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目 录

第一章 引言 1

第二章 研究区域与数据 2

2.1 研究区域概况 2

2.2研究区数据 2

2.2.1 影像数据介绍 2

2.2.2 数据处理软件介绍 3

2.2.3 站点数据介绍 4

2.3 数据预处理 4

2.3.1 MODIS影像预处理 4

2.3.2 气象站点数据预处理 5

第三章 反演算法 6

3.1 透射率的获取 6

3.2 单水汽吸收通道地表水汽压的计算 6

3.3 加权平均水汽压的计算 7

第四章 计算与分析 8

4.1 计算地表水汽压 8

4.1.1 单水汽吸收通道计算地表水汽压 8

4.2.2 水汽压加权平均 9

4.3 数据验证与误差分析 10

4.3.1 数据验证 10

4.3.2 误差分析 13

第五章 结语 14

参考文献 15

致谢 17

应用MODIS数据计算地表水汽压的研究

钟斌

Abstract: The ground water vapor pressure exists in the whole earth, and it is an important meteorological parameter. In this paper, MODIS data are used to estimate the instantaneous surface water vapor pressure in Guizhou province. Based on the modeling of 42 meteorological stations, the differential transmittance of atmospheric water vapor is extracted by the channel ratio method, and related models are established by using polynomial model and exponential model to fit the relationship model between surface water vapor pressure and differential transmittance of atmospheric water vapor. And the measured surface water vapor pressure data of 10 other meteorological stations were selected to verify the results of all the estimation models. The results showed that 19 channels obtained transmittance through the ratio method of two channels, and the polynomial model was the best. The average relative error of verification station was 7.66 %, and the coefficient was 0.276. The verification results showed that the polynomial model could accurately estimate the surface water vapor pressure in the study area, and this paper provided a method for estimating the surface water vapor pressure based on MODIS data.

Key words: Surface water vapor pressure; MODIS; Channel ratio method; Regression analysis

第一章 引言

大气中水汽含量虽然不多，但它是天气变化中的一个重要角色^[18].在大气中，它可以转换为云、雨、雾、雪等多种形态。同时，水汽能强烈地吸收地表发出的长波辐射，水汽的蒸发和凝结又能吸收和放出潜热，这都直接影响到地表和空气的温度，影响到大气的运动和变化。

同时水汽是大气中最重要的一种温室气体^[17]。与其它温室气体（如二氧化碳）不一样的是水汽涉及到很严重的热反馈作用。这一作用将增加其它温室气体（如二氧化碳）的温室作用。在温室效应的影响下，地表、大气温度上升，海洋表面将会蒸发更多的水汽。同时，温度升高导致大气吸收更多的水汽，这些新增水汽作为温室气体，加剧温室效应，从而使得整层大气变得更热。

地表水汽压在日常生活之中也经常应用。湿度，即空气中水汽的含量或干湿程度，测得当前相对湿度可以了解到当前环境对植物的影响，对人类的舒适度分析。而相对湿度指的是湿空气中实际水汽压与同温度下饱和水汽压的百分比。不仅在日常生活之中，在各种水文循环、蒸散发估算、大气辐射反演、全球变化研究算法中都是一个重要的输入参数^[21][22]。

关于大气水汽含量的研究一直都在继续。其中，利用MODIS影像反演大气水汽含量的方法在国内外取得较大成就，其主要研究算法为通道比值法。Kaufman 和 Bo-Cai Gao通过大量的实验利用 LOWTRAN模型模拟两通道比值法与大气水汽含量的关系^[1][2]。Jose Sobrino，Jauad El-Kharraz等建立了大气水汽含量与两通道比值法的二次函数模型^[3]。赵有兵，顾利亚等通过结合四川地区MODIS影像，比较了两通道比值法、三通道比值法以及其加权平均大气水汽含量方法^[4]。姜立鹏，覃志豪等改进了三通道算法，并模拟了不同传感器视角下，大气水汽含量与MODIS 影像的17，18，19通道大气透射率之间关系^[5]。代强玲，刘良明等吸取了Kaufman和姜立鹏两种思想并对其进行验证，同时比较了两通道比值法、三通道比值法和3个通道水汽加权平均的效果，并将结果与MOD05水汽产品进行对比^[6]。谷晓平,王新明等通过18，19两通道的表观反射率计算大气可降水量^[7]。吴俊杰，宋开山等通过对东北地区MODIS影像进行大气水汽反演，验证了两通道比值法、三通道比值法的可行性，并比较了二者其对东北地区反演的相关性等多种关于反演方面的研究^[8]。

而在对地表水汽压的研究方面，乌丽雅苏，孟克其劳等通过对内蒙古西部水汽总量与地表水汽压的研究，认为大气水汽总量与地表水汽压存在良好的线性关系^[13]。而李国翠，李国平等通过对华北地区水汽总量特征与地表水汽压的研究，利用线性回归的方法，建立了四种不同分型下用地表水汽压估算水汽总量的经验公式^[14]。黄耀欢，江东等通过多种模型对比建立日平均地表水汽压与MOD07低空可降雨量数据的关系，提供一种实用的基于遥感数据估算日平均地表水汽压的方法^[10]。

为了避免MOD05、MOD07等水汽产品作为中间数据使用来反演地表水汽压，本文尝试应用MODIS 1B数据直接对地表水汽压进行反演分析，获取区域内的地表水汽压值，为地表水汽压为大气科学、气象分析提供数据支持。

第二章 研究区域与数据

2.1 研究区域概况

本文选择的研究区域为贵州省。贵州省，地处中国西南腹地，分别与重庆、湖南、广西、云南、四川接壤，是西南交通枢纽，地理位置位于东经103°36′-109°35′、北纬24°37′-29°13′，全省国土面积17.61万平方公里。

贵州地貌属于中国西南部高原山地，境内地势西高东低，自中部向北、东、南三面倾斜，平均海拔在1100米左右。全省地貌可概括分为：高原、山地、丘陵和盆地四种基本类型，其中92.5%的面积为山地和丘陵。境内山脉众多，重峦叠嶂，绵延纵横，山高谷深，其高程图如图1所示。

贵州的气候温暖湿润，属亚热带湿润季风气候。从全省看，通常最冷月（1月）平均气温多在3℃～6℃；最热月（7月）平均气温一般是22℃～25℃。降水较多，雨季明显，阴天多，日照少。受大气环流及地形等影响，贵州气候呈多样性。另外，气候不稳定，灾害性天气种类较多，干旱、秋风、凌冻、冰雹等频度大，对农业生产危害严重。

图1贵州省高程图

2.2研究区数据

2.2.1 影像数据介绍

本文所采用的是北京时间2017年11月8日11时55分拍摄的MODIS影像。MODIS（中分辨率成像光谱仪）是美国国家航空航天局(NASA)推出的地球观测系统(EOS)中TERRA和AQUA卫星上的一个重要传感器。MODIS是被动式成像分光辐射计，携带490个探测器，分布在36个光谱通道,覆盖了从可见光到红外通道，分别针对海洋﹑陆地﹑水汽﹑气溶胶等设计 ,能有效的处理多种数据。

MODIS具有以下特点：

1. 多通道同时观测。MODIS所获得的36个通道数据中，包含了许多大气校正的特征通道，可以有效的利用这些通道进行大气参数的反演，而本文所采用的水汽信息通道也包含在其中。
2. 高分辨率观测，观测周期短。MODIS影像数据有3个空间分辨率，其中1,2通道为250m，3-7通道为500m，8-36通道为1000m。并且，MODIS每两天就可以提供从可见光到红外通道的全面的全球观测数据，能够有效的提供较高精度的数据。
3. 观测次数多。在影像数据的获取中，云层的存在对影像的影响极大。而TERRA和AQUA两颗卫星每天可对我国大部分区域进行4次观测，能提高数据量的获取，以便选择无云或较少云的影像进行研究。

MODIS有多种级别数据共44种系列产品，本文所采用的是MODIS 1B数据，产品编号为MOD02，数据格式为HDF，是经过定标定位后的数据，可以直接使用软件包读取，读取后可获得三个类型数据：反射率数据、辐射亮度值数据和发射率数据。

本文所使用的为MODIS近红外中心波长在之间的5个通道，如表1所示。其中2、5通道为大气窗口通道，电磁波透过这2个通道时有极高的透射率；17、18、19通道为水汽吸收通道，能够有效的反映大气中的水汽信息。

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