【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。MODIS仪器36个光谱波段的地球综合信息对于自然灾害与生态环境监测、全球环境和气候变化的研究及进行全球变化的研究等意义重大[2]。
3 卫星遥感的大气水反演方法简介
水汽在大气中为重要的吸收成分，水汽分子表现为不对称的螺旋分子状，由于正负离子重心不重合，其具有较强的电偶极矩。其最强与最宽的振转吸收是以6.30为中心的吸收带，其次是两个以2.74与2.66为中心的吸收带，在近红外区还有很多吸收带[3]。
3.1 劈窗法反演大气水[4]
如果辐射传输方程是线性方程，那么大气水含量与第4、第5通道之差成比例：
式中PW指大气水含量，a、b为常数，T4和T5指第4、5通道的亮温。
3.2 方差比反演算法
Keespies与Mcmillin首先提出了基于第4、5通道的两个象素间亮温比与辐射传输之间的相关性来反演大气水：
式中和分别指第4、5通道辐射传输的平方，和指方差。
3.3 回归斜率法
回归斜率法作为大气水函数，是两个热通道亮温变化之间的比率。在大气干燥的情况下，第4、5通道几乎具有相同的温度，回归斜率近似等于1；大气湿度不断增加，对第5通道的影响越发显著，两通道间的差异也就更大。
3.4 利用MODIS影像数据反演大气水算法
在卫星影像的光谱功能上，MODIS29，31和32通道表现出了与AVHRR第4、5通道非常大的相似性。MODIS31、32通道在波长上与第4、5通道相似[5]。与AVHRR的探测器不同，MODIS拥有更高的精密度。MODIS29通道的亮温值与31、32通道的相类似，只是通常情况下略低，其可以用来作为新参数，模拟大气水变化[6]。
反演的前提先是针对晴空条件下的MODIS影像，再假设小区域中大气均一。将MODIS31和32通道的亮温值代入方程得：
公式中和是指31、32通道的劈窗亮温，和指选择区域亮温的平均值。由于与大气水总量线性相关：
值可以通过无线电探空测量值与辐射传输模型计算的辐射传输比作回归分析获得。
3.5 近红外波段反演大气水
水汽总量产品反演的资料源于中心波长位于第2、5、17、18、19通道的探测数据。第17、18、19为三个水汽吸收通道，水汽的吸收系数随波长的增加而减小，17通道为水汽的弱吸收通道在潮湿环境对水汽反演十分有效，18通道为水汽的强吸收通道在干燥环境下对水汽反演十分有效；2和5通道是两个非吸收通道[7]。一般选择水汽吸收通道17、18和19通道与大气窗口通道与2和5通道的比值来反演大气水。
近红外辐射传输方程为：
式中λ指波长，lsensor（λ）指传感器接收到的辐射，lsun（λ）指大气顶层的太阳总辐射，T（λ）指整层大气透射比，ρ（λ）指地表反射率，lpath（λ）指大气传输路径上的散射辐射。一般情况下，lpath（λ）可忽略不计。
通过上式可以得：
通过（5-6）式可以得到水汽的透射率。
2.6 MODIS陆面和洋面上大气水的反演
由式（6）可得：
大汽水主要是水汽透过率的函数，式中的对于不同的波长，地面反射率不同，在0.85-1.25之间的各种地物反射率满足线性关系。从而可以利用大气窗口通道对进行模拟。研究表明：在0.54-0.58，0.99-1.07和1.22-2.16波段内大气水透过率几乎为1，0.88-0.99是大气水吸收区间。
太阳辐射传输到达地表后被反射到大气中，此过程水汽会吸收一部分的太阳辐射，所以可以通过比较在大气吸收通道和非大气吸收通道反射到传感器的太阳辐射之间的差值来求水汽值。
包含了太阳—下垫面—传感器路径上的的大气中水汽含量的信息，是已知量。由气溶胶决定。在1附近，通常只有太阳直接反射辐射的百分之几。由于大多数气溶胶和大气水在2km以下大气中，气溶胶的单次或多次散射对水汽的吸收会产生影响，所以中就包含了水汽的吸收特征。假定当气溶胶浓度极低时，是太阳的直接反射辐射中一个不变的量，则不必考虑气溶胶对水汽吸收的影响。
二通道比值法[8-9]就是利用一个吸收通道与一个分裂窗通道的比值得到水汽透射率：
三通道比值法是通过一个吸收通道与两个分裂窗通道的比值得到水汽透射率：
三通道比值法与二通道比值法相比，增加了一个大气窗口通道，减少了地面反射率线性变化时对三通道比值法与大气水关系的敏感性，这两种方法的思想基本是一致的，仅是系数不同。
大气水和水汽吸收光谱通道的透过率相关，但是透过率不是直接测量得到，它是通过观测的吸收通道和窗口通道的比值估计获得。观测的通道辐射比值与水汽总量的关系通过大量大气廓线利用辐射传输模式计算出来。水汽的反演过程可以用查找表、回归法和神经网络法来计算。
4 水汽产品介绍
MODIS水汽总量产品在业务称大气可降水量。MODIS近红外水汽总量产品是利用近红外940nm水汽吸收通道反演的晴空区大气柱水汽总量。白天的近红外算法应用于全球晴空陆地，以及陆地和海洋上空。对于晴空海洋区域，水汽总量计算只能在耀斑区进行。MODIS水汽产品包括：5min段产品和日、旬、月产品。5min段产品是利用MODIS近红外水汽吸收通道和附近的窗口通道数据反演得到的水汽产品，输入MODIS-L1的5min段数据，输出对应5min段大气水产品。产品的空间分辨率与MODIS-L1产品一致，标明地理经纬度和质量信息，但不进行投影变换。日产品是基于5min段陆上大气水产品，经过轨道拼图和投影处理，生成等经纬度的大气水日产品。MODIS日大气水产品包括全球产品和中国区域产品。全球产品空间分辨率为0.05°×0.05°，格点数为7200×3600；中国区域产品空间分辨率保持原分辨率，为0.01°×0.01°，格点数为7000×5000，经纬度范围为5°-55°N，70°-140°E。旬、月产品是以陆上大气水的日产品作为输入，生成旬或月平均水汽总量。这两种产品全球覆盖，空间分辨率为0.05°×0.05°，格点数为7200×3600。
NASA的MOD05水汽产品的反演是基于多个不同吸收通道反演水汽量的加权平均，其中每个单独通道是利用查找表方法计算得到。这里利用神经网络的方法，在反演时同时使用不同通道的辐射比值。该方法有两个优点：一个运算速度快，实现反演的高速度，避免了查找表的时间延迟；另外它可能校正地表反射率在不同通道间的差异。MOD05算法是假定地表反射率线性光谱变化，吸收带两侧的窗区通道用于吸收通道的透过率计算。
目前采用卫星资料反演大气水的方法以被广泛关注并在多方面取得了较多的研究成果，将该手段应用于水汽的研究具有可行性。
参考文献：
[1]刘国纬.水文循环的大气过程[M].北京：科学出版社，1997.
[2]刘玉洁，杨忠东.MODIS遥感信息处理原理与算法[M].北京：科学出版社，2001：66-73.
[3]Sonoyo Mukai Atmospheric Correction of Remote Sensing Images of the Ocean Based on Multiple Scattering Calculations 1990（04）.
[4]Justice，Eck，Tae，et el.The effect of water vapour on the Normalized Difference Vegetation Index derived for the Sahelian reigion from NOAA AVHRR data. International Journal of Remote Sensing，1991，12：1165-1187.
[5]Justice Eck Tae The effect of water vapour on the Normalized Difference Vegetation Index derivedfor the Sahelian region from NOAAAVHRR data 1991.
[6]方继理.联合EOS/MODIS与探空气球研究成都地区水汽变化[D].成都：成都理工大学，2006.
[7]赵有兵.联合地基GPS和MODIS研究成都地区大气可降水量变化[D].成都：西南交通大学，2008.
[8]胡秀清，黄意玢等.利用FY-3A近红外资料反演水汽总量，应用气象学报，2011年2月22卷1期，46-56.
[9]赵有兵，顾利亚等.利用MODIS影像反演大气可降水量的方法研究[J].测绘科学，2008，33（5）：51-53.