基于亞馬遜熱帶雨林的微波輻射計(jì)定標(biāo)基準(zhǔn)分析

錢承君，李銅基，黃驍麒

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

星載微波輻射計(jì)的工作波長一般在1.5 ～300 mm之間，頻率在1～200 GHz 之間。相對(duì)光學(xué)遙感器，星載微波輻射計(jì)的波長較長，除了降雨形式的液態(tài)水會(huì)對(duì)其觀測產(chǎn)生影響之外，大氣分子、氣溶膠、霧霾（干霧）、塵埃或云層中微小水粒不會(huì)影響其觀測，因此微波輻射計(jì)為有效的全天候遙感器[1]。星載微波輻射計(jì)獲取的亮溫?cái)?shù)據(jù)，可以用來反演海溫、水汽、海表面風(fēng)速等地球物理參數(shù)，影響著全球環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)、全球氣候變化監(jiān)測以及海洋學(xué)其他的相關(guān)研究[2-3]。星載微波輻射計(jì)的定標(biāo)精度對(duì)定量化遙感產(chǎn)品的應(yīng)用有著至關(guān)重要的意義。

以往的研究表明，亞馬遜熱帶雨林作為地球表面最大的平坦區(qū)域之一，其覆蓋區(qū)域大，溫度變化趨勢(shì)以及輻射率穩(wěn)定，適合于作為定標(biāo)場進(jìn)行星載微波輻射計(jì)的外定標(biāo)[4]。Shimada M 等[5]曾利用亞馬遜熱帶雨林?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)Palsar（Ⅱ）進(jìn)行了定標(biāo)和檢驗(yàn)。Mo T[6-7]利用AMSU-A 和AMSU-B 觀測得到的亞馬遜熱帶雨林的亮溫?cái)?shù)據(jù)，證明了亞馬遜熱帶雨林可用于微波輻射計(jì)定標(biāo)。Brown S T 等[8]建立了以亞馬遜熱帶雨林為熱定標(biāo)源的定標(biāo)模型。Li 等[9]以亞馬遜熱帶雨林為高亮溫地面觀測目標(biāo)，進(jìn)行星載輻射計(jì)交叉定標(biāo)。

雖然亞馬遜熱帶雨林是理想的外定標(biāo)場，但由于近些年亞馬遜熱帶雨林受人為影響破壞嚴(yán)重，亞馬遜熱帶雨林的植被覆蓋率降低，導(dǎo)致適合于進(jìn)行微波輻射計(jì)定標(biāo)的區(qū)域不斷改變。本文重新分析了近些年亞馬遜熱帶雨林植被覆蓋情況，并重新選取了適合于進(jìn)行星載微波輻射計(jì)外定標(biāo)的目標(biāo)區(qū)域。在此基礎(chǔ)上以AMSR2 L1R 亮溫?cái)?shù)據(jù)為基準(zhǔn)，分析了2015-2017 年目標(biāo)區(qū)域的月平均亮溫變化趨勢(shì)以及日平均亮溫變化趨勢(shì)，總結(jié)變化規(guī)律，提出了以目標(biāo)區(qū)域?yàn)槎?biāo)場的微波輻射計(jì)定標(biāo)基準(zhǔn)。

1 數(shù)據(jù)源

1.1 AMSR2 L1R亮溫?cái)?shù)據(jù)

本文以日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）發(fā)布的AMSR2 L1R 亮溫?cái)?shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，進(jìn)行了亞馬遜熱帶雨林目標(biāo)場區(qū)的定標(biāo)基準(zhǔn)分析。AMSR2 搭載于2012 年7 月4 日成功發(fā)射的極軌衛(wèi)星GCOMW1 上，其天線尺寸為2 m，刈幅寬度為1 450 km，升交點(diǎn)地方時(shí)為1:30 PM，降交點(diǎn)地方時(shí)為1:30 AM，回訪周期為16 d[10-11]。它采用圓錐式掃描方式，工作頻 率 為6.93 GHz，7.3 GHz，10.65 GHz，18.7 GHz，23.8 GHz，36.5 GHz，89.0 GHz，所有頻率均對(duì)垂直極化和水平極化進(jìn)行測量。表1 列出了AMSR2 各通道的詳細(xì)參數(shù)。

表1 AMSR2 通道特征

JAXA 針對(duì)AMSR2 發(fā)布了2 種亮溫?cái)?shù)據(jù)，L1B亮溫?cái)?shù)據(jù)和L1R 亮溫?cái)?shù)據(jù)[12]。L1R 數(shù)據(jù)是L1B 數(shù)據(jù)經(jīng)過重采樣和質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，分辨率更高，數(shù)據(jù)質(zhì)量更好。L1R 數(shù)據(jù)中包含不同空間分辨率的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為了簡化起見，本文選擇L1R 數(shù)據(jù)集中與6.93 GHz 分辨率匹配并儲(chǔ)存的6.93 GHz，10.65 GHz，18.7 GHz，23.8 GHz，36.5 GHz 通道（含水平極化與垂直極化）數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。

為了確保AMSR2 L1R 亮溫?cái)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)精度，在南太平洋海區(qū)（135°W～120°W，15°S～0°）范圍內(nèi)，以微波輻射傳輸模型（RTM）模擬亮溫為參考值[13]，對(duì)2015-2017 年3 a AMSR2 L1R 亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析。圖1 顯示了各個(gè)通道升軌和降軌的剩余偏差以及標(biāo)準(zhǔn)差隨日期變化的情況。由圖可見，標(biāo)準(zhǔn)差的范圍在0.270～1.694 K 之間，相比于同類遙感器[14]，標(biāo)準(zhǔn)差較小，穩(wěn)定性好；模擬亮溫與AMSR2 L1R 亮溫各個(gè)通道升軌與降軌的偏差和標(biāo)準(zhǔn)差隨周期變化的趨勢(shì)基本相同，晝夜變化對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)影響較??；各個(gè)通道的偏差波動(dòng)范圍小，均在±0.5 K 以內(nèi)，誤差趨勢(shì)穩(wěn)定，可以用于分析亞馬遜熱帶雨林目標(biāo)場區(qū)的定標(biāo)基準(zhǔn)。

1.2 MOD13C2 數(shù)據(jù)

圖1 2015-2017 年AMSR2 L1R 亮溫?cái)?shù)據(jù)與模擬亮溫?cái)?shù)據(jù)偏差時(shí)序圖

美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）發(fā)布的三級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD13C2 數(shù)據(jù)，是由搭載于terra 衛(wèi)星的中分辨率成像光譜儀（MODIS）觀測反演得到的。MOD13C2 數(shù)據(jù)是MOD13A2 的無云空間組合，提供了月平均歸一化植被指數(shù)（NDVI）、環(huán)境植被指數(shù)（EVI）、紅光波段反射率、藍(lán)光波段反射率以及近紅外波段反射率[15]。MOD13C2 數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.55 km，其藍(lán)色、紅色和近紅外反射率分別以469 nm、645 nm 和858 nm 為中心，用于確認(rèn)植被指數(shù)。本文選 用2013 年1 月1 日 至2017 年12 月31 日 的MOD13C2 數(shù)據(jù)來進(jìn)行亞馬遜熱帶雨林微波輻射計(jì)定標(biāo)場的選取與驗(yàn)證。

圖2 為2013 年1 月1 日-2017 年12 月31 日，位于（3° S～2° N，74° W～69° W）范圍內(nèi)的MOD13C2NDVI數(shù)據(jù)圖。

圖2 2013-2017 年NDVI 時(shí)序變化曲線

從圖2 中可以發(fā)現(xiàn)NDVI在2015 年1 月及2016 年3 月出現(xiàn)異常值，且數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)較大，為了進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，基于NDVI的計(jì)算公式，在亞馬遜熱帶雨林一定范圍內(nèi)，以紅光波段反射率以及近紅外波段反射率來推導(dǎo)相應(yīng)區(qū)域的NDVI，驗(yàn)證該區(qū)域NDVI的準(zhǔn)確性。

圖3 為MOD13C2NDVI與推導(dǎo)得到的NDVI差值的誤差圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，MOD13C2NDVI數(shù)據(jù)存在異常數(shù)據(jù)，因此，本文重新基于NDVI計(jì)算公式，以近紅外波段反射率和紅光反射率計(jì)算相應(yīng)區(qū)域的NDVI值，替換數(shù)據(jù)差值大于0.01 的NDVI，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

圖3 2013-2017 年MOD13C2 NDVI 數(shù)據(jù)偏差時(shí)序圖

圖4 為數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后的NDVI時(shí)序圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)波動(dòng)趨于穩(wěn)定，沒有明顯異常值，標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)較小。

圖4 2013-2017 年NDVI 時(shí)序變化曲線

2 定標(biāo)區(qū)域選取

歸一化植被指數(shù)可以反映植被的覆蓋度，其計(jì)算公式為：

式中：NIR為近紅外波段反射率；R為紅光波段反射率。-1≤NDVI≤1，當(dāng)NDVI為負(fù)值時(shí)，表示地面覆蓋為云、水、雪等，對(duì)可見光反射高；當(dāng)NDVI為正值時(shí)，表示為有植物覆蓋，當(dāng)NDVI≥0.55 時(shí)表示植被覆蓋茂盛。

亞馬遜熱帶雨林區(qū)域植被分布密集，覆蓋范圍廣，圖5 為2017 年1 月亞馬遜熱帶雨林區(qū)域的月平均NDVI分布圖。

圖5 亞馬遜熱帶雨林NDVI 分布圖

從圖中可以看出，亞馬遜熱帶雨林NDVI較高，植被覆蓋密集，尤其位于亞馬遜河兩岸的區(qū)域，植被覆蓋率更高?？紤]到星載輻射計(jì)的天線波束寬度、掃描幾何等因素，需要定標(biāo)區(qū)域足夠大。因此本文以5°× 5°為網(wǎng)格，選取NDVI最小值大于0.5 且平均值大于0.8 的區(qū)域作為定標(biāo)場區(qū)。根據(jù)上述條件，選取3° S～2° N，74° W～69° W 之間區(qū)域作為定標(biāo)場區(qū)，圖5 中藍(lán)框所標(biāo)記的區(qū)域即為選定區(qū)域。圖6 顯示了該區(qū)域2012 年1 月-2017 年12 月的NDVI均值的變化趨勢(shì)。

圖6 2013-2017 年NDVI 時(shí)序變化曲線

由圖6 可以看出，該區(qū)域5 a 內(nèi)的NDVI均值均大于0.8，且標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.05，植被覆蓋密集，不存在河流以及大面積裸露土壤的干擾，存在一定的季節(jié)變化趨勢(shì)，但最低不低于0.8，季節(jié)變化趨勢(shì)不會(huì)產(chǎn)生大量裸露土壤，不會(huì)對(duì)微波輻射計(jì)的定標(biāo)產(chǎn)生較大影響?？赡苁艿蕉驙柲嶂Z事件的影響，相較與其他年份，該區(qū)域2015-2016 年的NDVI變化趨勢(shì)有些許不同，其2015 年后半年的NDVI相較其他年份增速較快，且后半年NDVI偏高，2016 上半年其NDVI 降幅較大。

3 亮溫基準(zhǔn)分析

在確定了定標(biāo)場的基礎(chǔ)上，對(duì)2015-2017 年3 a的AMSR2 L1R 亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)間序列分析。本文首先分析了目標(biāo)場區(qū)內(nèi)2015-2017 年3 a 的月平均亮溫變化趨勢(shì)，考慮到AMSR2 升降軌過境目標(biāo)場區(qū)的時(shí)間不同，升軌過境該場區(qū)的時(shí)間約為UTC時(shí)間18：00 左右，降軌過境該場區(qū)的時(shí)間約為UTC時(shí)間6：00 左右，因此本文將分升降軌進(jìn)行討論。圖7～圖8 分別顯示了在目標(biāo)場區(qū)內(nèi)2015-2017 年3 a的升軌和降軌月平均變化趨勢(shì)。

圖7 2015-2017 年升軌月平均亮溫時(shí)序變化曲線

從圖7 中可以看出，在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，除了在2015 年底以及2016 年年初出現(xiàn)異常值外，在AMSR2 升軌過境期間，其余時(shí)間各個(gè)頻率以及極化方式的亮溫變化趨勢(shì)基本相同，亮溫變化呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律：在每年的6-7 月，亮溫值達(dá)到最低；在11-12 月，亮溫值達(dá)到最高；12 月-轉(zhuǎn)年1 月期間，亮溫值會(huì)出現(xiàn)明顯的降低并回升的過程；在1-6 月期間亮溫值波動(dòng)下降；7-11 月期間亮溫值波動(dòng)上升?？紤]到觀測亮溫值與物體表面的實(shí)際溫度呈正比關(guān)系[1]，因此該趨勢(shì)與亞馬遜熱帶雨林全年溫度變化趨勢(shì)相似。其頻率變化以及極化方式的變化，對(duì)變化趨勢(shì)影響較小。2015 年與2016 年年初的亮溫值異常可能與2015 年發(fā)生的超強(qiáng)厄爾尼諾事件有關(guān)[16]，厄爾尼諾事件導(dǎo)致東太平洋東部的熱帶海洋的海水溫度異常變暖，使南美太平洋沿岸的降水增多，因而對(duì)目標(biāo)區(qū)域的氣候造成一定影響，致使所選區(qū)域的亮溫值在厄爾尼諾事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生異常，導(dǎo)致亮溫變化趨勢(shì)不同于正常的年份。

圖8 2015-2017 年降軌月平均亮溫時(shí)序變化曲線

降軌過境目標(biāo)區(qū)域的時(shí)間為UTC 時(shí)間6：00 左右，從圖8 中看出2015 年底與2016 年年初亮溫值的出現(xiàn)異常升高。相較升軌過境期間，降軌過境期間的總體亮溫變化趨勢(shì)大致相同，極化方式對(duì)趨勢(shì)影響較小，但亮溫值偏低，頻率變化對(duì)趨勢(shì)的變化更明顯。6.93 GHz，10.65 GHz，18.7 GHz 3 個(gè)頻率的變化趨勢(shì)基本相同，隨著頻率的增加，在23.8 GHz和36.5 GHz，月變化大體呈相同趨勢(shì)，但相較較低頻率，出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)。

圖9 為2015-2017 年NDVI的月平均變化時(shí)序圖。雖然所選區(qū)域?yàn)橹脖恢旅芨采w區(qū)域，但考慮到植被覆蓋率的不同也許會(huì)影響觀測亮溫，進(jìn)一步分析了NDVI的月平均變化趨勢(shì)與觀測亮溫變化趨勢(shì)的異同。從圖8 中可以看出，各年的NDVI均在年末較大，在3-5 月較低，且NDVI值出現(xiàn)極小或極大值的月份，對(duì)應(yīng)到觀測亮溫并沒有出現(xiàn)特殊值，因此，在植被致密覆蓋的情況下，NDVI值在0.05 范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，對(duì)觀測亮溫的影響較小。

圖9 2015-2017 年月平均NDVI 時(shí)序變化曲線

為了對(duì)選定區(qū)域的定標(biāo)基準(zhǔn)進(jìn)行更為準(zhǔn)確的分析，考慮到AMSR2 3 d 可以實(shí)現(xiàn)地球的99%覆蓋，以3 d 為基準(zhǔn)，分升降軌對(duì)該區(qū)域的亮溫值進(jìn)行了日亮溫變化趨勢(shì)分析。圖10～圖11 分別顯示了在選定的定標(biāo)場區(qū)內(nèi)2015-2017 年3 a 的升軌和降軌日平均變化趨勢(shì)。

圖10 2015-2017 年升軌日平均亮溫時(shí)序變化曲線

圖11 2015-2017 年降軌日平均亮溫時(shí)序變化曲線

日變化趨勢(shì)可以更為直觀地顯示出月內(nèi)的亮溫具體變化規(guī)律以及更為細(xì)致地展示全年的亮溫變化趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)在選定區(qū)域內(nèi)，相較于升軌期間的亮溫值，降軌期間的亮溫值更為集中且相對(duì)更低。排除降雨等天氣因素可能產(chǎn)生的影響，月內(nèi)的變化趨勢(shì)大致相似。整體上可以發(fā)現(xiàn)，亮溫變化趨勢(shì)為：在11-12 月期間達(dá)到峰值，6 月-7 月期間到達(dá)低谷，中間月份分別呈波動(dòng)上升和波動(dòng)下降的趨勢(shì)?？傮w而言，除了可能由于降雨影響導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常之外，整體上3 a 的日變化趨勢(shì)，與月平均變化趨勢(shì)基本一致，同時(shí)也更直觀地發(fā)現(xiàn)亮溫的具體波動(dòng)情況。

綜上所述，選取范圍在3° S～2° N，74° W～69° W之間區(qū)域作為定標(biāo)場區(qū)后，通過對(duì)比在該定標(biāo)場區(qū)內(nèi)AMSR2 3 a 的L1R 亮溫?cái)?shù)據(jù)，可以給出微波輻射計(jì)在該場區(qū)內(nèi)的基本定標(biāo)趨勢(shì)。即，在非厄爾尼諾年，亮溫值應(yīng)在11-12 月達(dá)到最大值，在12-6 月期間波動(dòng)下降，在6-7 月期間達(dá)到最低，在7-11 月期間波動(dòng)上升。在厄爾尼諾事件期間，亮溫值會(huì)出現(xiàn)異常值。微波輻射計(jì)的觀測亮溫值，在該定標(biāo)區(qū)域內(nèi)，不滿足上述趨勢(shì)，則數(shù)據(jù)會(huì)有明顯的誤差。

4 總結(jié)與討論

本文首先以MOD13C2 的NDVI數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，在整個(gè)亞馬熱帶遜雨林區(qū)域選出了在2013-2017 年期間NDVI月平均值大于0.8，最小值大于0.5 的植被覆蓋密集區(qū)域，將（3° S～2° N，74° W～69° W）作為定標(biāo)場區(qū)。

在驗(yàn)證了AMSR2 L1R 亮溫?cái)?shù)據(jù)的穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，以AMSR2 L1R 亮溫?cái)?shù)據(jù)為基準(zhǔn)，分析了在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)2015-2017 年3 a 的月平均亮溫變化趨勢(shì)以及3 d 日平均亮溫變化趨勢(shì)。從趨勢(shì)中可以發(fā)現(xiàn)，在非厄爾尼諾事件期間，選定區(qū)域的亮溫值在定標(biāo)場區(qū)內(nèi)，在1-6 月期間亮溫值波動(dòng)下降，在6-7 月期間亮溫值達(dá)到最低，在7-11 月期間亮溫值波動(dòng)上升，在11-12 月期間亮溫值達(dá)到最高。此規(guī)律可以作為微波輻射計(jì)在目標(biāo)區(qū)域非厄爾尼諾事件期間的定標(biāo)基準(zhǔn)。在厄爾尼諾事件期間，2015 年年底以及2016 年年初出現(xiàn)亮溫值的異常升高，該現(xiàn)象可作為微波輻射計(jì)在目標(biāo)區(qū)域定標(biāo)的參考。