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使用中分辨率成像光谱仪（MODIS）近红外通道进行水蒸气回收

高柏才

美国华盛顿特区海军研究实验室遥感科

yoram j. kufman

美国马里兰州格林贝尔特美国宇航局戈达德太空飞行中心气候与辐射处于2002年10月8日收到;2003年2月7日修订;2003年3月24日接受;2003年7月10日出版。

[1]目前，NASA Terra和Aqua Spacecraft平台上的两个中分辨率成像光谱仪

（MODIS）仪器可用于全球遥感土地，海洋和大气。在本文中，我们描述了使用几个MODIS近红外通道的水汽导出算法。推导是在近红外区域具有反射表面的区域进行的，例如清澈的陆地区域，云层和具有太阳闪烁的海洋区域。该算法依赖于观察由表面和云反射的近红外太阳辐射的水蒸气衰减。采用以0.905,0.936和0.940mm为中心的水蒸气吸收通道的比率和0.865和1.24mm的大气窗口通道的技术。这些比率部分地消除了表面反射率随波长变化的影响，并导致大气水蒸气透过率。柱水蒸气量是基于理论计算和使用查找表程序从透射率导出的。衍生水蒸气值的典型误差在5％至10％的范围内。每日“基于像素的” 近红外水蒸气产品，这是MODIS 2级数据的标准产品，在MODIS仪器的1Km空间分辨率下，每日，8天和每月近红外水蒸气产品是标准的MODIS 3级产品，在全球1乘1经纬网格上现在通常在NASA计算设施生产。我们提供了水蒸气图像样本，并通过微波辐射计与地面测量结果进行了比较。 INDEX TERMS：0315大气成分和结构：生物圈/大气相互作用;0325大气成分和结构：大气的演变;1640全球变化：遥感; 关键词：水汽，遥感，MODIS，陆地大气

引用：Gao，B.-C.和Y.J.Kaufman，使用中等分辨率成像光谱仪（MODIS）近红外通道的水蒸气回收，J.Geophys.Res.，108（D13），4389，doi：10.1029 / 2002JD003023,2003。

介绍

[2]历史上，使用IR发射通道从空间遥测水汽剖面。结果部分取决于反演中使用的温度和湿度分布的初始猜测[Susskind 等 ，1984] 。使用“ 分裂窗口” 技术[Chesters等，1983]和微波发射测量[Prabhakara等，1982;用于微波发射测量]，从11-13mm光谱区域的红外发射通道中回收海洋上的柱状水蒸气量。Ferraro等，1996]。“分裂窗口”技术也适用于绿色植被覆盖的陆地区域。当表观表面温度（表面发射率和皮肤温度的函数）大约等于边界层的平均温度时，其中大部分水蒸气通常是驻留，红外和微波遥感对边界层水汽不敏感。近年来，许多论文报道了水蒸气回收算法，该算法使用飞机和卫星仪器测量的1mm附近的反向散射太阳辐射[例如，Conel等，1988；Gao和Goetz,1990; Frouin等，1990; Kaufman和Gao,1992; Borel等,1996;Bouffies等，1997;泰国和Schonermark，1998年;Vesperini等，1999]。

[3]目前在NASA地球观测系统（EOS）Terra和Aqua 航天器上的MODIS 仪器是美国宇航局的设施仪器[Salomonson等，1989; King等，1992;Asrar和Greenstone，1995年]设计用于全球监测陆地，海洋和大气。在MODIS上实施了位于0.94mm水蒸气带吸收区域内的三个近红外通道，用于水汽遥感。以0.905和0.94毫米为中心的两个水汽通道的实施主要基于Gao和Goetz[1990]以及Kaufman和Gao[1992]的工作。

表1.用于水蒸气检索的五个MODIS近红外通道的位置和宽度

MODIS频道 位置mm 宽度mm

2 0.865 0.040

5 1.240 0.020

17 0.905 0.030

18 0.936 0.010

19 0.940 0.050

从机载可见红外成像光谱仪（AVIRIS）收集的高空间分辨率高光谱成像数据中的蒸汽回收[Vane et al，1993;Green et al，1998]来自NASA ER-2飞机，海拔20公里。在本文中，我们描述了使用MODIS仪器从地球表面或云层反射的近红外太阳辐射测量得出柱水蒸气量的算法。

2.仪器特性

[4]MODIS仪器有36个通道，覆盖0.4到15毫米的光谱区域。0.8-1.3mm光谱区域内的五个近红外通道可用于遥感水蒸气。原始MODIS设计规范中这些通道的位置和宽度在表1中给出，如图1所示。热带和亚北极冬季模型的两个大气水汽透过率光谱[Kneizys等，1988]具有太阳天顶角,图1中还显示了45度和最低的几何形状。位于0.865和1.24 mm处可以避免大气气体吸收的通道

[5]用于遥感植被和云的研究。0.936,0.940和0.905mm的通道是吸收系数降低的水蒸气吸收通道。0.936mm的强吸收通道最适用于干燥条件，而0.905mm的弱吸收通道最适用于非常潮湿的条件或低太阳高度。

3.算法描述

[6]在本节中，我们描述了一种从理论和实际角度从MODIS近红外数据中导出柱水蒸气量的算法。

3.1.理论描述

[7]遥感方法基于在反射的太阳辐射向下传播到地面，在地面反射并通过大气传播到传感器之后检测反射的太阳辐射对水蒸气的吸收。水蒸气的等效总垂直量可以从吸收通道中的反射太阳辐射与附近非吸收通道中的反射太阳辐射之间的比较得出。先前报道了使用近红外通道进行水汽遥感技术的描述[例如，Gao和Goetz，1990;Frouin等，1990;Kaufman和Gao，1992;Gao et al，1992;Borel等，1996;泰国和Schonermark， 1998年;Vesperini等，1999]。下面我们描述与MODIS实现相关的检索技术。

太阳表面传感器路径上的0.86和1.24mm之间的太阳辐射经受大气水蒸气吸收，气溶胶散射和表面反射。为了从表面反射的太阳辐射的测量值得到柱水蒸气，必须考虑大气和1mm附近表面的吸收和散射特性。

• • 1. 0.86 - 1.24 Mm范围大气中的大气吸收和散射

[8]向下看的卫星传感器的辐射可以近似[Hansen和Travis，1974;弗雷泽和考夫曼，1985年]

（1）

其中是波长，传感器的辐射，路径散射辐射，太阳天顶角的余弦，额外的地球太阳通量，总大气透过率，等于从太阳到地球表面的大气透过率和从地表到卫星传感器的大气透过率的乘积，以及表面双向透射率定向反射。在某种意义上简化了等式（1），忽略了从表面反射多次的光子。该反馈机制涉及通过大气向表面的后向散射。因为气溶胶光学厚度在近红外区域通常很小，所以反馈效应通常很小。等式（1）右边的第二项是直接反射的太阳辐射。用于表示该组件。术语/[]定义为本文中的表观反射率*。

[9]术语包含有关总数的信息组合的太阳表面传感器路径中的水蒸气量。是已知量。接近1毫米，瑞利散射可以忽略不计，对的主要贡献是气溶胶散射。在1mm区域中的通常是直接反射太阳辐射的百分之几。因为大多数气溶胶位于大气的2公里以下，对于大气水蒸气也是如此，航空的单个和多个散射辐射溶胶也经受水蒸气吸收，结果，含有水蒸气吸收特征[Gao和Goetz，1990]。我们假设当气溶胶浓度低时，可以大致作为直接反射太阳辐射的未指定部分处理。通过这种假设，我们可以从卫星数据中获得柱水蒸气量，而无需对单个和多个散射效应进行建模。

图1.在厚水平条中标记的五个MODIS近红外通道的位置和宽度，以及LOWTRAN-7中的热带和亚北极冬季模型的双向大气水汽透过率光谱[Kneizys等，1988]带太阳能天顶角为45度，天顶几何形状。

图2. 五种主要土壤类型的典型土壤反射率曲线[Condit，1970;Stoner和Baumgartner，1980]：

（1）有机质，质地适中;（2）有机影响，中等程度的质地;（3）以铁为主的红土型土壤;（4,5）富含铁和有机质的土壤。

3.1.2.表面反射率接近1毫米

1. MODIS对陆地，海洋和云层进行成像。大多数土地要么被土壤，岩石，植被，雪或冰所覆盖。如果表面反射率恒定或随波长线性变化，我们可以使用双通道或三通道比率算法进行水蒸气回收。图2显示 了 五 种 主 要 土 壤 的 反 射 曲 线 [Condit，1970; Stoner和Baumgardner，1980]。0.85和1.25毫米之间的反射率随波长近似线性变化。在普通岩石和矿物的反射光谱中观察到类似的线性。在富含铁的土壤和矿物的反射光谱中观察到线性度的最大偏差。这些材料具有宽的电子带，其与Fe3 转变相关并且以0.86mm为中心。图2中的曲线3示出了在大约0.8和1.25mm之间的光谱区域中的这种宽带特征。图3显示了植被和雪反射光谱[Bowker等，1985]归一化在0.86 mm附近。植被光谱具有以约0.98和1.20mm为中心的液态水带。雪谱的冰吸收带中心约为1.04和1.24毫米。为了比较，图3还显示了计算的水蒸气透过率光谱。水蒸气，液态水和冰吸收带的位置相对于彼此移位。振动带的移动是由于随着水分子在液态和固态中变得更有组织，分子间力的增加。

[11]海洋在波长较长时具有高度吸收性，超过0.8毫米。MODIS近红外通道在黑暗的海洋表面上接收非常小的辐射。由于信噪比较差，无法通过近红外通道测量在黑暗海洋表面上进行可靠的水蒸气回收。但是，雾，层云，或太阳闪闪发光的区域非常明亮，光谱平坦0.85 - 1.25 mm光谱区域。

3.1.3. 使用信道比技术的透射率推导

1. 如图2和3所示，给定波长下的反射率值对于不同类型的表面是完全不同的。因此，不可能从各个吸收通道的辐射获得水蒸气透过率（参见等式（1））。然而，如果表面反射率随波长恒定，则吸收通道与窗口通道的双通道比率给出吸收通道的水蒸气透过率。例如，通道在0.94mm处的透射率可表示为

（2）

如果表面反射率随波长恒定，并且路径辐射可以被视为直接反射太阳辐射的一小部分。

[13]如果表面反射率随波长线性变化，则吸收通道与两个窗口通道的组合的三通道比率给出吸收通道的水蒸气透过率。例如，通道在0.94mm处的透射率可写为

（3）

其中等于0.8，等于0.2。事实上，等式（3）中的分母是基于通过线性插值以0.865和1.24mm为中心的两个大气窗口通道在没有水蒸气吸收的情况下估计的0.94mm反射率。

[14]对于图2中的大部分土壤光谱（除富铁土壤光谱外）在0.8-1.3 mm波长范围内具有非常线性的光谱依赖性，等式（3）中的分母将适当地预测0.94 mm处的表面反射率，以及方程式（3）可以从这些类型的土壤中获得的MODIS数据中对0.94毫米通道的水蒸气透过率进行极好的估算。对于图2中富含铁的土壤谱，图3中的植被和雪反射光谱（按比例缩放），尽管它们在0.8-1.3mm波长范围内不随波长线性变化，但等式（3）中的分母也可以合理估算0.94mm处的表面反射率。误差通常小于约4％，而等式（3）仍然可以从富含铁的土壤，绿色植被和雪中获得的MODIS数据中对0.94毫米通道的水蒸气透过率进行合理估算。有关与0.8-1.3mm表面质量线性假设相关的误差的进一步讨论见第5节。

图3.大气水汽的双向透射光谱和绿色植被和雪的反射光谱（比例）。水蒸气，液态水和冰的带中心相对偏移约50nm。

图4.两个通道（吸收通道/窗口通道）的模拟透射率比例，作为太阳表面传感器路径中总水蒸气量的函数。

3.1.4.在太阳闪烁的陆地和海洋区域的水汽回收

[15]双通道和三通道比率技术都用于获得吸收通道的大气透过率，随后柱状水蒸气量在清澈的陆地区域和具有太阳闪烁的扩展海洋区域。三通道比率技术用于透明陆地像素上的水蒸气衍射，而双通道比率技术用于具有太阳闪烁的海洋区域。双通道和三通道比率是根据以0.865,0.905,0.936,0.94和1.24 mm为中心的五个MODIS通道的辐射率计算得出的。使用逐行大气透过率代码（ W.Ridgway ， personal communications 2001 ）， HITRAN2000光谱数据库[Rothman等人，使用直径大气透过率代码预先计算包含双通道和三通道比率值和水蒸气总量的查找表，1998]，以及五个MODIS通道的实际滤波器传输功能。图4显示了模拟的双通道比率（吸收通道/ 窗口通道）作为太阳表面传感器路径中总水蒸气量的函数的示例。组合的双向水蒸气量是从使用表搜索

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