基于MODIS和AMSR-E反演京津冀地区大气水汽含量及比较-论文.pdf

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1、第29卷第3期成都信息工程学院学报V0l29NO．32014年6月JoURNALOFCHENGDUUNIVERSITYOFINFORMATIONTECHNOLOGYJun．2014文章编号：1671—1742(2014)03—0308—07基于MODIS和AMSR．E反演京津冀地区大气水汽含量及比较张东艳，王永前(成都信息工程学院资源环境学院，四川成都610225)摘要：为了长时间、大范围获取水汽数值，利用2005-2008年光学遥感的MODIS近红外、红外水汽产品，以及微波遥感AMSR—E数据，2种方法反演水汽。微波AMSR—E亮温数据采用MerrittN．D

2、eeter(2007)亮温极化差方法，选取18．7GHz和23．8GHz2个波段，得到AMSR—E升轨、降轨大气水汽数值。以京津冀地区为研究区域，通过地统计相关性分析、时间序列分析、年际间变化分析，可知2种方法4种资料反演的大气水汽数值的尺都达到0．95，时间分布符合中国雨带移动规律，空间分布不均。MODIS数据反演值比AMSR—E值要低，得到2种方法反演水汽的各自优缺点。关键词：气象学；大气遥感；大气水汽总量；京津冀地区；MODIS；AMSR—E中图分类号：P407．4文献标志码：A0引言水汽是大气中重要物质之一，有固、液、气3种相态变化。探测大气中水汽含量时

3、空变化，对天气预报、数值模拟、人工影响天气、气候变化、海陆问水循环有重要作用⋯1。目前，在气象系统中观测水汽方法主要有：气象探空观测、GPS观测。由于探空数据都是离散的，需要进行空间插值，才可应用到气候模式中。然而，依靠离散点代替面状分布会影响模拟结果，产生较大误差，而利用卫星遥感方法观测大气中水汽可以获得大范围的水汽观测数据，可解决上述方法中的不足。大气水汽是指大气可降水量，为单位截面积从地面到大气顶层全部水汽凝结降落到地表的高度。利用遥感数据反演大气水汽，根据遥感数据源的不同，可以分成紫外、可见光近红外、热红外和微波等方法。紫外波段应用较多的是TOMS和GO

4、ME数据[2-3j，一般采用差分光谱吸收技术反演大气水汽。红外波段是反演水汽常用的方法，劈窗算法应用最广泛l4I6j，利用水汽对不同热红外通道吸收差异，建立2个波段间的亮度温度差和水汽间的关系，进而对大气水汽进行反演。红外数据白天和晚上都可成像，但不适于有云的情况。可见光近红外反演水汽具有更高的精度，受到越来越多的重视E7-8]。选择近红外水汽强烈吸收波段及相邻水汽弱吸收波段，利用透过率比值可减小下垫面影响，使利用波段吸收率差异反演大气水汽稳定性好，是MODIS的标准大气水汽产品算法_9。但是近红外数据只能白天成像，不适用于夜间水汽反演，有云时只能反演云层上部水

5、汽含量。光学遥感反演精度比较高，但只适用晴空条件，而微波遥感具有穿云透雨能力，能全天时、全天候观测，不受天气影响。大气微波辐射依赖大气中物质对微波波段的吸收，特别是水汽，在微波频率22GHz附近吸收作用强l1。但陆地表面具有较大的比辐射率，要把大气和地面发射的微波信息区分开，难度较大。因此，利用微波辐射计数据反演大气水汽的研究更多应用于海洋上空【I1。再加上微波遥感的分辨率较低也是一限制因素。目前，光学遥感和微波遥感反演大气水汽都有各自的适用范围，最好是将多源遥感方法结合，提高反演精度。收稿日期：2013-0927基金项目：国家自然科学基金资助项目(411013

6、14)第3期张东艳等：基于MODIS和AMSR—E反演京津冀地区大气水汽含量及比较313由图3分析可知：夏季(6-8月)大气水汽总量到全年的一半以上，而夏季中7月，是季节及全年中大气水汽值最高的月份，7月就占全年水汽值20％左右。所以，选取2005～2008年7月MODIS近红外、红外水汽值和AMSR-E升轨、降轨水汽数值，再结合京津冀地区的行政．shp文件和DEM高程数据文件，分析京津冀地区大气水汽空间分布。从图4可以看出，MODIS近红外、红外大气水汽值和AMSR—E升轨、降轨水汽值在空间上有相同的分布，大体是东南部大气水汽含量多，西北部较少，从东南向西北递

7、减，这样的分布规律和中国降水的空问分布相吻合。从地形上由于东南部主要是海拔低于600m的平原地区，西北部多山地，这样的地形坡度，利于水汽的爬升。图4中，利用AMSR—E数据反演7月大气水汽含量在某些地区出现数据缺失，并且，7月AMSR—E升轨、降轨数据最大值呈现方块状，集中但面积不大，都分布在京津冀地区的平原和山地交界地区。从行政区划上看，这一地区属于北京，与MODIS近红外、红外大气水汽最大值相比，MODIS数据没这么明显集中，7月的最大水汽含量呈片状，分布在京津冀地区的东南部分。北京地区大气水汽值高，是由于城市人口集中，排人空气中颗粒物多，城市热岛效应，导致

8、热量排放多，这样水汽蒸发