论文总字数：20557字

目 录

目 录 I

摘要 II

Abstract III

1引言 1

2微波地表发射率模型简介 2

2.1微波地表发射率模型的发展 2

2.2微波地表发射率模型（LEM）的计算 4

2.2.1Weng等微波地表发射率模型简介 4

2.2.2Weng模型的输入参数 5

3Weng氏微波地表发射率模型输入参数的敏感性试验 6

3.1利用Weng模型进行敏感性测试 6

3.2误差分析 8

4沙漠地区微波地表发射率的反演及其结果分析 9

4.1反演的研究方法 9

4.2研究区域简介 10

4.3数据来源简介 10

4.3.1卫星数据 11

4.3.2GDAS数据 11

4.4结果及分析 11

4.4.1AMSR-E各通道的反演结果 11

5结论 16

参考文献 16

致谢 19

沙漠微波地表发射率与气象因子的关系分析

吴乐乐

,China

Abstract：Weng’s microwave land surface emissivity model coupled into the community radiative transfer Model (CRTM) are used for the sensitivity test of the microwave land surface emissivity with respect to the land surface parameters, i.e. soil moisture content, surface temperature, soil temperature, vegetation coverage, surface roughness,etc. Microwave land surface emissivity of the Taklimakan Desert was retrieved based on AMSR-E Leval 2A measurements and land surface and atmosphere products from GDAS ( global data assimilation system) in 2008. Then the spectral characteristics of the retrieved emissivity were classified and analyzed with respect to the soil types, and the relationships between desert emissivity annual variability and climate factors were also analyzed. The analyses indicate that the desert microwave emissivity and its annual variability are closely related to soil types, and there is a significant correlation between soil type and land surface emissivity. Moreover, soil volume water content and land skin temperature are also important influencing factors, land surface emissivity decreases with both of the two land surface parameters. Furthermore, vegetation coverage and surface roughness depending on the soil moisture are also the influencing factors of emissivity, and the soil moisture is restricted by the total percipitable water to some extent.

Key words：Desert; Microwave land surface emissivity; Weng’s modle; Climate factors

1引言

地表发射率与地表热辐射能力有关，是地表和大气参数反演的重要条件，也是我们了解支配地表辐射和地表能量收支过程的关键参数。在全球天气预报系统中，微波地表发射率起着显著性作用。微波频段的地表发射率包含了关于物理、生物、水文状况和地球表面物理运动过程的丰富信息^[1]。这形成了一个广泛的地表状态和运动过程的遥感基础，诸如土壤湿度、植被特征和土地覆盖动态^[2]。此外，地表发射率是作为如水蒸气、降雨和降雪等大气变量反演的背景信号，因此极大影响了测量的精度和不确定性^[3-4]。

地表发射率用途十分广泛，对于如辐射传输模型、陆面模型、生态系统模型、气候模型以及大气反演等来说，是一个十分关键的重要参数。在测定地表长波能量辐射时，准确地计算地表发射率是十分关键的，由此，研究大气辐射传输模式时，地表发射率十分关键，其对于地表辐射收支过程来说也同样很关键。准确地计算微波地表发射率，对确定地表参数( 如土壤含水量^[5-8]、植被含水量^[9]、地表温度^[10-11]等) 和对改善陆面同化过程等^[12]具有十分重要的意义。地表发射率随地表参数发生的变化不仅随地表土壤含水量和植被覆盖程度发生变化，还受到土壤的纹理结构和化学性质的影响，由此可知大气参数和地表参数的变化会影响地表发射率的时空变化规律。在理解地表辐射和大气辐射传输模式时，地表发射率的正确测定显得非常重要。

目前，对于微波地表发射率和不同土壤类型之间的关系的研究比较多，而关于其与气象因子之间的关系的研究比较稀少。由于植被随季节的变化比较稳定，其区域变化也不显著，并且微波地表发射率在裸土或岩石区产生变化，这些地区被简单划分了类型（例如裸土和荒漠），对于这些区域的矿物岩石和土壤构成等对星载传感器的光谱响应特征的研究产生了极大的影响。

迄今为止，大部分的数值天气预报中心都正在试图对被动微波陆地观测资料进行同化^[13-16]，鉴于此，地表发射率作为重要的地－气过程参数，对于它的估算在当下显得特别的重要。地表发射率的动态变化特征与气候条件密切相关，其受气候变化的影响非常大。国内外研究者围绕这个过程进行了一系列的钻研。近几年，有许多构建全球发射率产品（采用卫星数据）的研究。Grody^[17]提出了一种地表微波发射率的统计反演算法（在50.30、53.74、54.96和57.97Ghz通道下），这是根据微波探测仪MSU(Microwave Sounding Unit)的探测资料得到的。Prigent等^[18-19]首次估计得出了SSM/I频率的全球陆地表面发射率（在SSM/I观测条件下），从而，Prigent等（2006)^[20]使用SSM/I数据建立了全球发射率数据库（10年的资料）。他们据此计算了许多欧洲地区的陆面微波发射率，并且对微波发射率随地表特征而产生的不同的变化。他们还进行了将SSSM／I的地表发射率计算推广到一些先进的传感器上（如特种传感器微波温度廓线仪、微波探测仪等）的实验，来反演大气温湿廓线。Pickle，Felde，Vonder Haar^[21]和Jones也已经直接计算了一些类似的发射率（针对某些地区）。Jones等运用特种微波传感器的成像仪资料对美国中部地区的微波地表发射率进行了反演。Prigent等和Karbou等也已经对AMSU的发射率进行了计算。要得出这些发射率第一步要分析地表特征，例如植被、洪水，第二步要对陆地上的大气参数和地表温度进行反演，这些都是建立在大量的研究基础上的。为了使SSM/I发射率的频率和角度可以应用于特殊微波温度廓线仪传感器和AMSU-A，Prigent等对其进行插值、推断。

Bytheway和Kummerow对AMSR-E所有通道（2006年，除了6.925GHz)的全球地表发射率进行了反演。他们在确定了每个微波窗区频率的发射率的协方差后据此对可能会引起降雨的观测亮温进行了估算。

谷松岩等提出了一种反演地表微波发射率的指数分析方法（AMSU-A窗区通道），这是利用AMSU-A资料借由辐射传输正演模拟得出的。在水循环实验和淮河流域能量中，Hong等(2003)计算了寿县地区地表发射率（TRMM/TMI微波频率下）。吴莹等以塔克拉玛干沙漠为研究区域，利用AMSR-E的遥测资料反演微波地表发射率谱，并根据美国国家土壤地理数据集和联合国粮农组织定义的土壤类型，来分类分析反演计算的沙漠地表发射率谱，并分析了微波地表发射率年内变化规律与土壤温度、土壤含水量、地表温度、植被覆盖率及大气总水汽量等因子之间的影响关系（结合美国国家环境预报中心的全球资料同化系统的输出产品）。Qiu等利用AMSR-E和MODIS的数据资料反演了全球瞬时微波发射率（晴空条件下）。在Qiu的算法基础上，张勇攀等（2010）研究了微波发射率在不同频谱随时间变化而产生的变化，对发射率在不同土壤类型条件下的变化特征、不同类型的地物发射率在个波段下的季节变化规律进行了分析。

本文主要利用通用辐射传输模式CRTM中的Weng模型对地表发射率相对于一些地表参数（如：土壤湿度、地表粗糙度等）进行敏感性测试，从而了解这些参数对地表发射率所能产生的影响。然后，利用AMSR-E传感器的二级亮温资料，对研究区的不同土壤类型（砂土、粘土、砂质粘土）进行微波地表发射率的反演（采用辐射传输方程法），进而分析沙漠地表发射率在不同土壤类型情况下随季节变化的特征。接着，利用美国国家环境预测中心(the National Center for Environmental Prediction,NCEP)生成的GDAS数据（Global Gata Assimilation System）中的相关资料（见下文详细介绍）获得塔克拉玛干沙漠的一些地表参数和大气参数，对这些参数之间的关系进行分析。最后，结合敏感性测试、反演结果和地表、大气参数之间的对比分析，对沙漠地区微波地表发射率和气候因子之间的相关性进行综合分析，得出结论。

2微波地表发射率模型简介

2.1微波地表发射率模型的发展

地表发射率在不同地表类型条件下是有差异的，其偏差在5%-10%时，亮温可能会产生几到十几度的误差，地表发射率也会影响云水凝结物的反演，所以经常可以看到上行辐射率值是由地表发射率计算得到的。

陆地表面发射率通常比海洋表面发射率高，这使得微波发射率模拟时表面的贡献更大而空间相关性尺度较小。除此之外，影响微波地表发射率的参数大多是可变的，这大大加深了模型的复杂性。所以至今为止，我们都只是在一定的频谱范围和土壤类型下对微波地表发射率进行模拟。

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