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利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)近红外通道数据反演水汽
Bo-Cai Gao
美国华盛顿特区 海军研究实验室 遥感部
Yoram J. Kaufman
美国马里兰州 NASA戈达德太空飞行中心 气候和辐射分支部
2002年10月8日收到, 2003年2月7日修订, 2003年3月24日通过,7月10日2003年出版。
目前，在NASA Terra和Aqua飞船设备平台上的两个中分辨率成像光谱仪(MODIS)为全球的土地，海洋，大气的遥感活动进行着服务。在本文中，我们描述了使用几个MODIS近红外通道进行大气水汽反演的方法。推导过程在近红外地区的反射面，如平坦干净的地面，云层，以及阳光闪烁的海洋地区。算法依赖于观测近红外波段云层和反射面内水汽含量。部分去除表面反射率与波长和在大气中的水蒸气透过率结果变化的影响。柱水汽量是基于理论计算得到的透射率和使用查表程序。派生的水蒸气中的典型错误值的范围在5%至10%之间。日常的pixelbased”近红外水汽产品，这是一个标准的MODIS 2级数据产品，在1公里空间分辨率的MODIS仪器，每天和每月近红外线水汽产品,这是标准的MODIS 3级产品，现在通常产生全球1times;1 -经度网格美国宇航局计算设备。我们现在对样品的水汽图像和地面微波辐射计测量值进行比较。
索引词:0315大气成分和结构:生物圈/大气相互用;0325年大气成分和结构:大气的演化;1640年全球变化:遥感;关键词:水蒸气,遥感,MODIS,地面大气。
引用: Gao, B.-C.和Y. J. Kaufman利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)近红外通道的水汽检验, J. Geophys. Res., 108(D13), 4389, doi:10.1029/2002JD003023, 2003.
- 介绍
从历史上看，利用红外发射通道的空间遥感水汽分布。结果在一部分上取决于在反演的温度和湿度分布的初始猜测[Susskind et al., 1984] 柱水汽量超过海洋从红外发射通道在11–13毫米波段窗口使用劈窗技术检索。[Chesters et al., 1983]和从微波发射测量[Prabhakara et al., 1982; Ferraro et al., 1996]。劈窗技术也用于被绿色植物覆盖的土地。当表面温度，即是表面发射率和表面温度的函数，约等于边界层的平均温度，边界层即是大部分水汽所处位置，而红外和微波遥感对边界层水汽并不敏感。近年来，有大量的论文报告了水汽检索算法，在这些论文中利用背散射太阳辐射近1毫米测量飞机和卫星仪器[e.g., Conel et al., 1988; Gao and Goetz, 1990; Frouin et al., 1990;Kaufman and Gao, 1992; Borel et al., 1996; Bouffies et al.,
1997; Thai and Schonermark, 1998; Vesperini et al., 1999]
[3] 美国国家航空航天局(NASA)设备仪器 MODIS目前装载于美国宇航局的地球观测系统(EOS) Terra和Aqua飞船。[Salomonson et al., 1989; King et al., 1992; Asrar and Greenstone, 1995]为监测全球土地、海洋和大气而设计。MODIS的三个近红外通道实现0.94mm水汽吸收带水汽的检测。两个水汽通道的实现集中在0.905和0.94毫米在很大程度上是基于Gao和 Goetz [1990] Kaufman 和 Gao [1992]在随着水汽反演高分辨率成像光谱数据的机载可见红外成像光谱仪收集（AVIRIS）的研究工作[Vane et al., 1993; Green et al., 1998]在20km高度上的美国国家航空航天局ER-2飞机。在本文中，我们描述的算法从近红外辐射测量地球反射的表面或云与MODIS仪器导出柱水汽量。在本文中，我们所描述的算法是从近红外辐射测量地球反射的表面或云与MODIS仪器导出柱水汽量。
- 仪器特点
MODIS仪器具有36个通道的光谱范围覆盖0.4毫米和15毫米之间。0.8-1.3毫米的五个近红外通道的遥感光谱区的水汽值是有用水汽值。表1和图1给出了MODIS原始设计规范的位置和通道的宽度。在0.865和1.24毫米的通道，避免大气中的气体吸收遥感植被和云。0.936，0.940，和0.905毫米的通道是水蒸气吸收通道，降低吸收系数。强吸收通道在0.936毫米是在干燥条件下最有用，而弱吸收通道在0.905毫米是在潮湿条件下最有用，或者低额太阳高度。
表1、MODIS近红外五个通道位置和宽度
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MODIS Channel |
Position, mm |
Width, mm |
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2 |
0.865 |
0.040 |
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5 |
1.240 |
0.020 |
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17 |
0.905 |
0.030 |
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18 |
0.936 |
0.010 |
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19 |
0.940 |
0.050 |
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- 算法描述
在本节中我们描述一个从MODIS近红外线数据值和实测数据演算水汽含量的算法。
3.1理论描述
遥感方法是基于所探测到的太阳辐射后，它已经被发送到地表的太阳辐射的吸收量，反射在表面，并通过大气传输到传感器。等效的总垂直量的水汽可以由在吸收通道，附近的重吸收和反射的太阳辐射通道中反射的太阳辐射比较得出，之前的报道中，描述水汽的遥感技术使用的都是近红外通道。[e.g., Gao and Goetz, 1990; Frouin et al., 1990; Kaufman and Gao,1992; Gao et al., 1992; Borel et al., 1996; Thai and Schonermark, 1998; Vesperini et al., 1999]下面我们描述来对MODIS的实现的相关技术。
传感器在0.86和1.24毫米通道之间的太阳辐射受到大气水汽吸收，气溶胶散射，和表面反射的影响。为了从表面反射的太阳辐射量中推导出柱水汽，必须加以考虑大气和表面近1毫米的吸收和散射特性。
3.1.1 0.86毫米范围内的大气吸收和散射
[8]以下内容中的卫星传感器的辐射可做近似[Hansen and Travis, 1974; Fraser and Kaufman, 1985]如
（1）
L是波长，传感器辐射，路径散射辐射，太阳高度角余弦，额外的陆地太阳通量，)大气透过率，等于大从太阳到地球表面和来自卫星传感器表面的产品大气透射系数。表面双向反射。方程（1）简化在某种意义上,光子反射的表面不止一次被忽略。这种反馈机制涉及到大气中的背散射。由于近红外区的气溶胶光学厚度通常是很小的，所以反馈效果通常非常小。方程右边的第二项（1）是直接反射的太阳辐射。用于表示该组件，而术语在这篇文章中被定义为明显的反射。
术语 包含有关太阳表面传感器路径中的水蒸气总量的信息。是已知量。近1毫米，瑞利散射可以忽略不计，路径的主要贡献是气溶胶的散射。在一毫米的地区通常是按百分之几直接反射太阳辐射。因为大多数的气溶胶位于大气中的2公里处，大气中的水汽同样如此，单个和多个散射辐射的气溶胶也受到水蒸气的吸收。因此，包含水汽吸收特性。[Gao and Goetz, 1990]我们假设路径在气溶胶浓度低时可以近似为直接反射太阳辐射未指定的分数。有了这个假设，我们可以从卫星数据中得到列的水蒸汽量，而不需要建模的单和多个散射的影响。
图1、MODIS五个近红外通道位置和宽度，和双向大气水蒸气透过率光谱LOWTRAN-7热带和亚北极冬季模型[Kneizys et al., 1988] 与太阳天顶角和45度的最低点几何性。
3.1.2. 表面附近相对于红光1毫米
MODIS图像包括土地,海洋和云。大部分的土地是由土壤、岩石、植被、雪或冰。如果表面反射率在线性方程中变化或者不变化，我们可以使用二通道或三通道比值算法。图2显示了五个主要类型土壤的反射率曲线。[Condit,1970; Stoner and Baumgardner, 1980] 波长为0.85和1.25毫米的变化近似呈线性关系。类似的线性度，可以在普通岩石和矿物的反射光谱中观察到。反射光谱中观测到的最大偏离线性是富含铁的土壤和矿物质。这些材料中含有很多的电子，相关Fe3 过渡和集中在0.86毫米。图2中曲线3显示了这样一个宽频带特性的光谱区大约0.8和1.25毫米之间。图3显示了植被和雪反射光谱归一化接近0.86毫米。植被光谱的液体水带中心在约0.98和1.20毫米。雪谱有冰的吸收带中心大约在1.04毫米和1.24毫米，为了进行比较，图3还显示了计算出的水蒸气透过率。水蒸气、液态水和冰吸收带的位置相对于彼此转移。震动带的变化是由于分子间作用力的增加，而这种作用力随着水分子变成更有组织性的液体和固体状态。
图2、五种主要土壤类型的典型土壤反射率曲线[Condit, 1970; Stoner and Baumgartner, 1980]: （1）有机质为主，质地适中；（2）有机物的影响，适度过程纹理；（3）铁为主的红土型土壤（4、5）铁和有机质丰富的土壤，分别。
海洋是高度吸收波长超过0.8毫米。MODIS近红外线通道在黑暗的海洋表面接收到很少的光。由于可怕的信噪比可靠的水汽反演不可以在在黑暗的海洋表面的近红外线通道测量。然而，雾，层云，或太阳耀斑区域非常广阔、平坦光谱在0.85–1.25毫米波段。
3.1.3. 使用通道比技术推导透过率
反射率值在给定波长为不同类型的表面有很大不同,从图2和图3所示。因此，它得到的水汽透过率是不可能的（见公式（1））从个体吸收通道辐射。然而,如果表面反射率与波长不变，一个具有窗口通道的吸收通道的两通道比值给出了吸收通道的水汽透过率。例如，在0.94毫米的通道的透射率可以表示为
(2)
如果表面反射率是波长常数，如果路径辐射可以视为小部分直接反射太阳辐射。
如果表面反射率随波长的变化呈线性关系，那么一个三通道比的吸收通道的结合的窗口通道即可给出水蒸汽透过率的吸收通道。例如，在0.94毫米的通道的透射率可以被写为
(3)
等于0.8，等于0.2.事实上公式3的分母是基于0.865和1.24毫米的大气窗口通道的基础上通过线性插值，估计0.94-mm反射吸收水汽的缺失。
对于图2的大多数土壤光谱（除了富含铁的土壤光谱）在0.8 - 1.3毫米的波长区域具有很高的线性光谱依赖性，在方程（3）的分母能正确地预测在0.94毫米的表面反射率，方程（3）会用MODIS数据获得这些类型的土壤0.94-mm通道的估计出良好的水蒸气透过率。在图2中的铁丰富的土壤光谱和植被和在图三中积雪的反射率光谱（缩放），虽然它们不随波长在0.8 - 1.3毫米波长区域的线性变化，在方程（3）中的标准也将允许合理的估计
在0.94毫米的地表反射率误差通常小于4%。方程3仍从MODIS数据来自富铁土，绿色植被和雪而合理估算出0.94mm通道的水汽透过率。关于在0.8-1,3mm的表面反射率的线性误差，将在第五节中进一步的被讨论。
3.1.4． 陆上与海洋区域的太阳反辉区的水汽反演
两通道和三通道比值法推导出吸收通道的大气透过率，柱水汽量超过平整的土地和扩展的海洋领域的太阳耀斑。三通道比技术是用于像素清晰的水汽反演，而爽通道技术的应用则是在海洋领域和太阳耀斑。双通道和三通道的比率计算从五MODIS通道辐射集中在0.865，0.905，0.936，0.94，和1.24毫米进行的。查找表中的两通道和三通道比的值，总水汽预计算则要采用逐行的大气透过率编码。hitran2000光谱数据库[Rothman et al.,
1998],MODIS第五通道的实践滤波器的传输函数。图4显示了在太阳表面传感器路径中模拟双通道比值作为总水蒸汽量的函数的例子。双向水汽量来自于从MODIS数据使用查表法计算的双通道和三通道值。导出的总水汽量，，然后转换为垂直列的水蒸汽量，W，基于太阳和观测的几何方程
(4a)
太阳高度角，观测天顶角。
图3、绿色植被和积雪的大气水汽和
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