MODIS大气可降水量产品订正方法研究

论文总字数：15621字

目 录

1引言 1

2MODIS水汽产品介绍 1

3国内外研究 1

3.1 国内研究 1

3.2 国外研究 2

4资料来源和预处理 3

4.1　资料来源 3

4.2　资料预处理 4

5研究方法 4

5.1 探空资料计算大气可降水量 4

5.2 地面资料提取大气可降水量 5

5.3 提取MODIS近红外大气可降水量 6

5.4 GPS技术提取大气可降水量 6

5.5本文研究方法 6

5.5.1 探空PWV订正地面PWV 6

5.5.2 地面PWV订正MODIS大气可降水量 7

6订正方法性能评估 7

6.1 1月、7月订正前后MODIS05大气可降水量分布 8

6.2 1月、7月探空站点订正前后三种PWV折线图 9

6.2.1 1月订正前后折线图对比 9

6.2.2 7月订正前后折线图对比 10

6.3 八个预留站订正前后的误差分析 10

7结论与展望 12

参考文献 12

致谢 15

MODIS大气可降水量产品订正方法研究

韩冰

，China

Abstract：In this paper, 83 sounding stations and 653 ground stations Atmospheric January 10 and July precipitation data can be first on the ground using radiosonde data difference data were revised, re-use of the revised data for ground MODIS Atmosphere precipitation be revised difference. In the analysis of the results before and after the analysis of the revised MODIS atmospheric precipitation precipitation between the error parameter and the spatial distribution of contrast relative to atmospheric sounding method to calculate. The results showed that: revised methods described herein can be taken MODIS precipitable products more effectively revised to effectively improve the Remote Sensing Technology atmospheric precipitation accuracy. Meteorological department can be more widely distributed use.

Key word：Precipitable Water Vapor；Joint difference correction；MODIS05；GIS

1引言

大气可降水量（precipitable Water Vapor，PWV）是任一单位截面积大气柱中所含水汽的质量，也称大气可降水量。大气可降水量在大气中具有举足轻重的作用，影响着全球水汽的循环，同时还在云和降水的产生、感热以及潜热的输送、大气化学等过程中起着无可替代的作用^[1]。另外，在大气温度的变化范畴内唯一可以发生相变的成分就是水汽^[2]，水汽相位的改变与降水密切相关，对于气候系统的变化和大气中能量的传输具有重要研究意义。对于研究大气辐射以及吸收及全球热量输送具有重要意义。目前的几种水汽资料，虽有各自优势但也存在明显的缺点，这些缺点也影响了我国水汽方面的研究进度。在此本文利用各项资料获取大气可降水量，并对MODIS05进行订正，充分发挥其优势的同时弥补其精度不足的缺点。

2 MODIS水汽产品介绍

随着科技的进步卫星遥感成为如今反演大气可降水量的重要手段之一，Frouin 等^[3]首先提出的将太阳反射光作为辐射源，通过近红外区中两个通道：弱接收区、窗区，来反演大气可降水量。且这种近红外方法在多种卫星仪器中得到应用，如 MODIS，FY，MERIS 等^[4]。MODIS是搭载于EOS-AM1/TERRA和EOS-PM1/AQUA太阳同步极地轨道系列卫星的主要传感器，可以覆盖全球并免费接收。MODIS有36个波段，拥有3种空间分辨率：0.25km，0.5km，1km，可以为我们提供全球范围内辐射分辨率的图像数据。36个光谱波段,其位置和带宽的选样,分别针对陆地、海洋、水汽、气溶胶等设计，保证对地面或大气程序的最佳条件。同时提供大气、海洋和陆地等领域的40多种产品,其中大气可降水量产品目前应用还较少，特别是该产品在中国西北干旱区的检验和应用目前几乎处于空白^[5]。

MODIS05是MODIS水汽产品^[6]，空间分辨率为1km，包括了红外和近红外2种产品。MODIS05通过获得地表或云在MODIS近红外太阳反射辐射通道的丈量值来反演大气气柱中的大气可降水量。通过 MODIS 近红外通道可以获取尺度大、空间分辨率高的大气可降水量，更能够详尽地反映出大气可降水量在地区上的分布状况和演变特征。但此产品在很大程度上依赖于最开始所选择的温湿廓线，尤其在地面温度和边界层温度较为接近时,结果将会有很大的误差。

3国内外研究

3.1国内研究

1959年，吴伯雄等通过1956年全国的月平均探空站数据，首先描绘了中国上空大气可降水量散布图。随着探空气象站数目的变多和更多数据的累积，郑斯中、邹进上、江静、高国栋以及刘国纬等人，也先后探讨了我国的大气可降水量及其在时间和空间上的分布。其中邹进上等较全面、深入地说明了我国上空大气可降水量在时间和空间分布上的特点和使其变化的原因。90年代以来，着手气象的演变和世界水汽的演变，叶笃正、施雅风、刘昌明等在中国区域大气可降水量的作用和影响等方面，展开了相关研究，并获取了明显的绩效。

现在，我国主要有三种方式用以求算大气可降水量：一种是探空法，通过探空数据中的比湿或者相对湿度数据对整层大气的累积来计算出大气可降水量。 比方，孙治安等利用探空站的数据计算了中国的月平均大气可降水量，并分析了平均大气可降水量和水汽压之间的关系阐述了大气可降水量的在时间和空间上的分布特性；权维俊等通过MODIS05水汽资料与NCEP水汽资料的比较和研究，得出了地面有关物理因子（如温度） 同大气可降水量两者的可能存在关联，并利用地面测得相关数对大气的水汽含量进行了推算；杨景梅等利用地面和高空气象数据计算了大气的水汽含量，并证明了大气可降水量和水汽压有着较好的线性关系。 还有一种是利用遥感反演，大气中的水汽对电磁波存在了衰减作用是遥感法的基本原理。 例如，陈洪滨等反演大气可降水量就是利用了遥感方法；姜立鹏等利用遥感近红外资料对大气可降水量进行了推算，并取得了较好的成果。 除了以上方法之外，目前国内还有一种较为新颖的方式，即利用GPS技术获取大气可降水量。例如，李国平等利用地基 GPS 观测网来获得大气可降水量，曹云昌等、向玉春等都是通过 GPS 技术获得了大气可降水量^[7]。张舒扬等用地面数据对MODIS大气含水量产品进行了订正，并提高了MODIS大气含水量产品的精度。

3.2 国外研究

Bentom等人测算了美国北部大陆的可降水量以及其水汽输送^[8]。Hutchings等在1954年计算了英国上空的年纪水汽含量，并分析了当地的水汽通量和水汽通量散度场^[9] 。Lufkin阐述了关于环球水汽输送和环球水汽通量散度场的论文，并展现了计算结果^[10]。以上的研究基本己经研究到了全球水文循环大气过程的一些较为重要的方面，但因为其时探空数据过少，只能视为探索阶段的成绩。

如今，常规的无线电探空每日只进行两次的标准观测，且站点分布稀疏导致探测的结果偏小，己经无法满足气候研究在时空上多边性的需求。水汽微波辐射计（Water Vapor Radio Meter）的成长同样为大气可降水量的计算做出了供献。Guldaner和Spankuch通过地基微波辐射仪对环球大气可降水量的演变进行了观测^[11]。地基微波辐射计同样存在缺点，在云量较多的天气状况下和降水发生的天气状况下，地基的微波辐射计就会受到影响，辐射计仪器被水打湿和降水水对辐射的削弱，使得微波辐射计在这些气候前提下难以提供准确的参数。如今全球定位系统（Global Positioning System，GPS）发展速度迅猛，地基GPS被更多领域应用于研究。例如，Bevis等通过GPS方法对大气可降水量实施了测算，并取得重要成果^[12]。

通过国内外研究的现状可以看到：如今我们测算大气可降水量所采用的方式大致有3种，即气象探空资料积分计算（简称为探空法）、地面气象资料求算方法（简称为地面法）、地基GPS探测资料反演大气可降水量（简称为GPS法）。

几种方法中，我们通常将探空资料的计算结果视为真值，并以其为标准对他计算方法的优劣程度进行评价。但由于目前我国探空站分布过于稀疏，所以单凭探空资料无法全面反映某些地区上空大气可降水量的分布状况。地面气象数据具有一天可以多次测量且空间分辨率相对探空站高的特点，虽然地面实测方法所获得的数据相对来说较为准确，但是观测点仅能代表的极为有限的区域，且通过地面资料获取的大气可降水量较为离散，在对其进行空间插值扩展之后才可以应用到气候模式中，利用地面资料求算距离站点较远地区的大气可降水量时，会使计算结果的精度降低，并产生较大误差。而通过遥感方法来获取的资料连续性非常好，且获得的数据为面数据。利用遥感反演大气可降水量不像地面实测，地面观测可以每天进行几次，而遥感一天只能获取两次资料。遥感法的缺点在于易受不良天气状况的影响，若传感器的分辨率较低也会造成数据精度相对较低的状况。因此，要获取精确更佳、连续性更好、分布更广的大气可降水量数据，我们可以应用对应的地面站获得数据和探空水汽数据对MODIS获取的大气可降水量订正。把遥感法地面法以及探空法三者相结合，发挥三种方法的优势，为其他研究提供更加可靠、精确的研究数据。

在此，本文以探空站点观测资料获取的大气可降水量为标准，对地面站数据求算的大气可降水量进行差值订正，进而使用已经矫正过的地面站点数据对MODIS05水汽产品数据进行订正。利用视为真值的探空气象站点数据和地面数据计算的可降水量联合对MODIS大气可降水量数字产品进行订正，以提高遥感方法反演大气可降水量的精度，更充分的发挥出遥感法的优势，使MODIS方法在获取连续性较好的水汽数据同时更为准确，为我国气候研究提供更为准确的实时水汽资料。

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