论文总字数：17339字

目 录

摘要 I

Abstract II

1、引言 1

1.1 研究目的与意义 1

1.2 研究现状 1

2、研究区域与数据预处理 2

2.1研究区域 2

2.2数据预处理 3

2.2.1 DEM和气象站点数据 3

2.2.2 地面水汽压观测数据 3

2.2.3 MODIS数据 4

3、基于MODIS数据的地面水汽压估算方法 4

3.1地面水汽压与大气可降水量的相关性分析 4

3.2 地面水汽压（svp）估算模型的对比 5

4、估算结果与验证 12

4.1 地面水汽压值（SVP）估算 12

4.2 SVP估算值与实测值的对比验证 14

5、云南省地面水汽压分布规律与成因分析 15

6、结论与展望 15

致谢 18

基于MODIS资料的云南省水汽压计算研究

张昊丹

，China

Abstract：Surface vapor pressure is an important input parameter in atmospheric science, hydrology and so on. The research of surface vapor pressure is very important. However, the conventional observation method has a strong dependence on the surface weather station, and the change of the topography and the space is not continuous, so we need to find another ways to study it.This paper used the data provided by Yunnan Province 37 meteorological stations in the last ten years (2000 - 2010) monthly mean precipitation of MODIS (MOD05) remote sensing data to study the seasonal correlation between the precipitation in Yunnan Province surface water vapor pressure and atmospheric. Through the analysis of relevant that season average of surface water vapor pressure and MODIS precipitation data has a strong correlation, and finally decided to use the two curve model to model.In addition, the selected model is validated by the measured seasonal average surface vapor pressure data of the Yunnan meteorological station.The verification results show that the mean absolute error of the estimation results of spring, summer, autumn and winter between the measured season mean surface vapor pressure is 1.320, 1.417, 1.222, 0.832, the average relative error was only 12.60%, 7.86%, 10.44%, 13.90% respectively.In this paper, the results of the study provides a practical method to estimate the season mean surface vapor pressure provides based on MODIS remote sensing data.

Key words：Surface Vapor Pressure; Precipitation Water Vapor; MODIS;Yunnan Province; correlation analysis

1、引言

1.1 研究目的与意义

水汽之一，是大气重要参量^[1-2]；同时作为大气成分的重要组成部分，它在全球水循环过程中发挥的作用也十分关键，在输送及过程中都扮演着重要的角色^{[7] [8]}。因此，在全球气候变化的背景下，水汽研究的重要性不言而喻^[4-5]，而大气含水量和地面水汽压正是水汽研究中的重要环节。

任一单位量叫做大气含水量,也称大气水汽含量。大气水汽含量常被表示为大气可降水量( Precipitation Water Vapor，PWV) ，即单气柱中所含水汽总部凝结所形成的水柱高度^［6］。大气水汽含量在水汽大循环的过程当中具有相当重要的作用。

地面水汽压表示的是空气中绝对水汽含量的多少。水汽中的水蒸汽分压，是大气辐射反演、各种水文循环及的输入参数^{[15，,16，17，18]}。地面水汽压的常规气象台站实测数据精度较高^［3］，但是需要测量的气象参数较多，如温度、湿度、水蒸汽密度等，成本花费大。

云南省地处我国西南边境,享有“彩云之南”的美称，其经纬度位置为北纬20°至28°,东经97°至105°之间,经纬度跨度很接近。云南省处于低纬度高原,地理位置特殊,地况地貌复杂, 相对平缓的山区只占总面积的10% ，大面积土地高低起伏、差参不齐。云南省境内沟壑纵横,河流密布，地势南低北高,相差达六千多米，因此造成了省内气候的区域性差异和垂直性差异，故而对于云南省境内水汽压计算的研究就产生了一定的难度且具有重要的意义。本文的主要研究目的是基于云南省的MODIS（MOD05）遥感气象资料对其境内的水汽压和大气含水量之间的关系进行一定的研究，找出二者之间最为合适的关系模型，并对云南省季平均水汽压进行估算。这一方法的实现将会大大降低成本消耗，减少对地面气象站点的依赖，克服地形起伏变化大的缺点。

1.2 研究现状

当前地面水汽压的估算方法包括传统研究方法和遥感方法。传统的地面水汽压研究方法主要有地理因子回归统计法和插值方法两种。地理因子回归统计法是通过建立地面水汽压与地理要素之间的回归模型来推算地面水汽压^[19，20]；另一种方法是根据空间插值方法进行水汽压研究^[21]，不同的插值方法得到的结果往往有所不同^[15，16]。遥感方法主要的理论依据是大气中的水汽对电磁波的衰减作用^[22]。遥感方法具有较高的时空分辨率，且在人烟稀少、人迹罕至的地区同样可以得到详实的大面积观测数据^[23]，对地面气象站点的依赖性低。因此，将常规气象观测数据和覆盖范围广阔的遥感资料相结合以利用，将是解决高分辨率地面水汽压模拟的有效方法之一。目前，国内外很多学者已研究发现, 地面水汽压（Surface Vapor Pressure，SVP） 与大气可降水量(Precipitation Water Vapor，PWV)具有很好的相关性，如PWV与SVP之间存在简单的倍数关系^[9]、对数关系^{[10，11，12]}、线性关系和二次曲线关系^[13，14]等。这对本文的研究具有重大的启示作用。

2、研究区域与数据预处理

2.1研究区域

本文研究区域为整个云南省地区(图 1)。云南省与多个省、自治区以及国家相邻，全境总面积约39万平方千米，北回归线穿境而过。云南省大面积地形高低起伏，沟壑纵横，一定范围内有和缓的高原面，总体地势北高南低，南北部之间高差悬殊达六千多米，是全省境内气候差异明显的重要原因之一。云南省降雨丰沛，全省大部分地区年降水量在1100mm左右，南部部分地区可达1600mm以上。省内高山峡谷遍布，为水汽输送提供了重要的渠道。诸多原因的综合使得云南省地面水汽压、降水量等气象要素在季节和地域的分布上存在着显著的差异。本文研究区域内共有 36个地面气象站点(如图 1所示)。

图1 云南省DEM及境内地面气象站点分布图

2.2数据预处理

2.2.1 DEM和气象站点数据

本文最初所得到的原始数据是包括云南省在内的我国西南地区的DEM数据及其地面气象站点数据与中国省级行政区的shapefile文件，根据研究需求利用ArcGIS10.0中的分析工具将云南省的行政边界先“筛选”提取出来，然后使用ArcGIS里Spacial Analyst工具中的按掩膜提取功能根据云南省行政边界将云南省的DEM数据进行裁切，再利用Excel工作表先将云南省气象站点筛选出来然后加载到ArcMap中去。最后的结果如图1所示。

2.2.2 地面水汽压观测数据

本次研究中的地面水汽压观测数据是利用云南省2000年至2010年这10年间36个地面气象站点提供的数据，按照春、夏、秋、冬四个季度进行分类剔除空值和不完整值后根据剩余的34个气象站点的数据在ArcGIS10.0提供的技术支持下均匀选取其中的25个气象站点的数据进行建模，分别建立春、夏、秋、冬四季的四种模型，并用余下的10个站点数据对模型进行验证，比较各模型的准确性与适用性。

气象站点的地面水汽压数据可以通过多种方法获得。一种是通过计算饱和水汽压值来获得地面水汽压值（svp），另一种是通过露点温度和地表气温来计算获得地面水汽压值。本文中是利用第二种方法计算获得的地面水汽压值，因此对第一种方法在这里就不多加赘述了。

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