基于MODTRAN模式的MODIS水汽通道光譜特征與海上能見度相關特性分析

王驥鵬，寇彥偉，沈春，王霞，朱尚卿

（1.中國人民解放軍61741部隊，北京100094；2.中國人民解放軍61855部隊，北京100094；3.解放軍理工大學氣象學院，江蘇南京 211101）

基于MODTRAN模式的MODIS水汽通道光譜特征與海上能見度相關特性分析

王驥鵬1，寇彥偉2，沈春3，王霞1，朱尚卿1

（1.中國人民解放軍61741部隊，北京100094；2.中國人民解放軍61855部隊，北京100094；3.解放軍理工大學氣象學院，江蘇南京 211101）

海上能見度是重要的海洋環(huán)境信息，為了能夠深入有效的開展海上能見度衛(wèi)星反演方法研究，本文利用MODTRAN輻射傳輸模式模擬不同能見度等級下的MODIS水汽通道輻射值，進行不同能見度等級條件下MODIS水汽通道的光譜特征及其與能見度的相關特性分析研究，初步得出水汽通道光譜特征與海上能見度的相關性。

海上能見度；MODIS；水汽通道

1 引言

氣象能見度的高低直接影響到人們的工作、生活以及各類交通活動的正常進行。低能見度的出現更會給人們帶來諸多不便和各種危害，常常是造成交通和飛機起降重大事故的重要原因。探討和掌握大氣能見度的變化特征及主要影響因素，是大氣能見度預測預報的基礎，是保證交通安全、提高人們生活質量和城市減災，以及各類交通活動的需要【1～3】。

我國領土廣闊，更有廣闊的海域，使用遙感手段獲得海洋有關信息已經成為當務之急，而了解海洋上能見度情況則對于科學研究和遙感業(yè)務運作、各種海上作業(yè)和交通活動都有著極其重要的現實意義。本文主要通過對MODIS水汽通道光譜特征與海上能見度相關特性分析，以希望找到可以用于衛(wèi)星資料反演海上能見度的有效通道。

2 MODTRAN輻射傳輸模式

2.1MODTRAN簡介

MODTRAN（中光譜分辨率大氣輻射傳輸模式）是美國空軍地球物理實驗室（AFGL）歷經25年發(fā)展的一種大氣輻射模型，可作為獨立的模式進行應用，也可以加入大的程序中作為子程序或是獨立的模塊。MODTRAN模式提供了大氣模式、氣溶膠模式、地面反射類型、幾何路徑、多次散射、降水情況以及氣象視距等主要參數以供用戶在使用時方便設定和調試[4]。

2.2MODTRAN輻射模擬技術方案

針對本文研究對象的需要，結合MODIS衛(wèi)星資料特性及MODTRAN模式特點，經過試驗確定的模擬方案和主要參數設定詳見表1。

3 能見度的概念及大氣光學意義

能見度即所定目標物的能見距離，是指標準視力的眼睛觀察水平方向上，以天空為背景的黑體目標物，能從背景上分辨目標物輪廓的最大水平距離。

能見度是氣象業(yè)務上常規(guī)觀測項目之一，是一個比較重要的天氣指標，主要表現為兩個方面：首先，它是表征氣團特性的要素之一，特別是滿足天氣學和氣候學的需要，此時以能見度表示大氣的光學狀態(tài)；其次，它是與特定判據或和特殊應用相對應的一種業(yè)務性變量?；跉庀髽I(yè)務保障上的要求，把它直接表示成能見度的特殊標志或發(fā)光體的可視距離。在氣象業(yè)務常規(guī)觀測中，能見度主要由五個測定量度量：消光系數（Extinction coefficient）、亮度對比（Luminance contrast）、對比閾值（Contrast threshold）、照度閾值（Illuminance threshold）、透射因數（Transmission factor）[5]。

表1MODTRAN輻射模擬技術方案

為了更好的提供一系列保障及研究，氣象業(yè)務上采用的能見度測量應當不受極端氣象條件的影響，消除觀測者主觀因素及晝夜差別的影響，但必須與能見度的直覺概念和普通目標物在正常情況下能看到的距離直接相關，在能見度研究中，采用由Koschmieder定義的水平氣象視距來代替[5]。

水平氣象視距定義為與0.55μm波長處大氣總消光系數成反比關系，即，

此處β是大氣分子和氣溶膠在0.55μm波長處的總消光系數，ε是對比度域值，等于1 50，這個值是以人眼最敏感的波長0.55μm（綠光）的視覺域為依據。

其中大氣消光即大氣對物體的輻射有吸收、散射等物理過程，對物體的輻射強度的衰減作用，可表示為：

式中，α為吸收系數，γ為散射系數，γ主要取決于大氣分子或微粒的半徑a與被散射光的波長λ之間的比值關系，當a＜＜λ時，為瑞利散射；當a＞＞λ時，為米氏散射。研究發(fā)現，影響大氣能見度的氣溶膠粒子半徑主要集中在0.9～1.2μm。

對能見度影響最大的因素除氣溶膠以外，就是水汽，其表現在遙感光譜中主要就是較強的水汽吸收通道，它對太陽輻射的削弱主要表現在吸收衰減，而其散射作用則遠小于吸收作用。主要的水汽的吸收帶有0.70～1.95μm，2.5～3.0μm和4.9～8.7μm。

4 MODIS水汽通道光譜響應特征分析

本文利用MODTRAN模式模擬得到分譜輻射率Lλ，MODIS各通道輻射率由式（3）式計算得到：

式中φλ是光譜響應函數，含義為對于MODIS某一通道，其波長范圍為λ1～λ2，通過式（3）可以計算該通道相對波長的平均輻射率Lˉ，記為本文中后續(xù)提到的通道輻射率。

本文后續(xù)提到的路徑熱輻射輻射率是指在MODIS各通道在輻射路徑上水汽所產生的紅外輻射相對波長的平均輻射率，同樣由式（3）計算得到。

根據能見度的大氣光學意義以及太陽輻射傳輸特點，水汽是對能見度有影響的一個主要因子，水汽對太陽輻射的影響主要是吸收消光作用，而散射作用與之相比很小。

圖1是1月份MODIS紅外波段通道（ch20～ch25，ch27～ch36）通道輻射率與能見度的關系曲線。在圖中，幾個大氣窗區(qū)通道在低能見度情況下，通道輻射率對能見度的變化具有一定的敏感性，且基本上與能見度的變化成負相關。幾個水汽吸收通道對能見度的變化沒有明顯響應，這與水汽通道主要反映的是中高層大氣水汽狀況，不能反映低層大氣中水汽有關。由于模擬的是1月份冬季的海上輻射情況，冬季海面溫度較低，在能見度較好時，低層水汽含量比較少，衛(wèi)星接收到的輻射就小；在能見度較低的情況下，低層大氣中水汽含量比較大，對衛(wèi)星接收到的輻射的貢獻較大，即能見度減小相對應的通道輻射率變大。

圖2是1月份MODIS紅外通道的通道路徑熱輻射輻射率與能見度的關系曲線。從圖中可以看出，路徑熱輻射輻射率和通道輻射率對能見度變化的反映有所差別。

圖1 紅外通道（20～25,27～36）輻射率與能見度的關系曲線

圖2 紅外通道（2,5～7,16～19，26）路徑熱輻射輻射率與能見度的關系曲線

圖3 能見度2 km時通道輻射率和路徑熱輻射輻射率

圖4 能見度6 km時通道輻射率和路徑熱輻射輻射率

圖5 能見度12 km時通道輻射率和路徑熱輻射輻射率

圖6 能見度24 km時通道輻射率和路徑熱輻射輻射率

圖7 通道輻射率對能見度響應曲線

圖3給出的是1月份能見度分別在2 km、6 km、12 km和24 km時紅外通道通道輻射率和路徑熱輻射輻射率對比曲線。

從圖1和圖2可以看到紅外波段通道的通道輻射率和路徑熱輻射輻射率率對能見度的敏感性的差異較大的通道是是ch20～ch23、ch29～ch32，而在圖3中這幾個通道的通道輻射率和路徑熱輻射輻射率的數值差異也比較大。其中ch20～ch23處于3.5～4.1μm大氣窗區(qū)，ch29處于8.0～9.2μm大氣窗區(qū)，ch30處于9.6μm臭氧弱吸收帶，ch31和ch32處于10.2～12.4μm大氣窗區(qū)，在這幾個通道，主要是反映低層水汽狀況和下墊面性質，而且在能見度較好時，下墊面對衛(wèi)星接收輻射的影響是主要的，如圖5和圖6，能見度大于5 km時，通道輻射率和路徑熱輻射輻射率之間的差異就很明顯了。

圖7是1份月MODIS紅外波段通道的通道輻射率對能見度的響應曲線，表明不同能見度下MODIS紅外波段通道的通道輻射率的變化。

從圖1可以看出大部分紅外波段通道的通道輻射率對能見度的敏感性很弱，這說明水汽對衛(wèi)星接收輻射的貢獻是比較微弱的。綜合圖1和圖7，ch21、ch22、ch31和ch32對能見度的變化有一定的反映。這幾個通道能夠反映較低大氣層中的水汽狀況，主要以水汽的吸收和放出輻射為主。但可以發(fā)現其敏感性在能見度較好的情況下變的很差。由于低能見度多與低云大霧情況相聯系，因此在低能見度情況下，海面上的低層大氣中水汽含量比較高，其紅外輻射也較強，且隨著高度的增加輻射減弱，這樣衛(wèi)星接收到的輻射的變化就比較明顯，而當能見度較好時，大氣中水汽較少，輻射變化不明顯，不能很好地反映能見度的變化情況。

5 小結

（1）通過光譜特征分析，發(fā)現大部分MODIS紅外通道對能見度具有很弱的敏感性，這是由于水汽主要是起到輻射吸收作用，對衛(wèi)星所能接收到的輻射的貢獻是比較微弱的;

（2）通過以上對MODIS水汽通道光譜特征與海上能見度相關特性分析和研究，可以表明MODIS紅外波段的各個通道中， ch20～ch23、ch31和ch32六個通道的通道輻射率和路徑熱輻射輻射率對能見度變化的反映較好，能夠反映較低大氣層中的水汽狀況，主要以水汽的吸收和放出輻射為主，在下一步研究中可以用于海上能見度反演通道。

[1]濮江平.對比法測量氣象能見度的理論分析[J].氣象科學,1999,9(3):293-297.

[2]曾書兒,王改利.能見度的觀測及其儀器[J].應用氣象學報,1999,5(2):207-212.

[3]濮江平,胡宗剛,魏陽春等.能見度自動觀測系統性能對比及分析[J].氣象科學,2002,3(1):60-70.

[4]Anderson G P and Berk A.MODTRAN4:Radiative transfer modeling for remote sensing,in algorithms for multispectral,hyperspectral,and ultraspectral imagery VI[J].Proceedings of SPIE,2000,4049:176-183.

[5]周秀驥,陶善昌,姚克亞.高等大氣物理學[M].北京:氣象出版社,1991:901-910.

P715

A

1003-0239（2011）02-0055-05

2010-04-16

王驥鵬（1980-），男，工程師，從事氣象水文保障工作。E-mail：njjpeng@yahoo.com.cn