NOAA卫星AVHRR资料在长江流域水文气象预报中的应用展望.doc

NOAA卫星AVHRR资料在长江流域水文气象领域中的应用展望
李春龙
（长江水利委员会水文局预报处，武汉 430010）
提要：为推广遥感技术在长江流域水文事业中的应用，充分发挥长江水利委员会水文局所建NOAA卫星AVHRR资料接收站的作用，提高长江流域水文气象预报能力，本文展望了用AVHRR资料监视大气云况、海面温度、水体面积变化、湖泊水量水位监测、洪水监测、水质监测、旱情监测的基本方法，并提供简单的应用实例。
关键词：遥感；AVHRR；NDVI；水文气象；海面温度；水量；干旱

AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer), 即甚高分辨率辐射探测计, 载体为美国国家大气海洋局发射的NOAA卫星, 目前仍在运行的有NOAA12，NOAA15，NOAA16，NOAA17 。该仪器共包括5个通道，其中通道1-3分别为可见光通道、近红外通道、远红外通道，接收地表、云层等对不同波长太阳光线的反射，通道4、5为热红外通道，接收不同温度的地表、云层自身发射的红外辐射。表1为各个通道对应的波长以及其主要用途。该图象星下点的分辨率为1公里，图象侧翼分辨率为1-6公里。该资料可以应用于气象、农业、水文、林业、海洋、地质地理等领域。长江水利委员会水文局借助瑞合作长江防洪援助项目，于2004年9月在武汉建成极轨卫星资料接收站，目前接收NOAA15，NOAA16，NOAA17的AVHRR资料。本文就AVHRR资料在水文气象专业中的应用做一介绍。
表1、AVHRR观测通道指数
通道
波长(μm)
主要用途
1
0.58--0.68
白天云、地表
2
0.725--1.0
云、水泥、植被、水
3
3.55--3.93
火灾、夜间海温
4
10.3--11.3
海、陆、云顶温度
5
11.4--12.4
海、陆、云顶温度

1． 提供云图信息，用于降雨预报
AVHRR 资料的最初主要应用为提供云图信息，辅助每天的气象预报。对于同一个地区，静止气象卫星，以FY-2B为例，可以提供可见光（0.5-1.05μm）、红外（10.5-12.5μm）、水汽（6.2-7.6μm）三个通道的云图信息，星下点的分辨率分别为1.25公里、5公里、5公里，每小时提供一幅图片。相比之下，AVHRR虽然具有空间分辨率高、通道多的优点，但处理比较复杂，时间分辨率较低（每天每颗卫星可以提供2幅或4幅图象），在长江流域降雨预报应用中没有明显优势。附图1为2004年9月20日11时从NOAA17接收的AVHRR资料，1、2、3通道合成的彩色云图。
国外也有专家利用AVHRR资料，结合静止气象卫星资料、水文气象地面观测资料，建立模型，先计算云的参数，估计云状、云高、云量等云指数，估计一个地方的降雨量，进而结合土壤资料等估计径流。
图1、2004年9月20日NOAA17观测的云图

2．海面温度监测，用于气候预报
西太平洋海面温度与长江流域汛期旱涝趋势有较好的相关关系，我们所能获得的资料是格点资料，经向范围为东经120度至西经80度，纬向范围为北纬50度至南纬10度，每5个经度乘5个纬度有一个数据，数据密度约500公里500公里范围内有一个数据。
AVHRR 资料第4、5波段为热红外通道，任何非绝对零度的物体均会发射红外辐射，所以4、5波段的回波图可以反映地表物体或海洋表面的温度，其星下点数据分辨率可达1公里，而且每天都可以获得数据，图2为AVHRR资料分析出的2004年9月18日中国沿海海面温度图。
下面以NOAA15为例，介绍热红外通道反演温度的基本步骤：
1．1 由格点值计算地面辐射率NE
NE=a0+a1CE+a2CE2
式中NE为地面红外辐射率（mw/(mw-sr-cm-1)）；a0、a1、a2为常量，可以在卫星资料说明文件中找到。
1．2 计算辐射率NE对应的黑体相当温度TE
TE*=C2Vc/ln[1+(c1vc3/NE)]
TE=(TE*-A)/B
TE单位为黑体相当温度（K）。c1、C2、vc、A、B对各个卫星具体的通道均为常数，可以从各个通道资料用户手册中查询。

图2、AVHRR资料分析出的2004年9月18日中国沿海海面温度图

3．水体面积变化监测
AVHRR资料能够将水面与其他类型地球表面区分开来，其第2通道（近红外通道）、3通道（远红外通道）水面反射率较低，接近为零，在图上近似为黑色，由此可以粗略计算大的湖泊或水库的水体面积。也有专家用第二波段和第一波段的比值Channel-2/channel-1区分水面。

面积较大的湖泊，比如长江流域的洞庭湖和鄱阳湖，洪水演变期间或不同的季节间，通过AVHRR图片，可以清楚的发现水面面积的变化，因而可以用AVHRR资料迅速直观全面地监视洪水变化。图3为从AVHRR资料监测到的2004年9月与2003年3月洞庭湖水面变化，该图为2003年3月10日AVHRR通道2的图象，深黑色为水域，图中红线为我们利用2004年9月12日从NOAA17接收的AVHRR资料勾勒出的洞庭湖水面边界，红线内深黑色为3月份洞庭湖水面，可以看出9月份水面明显变大。
图3、AVHRR资料观测的洞庭湖2004年9月和2003年3月水面变化

4．湖泊水量或水位监测
要进行水量或水位监测，首先需要利用水底地形资料、地面观测资料或高分辨率的遥感资料等，建立水面面积与水量、水面面积与水位相互关系的函数，在此基础上，利用AVHRR观测资料可以粗略估计大型湖泊和水库的水量或水位。

5．洪水监测
洪水形势发展变化非常快，要为减灾服务提供有用的信息，有必要提供高时间分辨率的图象，以便跟上洪水的变化。人们多次尝试利用高空间分辨率的卫星遥感图象监测洪水，但都因为资料频次太低，而且迅速得到高分辨率资料价格高昂或比较困难而受挫。但是AVHRR资料成本较低廉，同一地区，一天有可能获得多份图象，对于大范围的洪水是较为理想的监测工具。有专家用AVHRR资料1991年江淮流域的大洪水成功的做了实验，他们利用第二波段和第一波段的比值图（channel-2/channel-1）区分水的边界，这可以有效减少大气中云的影响。

6. 水质监测
遥感技术对水质的监测基于水体表层悬浮物或溶解物对太阳光的吸收和散射，监测效果取决于探测器所选用的波长，接收信号受大气的干扰也很严重。AVHRR的波段并不是理想的水体颜色监测波段，我们只能尽最大可能利用其数据。以下简单介绍两种方法。
6．1 波段一监测水体信息
水体信波段一AVHRR得到的信号只有20%来自水体，80%来自大气的贡献，因此用波段一监测息，大气矫正特别重要，Dirks和Spitzer在1987年建立了一个经验公式：
log(TSM) = a log(ρ1) + b
其中：TSM 悬浮物总量（Total Suspended Matter，单位mg/l; ρ1 经过大气矫正的水面反射率；a、b为参数，因为该关系很不稳定，对每一幅卫星图片，a、b均需要利用站点观测资料计算出的系数。
6．2 用NDVI研究淡水湖海藻含量（Prangsma 和Roozekrans，1989年）

NDVI为标准化植被指数，常用来反应地表植被覆盖程度。水面对近红外波段(第2波段，channel_2)近似为黑体，基本没有反射。清洁的水面channel_2值接近为零，NDVI应该为负值，接近为-1。但是，当水面浮有蓝绿色的海藻时，第2波段的反射率会发生戏剧性的增加，NDVI值也会增加，当有足够丰富的海藻时，水面的NDVI会出现正数。

7. 旱情监测和预报以及水资源管理
进入21世纪，长江流域部分地区屡屡面临严重旱情。2003年，江西、湖南、浙江出现严重干旱；2004年江西、湖南、江苏、安徽出现严重干旱，农作物减产，有的地方出现居民饮水困难。据长江水利委员会黄忠恕等专家分析，在未来20年里，长江流域将进入一个相对干旱的时期。用AVHRR遥感信息监测长江流域旱情，其空间分辨率，观测范围比较适合，该应用有较好的前景。
用遥感信息监测旱情，首先利用遥感资料计算地面实际蒸发量（AE），并估算当地当时的潜在蒸发量(PE)，根据潜在和实际蒸发量的差值判断缺水程度，差值大，说明干旱。
7．1 计算实际蒸发
实际蒸发算法比较复杂。在此介绍目前比较常用的SEBAL（陆地表面能量平衡算法）方法，该方法先计算实际蒸发消耗的能量（LE），然后可以由能量推算出实际蒸发的水量(AE)：

其中: LE为实际蒸发消耗能量，单位:；Rn 总辐射, 单位:；H 地表感热通量，改变地表边界层气温所消耗的能量，单位:；G 土壤热通量，改变地表温度所消耗的能量，单位:； 地表全波段反射率； 地表吸收的太阳短波辐射，单位:； 地表吸收的大气长波辐射，单位:； 地表释放的长波辐射，单位:；为水汽密度，（kg m-3）；为空气热容量，（）；为地表温度，（K）；为近地表空气温度，（K）；为空气热阻抗，（）; 可视为常量，缺省值为1.1； NDVI为标准化植被指数。其中，，，由遥感图片获得，其他参数主要由当地气象部门获得。
7．2 计算潜在蒸发
潜在蒸发主要取决于日照、风速等气候或天气情况，同时受地表状况的影响，计算的方法很多，不同的气候、地表特性有不同的计算方法。这里介绍一个适合于干旱地区的简单估算方法：

其中：PEm为月平均日蒸发量，单位mm/day；Rs为月平均日太阳总辐射，单位kJ/m2/day；Tave为日气温的月平均，单位oC；较粗略的Rs和Tave值可以从气象部门得到。
通过计算潜在蒸发量和实际蒸发量，还可以帮助农业水资源管理部门，了解所管辖区域水资源需求情况，及时适量的供水。
8．结论
当前，遥感技术日新月异，遥感技术在水文气象监测预测、水资源管理方面有广泛的应用前途。本文仅展望了一些基本思路，我们将逐步开展更多的实际应用工作。

参考文献：
[1] The Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR)，Cracknell, Arthur P.，London : Taylor & Francis , 1997。

2004年11月18日