黑龍江省大氣水汽含量及其影響因素分析

崔林林， 袁喬， 李國勝

(1.成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，成都 610225； 2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101； 3.中國地質(zhì)調(diào)查局濱海濕地生物地質(zhì)重點實驗室，青島 266071)

0 引言

大氣水汽含量對地-氣系統(tǒng)的物質(zhì)和能量傳輸、海陸水循環(huán)、氣溶膠和云的形成、降水和災(zāi)害性天氣預(yù)測具有重要作用。同時，大氣水汽也能放大溫室氣體的增暖效應(yīng)，并會導(dǎo)致極端天氣事件增加，影響整個地球的氣候變化[1]。于是，研究大氣水汽含量的時空變化特征及其影響因素對全球變化和人類的生產(chǎn)生活具有十分重要的意義。

大氣水汽主要來自不同下墊面的蒸散發(fā)作用，通過地-氣垂直交換向上輸送，主要分布在中低對流層，離地面500 hPa以下的大氣占85%～90%，而高層含量較少[2-3]。大氣水汽探測的方法包括探空氣球、地基遙感、衛(wèi)星遙感以及數(shù)值模擬等[4-6]。而地表上安置的儀器(GPS接收、太陽光度計、地基微波輻射計以及激光雷達)對大氣水汽探測，由于不受復(fù)雜地面以及反射信息的影響，故探測到的大氣水汽精度高，但是這種方式僅僅適合于點觀測，成本較高，測點數(shù)量有限導(dǎo)致空間覆蓋度低。不同的儀器由于測量原理不同，導(dǎo)致系統(tǒng)誤差，而且地基遙感的傳感器得到的結(jié)果需要進行輻射定標(biāo)，不同儀器的定標(biāo)精度不同也可能導(dǎo)致反演出的大氣水汽含量不一致。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，讓傳統(tǒng)的“點”測量獲取變成“面”信息估算，能夠更高效率地獲得大氣中水汽含量的分布情況。

遙感技術(shù)的發(fā)展帶來了水汽含量探測的新方法。為提高傳統(tǒng)大氣模型的適應(yīng)性，黃意玢等[7]檢驗了940 nm通道進行水汽反演的可行性; 毛克彪等[8]提出了基于MODIS數(shù)據(jù)的大氣水汽反演方法; 宋正方等[9]提出利用差分吸收探測大氣水汽的方法; 胡秀清等[10]和谷曉平等[11]利用MODTRAN模型建立反演大氣水汽的公式。這些研究都表明，近紅外通道數(shù)據(jù)反演大氣水汽的精度較高[12-14]。此外，Chrysoulakis等[15]用MODIS和探空氣球的水汽反演結(jié)果對AVHRR分裂窗反演的水汽進行了校正，校正的結(jié)果精度達到了0.46 cm； 于秀麗[16]與陶瑋等[17]的研究認(rèn)為，氣象因子和下墊面對大氣含水量有顯著影響； 而吳俊杰等[18]則建議地貌對水汽空間分布的相關(guān)性尚有待進一步研究。

本文以黑龍江省為研究區(qū)，基于MODIS數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)和探空資料，利用兩通道和三通道比值法反演出大氣水汽含量并進行精度評價，并在此基礎(chǔ)上分析大氣含水量的時空變化特征及下墊面對其的影響。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省地處中國最東北部，東接俄羅斯哈巴羅夫斯克(伯力)地區(qū)，西鄰內(nèi)蒙古自治區(qū)，南連吉林省，北臨黑龍江和烏蘇里江。地理坐標(biāo)處于N43°25′～53°33′，E121°11′～135°05′之間，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。從1961—1990年30 a的年平均氣溫狀況來看，大致以嫩江、伊春一線為0℃等值線，由南向北逐漸降低，全省年平均氣溫多在-5～5 ℃之間。全省大部分地區(qū)霜凍出現(xiàn)在9月下旬，結(jié)束于次年4月下旬。全省年降水量在400～650 mm之間，較為充足，且在夏季變化率小，中部山區(qū)降水較多。全省年日照時長大多處于 2 400～2 800 h之間，其中44%～48%為生長季日照時長。

1.2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

研究所用遙感數(shù)據(jù)為MODIS L1B產(chǎn)品數(shù)據(jù)，其包括產(chǎn)品編號為MOD02(Terra-MODIS)和MYD02(Aqua-MODIS)，沒有經(jīng)過大氣校正處理。本文采用的MYD02和MOD02這2種數(shù)據(jù)的獲取時間均調(diào)整為北京時間，進而確定黑龍江省當(dāng)?shù)貢r間。本文通過MODIS官網(wǎng)(https: //modis.gsfc.nasa.gov/)選擇并下載云量少的2015年影像，分別為MYD02(4月14日、5月20日、6月20日、6月21日、7月6日、7月10日)、MOD02(7月15日、7月19日)，以及MODIS官網(wǎng)上的2015年土地覆蓋類型產(chǎn)品MCD12_Q1。

探空資料來源于懷俄明大學(xué)的探空資料(http://weather.uwyo.edu/wyoming/)，選擇黑龍江省嫩江(50557)、哈爾濱(50953)和伊春(50774)3個探空站。下載對應(yīng)MODIS影像日期的數(shù)據(jù)，由于探空數(shù)據(jù)只有0和12時(國際時間)，參考對應(yīng)MODIS影像的成像時間，選擇比較相近的0時(北京時間8時)的探空數(shù)據(jù)。

MODIS傳感器為橫向掃描鏡，探測角介于+55°～-55°之間，每一次掃描可以掃出110°的范圍，由于地球表面不是平面，在掃描帶邊緣處會出現(xiàn)重疊，即“蝴蝶結(jié)”現(xiàn)象。對于MODIS L1B數(shù)據(jù)，影像文件中包含有經(jīng)緯度數(shù)據(jù)信息，通過MRT直接得到拼接及幾何糾正的影像，并將地理坐標(biāo)系統(tǒng)一為WGS84。ENVI中打開可以直接進行定標(biāo)，并用Reproject GLT with Bowtie Correction工具校正“蝴蝶結(jié)”現(xiàn)象(圖1)。

(a) 校正前影像(b) 校正后影像

圖1“蝴蝶結(jié)”校正

Fig.1Bowtiecorrection

MODIS影像在水汽反演時，云對反演結(jié)果有較大影響，故在反演之前對MODIS L1B數(shù)據(jù)先進行去云處理。通過固定閾值剔除有云像元，即當(dāng)ρ(1)+ρ(2)>0.9和T32<265 K時判斷為云像元[19]。其中ρ(1)和ρ(2)分別為MODIS第1和第2波段的表觀反射率；T32為MODIS第32波段的亮度溫度。

2 MODIS水汽含量反演方法

2.1 近紅外波段水汽反演原理

通過水汽的吸收通道和非吸收通道間的反射得到的太陽輻射差值可以獲得總水汽含量。在0.86～1.24 μm波長范圍內(nèi)，太陽輻射在傳輸過程中受到大氣水汽吸收、氣溶膠散射以及地面反射等因素影響。在利用MODIS傳感器收集的數(shù)據(jù)中計算出大氣水汽含量，需要考慮1 μm附近大氣對太陽輻射的吸收、散射特性以及地表的吸收、反射特性。

在近紅外波段范圍內(nèi)，對應(yīng)波長在衛(wèi)星傳感器中接收的總輻射表示為

Lsensor(λ)=Lsun(λ)T(λ)ρ(λ)+Lpath(λ) ，

(1)

式中：λ為波長；Lsensor(λ)為傳感器在該波長時接收的太陽輻射能量；Lsun(λ)為太陽發(fā)出的輻射能量；T(λ)為該波長在整個大氣層的透過率；ρ(λ)為地表反射率；Lpath(λ)為大氣程輻射(也稱氣溶膠散射)。因為在近紅外波段附近時，氣溶膠的光學(xué)厚度相對較小，所以Lpath(λ)的影響可以忽略不計，即

Lsensor(λ)=Lsun(λ)T(λ)ρ(λ)。

(2)

定義衛(wèi)星傳感器在近紅外通道接收到的表觀反射率為

ρ*(λ)=Lsensor(λ)/Lsun(λ)。

(3)

最后，在近紅外波段區(qū)域范圍內(nèi)第i通道的傳輸方程可以簡寫為

ρ*(λi)=T(λi)ρ(λi)。

(4)

2.2 大氣透過率估算

2.2.1 兩通道比值法

MODIS數(shù)據(jù)近紅外3個水汽吸收通道(第17，18和19通道)對水汽的吸收具有不同的敏感度，Kaufnan和Gao利用LOWTRAN模擬兩通道比值與大氣水汽含量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，第19通道比較合適復(fù)合性地表[1]。假設(shè)地表反射率在較窄區(qū)域內(nèi)近似相等，而且大氣程輻射可以當(dāng)做直接反射的太陽輻射的一個小部分。其中λ2為MODIS第2波段，即大氣水汽窗口，T(λ2)近似為1。所以，兩通道比值法中大氣透過率T(λ19)的計算公式為

(5)

式中T(λ19)為第19通道的大氣透過率。

2.2.2 三通道比值法

姜立鵬等[20]基于通過約翰普金斯大學(xué)的地物光譜數(shù)據(jù)庫，詳細(xì)分析了地表上40種土壤類型、3種植被類型(草、闊葉林、針葉林)及清潔淡水在1μm附近(0.84～1.24μm)的反射率特征曲線。在1μm附近的地物反射率呈線性，一個水汽吸收波段與2個非吸收波段的三波段比值能夠給出吸收波段的水汽透射率。由輻射傳輸方程得到

ρ*(λ2)=T(λ2)ρ(λ2)，

(6)

ρ*(λ5)=T(λ5)ρ(λ2)，

(7)

ρ*(λ19)=T(λ19)ρ(λ19)，

(8)

ρ(λ19)=m19ρ(λ2)+n19ρ(λ5)。

(9)

解方程組(6)—(9)并令T(λ2)=T(λ5)=1，得到

(10)

m19=(λ19-λ5)/(λ2-λ5)，

(11)

n19=(λ2-λ19)/(λ2-λ5)，

(12)

式中：T(λ19)為第19通道的大氣透過率； 通過計算得出m19=0.795 6，n19=0.200 4。

2.3 大氣水汽含量反演

2.3.1 大氣水汽含量反演方法

Gao和Geotz[21]通過輻射傳輸模型推導(dǎo)，得到水汽吸收波段的大氣透過率T與水汽含量W的關(guān)系，即

(13)

式中α和β均為常數(shù)，對于復(fù)合型地表，α=0.02，β=0.651。

2.3.2 水汽含量反演算法實現(xiàn)

在MODIS L1B數(shù)據(jù)中，除了經(jīng)緯度還有3種數(shù)據(jù)類型： 反射率數(shù)據(jù)、輻射亮度值數(shù)據(jù)和發(fā)射率數(shù)據(jù)，其中反射率數(shù)據(jù)值為0～1之間，且無單位值。故首先在預(yù)處理后的數(shù)據(jù)中進行去除負(fù)值，通過spectral math得到將負(fù)值變?yōu)?NAN值。通過ENVI軟件中band math功能，編寫出對應(yīng)的公式，并最終進行大氣水汽含量計算[21]，即

W={[ln(b1)-0.02]/0.651}2，

(14)

式中b1為兩通道比值法或三通道比值法得到的第19波段大氣透過率。

3 基于DEM地貌形態(tài)提取方法

本研究主要依據(jù)海拔和地形起伏度來劃分出黑龍江省的宏觀地貌[22]。地形起伏度是指在一定范圍內(nèi)地形之間的最大相對高差，作為判斷該地段的地形特征，即

Re=Hmax-Hmin，

(15)

式中：Re為區(qū)域范圍內(nèi)的地形起伏度，m；Hmax和Hmin分別為區(qū)域范圍內(nèi)最高和最低點高程。

在ArcGIS軟件中采用鄰域分析功能，利用11×11的網(wǎng)格區(qū)域，分別提取出Hmax和Hmin，利用柵格計算器求出起伏度。基本地貌的劃分還結(jié)合了DEM計算出的海拔和地形起伏度(表1)。

表1 基本地貌形態(tài)類型Tab.1 Basic landform types

4 結(jié)果分析

4.1 反演結(jié)果精度評價及對比分析

利用探空數(shù)據(jù)對基于MODIS數(shù)據(jù)反演的大氣水汽含量進行精度評價，剔除處于云區(qū)的站點(圖2)。由圖2可知，兩通道比值法反演水汽含量與站點實測水汽含量之間具有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.795(P<0.01)； 三通道比值法反演水汽含量與站點實測水汽含量之間也呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.754(P<0.01)。這說明用MODIS數(shù)據(jù)反演黑龍江省的連續(xù)分布水汽含量是可行的，而且兩通道比值法相對較好。這與吳俊杰等[18]和李秀芬等[23]的研究結(jié)論一致。但同翟墨等[24]的研究結(jié)果相比，反演出的水汽含量與實測數(shù)據(jù)的相關(guān)性較低，這可能與處理數(shù)據(jù)過程時沒有完全將云區(qū)域去除有關(guān)，因為MODIS只能反演出云上的水汽含量。通過MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)與探空實測數(shù)據(jù)對比分析，相關(guān)系數(shù)為0.773(P<0.01)，相對于兩通道比值法，相關(guān)性偏低，故在接下來的分析中，選用兩通道比值法反演出的水汽含量。

(a) 兩通道比值法結(jié)果驗證(b) 三通道比值法結(jié)果驗證(c) 遙感產(chǎn)品與實測點對比

圖2站點實測數(shù)據(jù)與MODIS水汽含量反演結(jié)果對比分析

Fig.2Comparisonofwatervaporcontentsinsituandretrievedresults

4.2 大氣水汽含量時空分布特征

4.2.1 大氣水汽含量空間特征分析

高校輪滑課程的開設(shè),一方面是積極響應(yīng)國家的號召加強身體健康教育，另一方面也為學(xué)生枯燥乏味的學(xué)習(xí)生活營造了不少樂趣。同時，對于學(xué)生因輪滑活動學(xué)習(xí)而導(dǎo)致的磕碰、扭傷、摔傷等情況時，學(xué)校應(yīng)該認(rèn)真處理，并制定出相應(yīng)的預(yù)防措施，避免因加強學(xué)生體育素質(zhì)而讓受傷學(xué)生心理受到影響，違背體育素質(zhì)教育初衷。本文通過對輪滑活動課程學(xué)生受傷情況進行調(diào)查分析，并據(jù)此提出有效性防范措施。

圖3為黑龍江省兩通道比值法反演出來的大氣水汽含量分布，其中白色部分為云區(qū)。2015年4月14日(圖3(a))，全省整體大氣水汽含量在2 cm以下，其中在興凱湖大氣水汽含量較高，其次在齊齊哈爾西部、塔河縣西北部、小興安嶺附近及佳木斯市。5月20日(圖3(b))，全省整體大氣水汽含量有所提升，在鶴崗市和興凱湖附近大氣水汽含量比較高，其次在松嫩平原和三江興凱平原。6月20日(圖3(c))，全省大氣水汽含量整體提升，在三江興凱平原地區(qū)的大氣水汽含量較高，而在塔河縣西部(大興安嶺山地)及齊齊哈爾西部地區(qū)大氣水汽含量較小。6月21日(圖3(d))，在大慶市大氣水汽含量較高，在嫩江探測點附近由于云及陰影沒有完全去除，導(dǎo)致該地方的大氣水汽含量較小，即MODIS只反演了云層上的大氣水汽含量，而不是整層大氣水汽含量[25]。7月6日(圖3(e))，在三江興凱平原處出現(xiàn)了高水汽含量，而在東部山地(黑龍江省南部)、大興安嶺山地地區(qū)大氣水汽含量較低。7月10日(圖3(f))，在西部(黑河市、齊齊哈爾、大慶市、緩化市)、東部(三江興凱平原)大氣水汽含量分布比較高，而在塔河縣大氣水汽含量比較低。7月15日(圖3(g))，全省整體出現(xiàn)大幅度、大面積大氣水汽含量降低，在大興安嶺、小興安嶺和東部山地大氣水汽含量較低。7月19日(圖3(h))，在松嫩平原、三江興凱平原西部地區(qū)出現(xiàn)大面積的高水汽含量，而在齊齊哈爾附近大氣水汽含量達到最高。由圖3整體看出，黑龍江省在4—7月間水汽含量大體有增加的趨勢，西北部(大興安嶺、小興安嶺)和東南部(東部山地)大氣水汽含量低，而東部(三江興凱平原)和西部(松嫩平原)大氣水汽含量高。

(a) 4月14日(b) 5月20日(c) 6月20日

圖3-12015年4—7月黑龍江省大氣水汽含量反演結(jié)果

Fig.3-1RetrievedresultsfromApriltoJuly,2015

(d) 6月21日(e) 7月6日(f) 7月10日

(g) 7月15日(h) 7月19日

圖3-22015年4—7月黑龍江省大氣水汽含量反演結(jié)果

Fig.3-2RetrievedresultsfromApriltoJuly,2015

4.2.2 大氣水汽含量時間特征分析

通過兩通道比值法得到黑龍江省大氣水汽反演結(jié)果(圖4)，黑龍江全省大氣平均水汽含量在2015年4—7月整體是呈上升趨勢。在4月14日全省的平均水汽含量最低(0.450 5 cm)，而7月19日平均水汽含量最高(2.529 6 cm)。其中在7月15日，無論是反演還是實測水汽含量都偏低。由2015年7月的氣候影響評價可知[26]，7月全省出現(xiàn)了波動變化的旱情，月初西部出現(xiàn)了旱情，12日有所緩解，月中中西部旱情再次出現(xiàn)，月末西部旱情緩解。

圖4 不同時間黑龍江省平均水汽含量Fig.4 Average water vapor contents at different times in Heilongjiang Province

4.3 不同下墊面對大氣水汽含量影響分析

4.3.1土地覆蓋類型對大氣水汽含量的影響

通過MCD12_Q1土地覆蓋數(shù)據(jù)與MODIS水汽反演結(jié)果做分區(qū)統(tǒng)計，分析不同時間、不同土地覆蓋類型上空的水汽含量的均值及標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)現(xiàn)(圖5)，對于同一地區(qū)，天氣條件相似，在范圍不大的情況下，水汽的空間分布在很大程度上受下墊面的影響[27]； 而在同一地類中，大氣水汽含量在不同的時間不同； 在同一時間上，不同土地類型上空的水汽含量也有著明顯差異，其中水體上空水汽含量高，且變化幅度大； 其次是冰雪覆蓋地，但相對變化幅度??； 森林上空的水汽含量相對較少； 而農(nóng)用地、濕地、城市建筑用地、草地和灌木林之間水汽含量變化差異不明顯。這種不明顯的差異，可能由于MODIS反演出的大氣水汽含量分辨率太低，并不能夠準(zhǔn)確地將這些土地覆蓋類型之間的水汽含量區(qū)分出來。

(a) 4月14日(b) 5月20日(c) 6月20日

圖5-12015年不同時間不同土地覆蓋類型上空水汽含量分布

Fig.5-1Averagewatervaporcontentsatdifferenttimesunderdifferentlandusetypesin2015

(d) 6月21日(e) 7月6日(f) 7月10日

(g) 7月15日(h) 7月19日

圖5-22015年不同時間不同土地覆蓋類型上空水汽含量分布

Fig.5-2Averagewatervaporcontentsatdifferenttimesunderdifferentlandusetypesin2015

4.3.2 地貌對大氣水汽含量的影響

(a) 4月14日(b) 5月20日(c) 6月20日

(d) 6月21日(e) 7月6日(f) 7月10日

(g) 7月15日(h) 7月19日

圖62015年不同時間不同地貌類型上空水汽含量分布

Fig.6Averagewatervaporcontentsatdifferenttimesunderdifferentlandformtypesin2015

5 結(jié)論

本文基于MODIS L1B數(shù)據(jù)，利用兩通道比值法和三通道比值法反演黑龍江省的大氣水汽含量，并利用探空實測數(shù)據(jù)驗證，結(jié)果表明反演結(jié)果和實測數(shù)據(jù)間關(guān)系顯著，其中兩通道比值法相關(guān)系數(shù)為0.795，三通道比值法相關(guān)系數(shù)為0.754，這說明用MODIS數(shù)據(jù)反演黑龍江省的大氣水汽含量是可行的，且兩通道比值法較優(yōu)。

通過研究區(qū)水汽的時空格局分析可知，黑龍江省2015年4—7月大氣水汽含量有增加趨勢，區(qū)域上東、西部較高，西北和東南較低。水汽含量不但受土地覆蓋類型的影響，也受地貌類型的影響，不同地貌類型上空的水汽含量存在顯著差異： 水汽含量分布情況為平原>淺丘>中丘>低山>中山>高丘>臺地。

但是本文大氣水汽含量反演算法存在一定局限性，這主要是因為該方法是基于近紅外波段構(gòu)建的水汽含量反演算法，這從本質(zhì)上決定了該算法的反演結(jié)果受云的影響較大。因此，在水汽含量反演的過程中需要考慮云對反演結(jié)果的影響。另外，本文分析水汽含量只考慮了水平方向的大氣水汽變化差異，而在垂直方向的大氣水汽變化沒有具體研究分析，建議在今后分析大氣水汽影響因素時最好垂直方向和水平方向同時考慮。