中分辨率成像光譜儀（MODIS）是EOS系列衛(wèi)星的最主要的探測儀器，是搭載在TERRA和AQUA衛(wèi)星上的對地觀測傳感器。MODIS是現(xiàn)今新一代“圖譜合一”的光學遙感儀器，它具有36個光譜通道，分布在0.4~14μm的電磁波譜范圍內(nèi)，地面分辨率為250m、500m、1000m,灰度量化等級為12bit，圖幅寬度為2330KM。在對地觀測過程中，每秒可以同時獲取6.1M比特來自海陸表面的信息，每天或兩天可以獲得一次全球觀測數(shù)據(jù)。第10頁/共31頁CompanyLogoMODIS數(shù)據(jù)反演大氣水汽劈窗法反演大氣水(AVHRR傳感器)如果輻射傳輸方程是線性方程，那么大氣水含量與第4、第5通道之差成比例：

式中,PW指大氣水含量，a、b為常數(shù)，T4和T5指第4、5通道的亮溫。第11頁/共31頁CompanyLogoMODIS數(shù)據(jù)反演大氣水汽含量方差比反演算法（AVHRR傳感器）：

Keespies與Mcmillin首先提出了基于第4、5通道的兩個象素間亮溫比與輻射傳輸之間的相關性來反演大氣水：式中,τ212和τ211分別指第4、5通道輻射傳輸?shù)钠椒?，?12和σ211指方差。第12頁/共31頁CompanyLogoMODIS數(shù)據(jù)反演大氣水汽回歸斜率法：回歸斜率法作為大氣水函數(shù)，是兩個通道亮溫變化之間的比率。在大氣干燥的情況下，第4、5通道幾乎具有相同的溫度，回歸斜率近似等于1；大氣濕度不斷增加，對第5通道的影響越發(fā)顯著，兩通道間的差異也就更大。第13頁/共31頁CompanyLogoMODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽2，5通道為大氣窗口；17，18，19通道為水汽吸收帶。第14頁/共31頁CompanyLogoMODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽反演原理：在近紅外波段附近，衛(wèi)星傳感器在波長處所接收的輻射可以表示為：Lsensor（λ）＝Lsun(λ)τ(λ)ρ(λ)+Lpath(λ),(1)其中，λ是波長，Lsensor（λ）是傳感器上接收到的輻射，Lsun(λ)是大氣上界的太陽輻射，τ(λ)是大氣透過率，ρ(λ)是地表反射率，Lpath(λ)是大氣程輻射（氣溶膠的散射作用）。在近紅外波段（氣溶膠的光學厚度很小，它的影響可以忽略不計。所以試（1）簡化為：Lsensor（λ）＝Lsun(λ)τ(λ)ρ(λ)，（2）第15頁/共31頁CompanyLogoMODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽

定義近紅外波段的反照率為ρ*(λ)=Lsensor（λ）/Lsun(λ),(3)

則衛(wèi)星上傳感器第i通道上的輻射傳輸方程可以寫成：ρ*(λi)=τ(λi)ρ(λi),(4)由于大部分典型地物在1μm附近的地表反射呈線性變化，在假設大氣窗口透過率等于1的條件下，水汽吸收通道的透過率就可以用水汽吸收通道與大氣窗口通道的的反射率比值來計算。第16頁/共31頁CompanyLogoMODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽典型地物光譜第17頁/共31頁CompanyLogoMODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽

由上圖可以看出，主要地表類型在1um附近的反射率基本呈線性變化。于是我們可以合理的假設地表的反射率滿足以下關系：

ρ(λi)=aλi+b,(5)則由輻射傳輸方程可以得到：｛ρ*(λ2)=τ(λ2)ρ(λ2)ρ*(λ5)=τ(λ5)ρ(λ5)ρ*(λk)=τ(λk)ρ(λk)ρ(λi)=aλi+b｝,(6)第18頁/共31頁CompanyLogoMODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽首先令τ(λ2)=τ(λ5)=1，然后解方程組（6）可得：τ(λk)=ρ*(λk)/（mkρ*(λ2)+nkρ*(λ5)）,(7)其中，τ(λk)為第k（k=17,18,19）通道的大氣透率；mk=（λk-λ5）/（λ2-λ5）；nk=（λ2-λk）/（λ2-λ5）；通過計算可以得到：17、18、19波段透過率。第19頁/共31頁CompanyLogoMODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽單通道水汽含量計算：對于透過率與水汽含量的關系，Kaufman和GaoBo-Cai利用LOWTRAＮ模擬出兩者的關系曲線：

第20頁/共31頁CompanyLogoMODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽

同時，他們給出如下關系式：系數(shù)α，β與太陽天頂角，衛(wèi)星天頂角等諸多因素有關，對于復合型地表，上式中α=0.02，β=0.651。R為相關系數(shù)。第21頁/共31頁CompanyLogoMODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽水汽含量的加權平均不同的水汽吸收通道對水汽變化有不同的敏感度，反演結果也不盡相同。第17通道位于水汽弱吸收區(qū)，對濕潤地區(qū)的水汽反演有利；18通道在干燥環(huán)境下對水汽最敏感；19通道則適用于復合型地表環(huán)境。僅用單一通道反演必然導致結果的不精確。因此，我們可以對不同通道的水汽反演結果根據(jù)其敏感系數(shù)進行加權平均，得到的結果將更接近于真實情況。在相同的大氣條件下，平均水汽可用下式計算：

第22頁/共31頁CompanyLogoMODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽水汽含量的加權平均其中，f17,f18,f19分別17，18，19通道的權重函數(shù)。

其中，是模擬中最大與最小水汽值的差值，是各個波段對應的透射率的差值。第23頁/共31頁CompanyLogoMODIS05大氣可降水量產(chǎn)品介紹

MODIS水汽總量產(chǎn)品在業(yè)務稱大氣可降水量。MODIS近紅外水汽總量產(chǎn)品是利用近紅外940nm水汽吸收通道反演的晴空區(qū)大氣柱水汽總量。白天的近紅外算法應用于全球晴空陸地，以及陸地和海洋上空。對于晴空海洋區(qū)域，水汽總量計算只能在耀斑區(qū)進行。第24頁/共31頁CompanyLogoMODIS05大氣可降水量產(chǎn)品介紹

MODIS水汽產(chǎn)品包括：5min段產(chǎn)品和日、旬、月產(chǎn)品。5min段產(chǎn)品是利用MODIS近紅外水汽吸收通道和附近的窗口通道數(shù)據(jù)反演得到的水汽產(chǎn)品，輸入MODIS-L1的5min段數(shù)據(jù)，輸出對應5min段大氣水產(chǎn)品。產(chǎn)品的空間分辨率與MODIS-L1產(chǎn)品一致，標明地理經(jīng)緯度和質(zhì)量信息，但不進行投影變換。第25頁/共31頁CompanyLogoMODIS05大氣可降水量產(chǎn)品介紹

日產(chǎn)品是基于5min段陸上大氣水產(chǎn)品，經(jīng)過軌道拼圖和投影處理，生成等經(jīng)緯度的大氣水日產(chǎn)品。MODIS日大氣水產(chǎn)品包括全球產(chǎn)品和中國區(qū)域產(chǎn)品。全球產(chǎn)品空間分辨率為0.05°×0.05°，格點數(shù)為7200×3600；中國區(qū)域產(chǎn)品空間分辨率保持原分辨率，為0.01°×0.01°，格點數(shù)為7000×5000，經(jīng)緯度范圍為5°～55°N，70°～140°E。第26頁/共31頁CompanyLogoMODIS05大氣可降水量產(chǎn)品介紹

旬、月產(chǎn)品是以陸上大氣水的日產(chǎn)品作為輸入，生成旬或月平均水汽總量。這兩種產(chǎn)品全球覆蓋，空間分辨率為0.05°×0.05°，格點