大气水汽含量反演

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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Gao BoCai利用LOWTRAＮ模拟出两者的关系曲线：
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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α，β与太阳天顶角，卫星天顶角等诸多因
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MODIS 05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。
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MODIS 05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7 200×3 600；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7000×5 000，经
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。
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大气水汽含量反演的意义
以 6.3μm 为中心的吸收带；其次还有两个分别以
2.74μm 和2.66μm 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。
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卫星遥感反演大气水汽
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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0.4~14μm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。
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。
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MODIS数据近红外波段反演大气水汽
典型地物光谱
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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： ρ(λi)=aλi+b, (5) 则由辐射传输方程可以得到： ｛ ρ*(λ2) =τ(λ2)ρ(λ2) ρ*(λ5) =τ(λ5)ρ(λ5) ρ*(λk) =τ(λk)ρ(λk) ρ(λi) =aλi+b
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大气水汽含量定量反演
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、MODIS 05大气可降水量产品介绍
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
的差异也就更大。
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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。
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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（λ ）＝Lsun(λ )τ (λ )ρ (λ )+Lpath(λ ),(1) 其中，λ 是波长，Lsensor（λ ）是传感器上接收到的辐 射，Lsun(λ )是大气上界的太阳辐射，τ (λ )是大气透过率， ρ (λ )是地表反射率，Lpath(λ )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（λ ）＝Lsun(λ )τ (λ )ρ (λ )，（2）
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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
ρ *(λ )=Lsensor（λ ）/Lsun(λ ),(3)
则卫星上传感器第i通道上的辐射传输方程可以写成：
ρ *(λ i)=τ (λ i)ρ (λ i),(4) 由于大部分典型地物在1μ m附近的地表反射呈线性
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)。
纬度范围为5°～55°N，70°～140°E。
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MODIS 05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°，格点数为7200×3 600。
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MODIS 05大气可降水量产品介绍
过率反演了水汽量。
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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。
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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
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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。
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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,τ212和τ211分别指第4、5通道辐射传输的平方， σ212和σ211指方差。
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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
NASA的MOD05水汽产品的反演是基于多个不同
吸收通道反演水汽量的加权平均，其中每个单独通
道是利用查找表方法计算得到。 该方法有两个优点：一个运算速度快，实现反 演的高速度，避免了查找表的时间延迟；另外它可 能校正地表反射率在不同通道间的差异。
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MODIS 05大气可降水量产品介绍
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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
是各个波段对应的透射率的差值。
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MODIS 05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。
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：
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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，
基和空基两种技术。
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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
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。
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素有关，对于复合型地表，上式中α=0.02， β=0.651。R为相关系数。
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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，
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｝,(6)
MODIS数据近红外波段反演大气水汽
首先令τ(λ2)=τ(λ5)=1，然后解方程组（6）可得：
τ(λk)=ρ*(λk)/（mkρ*(λ2)+nkρ*(λ5)）,(7)
其中，τ(λk)为第k（k=17,18,19）通道的大气透 率； mk=（λk-λ5）/（λ2-λ5）； nk=（λ2-λk）/（λ2-λ5）； 通过计算可以得到：17、18、19波段透过率。