大气水汽含量反演ppt课件.ppt

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1、目录目录1、大气水汽含量反演的意义、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、现有大气水汽含量研究方法简介3、MODIS数据反演大气水汽数据反演大气水汽4、MODIS影像近红外反演大气水汽影像近红外反演大气水汽5、MODIS 05大气可降水量产品介绍大气可降水量产品介绍大气水汽含量反演的意义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。同其它温室水汽是一种非常重要的温室气体。同其它温室气体气体(如二氧化碳如二氧化碳)不同的是，水汽涉及到很重要的热不同的是，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反馈作用。这一作用过程将增加其它温室气体(如二如二氧化碳氧

2、化碳)的温室效应。的温室效应。在温室效应影响下，地表、大在温室效应影响下，地表、大气温度上升，海洋表面就会蒸发更多的水汽。同时，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。应，从而使整层大气变得更热。大气水汽含量反演的意义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，水汽是天气变化的主要动力因素之一，因此对因此对水汽监测是大气遥感的一个主要目的。同时大气中水汽监测是大气遥感的一个

3、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，的水汽含量也是影响遥感应用的一个主要因素之一，特别是在特别是在地表温度反演地表温度反演，遥感影像的，遥感影像的大气校正大气校正中，中，水汽会对辐射传输产生的影响，因此水汽数据还被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。陆地表面温度。现有大气水汽含量研究方法简介现有大气水汽含量研究方法简介 无线电探空技术无线电探空技术探测大气水汽含量探测大气水汽含量 无线电探空技术，即通过施放探空气球，收集无线电探空技术，即通过施放探空气球，

4、收集有关的温度、气压、湿度等气象要素来计算水汽含有关的温度、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言探空站分布稀疏，并且一般每天仅进行早晚 2 次次探测，不足以分辨水汽的时空变化，因此不能很好探测，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地监测大范围的天气变化(如雷雨和多变天气如雷雨和多变天气)。现有大气水汽含量研究方法简介现有大气水汽含量研究方法简介GPS探测大气水汽含量探测大气水汽含量GPS在传输信号时，地球大气的存在对信号传输在传输信号时，地球大气

5、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，将这种影响消除后，GPS定位才达到一定精度。同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。时，这种影响作为未知量也可解算出来。GPS 气象气象正是基于此而发展起来。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。基和空基两种技术。现有大气水汽含量研究方法简介现有大气水汽含量研究方法简介太阳辐射计太阳辐射计反演大气水汽含量反演大气水汽含量太阳辐射计是一种便携式仪器，利用它的太阳辐射计是一种便

6、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、水汽吸收通道可以测量大气柱水汽总量。胡秀清、张玉香等利用张玉香等利用MODTRAN3.7模式模拟出太阳辐射计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。过率反演了水汽量。卫星遥感反演大气水汽卫星遥感反演大气水汽 这些水汽探测手段存在很多限制这些水汽探测手段存在很多限制,如费用昂贵、如费用昂贵、时间空间分辨率低、不能全天候观测等。卫星技术时间空间分辨率低、不能

7、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。的发展为探测大气水汽提供了新的手段。卫星遥感反演大气水汽卫星遥感反演大气水汽大气水汽吸收的作用机理：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，所以水分子是一个心不重合，所以水分子是一个极性分子极性分子，具有很强，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的永电偶极矩。水汽的最强和最宽的振转吸收带是以以 6.3m 为中心的吸收带；其次还有两个分别以为中心的吸收带；其次还

8、有两个分别以2.74m 和和2.66m 为中心的吸收带；此外，在近红为中心的吸收带；此外，在近红外区还有很多泛频和并合频率吸收带。外区还有很多泛频和并合频率吸收带。卫星遥感反演大气水汽卫星遥感反演大气水汽MODIS数据反演大气水汽数据反演大气水汽一、一、MODIS传感器简介传感器简介 中分辨率成像光谱仪（中分辨率成像光谱仪（MODIS）是）是EOS系列卫星的最主要系列卫星的最主要的探测仪器，是搭载在的探测仪器，是搭载在TERRA和和AQUA卫星上的对地观测传卫星上的对地观测传感器。感器。MODIS是现今新一代是现今新一代“图谱合一图谱合一”的光学遥感仪器，的光学遥感仪器，它具有它具有36个光谱

9、通道，分布在个光谱通道，分布在0.414m的电磁波谱范围内，的电磁波谱范围内，地面分辨率为地面分辨率为250m、500m、1000m,灰度量化等级为灰度量化等级为12bit，图幅宽度为图幅宽度为2330KM。在对地观测过程中，每秒可以同时获取。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。球观测数据。MODIS数据反演大气水汽数据反演大气水汽劈窗法反演大气水劈窗法反演大气水(AVHRR传感器传感器) 如果辐射传输方程是线性方程，那么大气水含如果辐射传输方程是线性方程，那么大气水含量与第量与第

10、4、第、第5通道之差成比例：通道之差成比例： 式中式中,PW指大气水含量，指大气水含量，a、b为常数，为常数，T4和和T5指指第第4、5通道的亮温。通道的亮温。MODIS数据反演大气水汽含量数据反演大气水汽含量方差比反演算法（方差比反演算法（AVHRR传感器传感器）：）： Keespies与与Mcmillin首先提出了基于第首先提出了基于第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：来反演大气水：式中式中,212和和211分别指第分别指第4、5通道辐射传输的平方，通道辐射传输的平方，212和和211指方差。指方差。MODIS数据反

11、演大气水汽数据反演大气水汽回归斜率法：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，第化之间的比率。在大气干燥的情况下，第4、5通道通道几乎具有相同的温度，回归斜率近似等于几乎具有相同的温度，回归斜率近似等于1；大气湿；大气湿度不断增加，对第度不断增加，对第5通道的影响越发显著，两通道间通道的影响越发显著，两通道间的差异也就更大。的差异也就更大。MODIS数据近红外波段反演大气水汽数据近红外波段反演大气水汽 2，5通道为大气窗口；通道为大气窗口；17，18，19通道为水汽吸收带。通道为水汽吸收带。MODIS数据

12、近红外波段反演大气水汽数据近红外波段反演大气水汽反演原理：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：以表示为： L Lsensorsensor（）L Lsunsun()()()+L()()()+Lpathpath(),(1)(),(1) 其中，其中，是波长，是波长，L Lsensorsensor（）是传感器上接收到的辐射，）是传感器上接收到的辐射，L Lsunsun()()是大气上界的太阳辐射，是大气上界的太阳辐射，()()是大气透过率，是大气透过率，()()是地表反射率，是地表反射率，L Lpathpath()(

13、)是大气程辐射（气溶胶的散射作用）。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（计。所以试（1 1）简化为：）简化为： L Lsensorsensor（）L Lsunsun()()()()()()，（，（2 2）MODIS数据近红外波段反演大气水汽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定义近红外波段的反照率为 * *()=L()=Lsensorsensor（）/L/Lsunsun(),(3)(),(3) 则卫星上传感器第则卫星上传感器第i i通道上的辐射传输方程可以写成：

14、通道上的辐射传输方程可以写成： * *(i i)=()=(i i)()(i i),(4),(4) 由由于大部分典型地物在于大部分典型地物在1m1m附近的地表反射呈线性附近的地表反射呈线性变化，在假设大气窗口透过率等于变化，在假设大气窗口透过率等于1 1的条件下，水汽的条件下，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。口通道的的反射率比值来计算。MODIS数据近红外波段反演大气水汽数据近红外波段反演大气水汽典型地物光谱典型地物光谱MODIS数据近红外波段反演大气水汽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

15、型在由上图可以看出，主要地表类型在1um附近的附近的反射率基本呈线性变化。于是我们可以合理的假设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：地表的反射率满足以下关系： (i)=ai+b, (5) 则由辐射传输方程可以得到：则由辐射传输方程可以得到： *(2) =(2)(2) *(5) =(5)(5) *(k) =(k)(k) (i) =ai+b ,(6)MODIS数据近红外波段反演大气水汽数据近红外波段反演大气水汽首先令首先令(2)=(5)=1，然后解方程组（，然后解方程组（6）可得：）可得： (k)=*(k)/（mk*(2)+nk*(5)）,(7)其中，其中，(k)

16、为第为第k（k=17,18,19）通道的大气透）通道的大气透率；率； mk=（k-5）/（2-5）；）； nk=（2-k）/（2-5）；）； 通过计算可以得到：通过计算可以得到：17、18、19波段透过率。波段透过率。MODIS数据近红外波段反演大气水汽数据近红外波段反演大气水汽单通道水汽含量计算：单通道水汽含量计算： 对于透过率与水汽含量的关系，对于透过率与水汽含量的关系，KaufmanKaufman和和Gao Bo-Gao Bo-CaiCai利用利用LOWTRALOWTRA模拟出两者的关系曲线模拟出两者的关系曲线： MODIS数据近红外波段反演大气水汽数据近红外波段反演大气水汽 同时，他们

17、给出如下关系式：同时，他们给出如下关系式： 系数系数，与太阳天顶角，卫星天顶角等诸多因与太阳天顶角，卫星天顶角等诸多因素有关，对于复合型地表，上式中素有关，对于复合型地表，上式中=0.02，=0.651。R为相关系数。为相关系数。MODIS数据近红外波段反演大气水汽数据近红外波段反演大气水汽水汽含量的加权平均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，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。第反演结果也不尽相同。第1717通道位于水汽弱吸收区，通道位于水汽弱吸收区，对对湿润地区湿润地区的水汽反演有利；的水汽反演有利；1818通道在通道在干燥环境干燥环境

18、下下对水汽最敏感；对水汽最敏感；1919通道则适用于通道则适用于复合型地表复合型地表环境。环境。仅用单一通道反演必然导致结果的不精确。仅用单一通道反演必然导致结果的不精确。因此，因此，我们可以对不同通道的水汽反演结果根据其敏感系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。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：在相同的大气条件下，平均水汽可用下式计算： MODIS数据近红外波段反演大气水汽数据近红外波段反演大气水汽水汽含量的加权平均水汽含量的加权平均其中，其中，f f1717,f,f1818,f,f1

19、919分别分别1717，1818，1919通道的权重函数。通道的权重函数。 其中，其中， 是模拟中最大与最小水汽值的差值，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。是各个波段对应的透射率的差值。MODIS 05大气可降水量产品介绍大气可降水量产品介绍 MODIS MODIS 水汽总量产品在业务称大气可降水量。水汽总量产品在业务称大气可降水量。MODIS MODIS 近红外水汽总量产品是利用近红外近红外水汽总量产品是利用近红外940nm940nm水汽水汽吸收通道反演的晴空区大气柱水汽总量。白天的近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

20、地和海洋上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空。对于晴空海洋区域，水汽总量计算只能在耀斑区进行。区进行。MODIS 05大气可降水量产品介绍大气可降水量产品介绍 MODISMODIS水汽产品包括：水汽产品包括：5min5min段产品和日、旬、月段产品和日、旬、月产品。产品。5min 5min 段产品是利用段产品是利用MODISMODIS近红外水汽吸收通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，输道和附近的窗口通道数据反演得到的水汽产品，输入入MODIS-L1MODIS-L1的的5min5min段数据，输出对应段数据，输出对应

21、5min5min段大气水段大气水产品。产品的空间分辨率与产品。产品的空间分辨率与MODIS-L1MODIS-L1产品一致，标产品一致，标明地理经纬度和质量信息，但不进行投影变换。明地理经纬度和质量信息，但不进行投影变换。MODIS 05大气可降水量产品介绍大气可降水量产品介绍 日产品是基于日产品是基于5min5min段陆上大气水产品，经过轨段陆上大气水产品，经过轨道拼图和投影处理，生成等经纬度的大气水日产品。道拼图和投影处理，生成等经纬度的大气水日产品。MODISMODIS日大气水产品包括全球产品和中国区域产品。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全球产品空间分辨率为0

22、.050.050.050.05，格点数为，格点数为7 7 2002003 6003 600；中国区域产品空间分辨率保持原分辨；中国区域产品空间分辨率保持原分辨率，为率，为0.010.010.010.01，格点数为，格点数为700070005 0005 000，经，经纬度范围为纬度范围为5 55555N N，7070140140E E。MODIS 05大气可降水量产品介绍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，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，生成旬或月平均水汽总量。这两种产品全球覆盖，空间分辨率为空间分辨率为0.050

23、.050.050.05，格点数为，格点数为720072003 3 600600。MODIS 05大气可降水量产品介绍大气可降水量产品介绍 NASANASA的的MOD05MOD05水汽产品的反演是基于多个不同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。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。能校正地表反射率在不同通道间的差异。MODIS 05大气可降水量产品介绍大气可降水量产品介绍Thank you !