大氣水汽含量反演

1、大氣水汽含量定量反演,Company Logo,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,Company Logo,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?zhàn)饔谩＿@一作用過程將增加其它溫室氣體(如二氧化碳)的溫室效應(yīng)。在溫室效應(yīng)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(shí)，溫度升高導(dǎo)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(yīng)，從而

2、使整層大氣變得更熱。,Company Logo,大氣水汽含量反演的意義,水汽是天氣變化的主要?jiǎng)恿σ蛩刂?，因此對水汽監(jiān)測是大氣遙感的一個(gè)主要目的。同時(shí)大氣中的水汽含量也是影響遙感應(yīng)用的一個(gè)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(zhǔn)確的地表參數(shù)，如陸地表面溫度。,Company Logo,現(xiàn)有大氣水汽含量研究方法簡介,無線電探空技術(shù)探測大氣水汽含量 無線電探空技術(shù)，即通過施放探空氣球，收集有關(guān)的溫度、氣壓、濕度等氣象要素來計(jì)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(jìn)

3、行早晚 2 次探測，不足以分辨水汽的時(shí)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)。,Company Logo,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(shí)，地球大氣的存在對信號傳輸產(chǎn)生折射影響。當(dāng)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(dá)到一定精度。同時(shí)，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(jī)位置分為地基和空基兩種技術(shù)。,Company Logo,現(xiàn)有大氣水汽含量研究方法簡介,太陽輻射計(jì)反演大氣水汽含量 太陽輻射計(jì)是一種便攜式儀器，利用它的940nm水汽吸收通道可以

4、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(jì)940nm通道透過率與水汽量關(guān)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。,Company Logo,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(fèi)用昂貴、時(shí)間空間分辨率低、不能全天候觀測等。衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展為探測大氣水汽提供了新的手段。,Company Logo,衛(wèi)星遙感反演大氣水汽,大氣水汽吸收的作用機(jī)理： 水汽是大氣中的重要吸收成分，水分子表現(xiàn)為一個(gè)不對稱的陀螺分子形狀，由于正、負(fù)離子的重心不重合，所以水分子是一個(gè)極性分子，具有很強(qiáng)的永電偶極矩。水汽的最強(qiáng)和最寬的振

5、轉(zhuǎn)吸收帶是以 6.3m 為中心的吸收帶；其次還有兩個(gè)分別以2.74m 和2.66m 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。,Company Logo,衛(wèi)星遙感反演大氣水汽,Company Logo,MODIS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(xué)遙感儀器，它具有36個(gè)光譜通道，分布在0.414m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

6、對地觀測過程中，每秒可以同時(shí)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)。,Company Logo,MODIS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。,Company Logo,MODIS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(gè)象素間亮溫比與輻射傳輸之間的相關(guān)性來反演大氣水： 式中,212和211分別指第4、5通道輻射傳輸?shù)钠?/p>

7、方，212和211指方差。,Company Logo,MODIS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(gè)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。,Company Logo,MODIS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。,Company Logo,MODIS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（）Lsun()()()+Lpa

8、th(),(1) 其中，是波長，Lsensor（）是傳感器上接收到的輻射，Lsun()是大氣上界的太陽輻射，()是大氣透過率，()是地表反射率，Lpath()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(xué)厚度很小，它的影響可以忽略不計(jì)。所以試（1）簡化為： Lsensor（）Lsun()()()，（2）,Company Logo,MODIS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 *()=Lsensor（）/Lsun(),(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： *(i)=(i)(i),(4) 由于大部分典型地物在1m附近的地表反射呈線性變化，在假設(shè)大

9、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(jì)算。,Company Logo,MODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽,典型地物光譜,Company Logo,MODIS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(shè)地表的反射率滿足以下關(guān)系： (i)=ai+b, (5) 則由輻射傳輸方程可以得到： *(2) =(2)(2) *(5) =(5)(5) *(k) =(k)(k) (i) =ai+b ,(6),Company Logo,MODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽,首先令(2

10、)=(5)=1，然后解方程組（6）可得： (k)=*(k)/（mk*(2)+nk*(5)）,(7) 其中，(k)為第k（k=17,18,19）通道的大氣透率； mk=（k-5）/（2-5）； nk=（2-k）/（2-5）； 通過計(jì)算可以得到：17、18、19波段透過率。,Company Logo,MODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽,單通道水汽含量計(jì)算： 對于透過率與水汽含量的關(guān)系，Kaufman和Gao Bo-Cai利用LOWTRA模擬出兩者的關(guān)系曲線：,Company Logo,MODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽,同時(shí)，他們給出如下關(guān)系式： 系數(shù)，與太陽天頂角，衛(wèi)星天頂角等諸多因素有關(guān)，

11、對于復(fù)合型地表，上式中=0.02，=0.651。R為相關(guān)系數(shù)。,Company Logo,MODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽,水汽含量的加權(quán)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(jié)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(fù)合型地表環(huán)境。僅用單一通道反演必然導(dǎo)致結(jié)果的不精確。因此，我們可以對不同通道的水汽反演結(jié)果根據(jù)其敏感系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，得到的結(jié)果將更接近于真實(shí)情況。在相同的大氣條件下，平均水汽可用下式計(jì)算：,Company Logo,MODIS數(shù)據(jù)近紅外波段反演大氣水汽,水汽含量的加權(quán)平均 其中，

12、f17,f18,f19分別17，18，19通道的權(quán)重函數(shù)。 其中， 是模擬中最大與最小水汽值的差值， 是各個(gè)波段對應(yīng)的透射率的差值。,Company Logo,MODIS 05大氣可降水量產(chǎn)品介紹,MODIS 水汽總量產(chǎn)品在業(yè)務(wù)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(yīng)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(jì)算只能在耀斑區(qū)進(jìn)行。,Company Logo,MODIS 05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

13、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(yīng)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(biāo)明地理經(jīng)緯度和質(zhì)量信息，但不進(jìn)行投影變換。,Company Logo,MODIS 05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0.050.05，格點(diǎn)數(shù)為7 2003 600；中國區(qū)域產(chǎn)品空間分辨率保持原分辨率，為0.010.01，格點(diǎn)數(shù)為70005 000，經(jīng)緯度范圍為555N，70140E。,Company Logo,MODIS 05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0.050.05，格點(diǎn)數(shù)