一種鹽度衛(wèi)星k波段亮溫?cái)?shù)據(jù)反演陸表溫度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微波遙感領(lǐng)域，主要涉及的是一種鹽度衛(wèi)星K波段亮溫?cái)?shù)據(jù)反演陸表溫度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]地表溫度作為地表-大氣間長波輻射與湍流熱通量的直接驅(qū)動(dòng)要素，是地表能量與水分平衡物理過程中最重要的參數(shù)之一。地表溫度同時(shí)也是很多環(huán)境模型的重要參數(shù)，在大氣與地表的能量與物質(zhì)交換、天氣預(yù)報(bào)、全球洋流循環(huán)、氣候變化等研究領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用。同時(shí)，地表溫度本身也是一個(gè)非常重要的地球物理參數(shù)，獲取區(qū)域尺度(幾公里到幾十公里)的陸表溫度信息，有助于提高對(duì)該地區(qū)陸氣交互作用機(jī)理的理解，從而更好的服務(wù)于該地區(qū)乃至整個(gè)中國、亞洲及全球的氣候變化監(jiān)測。
[0003]在被動(dòng)微波遙感反演領(lǐng)域，對(duì)于地表溫度影響的校正目前主流的方法有以下幾種:通過多個(gè)通道的衛(wèi)星觀測，同時(shí)反演土壤水分及土壤溫度等地表參數(shù)，但是這種多參數(shù)求解的過程無法從物理機(jī)制上解釋地表的任一參數(shù)值變化引起的衛(wèi)星觀測值變化，調(diào)整任一參數(shù)都可以滿足代價(jià)函數(shù)要求，因此該方法不僅計(jì)算效率低而且可能會(huì)存在多解的問題。同時(shí)還有通過模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出地表溫度不宜與土壤水分同步估算，因?yàn)檫@會(huì)增加反演過程中的不確定性。因此，此類估算地表溫度的方法現(xiàn)在已經(jīng)使用不多。其次，研究者還利用其他遙感數(shù)據(jù)如MODIS的溫度產(chǎn)品或者模型輸出的溫度模擬值代替地表溫度，如目前SMOS 土壤水分反演算法中地表溫度就是利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF模型中輸出的O?7cm的土壤溫度，但是這種方法增加了算法對(duì)輔助數(shù)據(jù)的依賴性，而且不同衛(wèi)星或者模型之間在數(shù)據(jù)上的時(shí)空一致性也難以保證。雖然MODIS的熱紅外波段也常被用來反演地表溫度，但是熱紅外非常容易受到云霧的干擾且在植被覆蓋區(qū)信號(hào)也易被衰減。其中前者的影響更為突出，因?yàn)殛懙乇砻嫫骄?0%的區(qū)域被云層覆蓋，因此極大的限制了此方法的應(yīng)用。
[0004]海洋鹽度探測衛(wèi)星有效載荷包括L、C和K波段微波輻射計(jì)，可以為海洋、減災(zāi)、農(nóng)業(yè)以及氣象等多個(gè)行業(yè)和業(yè)務(wù)部門提供服務(wù)。
[0005]雖然鹽度衛(wèi)星是為獲取海洋鹽度而設(shè)計(jì)，但其獲取的數(shù)據(jù)在陸表表面也將有重要的應(yīng)用價(jià)值，如獲取陸表溫度和土壤水分等。鹽度衛(wèi)星頻率設(shè)置是L波段(1.415GHz)、C波段(6.9GHz)和K波段(18.7GHz和23.8GHz)，均包括H和V兩種極化方式。因該衛(wèi)星并未設(shè)置36.5GHz或37GHz(Ka波段)輻射計(jì)觀測頻段，所以國內(nèi)外現(xiàn)有基于Ka波段的方法無法用于獲取陸表溫度信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明基于已有AMSR-E衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地面實(shí)測陸表溫度數(shù)據(jù)，提出了一種利用鹽度衛(wèi)星K波段(23.8GHz)V極化數(shù)據(jù)反演陸表溫度的方法，并與傳統(tǒng)Ka波段(36.5GHz)陸表溫度的反演結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，基于該方法方法，鹽度衛(wèi)星K波段(23.8GHz)V極化亮溫?cái)?shù)據(jù)能有效反演陸表溫度。
[0007]該鹽度衛(wèi)星K波段亮溫?cái)?shù)據(jù)反演陸表溫度的方法包括如下步驟:
[0008](I)將CAMP/Tibet，瑪曲及那曲三個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的地表土壤溫度觀測的數(shù)據(jù)，與同時(shí)期的AMSR-E 23.8GHz V極化亮溫?cái)?shù)據(jù)建立模型:T = 0.767XBT(23.8,v)+76.893;
[0009](2)獲取鹽度衛(wèi)星數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)文件中提取K波段(23.8GHz )V極化亮溫?cái)?shù)據(jù)BT(23.8, V)；根據(jù)上述模型計(jì)算陸表溫度T。
[0010]優(yōu)選的是，所述模型與實(shí)測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.87，均方根誤差為3.94K。
【附圖說明】
[0011 ]圖1為AMSR-E輻射計(jì)23.8GHz V極化亮溫與同時(shí)期的CAMP/Tibet地表溫度數(shù)據(jù)的時(shí)間序列比較。
[0012]圖2為23.8GHzV極化亮溫與地表溫度統(tǒng)計(jì)回歸模型。
[0013]圖3為Ka波段(36.5GHz) V極化反演模型。
【具體實(shí)施方式】
[0014]衛(wèi)星數(shù)據(jù):AMSR-E共配置有6個(gè)波段，具體為6.9GHz,10.7GHz,18.7GHz，23.8GHz，36.5GHz與89GHz，每個(gè)波段均提供雙極化觀測。其中，6.9GHz、18.7Ghz和23.8GHz與鹽度衛(wèi)星相同，所以，本發(fā)明利用鹽度衛(wèi)星K波段(23.8GHz)數(shù)據(jù)發(fā)展的陸表溫度估算方法，是利用現(xiàn)有AMSR-E數(shù)據(jù)驗(yàn)證其有效性。
[0015]地面試驗(yàn)數(shù)據(jù):CAMP/Tibet數(shù)據(jù):全球協(xié)調(diào)加強(qiáng)觀測計(jì)劃亞澳季風(fēng)之青藏高原試驗(yàn)研究網(wǎng)絡(luò)CAMP/Tibet是一個(gè)建立于青藏高原中部的中尺度土壤溫濕度觀測網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)建立的目的是為了測量青藏高原地區(qū)的土壤水分及土壤溫度，從而用于發(fā)展及驗(yàn)證陸面過程模型及衛(wèi)星土壤水分反演算法。CAMP/Tibet觀測網(wǎng)地區(qū)地表覆蓋類型主要為稀疏的低矮草地。記錄的時(shí)間范圍為2002年10月I日至2004年3月31日。
[0016]瑪曲觀測網(wǎng):瑪曲土壤溫濕度觀測網(wǎng)于2008年7月開始建立。瑪曲觀測網(wǎng)覆蓋的面積約為40km X 80km，在該網(wǎng)絡(luò)地區(qū)，每個(gè)站點(diǎn)每隔15分鐘對(duì)不同深度(從地表5cm至地下80cm)的土壤水分和土壤溫度進(jìn)行記錄，時(shí)間覆蓋范圍為2008年7月I日至2010年7月31日。所有站點(diǎn)分布在黃河河谷及其周圍的小山，地表覆蓋類型為均一的低矮草地。
[0017]那曲觀測網(wǎng):那曲土壤溫濕度觀測網(wǎng)是一個(gè)多尺度觀測網(wǎng)絡(luò)，覆蓋面積約為10kmX 100km。該網(wǎng)絡(luò)由56個(gè)站點(diǎn)組成，每個(gè)站點(diǎn)每隔半小時(shí)記錄不同深度(分別為O?5 cm，10cm, 20cm及40 cm)的土壤水分及土壤溫度信息，記錄時(shí)間范圍為2010年8月I日至2012年12月31日。
[0018]圖1顯示了 AMSR-E輻射計(jì)K波段(23.8GHz) V極化亮溫與同時(shí)期的CAMP/Tibet地表溫度數(shù)據(jù)的時(shí)間序列比較。由圖中可以看到，兩者存在很好的相關(guān)性，這為利用鹽度K波段(23.SGHz) V極化亮溫反演陸表溫度提供了可行性。
[0019]K波段(23.8GHz) V極化亮溫陸表溫度反演模型:將CAMP/Tibet，瑪曲及那曲三個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的地表溫度觀測，與同時(shí)期的AMSR-E 23.8GHzV極化亮溫?cái)?shù)據(jù)建立模型:
[0020]T = 0.767XBT(23.8,v)+76.893
[0021]圖2為23.SGHzV極化亮溫與地表溫度統(tǒng)計(jì)回歸模型，如圖2所示，3個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)中共有實(shí)測對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)1358個(gè)，統(tǒng)計(jì)模型與實(shí)測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.87，均方根誤差為3.94K，表明以上模型能較好的反演陸表溫度。
[0022]K波段(23.8GHz) V極化與傳統(tǒng)Ka波段(36.5GHz)反演陸表溫度的比較:為了驗(yàn)證本研究溫度反演模型的有效性，將本研究溫度模型與傳統(tǒng)Ka波段的結(jié)果進(jìn)行比較，圖3為Ka波段(36.5GHz) V極化反演模型。
[0023]如圖2和圖3所示，本發(fā)明的K波段(23.8GHz)V極化反演模型與以往國內(nèi)外普遍采用的Ka波段(36.5GHz)V極化反演模型效果相當(dāng)，相關(guān)系數(shù)R均為0.87，均方根誤差分別為3.94K和3.92K。這一方面驗(yàn)證了利用K波段(23.8GHz) V極化亮溫獲取陸表溫度的可行性，另一方面也表明在兼顧陸地溫度應(yīng)用時(shí)，無需更改鹽度衛(wèi)星的現(xiàn)有波段設(shè)置。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鹽度衛(wèi)星K波段亮溫?cái)?shù)據(jù)反演陸表溫度的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: (1)將CAMP/Tibet，瑪曲及那曲三個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的地表土壤溫度觀測的數(shù)據(jù)，與同時(shí)期的AMSR-E 23.8GHz V極化亮溫?cái)?shù)據(jù)建立模型:T = 0.767XBT(23.8,v)+76.893; (2)獲取鹽度衛(wèi)星數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)文件中提取K波段(23.8GHz)V極化亮溫?cái)?shù)據(jù)ΒΤ(23.8,ν);根據(jù)上述模型計(jì)算陸表溫度T。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鹽度衛(wèi)星K波段亮溫?cái)?shù)據(jù)反演陸表溫度的方法，其特征在于:所述模型與實(shí)測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.87，均方根誤差為3.94K。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種鹽度衛(wèi)星K波段亮溫?cái)?shù)據(jù)反演陸表溫度的方法，屬于微波遙感領(lǐng)域，該方法將CAMP/Tibet，瑪曲及那曲三個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的地表土壤溫度觀測的數(shù)據(jù)，與同時(shí)期的AMSR-E23.8GHz？V極化亮溫?cái)?shù)據(jù)建立模型。獲取鹽度衛(wèi)星數(shù)據(jù)后，可從數(shù)據(jù)文件中提取K波段(23.8GHz)V極化亮溫?cái)?shù)據(jù)BT(23.8，v)，根據(jù)上述模型計(jì)算陸表溫度T，并與傳統(tǒng)Ka波段(36.5GHz)陸表溫度的反演結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，鹽度衛(wèi)星K波段(23.8GHz)V極化亮溫?cái)?shù)據(jù)能有效反演陸表溫度。
【IPC分類】G06T7/00, G06K9/00
【公開號(hào)】CN105678277
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610064047
【發(fā)明人】陳權(quán), 田幫森, 曾江源, 周武, 黃磊
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所, 國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心
【公開日】2016年6月15日
【申請(qǐng)日】2016年2月1日