區(qū)域MODIS水汽季節(jié)修正模型

王勇，董思思，劉嚴(yán)萍，任棟，李江波

(1.天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津 300384；2.天津城建大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，天津 300384；3.河北省氣象臺(tái)，石家莊 050021)

0 引言

近年來(lái)我國(guó)城市暴雨內(nèi)澇頻發(fā)，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。水汽的變化是引發(fā)暴雨災(zāi)害的關(guān)鍵要素之一。中分辨率成像光譜儀MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)具有空間分辨率高和覆蓋范圍廣的優(yōu)勢(shì)，受地面光譜反射誤差等影響，MODIS水汽精度不高影響了其在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS(global navigation satellite system)水汽具有不受天氣影響和時(shí)間分辨率高的優(yōu)勢(shì)，受地基GNSS站點(diǎn)密度的限制，僅可提供離散點(diǎn)的水汽值，難以反映詳細(xì)的空間水汽變化情況。綜合二者優(yōu)勢(shì)，利用GNSS水汽校正MODIS水汽具有重要的研究?jī)r(jià)值。多位學(xué)者利用MODIS數(shù)據(jù)研究區(qū)域水汽變化并用于InSAR大氣校正[1-6]。張俊東等[6-9]以GNSS水汽為標(biāo)準(zhǔn)值，研究建立MODIS近紅外水汽改進(jìn)反演算法以提高水汽反演精度。在對(duì)GNSS水汽與MODIS水汽的相關(guān)性分析基礎(chǔ)上，建立MODIS水汽校正模型，校正后的MODIS水汽精度可達(dá)到mm級(jí)[10-12]。以上研究多為基于短期數(shù)據(jù)相關(guān)性分析并建立模型或者基于單站點(diǎn)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)建立的MODIS水汽校正模型。

MODIS獲取的水汽為大面積連續(xù)數(shù)據(jù)，單站點(diǎn)模型校正MODIS區(qū)域水汽的效果難以保證。因此，有必要針對(duì)某一區(qū)域，選擇多個(gè)GNSS站點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域MODIS水汽校正研究。由于季節(jié)性差異，不同季節(jié)的水汽差異較大，對(duì)于MODIS水汽的校正需要分季節(jié)構(gòu)建。以河北省為例，利用連續(xù)觀測(cè)參考站網(wǎng)CORS(continuously operating reference system)GNSS觀測(cè)和MODIS水汽開(kāi)展區(qū)域MODIS水汽模型修正，為MODIS水汽數(shù)據(jù)應(yīng)用于短時(shí)天氣預(yù)報(bào)提供參考。

1 研究區(qū)域與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

河北省地處華北平原，東臨渤海，內(nèi)環(huán)京津，省內(nèi)包含山區(qū)、平原等地理環(huán)境。依據(jù)地理位置、地形條件以及降水異常區(qū)域特點(diǎn)[13]將河北省分為3個(gè)區(qū)域，分別是南部平原區(qū)(安國(guó)、平山、南和、涉縣)、冀北山地區(qū)(沽源、淶源、尚義、懷來(lái))、東部濱海平原區(qū)(樂(lè)亭、文安、棗強(qiáng)、吳橋)。

1.2 研究數(shù)據(jù)

論文研究數(shù)據(jù)涉及MODIS水汽和GNSS水汽，數(shù)據(jù)時(shí)間為2014年1月至2015年4月，GNSS水汽計(jì)算和MODIS水汽獲取如下所示。

1)GNSS水汽。收集2014年1月至2015年4月河北省CORS GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，水汽解算方案如下：選用高精度GNSS處理軟件GAMIT結(jié)合IGS精密星歷，采用松弛解計(jì)算模式，引入同期國(guó)內(nèi)IGS站點(diǎn)WUHN、BJFS、SHAO等數(shù)據(jù)聯(lián)合解算，站點(diǎn)天頂對(duì)流層延遲的解算為獨(dú)立的估計(jì)值，結(jié)合站點(diǎn)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)可以獲得12個(gè)城市GNSS站點(diǎn)時(shí)值水汽，單位為mm。

2)MODIS水汽。NASA可提供MODIS水汽產(chǎn)品(https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)，包含MOD05和MYD05水汽產(chǎn)品。MOD數(shù)據(jù)由TERRA衛(wèi)星觀測(cè)得到，該衛(wèi)星每日地方時(shí)上午過(guò)境，稱為上午星；而MYD由AQUA衛(wèi)星觀測(cè)獲得，其為每日地方時(shí)下午過(guò)境，稱為下午星。二者數(shù)據(jù)的區(qū)別僅為同一個(gè)地點(diǎn)不同時(shí)間段觀測(cè)數(shù)據(jù)。下載2014年1月至2015年4月MOD05和MYD05水汽產(chǎn)品，利用ENVI軟件，獲取與12個(gè)GNSS站點(diǎn)相同坐標(biāo)格網(wǎng)的MOD05和MYD05數(shù)據(jù)。MODIS (MOD05、MYD05)水汽為一天兩次數(shù)據(jù)，單位為mm。

河北省站點(diǎn)多，若每個(gè)城市均構(gòu)建MODIS水汽校正模型，模型個(gè)數(shù)多，使用不方便。本文根據(jù)河北省分區(qū)構(gòu)建3個(gè)區(qū)域模型。

2 MODIS水汽與GNSS水汽的相關(guān)性比較

為了構(gòu)建GNSS的MODIS水汽校正模型，有必要先進(jìn)行MODIS水汽與GNSS水汽的相關(guān)性比較。本節(jié)分別以城市和區(qū)域2個(gè)層面、全年和季節(jié)分別開(kāi)展MODIS水汽與GNSS水汽的比較，分析二者的相關(guān)性，為模型構(gòu)建提供基礎(chǔ)。

2.1 區(qū)域GNSS水汽與MODIS水汽的相關(guān)性比較

為了減少M(fèi)ODIS水汽建模次數(shù)，本研究按照地理位置、地形條件以及降水異常區(qū)域特點(diǎn)將河北省分為3個(gè)區(qū)域，分別進(jìn)行各區(qū)域GNSS站點(diǎn)與MODIS水汽的相關(guān)性分析(表1)。為比較區(qū)域和站點(diǎn)GNSS水汽與MODIS水汽的差異，在每個(gè)區(qū)域隨機(jī)選擇一個(gè)GNSS站點(diǎn)開(kāi)展GNSS水汽與MODIS水汽的相關(guān)性比較(圖1)。

表1 MODIS水汽與GNSS水汽相關(guān)性結(jié)果統(tǒng)計(jì)

注：表示在 0.01 水平(雙側(cè)) 上顯示相關(guān)。

圖1 MODIS水汽與GNSS水汽的相關(guān)性比較

由表1可知，通過(guò)3個(gè)GNSS站點(diǎn)和區(qū)域全年的MODIS水汽與GNSS水汽的相關(guān)性系數(shù)、均方根誤差統(tǒng)計(jì)，全年相關(guān)系數(shù)均大于0.9，表明二者顯著正相關(guān)。結(jié)合圖1可得：夏季MODIS水汽與GNSS水汽值較大，冬季MODIS水汽與GNSS水汽較小，春季和秋季MODIS水汽與GNSS水汽值介于夏季和冬季之間，MODIS水汽與GNSS水汽二者變化趨勢(shì)基本一致，但存在一定的偏差。針對(duì)河北省四季分明、不同季節(jié)水汽差異較大的特點(diǎn)，以下按季節(jié)對(duì)區(qū)域及站點(diǎn)的MODIS水汽與GNSS水汽進(jìn)行相關(guān)性、平均偏差和均方根誤差的統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 不同季節(jié)GNSS水汽與MODIS水汽的相關(guān)性比較

分別以南部平原、冀北山地、東部濱海平原3個(gè)區(qū)域類型開(kāi)展MODIS水汽與GNSS水汽的分季節(jié)性相關(guān)性比較，統(tǒng)計(jì)各區(qū)域四季MODIS水汽與GNSS水汽的相關(guān)性系數(shù)、平均偏差和均方根誤差(表2)。

表2 不同季節(jié)的MODIS水汽與GNSS水汽的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

注：表示在 0.01 水平(雙側(cè)) 上顯示相關(guān)。

由表2可知，3種區(qū)域類型的MODIS水汽與GNSS水汽的比較中，河北省3個(gè)區(qū)域夏季MODIS水汽與GNSS水汽的相關(guān)性系數(shù)最低，其中濱海平原地區(qū)最小值達(dá)到0.683，均方根誤差達(dá)到9.03 mm。由圖1結(jié)合表1、表2的統(tǒng)計(jì)分析，說(shuō)明在河北省研究區(qū)域MODIS水汽存在一定的偏差，鑒于MODIS水汽與GNSS水汽的顯著正相關(guān)特性，可采用GNSS水汽進(jìn)行MODIS水汽分季節(jié)的校正。

3 融合GNSS的MODIS水汽修正模型

MODIS水汽校正分季節(jié)構(gòu)建，4個(gè)季節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)間分別為：春季2014年3—5月以及2015年3—4月；夏季2014年6—8月；秋季2014年9—11月；冬季2014年1—2月、2014年12月—2015年2月。選取各季節(jié)的最后10天(樣本數(shù)20)進(jìn)行季節(jié)模型可靠性檢驗(yàn)，其他時(shí)間的數(shù)據(jù)均用于季節(jié)模型構(gòu)建。

3.1 融合GNSS的MODIS水汽修正模型構(gòu)建

為了比較區(qū)域模型的有效性，可選用GNSS站點(diǎn)所在城市模型與之進(jìn)行比較。因此，論文分季節(jié)分別構(gòu)建GNSS站點(diǎn)所在城市和區(qū)域的MODIS水汽校正模型。鑒于GNSS水汽與MODIS水汽之間的高度相關(guān)性，利用GNSS水汽構(gòu)建MODIS水汽的校正模型，以MODIS水汽為自變量，GNSS水汽為應(yīng)變量，采用線性回歸方法獲得。

表3為分季節(jié)構(gòu)建的城市MODIS水汽校正模型和區(qū)域MODIS水汽校正模型。

表3 MODIS水汽校正模型(城市和區(qū)域)

表3中的R2為決定系數(shù)，即擬合的模型能解釋因變量變化的個(gè)數(shù)占總樣本的比值。由于各季節(jié)城市模型和區(qū)域模型的R2夏季最低，其他季節(jié)均高于夏季，表明夏季各個(gè)模型能夠解釋因變量變化情況劣于其他季節(jié)。

3.2 模型可靠性檢驗(yàn)

由于論文篇幅的限制，本文以沽源為例，開(kāi)展GNSS站點(diǎn)城市和區(qū)域MODIS水汽校正模型的可靠性驗(yàn)證，以GNSS水汽為標(biāo)準(zhǔn)值，通過(guò)城市和區(qū)域模型分季節(jié)分別反演相同站點(diǎn)的MODIS水汽校正值，結(jié)合MODIS水汽原始值，比較模型校正效果(圖2)。

由圖2可知，與MODIS水汽相比，4個(gè)季節(jié)城市模型和區(qū)域模型校正的MODIS水汽值更為接近GNSS水汽值。

以GNSS水汽為標(biāo)準(zhǔn)值，分別以城市模型、區(qū)域模型反演的MODIS水汽值與GNSS水汽值差值進(jìn)行模型可靠性檢驗(yàn)。表4為分季節(jié)統(tǒng)計(jì)的MODIS校正水汽與GNSS水汽的平均偏差和均方根誤差。

圖2 城市模型、區(qū)域模型MODIS水汽與GNSS水汽比較

表4 城市、區(qū)域MODIS水汽修正模型可靠性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì) mm

由表4可知，依據(jù)MODIS水汽校正值與GNSS水汽的差值的平均偏差和均方根誤差，區(qū)域MODIS水汽校正模型與城市MODIS水汽校正模型精度基本一致，不同季節(jié)的MODIS校正模型精度存在差異，區(qū)域MODIS水汽校正模型夏季精度為6.58 mm，冬季均方根誤差優(yōu)于1 mm，春、秋季均方根誤差2 mm左右。夏季模型校正精度較其他3個(gè)季節(jié)低的原因在于，河北地區(qū)夏季為雨季，云量和降水較多，影響了MODIS水汽的反演精度。兩類模型均優(yōu)于未校正之前的MODIS水汽精度，區(qū)域模型對(duì)于區(qū)域內(nèi)的各個(gè)測(cè)站都有良好的校正效果，具有較好的普適性，精度基本滿足氣象領(lǐng)域應(yīng)用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以河北省為研究區(qū)域，開(kāi)展了GNSS水汽與MODIS水汽的相關(guān)性分析，以城市和區(qū)域類型分季節(jié)構(gòu)建了MODIS水汽校正模型，并對(duì)模型可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。得到以下結(jié)論：

①GNSS水汽與MODIS水汽比較，二者存在顯著相關(guān)性，四季中夏季相關(guān)性系數(shù)最低，均方根誤差最大，相關(guān)性最低。

②構(gòu)建了不同季節(jié)城市和區(qū)域MODIS水汽校正模型，冬季模型精度小于1 mm。夏季均方根誤差最大。城市模型和區(qū)域模型均可有效提高M(jìn)ODIS水汽精度，滿足氣象預(yù)報(bào)應(yīng)用的要求。