基于MODIS數(shù)據(jù)的河北近海海域海面溫度變化特征分析

徐雯佳 許志輝 楊斌 韓笑

（河北省遙感中心，石家莊 050021）

基于MODIS數(shù)據(jù)的河北近海海域海面溫度變化特征分析

徐雯佳 許志輝 楊斌 韓笑

（河北省遙感中心，石家莊 050021）

河北省遙感中心自2013年，應(yīng)用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)河北近海海域海面溫度進(jìn)行了遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)。本文基于監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)河北近海海域海面溫度的月際、季際和年際變化特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，春季和夏季，海面溫度表現(xiàn)為近岸海域高于遠(yuǎn)岸海域，滄州市管轄海域高于秦皇島市和唐山市管轄海域。月均海面溫度平均值通常在1月或2月達(dá)到最小值，8月達(dá)到最大值。

MODIS 海面溫度河北海域變化特征

1、引言

海面溫度（SST）是海洋環(huán)境的主要物理參數(shù)之一，與海洋水色、海洋漁業(yè)、赤潮和海冰災(zāi)害有著密切關(guān)系[1,2]。獲取海面溫度信息，對(duì)評(píng)價(jià)海洋環(huán)境狀況和防范預(yù)警海洋災(zāi)害具有重要作用。

衛(wèi)星遙感具有大范圍、實(shí)時(shí)、連續(xù)等特點(diǎn)，是一種監(jiān)測(cè)海面溫度的非常有效的技術(shù)手段。利用遙感監(jiān)測(cè)海面溫度的方法主要有紅外和微波兩種。相對(duì)微波遙感，紅外遙感的空間分辨率較高，應(yīng)用較為廣泛。目前，基于N0AA/AVHRR和E0S/M0DIS傳感器的海面溫度算法最為成熟。算法形式可以分為多通道海面溫度反演MCSST和非線性海面溫度反演NLSST兩大類[3,4]。河北省遙感中心自2010年以來(lái)，對(duì)應(yīng)用M0DIS數(shù)據(jù)進(jìn)行河北近海海域海面溫度監(jiān)測(cè)進(jìn)行了大量研究，建立了針對(duì)河北近海海域的海面溫度反演算法，并投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行[2]。

本文介紹了應(yīng)用M0DIS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)海面溫度的方法，分析了2015年度河北近海海域海面溫度的月際變化特征，2015年3月至2016年2月的季際變化特征，并結(jié)合2013以來(lái)的監(jiān)測(cè)成果，分析了年際變化特征。

2、數(shù)據(jù)與方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)

M0DIS是搭載在E0S系列衛(wèi)星上的一個(gè)重要傳感器，具有36個(gè)光譜通道，光譜范圍從0.4μm至14 μm，覆蓋可見(jiàn)光、近紅外和熱紅外波段，空間分辨率分別為250m，500m和1000m，掃描寬度為2330km，每天可在不同時(shí)間過(guò)境4次[5]。

本文監(jiān)測(cè)所用的M0DIS數(shù)據(jù)是基于河北省衛(wèi)星遙感海洋應(yīng)用平臺(tái)，從國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心實(shí)時(shí)獲取。

2.2 監(jiān)測(cè)方法

（1）基礎(chǔ)理論

在熱紅外通道，遙感傳感器接收到的輻射信號(hào)由以下三部分組成：海表的熱發(fā)射輻射、大氣上行輻射和大氣下行輻射的反射輻射。對(duì)于海洋來(lái)說(shuō)，發(fā)射率約等于1，所以大氣頂傳感器接收到輻射度表達(dá)式為[6]：

因此，要精確反演海洋表面溫度，需消除大氣對(duì)光譜輻射的影響。在熱紅外波段，大氣的影響主要表現(xiàn)在H20和C02的吸收作用。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理

M0DIS L1B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的是經(jīng)過(guò)定標(biāo)的反射率和輻射率縮放為16比特整數(shù)后的SI刻度值。在反演之前，需要對(duì)M0DIS L1B數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射預(yù)處理，利用SI縮放公式將DN值轉(zhuǎn)換為反演處理所需的輻射度[6]，然后利用下式把熱紅外波段輻射度轉(zhuǎn)換成亮溫[7]

式中，TB(λi)為第i波段亮溫，C1=3.74151×10-2(W-m2)，C2=0.0143879(m-K)，λi為第i波段的中心波長(zhǎng)，I(λi)為第i波段輻射度。

（3）反演算法

紅外遙感數(shù)據(jù)容易受到大氣的影響，為提高海面溫度反演精度，必須消除大氣對(duì)反演結(jié)果的影響。目前，劈窗算法是用于海面溫度反演較為成熟的算法。劈窗算法是McMillin于1975年提出的，其基本原理是大氣在兩個(gè)相鄰的波段窗口具有不同的吸收特性，因而可通過(guò)這兩個(gè)通道輻射亮溫的某種組合來(lái)消除大氣影響[6]。

M0DIS第31和第32波段處于熱紅外大氣窗口，幾乎不受太陽(yáng)反射的影響[4,6]。基于M0DIS的海面溫度反演算法公式如下：

SST=a+bT31+c(T31-T32)Tenv+d(T31-T32) sec(θ)-1)

式中，SST為海面溫度，T31和T32分別是31和32波段的亮溫，θ是衛(wèi)星天頂角，Tenv是環(huán)境溫度，a, b, , d為模型系數(shù)。

河北省遙感中心利用2011-2014年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，獲取了上式中適用于河北近海海域的模型系數(shù)值，從而建立了適用于河北近海海域的M0DIS海面溫度遙感反演算法[2]。公式如下：

SST=-13.4552+1.0488×T31+2.8639×|T31-32|+0.9273×(T31-T32)×(sec(θ)-1)

式中，SST為海面溫度，T31和T32分別是31和32波段的亮溫，θ是衛(wèi)星天頂角。

3、結(jié)果分析

應(yīng)用M0DIS數(shù)據(jù)，每日對(duì)河北近海海域的海面溫度進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，選取有效數(shù)據(jù)，進(jìn)而制作月均值和季均值監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。

3.1 月際特征分析

（1）數(shù)值特征

2015年1月至12月，河北近海海域、秦皇島市管轄海域、唐山市管轄海域、滄州市管轄海域月均海面溫度平均值的變化范圍分別為1.2℃至26.3℃、-0.1℃至26.6℃、0.5℃至26.6℃、0.1℃至27.7℃。各海域月均海面溫度平均值整體均呈先上升后下降的變化趨勢(shì)，其中2月數(shù)值最小，8月數(shù)值最大（圖1）。

以月均海面溫度的平均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，秦皇島市和唐山市管轄海域的海面溫度差異甚小，而與滄州市管轄海域的海面溫度均有較為明顯的差異。

具體而言，1月、10月至12月，滄州市管轄海域海面溫度則明顯略低于秦皇島市和唐山市管轄海域的海面溫度，其中1月差值在0.8℃左右，10月至12月差值在1℃至1.7℃之間；2月和9月，三市管轄海域海面溫度基本一致，差異較??；3月至8月，滄州市管轄海域海面溫度明顯略高于秦皇島市和唐山市管轄海域的海面溫度，差值在1.7℃至5.4℃之間。

（2）時(shí)空分布特征

以月均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，從近岸至遠(yuǎn)岸來(lái)看，2015年1月至2月、10月至12月河北近海海域海面溫度表現(xiàn)為近岸海域低于遠(yuǎn)岸海域，4月至8月表現(xiàn)為近岸海域高于遠(yuǎn)岸海域，而3月和9月橫向梯度分布特征則不明顯（圖2）。

其中3月和9月，太陽(yáng)輻射分別進(jìn)入加強(qiáng)期和減弱期，海面溫度也隨著分別進(jìn)入增溫期和降溫期，而近岸海域海面溫度的變化幅度較遠(yuǎn)岸海域明顯。海面溫度上升和下降趨勢(shì)的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致這兩個(gè)月海面溫度的橫向梯度分布特征相對(duì)不明顯。

整體上看，由近岸至遠(yuǎn)岸，各市海域海面溫度的橫向梯度分布特征均較為明顯。相比而言，滄州市海域梯度分布特征最為明顯，秦皇島市次之，而唐山市相對(duì)較不明顯。

從南部至北部來(lái)看，南部近岸海域海面溫度與中部、北部近岸海域的海面溫度有一定的差異。總體而言，在1月、10月至12月，河北近海海域海面溫度表現(xiàn)為南部近岸海域低于中部、北部近岸海域；而在3月至9月，河北近海海域海面溫度表現(xiàn)為南部近岸海域高于中部、北部近岸海域。

3.2 季際特征分析

（1）數(shù)值特征

2015年春季至冬季，河北近海海域、秦皇島市管轄海域、唐山市管轄海域、滄州市管轄海域季均海面溫度平均值的變化范圍分別為0.6℃至23.1℃、0.9℃至23.4℃、0.3℃至26.4℃、2.2℃至22.9℃。

以季均海面溫度的平均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，秦皇島市和唐山市管轄海域的海面溫度差異甚小，而與滄州市管轄海域的海面溫度均有較為明顯的差異（圖3）。

具體而言，春季和夏季滄州市管轄海域海面溫度明顯略高于秦皇島市和唐山市管轄海域的海面溫度，差值在3.5℃左右。秋季和冬季，則相反，滄州市管轄海域海面溫度略低于秦皇島市和唐山市管轄海域的海面溫度，差值在0.3℃至0.9℃之間。

（2）時(shí)空分布特征

以季均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，從近岸至遠(yuǎn)岸來(lái)看，2015年春季和夏季海面溫度表現(xiàn)為近岸海域高于遠(yuǎn)岸海域，秋季和冬季表現(xiàn)為近岸海域低于遠(yuǎn)岸海域。與其他季節(jié)相比，秋季海面溫度的橫向梯度特征略不明顯（圖4）。

各市海域海面溫度的橫向梯度分布特征均較為明顯。相比而言，滄州海域梯度分布特征最為明顯，秦皇島和唐山相對(duì)較弱。

總體而言，春季與夏季，河北近海海域海面溫度表現(xiàn)為從南部至北部逐漸降低的變化趨勢(shì)。秋季和冬季，河北近海海域海面溫度南北差異相對(duì)不明顯，南部的略低于北部。

3.3 年際特征分析

2013年、2014年、2015年河北近海海域月均海面溫度平均值的變化范圍分別為-0.4℃至26.0℃、1.0℃至25.8℃、1.2℃至26.3℃。2013至2015年河北近海海域海面溫度變化趨勢(shì)一致，均以8月作為拐點(diǎn)，呈先上升后下降的變化趨勢(shì)，總體上海面溫度的數(shù)值差異較小（圖5）。

其中，1月至4月，2014年和2015年海面溫度相對(duì)較高，2013年相對(duì)較低，差異在1.3℃至3.2℃之間；6月和7月，2014年海面溫度相對(duì)較高，2013年和2015年海面溫度相對(duì)較低，差異在1.9℃至3℃之間；其他月份，3年的海面溫度差異較小。

4、結(jié)論

本文基于河北近海海域海面溫度遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)該海域海面溫度的月際、季際和年際變化特征進(jìn)行了分析。

（1）河北各市管轄海域海面溫度月際變化趨勢(shì)有所差異。2015年度1月、10月至12月，滄州市管轄海域海面溫度明顯略低于秦皇島市和唐山市管轄海域的海面溫度；而3月至8月，海面溫度表現(xiàn)特征則相反。這意味著，相對(duì)秦皇島市和唐山市管轄海域，冬季滄州市管轄海域海冰持續(xù)時(shí)間可能更長(zhǎng)，春夏季浮游植物生長(zhǎng)可能更旺。

（2）河北近海海域海面溫度每個(gè)季節(jié)的空間分布特征不盡相同。春季和夏季海面溫度表現(xiàn)為近岸海域高于遠(yuǎn)岸海域，秋季和冬季表現(xiàn)則相反。與其他季節(jié)相比，秋季海面溫度的橫向梯度特征略不明顯，這與海流的作用有關(guān)（圖4）。

（3）月均海面溫度的平均值大多在1月或2月達(dá)到最小值，8月達(dá)到最大值?？梢?jiàn)，1月下旬至2月上旬是河北省近海海域海面溫度易達(dá)到最小值的時(shí)間段，這期間需加強(qiáng)對(duì)海冰的監(jiān)測(cè)。

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