[发明专利]一种从被动微波数据估算瞬时地表发射率的方法

摘要

本发明公开了一种从被动微波数据估算瞬时地表发射率的方法，该方法所使用的模型依赖于被动微波的通道亮温数据和大气总可降水量数据，具体包括以下四个步骤：估算模型的推演、方程系数的率定、数据采集、被动微波地表发射率估算。本发明由辐射传输方程推导而来，具有坚实的物理意义和较好的普适性，可以应用于不同的地面情况和不同的季节；其输入数据不多且容易获得，而且不受云的限制，可在包括有云情况下的几乎所有天气情况下获得，保证了模型的全天候应用和瞬时地表发射率的获得，填补了传统辐射传输方法只能生产月时间尺度地表发射率的空白。

主权项

1.一种从被动微波数据估算瞬时地表发射率的方法，其特征在于：所述方法包括以下四个步骤：Ⅰ、估算模型的推演：星载被动微波传感器所接收到的辐射信息包含三个部分：大气向上辐射，用T↑a表示；由地面向上发射并被大气衰减的辐射，用τ·ε·TS表示；大气向下与宇宙背景辐射被地面反射进入大气，又被大气衰减，并最终被微波传感器接收的辐射，用(1‑ε)τ(T↓a+Tsky)表示，这三个过程组成了完整的辐射传输方程，如公式(1)所示：TB＝T↑a+τ·ε·TS+(1‑ε)τ(T↓a+Tsky)    (1)其中，ε为某一通道的地表发射率，无量纲；TB为该通道亮温，单位为K；τ是大气透过率，无量纲；T↑a是大气上行亮温、T↓a是大气下行亮温，单位均为K；Ts为地表温度，单位为K；Tsky是宇宙背景辐射温度，单位为K，可视为定值2.73K；由于T↑a和T↓a相差很小，因此假设二者相等，将公式(1)进一步表示为公式(2)：TB＝Ta+τ·ε·TS+(1‑ε)τ(Ta+2.73)    (2)由于不同的通道具有独立的发射特性以及大气衰减特性，τ和Ta以及ε对于不同通道而言都是不同的，因此通道亮温TB对不同频率而言也是不同的；假设有两个不同的频率，将它们的辐射传输方程表示为：TB,i＝Ta,i+τi·εi·TS+(1‑εi)τi(Ta,i+2.73)    (3)TB,j＝Ta,j+τj·εj·TS+(1‑εj)τj(Ta,j+2.73)    (4)其中，i和j分别代表两个不同的频率；根据前人的经验，假设18.7GHz和23.8GHz两个频率的发射率相等，由此将公式(3)和公式(4)分别进一步表示为：TB,18.7＝Ta,18.7+τ18.7·ε·TS+(1‑ε)τ18.7(Ta,18.7+2.73)    (5)TB,23.8＝Ta,23.8+τ23.8·ε·TS+(1‑ε)τ23.8(Ta,23.8+2.73)    (6)将公式(5)和公式(6)右边的第一项和第三项均移到左边，它们的左右两边再同除以各自频率的τ得到公式(8)和公式(9)：将公式(7)和公式(8)联立，得到公式(9)：由此，地表温度这个变量被约去；进一步对公式(9)变形，将发射率ε单独放到公式左侧，其他项放到公式右侧，得到公式(10)：先前学者已经发现了τ和Ta与大气总可降水量PWV呈非常好的线性关系，即：τ＝a·PWV+b      (11)Ta＝c·PWV+d     (12)其中，a,b,c,d均是线性方程的系数；由此可知，公式(10)中的Ta,23.8·τ18.7‑Ta,18.7·τ23.8和τ18.7·τ23.8(Ta,18.7‑Ta,23.8)都能表示成只有PWV一个未知数的方程；根据热动力初估检索数据集提供的全球大气温湿度廓线数据，利用大气辐射传输模型计算了18.7GHz和23.8GHz的τ18.7、τ23.8、Ta,18.7、Ta,23.8以及对应的PWV，用线性方程描述Ta,23.8·τ18.7‑Ta,18.7·τ23.8、τ18.7·τ23.8(Ta,18.7‑Ta,23.8)和PWV的关系，即：Ta,23.8·τ18.7‑Ta,18.7·τ23.8＝e·PWV+f     (13)τ18.7·τ23.8(Ta,18.7‑Ta,23.8)＝g·PWV+h   (14)其中，e,f,g,h均是线性方程的系数；根据以上分析，将公式(10)进一步变形为一个只包含通道亮温和PWV的方程，即只包含被动微波成像辐射仪的18.7Hz和23.8GHz的H极化通道亮温和大气总可降水量的被动微波地表发射率估算模型，如公式(15)所示：其中，ε为地表发射率，无量纲；TB,18.7和TB,23.8分别为被动微波成像辐射仪的18.7GHz和23.8GHz两个通道的H极化亮温，单位均为K；PWV为大气总可降水量，单位为g/cm2；m1、m2、m3、m4、m5、m6、m7、m8均为方程系数；Ⅱ、方程系数的率定：针对研究区的实际情况，对模型中的八个系数m1、m2、m3、m4、m5、m6、m7、m8进行率定，确保上述估算模型在研究区拥有较高的精度；Ⅲ、数据采集：采集研究区内待研究时间段的被动微波成像辐射仪的18.7GHz和23.8GHz的H极化通道亮温数据，所述H极化通道亮温数据的获得途径包括带有被动微波成像辐射仪的卫星的接收站点、数据共享网站；采集研究区内待研究时间段的与亮温数据时间一致的大气总可降水量的测量数据，所述大气总可降水量的测量数据的获得途径包括地面观测网点的测量数据，测量方法包括地面气象站点释放的无线电探空气球、地基GPS、地基微波辐射计、太阳光度计；同一时间内的卫星通道亮温和大气总可降水量这两类数据齐全算作一组；Ⅳ、被动微波地表发射率估算：将步骤Ⅲ中采集的数据代入经过步骤Ⅱ率定好参数的估算模型中，直接计算出与输入数据的采集时间同时的瞬时被动微波地表发射率。