大气水汽含量反演

大气水汽含量定量反演 CompanyLogo 目录 1 大气水汽含量反演的意义2 现有大气水汽含量研究方法简介3 MODIS数据反演大气水汽4 MODIS影像近红外反演大气水汽5 MODIS05大气可降水量产品介绍 CompanyLogo 大气水汽含量反演的意义 水汽是一种非常重要的温室气体 同其它温室气体 如二氧化碳 不同的是 水汽涉及到很重要的热反馈作用 这一作用过程将增加其它温室气体 如二氧化碳 的温室效应 在温室效应影响下 地表 大气温度上升 海洋表面就会蒸发更多的水汽 同时 温度升高导致大气饱和 水汽压 大气可容纳水汽量增大 这些新增水汽作为温室气体 加剧温室效应 从而使整层大气变得更热 CompanyLogo 大气水汽含量反演的意义 水汽是天气变化的主要动力因素之一 因此对水汽监测是大气遥感的一个主要目的 同时大气中的水汽含量也是影响遥感应用的一个主要因素之一 特别是在地表温度反演 遥感影像的大气校正中 水汽会对辐射传输产生的影响 因此水汽数据还被用作大气校正的输入 来获取准确的地表参数 如陆地表面温度 CompanyLogo 现有大气水汽含量研究方法简介 无线电探空技术探测大气水汽含量无线电探空技术 即通过施放探空气球 收集有关的温度 气压 湿度等气象要素来计算水汽含量 但无线电探空成本较高 相对于地面观测站而言探空站分布稀疏 并且一般每天仅进行早晚2次探测 不足以分辨水汽的时空变化 因此不能很好地监测大范围的天气变化 如雷雨和多变天气 CompanyLogo 现有大气水汽含量研究方法简介 GPS探测大气水汽含量GPS在传输信号时 地球大气的存在对信号传输产生折射影响 当采用一定的观测方案和求解模型将这种影响消除后 GPS定位才达到一定精度 同时 这种影响作为未知量也可解算出来 GPS气象正是基于此而发展起来 GPS探测大气水汽含量根据接收机位置分为地基和空基两种技术 CompanyLogo 现有大气水汽含量研究方法简介 太阳辐射计反演大气水汽含量太阳辐射计是一种便携式仪器 利用它的940nm水汽吸收通道可以测量大气柱水汽总量 胡秀清 张玉香等利用MODTRAN3 7模式模拟出太阳辐射计940nm通道透过率与水汽量关系常数 总消光剔除了气溶胶和分子散射 就得到了水汽透过率 从透过率反演了水汽量 CompanyLogo 卫星遥感反演大气水汽 这些水汽探测手段存在很多限制 如费用昂贵 时间空间分辨率低 不能全天候观测等 卫星技术的发展为探测大气水汽提供了新的手段 CompanyLogo 卫星遥感反演大气水汽 大气水汽吸收的作用机理 水汽是大气中的重要吸收成分 水分子表现为一个不对称的陀螺分子形状 由于正 负离子的重心不重合 所以水分子是一个极性分子 具有很强的永电偶极矩 水汽的最强和最宽的振转吸收带是以6 3 m为中心的吸收带 其次还有两个分别以2 74 m和2 66 m为中心的吸收带 此外 在近红外区还有很多泛频和并合频率吸收带 CompanyLogo 卫星遥感反演大气水汽 CompanyLogo MODIS数据反演大气水汽 一 MODIS传感器简介中分辨率成像光谱仪 MODIS 是EOS系列卫星的最主要的探测仪器 是搭载在TERRA和AQUA卫星上的对地观测传感器 MODIS是现今新一代 图谱合一 的光学遥感仪器 它具有36个光谱通道 分布在0 4 14 m的电磁波谱范围内 地面分辨率为250m 500m 1000m 灰度量化等级为12bit 图幅宽度为2330KM 在对地观测过程中 每秒可以同时获取6 1M比特来自海陆表面的信息 每天或两天可以获得一次全球观测数据 CompanyLogo MODIS数据反演大气水汽 劈窗法反演大气水 AVHRR传感器 如果辐射传输方程是线性方程 那么大气水含量与第4 第5通道之差成比例 式中 PW指大气水含量 a b为常数 T4和T5指第4 5通道的亮温 CompanyLogo MODIS数据反演大气水汽含量 方差比反演算法 AVHRR传感器 Keespies与Mcmillin首先提出了基于第4 5通道的两个象素间亮温比与辐射传输之间的相关性来反演大气水 式中 212和 211分别指第4 5通道辐射传输的平方 212和 211指方差 CompanyLogo MODIS数据反演大气水汽 回归斜率法 回归斜率法作为大气水函数 是两个通道亮温变化之间的比率 在大气干燥的情况下 第4 5通道几乎具有相同的温度 回归斜率近似等于1 大气湿度不断增加 对第5通道的影响越发显著 两通道间的差异也就更大 CompanyLogo MODIS数据近红外波段反演大气水汽 2 5通道为大气窗口 17 18 19通道为水汽吸收带 CompanyLogo MODIS数据近红外波段反演大气水汽 反演原理 在近红外波段附近 卫星传感器在波长处所接收的辐射可以表示为 Lsensor Lsun Lpath 1 其中 是波长 Lsensor 是传感器上接收到的辐射 Lsun 是大气上界的太阳辐射 是大气透过率 是地表反射率 Lpath 是大气程辐射 气溶胶的散射作用 在近红外波段 气溶胶的光学厚度很小 它的影响可以忽略不计 所以试 1 简化为 Lsensor Lsun 2 CompanyLogo MODIS数据近红外波段反演大气水汽 定义近红外波段的反照率为 Lsensor Lsun 3 则卫星上传感器第i通道上的辐射传输方程可以写成 i i i 4 由于大部分典型地物在1 m附近的地表反射呈线性变化 在假设大气窗口透过率等于1的条件下 水汽吸收通道的透过率就可以用水汽吸收通道与大气窗口通道的的反射率比值来计算 CompanyLogo MODIS数据近红外波段反演大气水汽 典型地物光谱 CompanyLogo MODIS数据近红外波段反演大气水汽 由上图可以看出 主要地表类型在1um附近的反射率基本呈线性变化 于是我们可以合理的假设地表的反射率满足以下关系 i a i b 5 则由辐射传输方程可以得到 2 2 2 5 5 5 k k k i a i b 6 CompanyLogo MODIS数据近红外波段反演大气水汽 首先令 2 5 1 然后解方程组 6 可得 k k mk 2 nk 5 7 其中 k 为第k k 17 18 19 通道的大气透率 mk k 5 2 5 nk 2 k 2 5 通过计算可以得到 17 18 19波段透过率 CompanyLogo MODIS数据近红外波段反演大气水汽 单通道水汽含量计算 对于透过率与水汽含量的关系 Kaufman和GaoBo Cai利用LOWTRA 模拟出两者的关系曲线 CompanyLogo MODIS数据近红外波段反演大气水汽 同时 他们给出如下关系式 系数 与太阳天顶角 卫星天顶角等诸多因素有关 对于复合型地表 上式中 0 02 0 651 R为相关系数 CompanyLogo MODIS数据近红外波段反演大气水汽 水汽含量的加权平均不同的水汽吸收通道对水汽变化有不同的敏感度 反演结果也不尽相同 第17通道位于水汽弱吸收区 对湿润地区的水汽反演有利 18通道在干燥环境下对水汽最敏感 19通道则适用于复合型地表环境 仅用单一通道反演必然导致结果的不精确 因此 我们可以对不同通道的水汽反演结果根据其敏感系数进行加权平均 得到的结果将更接近于真实情况 在相同的大气条件下 平均水汽可用下式计算 CompanyLogo MODIS数据近红外波段反演大气水汽 水汽含量的加权平均其中 f17 f18 f19分别17 18 19通道的权重函数 其中 是模拟中最大与最小水汽值的差值 是各个波段对应的透射率的差值 CompanyLogo MODIS05大气可降水量产品介绍 MODIS水汽总量产品在业务称大气可降水量 MODIS近红外水汽总量产品是利用近红外940nm水汽吸收通道反演的晴空区大气柱水汽总量 白天的近红外算法应用于全球晴空陆地 以及陆地和海洋上空 对于晴空海洋区域 水汽总量计算只能在耀斑区进行 CompanyLogo MODIS05大气可降水量产品介绍 MODIS水汽产品包括 5min段产品和日 旬 月产品 5min段产品是利用MODIS近红外水汽吸收通道和附近的窗口通道数据反演得到的水汽产品 输入MODIS L1的5min段数据 输出对应5min段大气水产品 产品的空间分辨率与MODIS L1产品一致 标明地理经纬度和质量信息 但不进行投影变换 CompanyLogo MODIS05大气可降水量产品介绍 日产品是基于5min段陆上大气水产品 经过轨道拼图和投影处理 生成等经纬度的大气水日产品 MODIS日大气水产品包括全球产品和中国区域产品 全球产品空间分辨率为0 05 0 05 格点数为7200 3600 中国区域产品空间分辨率保持原分辨率 为0 01 0 01 格点数为7000 5000 经纬度范围为5 55 N 70 140 E CompanyLogo MODIS05大气可降水量产品介绍 旬 月产品是以陆上大气水的日产品作为输入 生成旬或月平均水汽总量 这两种产品全球覆盖 空间分辨率为0 05 0 05 格点