针对MOD IS近红外数据反演大气水汽含量研究

MODIS大气含水量产品地面资料订正方法研究张舒扬;邱新法【摘要】在MODIS大气含水量反演过程中误差不可避免,要使用MODIS大气含水量产品必须进行适当订正.以日MODIS大气含水量数字产品为实验样本,根据探空站观测资料,通过差值实现对MODIS大气含水量数字产品的订正.再利用地面水汽压和大气含水量良好的线性关系,通过线性拟合来验证MODIS大气含水量数字产品地面资料订正方法的有效性.结果表明:订正后,2002年1月15日、4月15日、7月15日和10月15日地面水汽压和MODIS大气含水量的相关系数分别提高了0.163,0.049,0.613,0.189;绝对误差分别下降了2.36,0.36,3.22,1.84;相对误差分别减少了64％,13％,29％,51％.差值订正法能对MODIS大气含水量产品进行有效订正,并提高遥感反演大气含水量的精度,充分发挥卫星观测优势,为其他相关研究提供更为客观的参数.【期刊名称】《淮海工学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(021)002【总页数】6页(P60-65)【关键词】MODIS;大气含水量;地面资料;订正【作者】张舒扬;邱新法【作者单位】南京信息工程大学滨江学院,江苏南京 210044;南京信息工程大学滨江学院,江苏南京 210044【正文语种】中文【中图分类】P228.4;P481大气含水量是任一单位截面积大气柱中所含的水汽质量，也称大气水汽含量。

作为一种重要的大气成分，其在全球水循环过程中扮演着重要角色，在云和降水的演变、感热潜热的输送及大气化学等过程中具有重要作用［1］。

此外，水汽是大气温度变化范围内唯一可以发生相变的成分［2］，其相位变化与降水直接相关，在大气能量传输和天气系统演变中作用显著。

大气含水量是研究大气辐射、吸收及全球热量输送的重要参量。

在太阳辐射光范围内，水汽有许多重要的吸收带。

作为一种温室气体，水汽对地气系统发出的长波辐射有很强的吸收。

基于MODIS 数据近红外波段反演大气水汽含量的技术流程一．前言水汽是大气中重要的气象参数，其含量随时间和空间变化很大。

水汽体积混合比的变化范围一般在0.1%~3%之间，是大气温度变化范围内唯一可以发生相变的成分。

水汽的分布、传输和季节变化对于研究水循环、全球气候变化、天气预报、遥感大气校正等具有重要意义。

缺乏精确、稳定、长期的水汽数据记录，是阻碍深入研究气候系统中水汽影响的主要原因。

全球气球探空观测数据是离散的水汽数据,需进行空间插值扩展后，才能应用到气候模式中。

而“以点代面”会使模式模拟结果产生较大误差。

卫星遥感反演的面状分布特点,使得卫星资料估计大气总水汽含量的分布,受到了广泛的重视。

二．基本原理卫星传感器所接收的入瞳辐射亮度的简化形式可以表示为（Hansen and Travis, 1974; Franer and Kaufman, 1985）：)()()()()(λλρλλλPath Sum Sensor L T L L += （1）其中λ为波长，)(λSensor L 为传感器所获得的入瞳辐射亮度，)(λSun L 为大气顶层太阳辐射亮度，)(λT 为总的大气透过率，是指辐射从太阳到达地表再从地表到达传感器所经过的大气路径的总的透过率，)(λρ是指地表的二向反射率，)(λPath L 是指程辐射。

式（1）忽略了光子在地表的上的多次反射，即假设光子在地表上只反射一次。

式（1）右边第一项可以看作是地表直接反射的太阳辐射项，用Direct L 表示。

而将)(/)(λλSun Sensor L L 定义为表观反射率，用)(*λρ表示。

因此式（1）又可以改写为：)()()()()()()(*λλλρλλλλρSun Path Sun Sensor L L T L L +== （2）总透过率)(λT 包含了在太阳-地表-传感器路径上的总的水汽含量信息。

)(λSun L 为已知量。

在1m μ附近，可以忽略瑞利散射项，对程辐射)(λPath L 的主要贡献是气溶胶的散射。

利用MODIS数据反演大气AOD及PM2 .5浓度空气质量是人们生活中的重要问题，特别是在一些大城市，PM2.5浓度高的情况经常发生，导致了严重的健康问题。

因此，对于大气PM2.5浓度的监测和预测就显得尤为重要。

近年来，利用遥感技术反演大气PM2.5浓度的方法越来越受到关注，这种方法的优点是可以获取全球范围内的PM2.5数据，具有实时性和全面性，可以更好地开展大气环境管理工作。

本文主要介绍利用MODIS数据反演大气AOD及PM2.5浓度的方法。

一、MODIS数据简介MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）是由美国宇航局（NASA）和国家航空航天局（NOAA）合作设计并发射的一种用于地球观测的卫星传感器。

它的主要任务是提供高分辨率、全球性、高时空分辨率的遥感数据，为全球大气、海洋和陆地环境监测提供支持。

MODIS传感器包含36个波段，覆盖范围包括可见光、近红外和红外波段。

MODIS数据是用于大气、海洋、陆地和冰盖研究的主要遥感数据之一，已经成为全球监测与预测大气和海洋轨迹、地表覆盖变化等研究的重要工具。

二、大气AOD反演方法大气AOD（大气消光系数）是指在大气中传播的光线在一定路径上能量损失的程度，是一个衡量大气透明度的指标。

通过对AOD的反演，可以得到某一航迹上特定时刻的大气光学厚度，从而可以估算出大气中颗粒物的浓度。

目前，主要的AOD反演方法有两种：基于空间变化模型的方法和基于统计模型的方法。

基于空间变化模型的反演方法主要是基于能见度和光学理论，利用空间变化的模型来研究AOD的反演。

这种方法基于空间密集的监测站点，利用气象观测数据、大气动力学模型和光学研究，通过统计学分析来估算出大气AOD。

这种方法需要高空间密度的监测台站，但是可以估算出时空分布更为准确的AOD数据。

基于统计模型的反演方法是利用遥感数据和实地监测数据，通过建立统计模型来真实地估算AOD。

利用940nm卫星遥感数据反演大气水汽的方法比较与应用分析胡秀清;黄意玢【摘要】基于940 nm近红外水汽吸收带及两侧窗区通道探测大气水汽总量是自20世纪80年代兴起的卫星遥感大气水汽方法,这一方法主要利用差分吸收概念反演柱水汽总量.文章分析比较了不同反演算法各自特点和存在问题,同时针对我国不同的卫星数据进行了多次水汽反演试验,最好结果的误差为O.04 g/cm2,这为FY-3气象卫星中分辨率光谱成像仪陆地大气可降水业务产品算法的开发打下了坚实基础.【期刊名称】《气象科技》【年(卷),期】2010(038)005【总页数】7页(P581-587)【关键词】近红外通道;水汽总量;差分吸收【作者】胡秀清;黄意玢【作者单位】国家卫星气象中心,北京,100081;国家卫星气象中心,北京,100081【正文语种】中文【中图分类】P4水汽是大气中的重要微量成分，因为它可以不同的相态存在于大气中，生成云、雾、雪和雨。

它又是重要的温室气体，相态间的变化对大气中的热交换有着重要影响。

所以无论在天气预报中还是在气候研究中对水汽的了解都有十分重要的意义。

在卫星遥感中水汽是必不可少的探测项目，从最成熟的红外遥感到微波探测，直至近年提出的GPS全球定位系统都开展了多种多样的水汽测量，取得不错的结果。

然而，每种方法不可避免都有自己的局限性。

自20世纪80年代以来，科学家致力于用近红外方法探测大气水汽，以弥补某些不足，本文就近红外水汽的卫星反演展开阐述。

用近红外方法探测大气水汽开始于对太阳的观测，在地面上观测的太阳光谱中，存在水汽吸收带的波长上大部分太阳辐射被水汽吸收，太阳光谱图呈现为一条有凸有凹的曲线。

太阳光谱向下凹陷的部分就是存在气体吸收的波段，称作吸收谷，这些低谷与整个太阳光谱包络线间的高度差应该与吸收气体的含量有关，这就是差分吸收的概念，依据这一概念就可能由太阳光谱观测值推算大气柱中的水汽含量［1］。

20世纪70年代末R.Frouin等［2］从飞机上向下观测地球反射的太阳辐射，并由此反演得到飞机以下气柱中的水汽含量。

利用MODIS影像反演大气水汽含量的方法研究
赵有兵;顾利亚;黄丁发;吕弋培
【期刊名称】《测绘科学》
【年(卷),期】2008(33)5
【摘要】目前,利用MOD IS近红外波段反演大气水汽含量主要采用两通道比值加权法和三通道比值加权法,为了对比研究这两种的方法,本文结合四川地区MOD IS 影像,采用两通道比值法和三通道比值法分别获得17、18、19近红外通道大气水汽值,然后对两通道比值法和三通道比值法计算的三个近红外通道大气水汽值取加权平均,分别得到该地区加权平均大气水汽含量。

对子区域(成都地区)MOD IS的两种加权平均大气水汽含量与同时同地SONDE大气水汽含量进行对比分析,实验结果表明:用MOD IS近红外波段反演大气水汽含量拟采用三通道比值加权法。

【总页数】4页(P51-53)
【关键词】MODIS;两通道比值加权法;三通道比值加权法;大气水汽含量
【作者】赵有兵;顾利亚;黄丁发;吕弋培
【作者单位】西南交通大学测量工程系,成都610031;四川省地震局,成都610041【正文语种】中文
【中图分类】TP79
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5.利用MODIS反演渤海地区的大气水汽含量 [J], 孔梅;黄海军;高兴国;毕海波因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于MODIS热红外波段与投影寻踪模型的水汽反演方法林奕桐;叶骏菲;王永前;钟仕全【摘要】基于热红外波段的水汽反演方法可以进行夜间观测,但是精度稍低,因此提出基于MODIS热红外通道结合投影寻踪模型的水汽反演方法.通过变量选取实验和结果对比实验,选取出最适宜的模型输入变量及变量组合,建立了投影寻踪模型水汽反演方法;应用该方法反演了美国南部地区2015年夏季与中国山西省2011年7月份的水汽含量,并与GPS测量水汽数据进行了对比.结果表明:在美国南部地区,基于投影寻踪模型的水汽反演算法反演得到的水汽含量与GPS测量水汽含量的均方根误差(root mean square error,RMSE)为2.478 mm;在山西省RMSE为1.408 mm;与MODIS热红外水汽产品数据相比,具有更高的精度,且弥补了近红外夜间无法工作的缺陷,更具有业务化推广的潜力.【期刊名称】《国土资源遥感》【年(卷),期】2018(030)003【总页数】8页(P120-127)【关键词】亮度温度;水汽含量;投影寻踪【作者】林奕桐;叶骏菲;王永前;钟仕全【作者单位】南宁市气象局,南宁 530022;邕宁区气象局,南宁 530022;成都信息工程大学,成都 610225;广西壮族自治区气象减灾研究所/国家卫星中心遥感应用实验基地,南宁 530022【正文语种】中文【中图分类】TP790 引言大气水汽含量及其变化是天气和气候的主要驱动力[1]，传统的水汽含量需要通过探空获取，但对于边远地区，获取探空资料非常困难，因此使用遥感手段获取大气水汽含量十分重要[2]。

遥感水汽产品已经获得了广泛的应用，例如局地暴雨预报[3]、人工增雨指导[4]和天气系统移动过程分析[5]等。

MODIS是搭载于美国发射的太阳同步轨道系列卫星TERRA和AQUA上的主要传感器，它具有36个光谱通道，分布在0.4～14 μm的电磁波谱范围内。

常用的MODIS水汽产品为近红外和热红外水汽产品。

MODIS卫星遥感反演大气水概述【摘要】大气水与人类的生存密不可分，对其的研究也显得至关重要。

常规的探空手段研究大气水的方法受多种因素的影响已远不能达到水汽是空多变的要求了，气象卫星资料在该领域的研究中体现了其优越性。

本文就MODIS卫星遥感反演大气水的方法及其可行性进行了简单的概述。

【关键词】中分辨率成像光谱仪反演二通道比值法三通道比值法MOD05水汽产品1 引言动植物生存、人类生活、社会发展都离不开水资源，它是所有生命的来源。

水资源包括固、液、气三种相态。

固态水主要包括积雪和冰川，对水资源起到调节作用；液态水主要包括地表降水、河流湖泊水和地下水，是水资源利用的主要形式；气态水主要包括大气水，是各类水资源的根本补给来源。

因此，对于大气中水汽含量的研究意义重大。

大气可降水量又称大气水，定义为不考虑水汽循环的前提下，任一单位截面积气柱内所含的水汽量，它是表征大气水含量以及空中水资源的重要指标[1]。

大气水的准确测量对水资源利用、旱涝预报和大气科学研究，尤其是对产生强降水等灾害性天气的监测和预报，具有十分重要的意义。

基于水汽的分布特点及其研究的重要意义，气象卫星资料在该研究领域逐渐体现出其优越性。

作为一种新型的对地观测系统，遥感的出现打开了全球表层信息同步或准同步三维探测的局面。

在遥感应用的最初二三十年内，其应用范围就相当广泛，几乎深入到地球科学的各个领域。

2 MODIS卫星传感器介绍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0.4-14的电磁波谱范围内，地面分辨率为250m、500m和1000m，灰度量化等级为12bit，图幅宽度为2330[2]。

在对地观测过程中，每秒可以同时获取6.1兆比特来自海陆表面的信息，每天或两天可获得一次全球观测数据。

基于MODIS影像的大气可降水量反演方法对比分析何晓旭，张丽（湖北省兴山县气象局，兴山，443700）摘 要大气可降水量是一个重要的气象参数。

确定水汽场的分布及其变化规律对于灾害性天气的研究、预报以及对气候变化的研究均具有重要意义。

本文基于ENVI/IDL，运用近红外两通道比值法和三通道比值加权法对研究区的MODIS L1B级数据进行相关处理，反演获得研究区对应大气可降水量，并将其分别与MODIS大气水汽产品MOD05进行对比分析。

结果表明：针对该研究区，整体上三通道比值加权法相对于两通道比值法有较高的精度，且大气水汽的整体分布与MOD05产品较为一致，但反演数值较MOD05产品略偏大，总体均值绝对误差达到0.205。

湖泊区等水域附近的大气可降水量，两通道比值法反演结果值偏大，三通道比值加权法反演所得结果偏小，而非湖泊区的水汽含量反演结果趋势刚好相反。

同时，针对不同的研究区域去云处理和各个参数的设置至关重要。

关键词：遥感，大气水汽，反演，MODIS数据。

1 引言在电磁波与地物相互作用过程中，太阳辐射与地物反射太阳辐射都得经过与大气作用的过程。

由于大气组分的不同，对地物实际光谱造成的影响也各不相同。

其中，大气可降水量是一个重要的影响因子。

能否快速而精确地对大气可降水量进行反演，对研究地物光谱，地物辨别等定量遥感有极其重要的影响。

另外，大气可降水量在各种时空尺度的大气过程中扮演着重要角色。

精确确定大气可降水量，不仅对准确预报降水和灾害性天气具有重要意义，而且对研究全球气候变化、水循环、地-气系统中物质和能量的传输也具有非常重要的作用。

同时，在卫星遥感反演中，水汽数据还被用做大气校正的输入参数[1]。

对此，国内外学者进行各种研究，提出了不同的成果。

归纳为如下几种：利用无线电探空资料反演大气可降水量，使用微波辐射计探测大气可降水量，GPS探测大气可降水量，利用太阳辐射计反演大气可降水量和红外遥感反演大气可降水量等。

基于MODIS数据的大气水汽含量反演研究基于MODIS数据的大气水汽含量反演研究摘要：大气水汽含量是大气中水分子的质量或体积比例，对气象、气候和水文循环等方面有重要的影响。

本研究基于MODIS遥感数据，通过反演算法对大气水汽含量进行了研究，以期提供准确的大气水汽监测手段。

1. 引言大气水汽是大气中最重要的温室气体之一，对地球能量平衡、气候变化以及天气现象的产生和演变都起到至关重要的作用。

因此，准确地测量和监测大气水汽含量对于气象、气候和水文循环的研究具有重要意义。

传统的测量方法主要依靠气象站点的气球观测和传统气象测量仪器，但这种方法不能提供空间上连续的大气水汽数据。

而遥感技术具有全球范围、高时空分辨率的优点，因此成为大气水汽含量研究的重要手段。

2. MODIS数据和特点MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）是美国国家航空航天局（NASA）和美国地球观测系统（EOS）计划的一部分，其具有高度灵敏的光谱范围和高分辨率的优势，可获取地球表面和大气等多个方面的信息。

MODIS数据拥有47个不同波长的反射率数据，其中包括红外波段可以用于反演大气水汽含量。

3. 反演算法本研究采用基于MODIS数据的反演算法来获取大气水汽含量。

该算法主要利用红外波段的可见度和云水含量来间接估计大气水汽含量。

首先，通过对红外波段的辐射率进行反演，得到云水含量的估计值。

然后，根据气象场和大气物理知识，得到云水含量与大气水汽含量之间的关系，从而得到大气水汽含量的估计值。

4. 实验设计及结果分析为了验证反演算法的准确性，本研究选取了中国华东地区作为实验区域进行了实验研究。

首先，收集了一段时间内的MODIS数据，并进行了预处理。

然后，采用反演算法进行大气水汽含量反演，并与地面气象站的测量数据进行对比分析。

实验结果显示，基于MODIS数据的反演算法可以有效估计大气水汽含量，并且与地面观测结果具有较好的一致性。

一种改进的MODIS数据大气可降水量反演算法摘要：大气可降水量（PWV）对降水与气候、大气校正、InSAR大气效应的去除、灾害性天气预报等方面具有重要的意义，也是当前GNSS气象学领域所研究的重要分支。

本文在MODIS近红外反演可降水量原理基础上，采用预测误差平方和最小法的组合预测模型改进了MODIS三通道加权平均算法中权重因子的确定方法。

研究区域内确定了一组最优权系数ω(0.31,0.17,0.52)，改进的加权平均三通道比值法精度较二通道比值法精度提高33.5%，较三通道比值法精度提高21.7％，得到高时空分辨率且比较准确的大气可降水量，便于进行更广阔的大气可降水量研究应用。

关键词: 大气可降水量；MODIS；组合预测模型；通道比值法；0.引言大气可降水量（precipitable water vapor），表示单位面积垂直空气柱内水汽总量全部转化为降水的量，大气可降水量也称为大气水汽含量。

大气可降水量（PWV）对降水与气候、大气校正、InSAR大气效应的去除、灾害性天气预报等方面具有重要的意义。

国内外学者在研究MODIS遥感影像反演大气水汽含量，将反演得到的数据和同地的探空数据进行对比，发现对单一通道的水汽值进行加权运算是有必要的，但是权重因子具体如何选取需要进行研究，因此本文主要对研究区域的MODIS三通道比值法反演PWV进行权重因子的优化改进。

1.MODIS反演大气可降水量概述MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectrum-radiometer)传感器是 EOS(Earth Observing System)系列卫星中安装在TERRA和AQUA两颗卫星上的中分辨率成像光谱仪。

数据由美国国家宇航局NASA免费提供，可以动态分析地球上陆地、海洋及大气的变迁过程。

1.1 MODIS反演大气可降水量原理反演方法基于大气中水汽对下垫面反射的太阳辐射的吸收。

MODIS的这五个通道位于近红外波段，在17、18、19这三个通道，水汽吸收太阳辐射能力强，作为大气吸收通道。

1 原理是大气辐射传输模型，地物在近红外波段的反射率大致相等或呈线性变化，因此，大气水汽的透过率就可以通过一个吸收通道和一个窗口通道的比值得到，而水汽通过率又与大气水汽总含量有关系，从而可以求得大气中的水汽总含量。

再利用水汽总含量与单位面积的气柱水汽含量的关系式求得气柱水汽含量。

也就是两通道或三通道比值法。

结果表明，近红外通道反演效果优于红外通道，主要是由于低云对红外通道的影响造成的。

2 采用modis传感器36个波段中5个波段的地表辐射数据，其中，17、18、19波段是水汽的吸收波段，2、5波段是大气窗口波段。

首先，对modis1B数据进行几何定位和辐射定标，利用辐射传输方程和水汽透过率与大气水汽含量的关系式求得水汽含量反演值w1；然后利用探空观测数据计算水汽含量观测值w2。

对w1和w2进行对比得到反演精度和可靠性。

3 modis大气水汽反演主要有两种算法：两通道比值和三通道比值法。

反演水汽算法是以辐射传输方程为基础进行推导的。

每个像元的水汽含量是有明显差异的，海洋上空水汽含量明显高于陆地上空。

4 用roi工具在图像上存在探空数据的地方及水陆区域划出几个感兴趣区，通过计算最大最小值、均值、标准差等统计量评价反演精度和可靠性。

用2D Scatter plot工具进行一元相关性分析等。

国内研究1959年，吴伯雄利用1956年全国月平均探空资料，首次绘制了中国上空水汽含量分布图。

继后，随着探空气象站的增加和资料的累积，郑斯中、杨德卿，邹进上、江静、陆渝蓉、高国栋以及刘国纬等，也相应研究了中国上空的水汽含量及其时空分布。

其中邹进上等较全面、深入地阐明了中国上水汽含量时空分布的基本特点和控制因子。

目前常规无线电探空每天2次的标准观测和台站密度以及探测的精度已经不能满足水汽时间空间多变性的要求。

水汽微波辐射计(Water Vapor Radiometer-WVR)的发展提供了依靠所测亮温反演扫描方向积分水汽总量和积分液态水总量的手段。