王驥鵬，寇彥偉，沈春，王霞，朱尚卿

（1.中國(guó)人民解放軍61741部隊(duì)，北京100094；2.中國(guó)人民解放軍61855部隊(duì)，北京100094；3.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)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(guān)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(guó)人民解放軍61741部隊(duì)，北京100094；2.中國(guó)人民解放軍61855部隊(duì)，北京100094；3.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)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(jí)下的MODIS水汽通道輻射值，進(jìn)行不同能見度等級(jí)條件下MODIS水汽通道的光譜特征及其與能見度的相關(guān)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(guān)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(dòng)的正常進(jìn)行。低能見度的出現(xiàn)更會(huì)給人們帶來諸多不便和各種危害，常常是造成交通和飛機(jī)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(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，是保證交通安全、提高人們生活質(zhì)量和城市減災(zāi)，以及各類交通活動(dòng)的需要【1～3】。

我國(guó)領(lǐng)土廣闊，更有廣闊的海域，使用遙感手段獲得海洋有關(guān)信息已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急，而了解海洋上能見度情況則對(duì)于科學(xué)研究和遙感業(yè)務(wù)運(yùn)作、各種海上作業(yè)和交通活動(dòng)都有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要通過對(duì)MODIS水汽通道光譜特征與海上能見度相關(guān)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(jiǎn)介

MODTRAN（中光譜分辨率大氣輻射傳輸模式）是美國(guó)空軍地球物理實(shí)驗(yàn)室（AFGL）歷經(jīng)25年發(fā)展的一種大氣輻射模型，可作為獨(dú)立的模式進(jìn)行應(yīng)用，也可以加入大的程序中作為子程序或是獨(dú)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(shù)以供用戶在使用時(shí)方便設(shè)定和調(diào)試[4]。

2.2MODTRAN輻射模擬技術(shù)方案

針對(duì)本文研究對(duì)象的需要，結(jié)合MODIS衛(wèi)星資料特性及MODTRAN模式特點(diǎn)，經(jīng)過試驗(yàn)確定的模擬方案和主要參數(shù)設(shè)定詳見表1。

3 能見度的概念及大氣光學(xué)意義

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

能見度是氣象業(yè)務(wù)上常規(guī)觀測(cè)項(xiàng)目之一，是一個(gè)比較重要的天氣指標(biāo)，主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：首先，它是表征氣團(tuán)特性的要素之一，特別是滿足天氣學(xué)和氣候?qū)W的需要，此時(shí)以能見度表示大氣的光學(xué)狀態(tài)；其次，它是與特定判據(jù)或和特殊應(yīng)用相對(duì)應(yīng)的一種業(yè)務(wù)性變量?；跉庀髽I(yè)務(wù)保障上的要求，把它直接表示成能見度的特殊標(biāo)志或發(fā)光體的可視距離。在氣象業(yè)務(wù)常規(guī)觀測(cè)中，能見度主要由五個(gè)測(cè)定量度量：消光系數(shù)（Extinction coefficient）、亮度對(duì)比（Luminance contrast）、對(duì)比閾值（Contrast threshold）、照度閾值（Illuminance threshold）、透射因數(shù)（Transmission factor）[5]。

表1MODTRAN輻射模擬技術(shù)方案

為了更好的提供一系列保障及研究，氣象業(yè)務(wù)上采用的能見度測(cè)量應(yīng)當(dāng)不受極端氣象條件的影響，消除觀測(cè)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(biāo)物在正常情況下能看到的距離直接相關(guān)，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(zhǎng)處大氣總消光系數(shù)成反比關(guān)系，即，

此處β是大氣分子和氣溶膠在0.55μm波長(zhǎng)處的總消光系數(shù)，ε是對(duì)比度域值，等于1 50，這個(gè)值是以人眼最敏感的波長(zhǎng)0.55μm（綠光）的視覺域?yàn)橐罁?jù)。

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

式中，α為吸收系數(shù)，γ為散射系數(shù)，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(zhǎng)λ之間的比值關(guān)系，當(dāng)a＜＜λ時(shí)，為瑞利散射；當(dāng)a＞＞λ時(shí)，為米氏散射。研究發(fā)現(xiàn)，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(duì)能見度影響最大的因素除氣溶膠以外，就是水汽，其表現(xiàn)在遙感光譜中主要就是較強(qiáng)的水汽吸收通道，它對(duì)太陽輻射的削弱主要表現(xiàn)在吸收衰減，而其散射作用則遠(yuǎn)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(yīng)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(jì)算得到：

式中φλ是光譜響應(yīng)函數(shù)，含義為對(duì)于MODIS某一通道，其波長(zhǎng)范圍為λ1～λ2，通過式（3）可以計(jì)算該通道相對(duì)波長(zhǎng)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(chǎn)生的紅外輻射相對(duì)波長(zhǎng)的平均輻射率，同樣由式（3）計(jì)算得到。

根據(jù)能見度的大氣光學(xué)意義以及太陽輻射傳輸特點(diǎn)，水汽是對(duì)能見度有影響的一個(gè)主要因子，水汽對(duì)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(guān)系曲線。在圖中，幾個(gè)大氣窗區(qū)通道在低能見度情況下，通道輻射率對(duì)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(fù)相關(guān)。幾個(gè)水汽吸收通道對(duì)能見度的變化沒有明顯響應(yīng)，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(guān)。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(shí)，低層水汽含量比較少，衛(wèi)星接收到的輻射就??；在能見度較低的情況下，低層大氣中水汽含量比較大，對(duì)衛(wèi)星接收到的輻射的貢獻(xiàn)較大，即能見度減小相對(duì)應(yīng)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(guān)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(duì)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(guān)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(guān)系曲線

圖3 能見度2 km時(shí)通道輻射率和路徑熱輻射輻射率

圖4 能見度6 km時(shí)通道輻射率和路徑熱輻射輻射率

圖5 能見度12 km時(shí)通道輻射率和路徑熱輻射輻射率

圖6 能見度24 km時(shí)通道輻射率和路徑熱輻射輻射率

圖7 通道輻射率對(duì)能見度響應(yīng)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(shí)紅外通道通道輻射率和路徑熱輻射輻射率對(duì)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(duì)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(gè)通道的通道輻射率和路徑熱輻射輻射率的數(shù)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(gè)通道，主要是反映低層水汽狀況和下墊面性質(zhì)，而且在能見度較好時(shí)，下墊面對(duì)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(shí)，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(duì)能見度的響應(yīng)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(duì)能見度的敏感性很弱，這說明水汽對(duì)衛(wèi)星接收輻射的貢獻(xiàn)是比較微弱的。綜合圖1和圖7，ch21、ch22、ch31和ch32對(duì)能見度的變化有一定的反映。這幾個(gè)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(xiàn)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(lián)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(qiáng)，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(dāng)能見度較好時(shí)，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(jié)

（1）通過光譜特征分析，發(fā)現(xiàn)大部分MODIS紅外通道對(duì)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(duì)衛(wèi)星所能接收到的輻射的貢獻(xiàn)是比較微弱的;

（2）通過以上對(duì)MODIS水汽通道光譜特征與海上能見度相關(guān)特性分析和研究，可以表明MODIS紅外波段的各個(gè)通道中， ch20～ch23、ch31和ch32六個(gè)通道的通道輻射率和路徑熱輻射輻射率對(duì)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(duì)比法測(cè)量氣象能見度的理論分析[J].氣象科學(xué),1999,9(3):293-297.

[2]曾書兒,王改利.能見度的觀測(cè)及其儀器[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),1999,5(2):207-212.

[3]濮江平,胡宗剛,魏陽春等.能見度自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)性能對(duì)比及分析[J].氣象科學(xué),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(xué)[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