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FY-3A微波成像仪反演半干旱地区土壤湿度的研究

彭丽春  李万彪  
【摘要】:土壤湿度作为气候和生态环境变化研究中的重要物理量之一,一直受到相关研究的重视,卫星遥感可以弥补地面观测资料的欠缺。中国气象卫星(FY-3A)搭载的微波成像仪(MWRI)10.65GHz通道可探测土壤湿度。本研究将:(1)用陆面微波辐射传输模式模拟土壤湿度和微波比辐射率的关系;(2)根据微波比辐射率,使用矢量辐射传输模式(VDISORT)模拟土壤湿度与10.65GHz亮温的关系;(3)建立通过卫星亮温反演土壤湿度的统计方法并用地面资料验证。(1)土壤湿度与陆表微波比辐射率的关系通过陆表微波辐射模型模拟获得。模拟时考虑了地表湿度、地表粗糙度和植被特征对微波比辐射率的影响。用土壤介电常数来反映土壤湿度;用地表均方根高度来描述地表粗糙度;用改进的Fresnel公式求算地表反射率;用归一化植被指数(NDVI)表示植被层的繁茂程度并根据经验关系近似获取植被含水量信息;用几何光学原理来计算植被冠层的光学厚度。(2)土壤湿度与10.65GHz亮温的关系通过VDISORT模式模拟获得。模拟时下边界使用(1)模拟获得的陆表微波比辐射率,上边界条件为宇宙背景辐射,微波比辐射率为零;大气廓线使用中纬度夏天大气,分为23层,层内视为由均匀介质组成。解辐射传输方程时,取16流近似来计算微波辐射亮度,采用Rayleigh-Jeans近似公式将辐射亮度转换成等效的微波辐射亮温。最终获得不同NDVI条件下,土壤湿度和10.65GHz通道垂直和水平极化亮温的对应数据。(3)根据(2)获得的模拟数据分析,发现土壤湿度的对数和微波亮温极化比的三次多项式之间有较好的统计关系,由此分别建立了不同NDVI条件下,农田和草地地表土壤水分的统计反演模型。使用MWRI仅有的2008年9月12-16日的5天的10.65GHz亮温数据和中分辨率成像仪(MODIS)的NDVI产品,反演得到大气物理研究所的吉林通榆观测站农田(122.88°E,44.59°N)和草地(122.92°E,44.57°N)的土壤湿度,并利用此观测站地面实测进行对比,发现反演均方根误差农田为0.003cm3/cm3,草地为0.005cm3/cm3。本方法可以应用于将来可能获得更多资料的FY-3B卫星,并通过使用改进的陆面辐射传输模式获取不同地面的辐射特征,期望未来可进行区域的反演试验研究。

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