游茂燕

摘 要：海表面溫度（SST）是海洋-大氣系統(tǒng)中的一個(gè)重要物理量。所以，提供高精度的海表面溫度，對(duì)了解全球氣候變化及其他各種海洋科學(xué)工作有重要意義。衛(wèi)星遙感提供了獲得海表面溫度的有效可行方法。MODIS具有強(qiáng)大的海洋信息探測(cè)功能，其存儲(chǔ)和分發(fā)格式為HDF，可以通過(guò)交互式語(yǔ)言IDL編程，實(shí)現(xiàn)利用MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行全球SST反演。

關(guān)鍵詞：海表面溫度；MODIS；反演；IDL

中圖分類(lèi)號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16723198（2015）19022603

0 前言

衛(wèi)星SST觀測(cè)的目的是為了了解區(qū)域和全球的氣候變化，使人們能認(rèn)識(shí)大范圍的洋流變化。這些觀測(cè)是非常重要的。首先，3m內(nèi)的上層水體具有大致相同的熱容量，上層10m的海水質(zhì)量與覆蓋其上的水柱的大致相同，海洋上層具有調(diào)節(jié)全球氣候系統(tǒng)的能力，而SST與海洋上層的熱存儲(chǔ)成比例。第二，大氣的水汽和熱通量的時(shí)間分布是海表面溫度的函數(shù)。第三，海表面溫度的梯度分布與流系、渦、氣流和上升流區(qū)域有關(guān)，這些過(guò)程在SST圖像上是可以看到的。

隨著人們認(rèn)識(shí)的提高和衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星海表面溫度反演方法也在不斷的發(fā)展。目前，反演方法主要?dú)w為兩大類(lèi)：一類(lèi)是利用與衛(wèi)星同步的浮標(biāo)回歸得到海表面溫度反演系數(shù)，另一類(lèi)是利用大氣輻射傳遞模式模擬計(jì)算從海面到衛(wèi)星高度處的輻射傳輸，獲得海表面溫度反演系數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)中的SST反演算法屬于第一類(lèi)，即采用的參數(shù)由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析而來(lái)。

1 MODIS介紹

中分辨率成像光譜儀（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）-MODIS是Terra和Aqua衛(wèi)星上搭載的主要傳感器之一，兩顆星相互配合每1-2天可重復(fù)觀測(cè)整個(gè)地球表面，得到36個(gè)波段的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將有助于我們深入理解全球陸地、海洋和低層大氣內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，因此，MODIS在發(fā)展有效的、全球性的用于預(yù)測(cè)全球變化的地球系統(tǒng)相互作用模型中起著重要的作用，其精確的預(yù)測(cè)將有助于決策者制定與環(huán)境保護(hù)相關(guān)的重大決策。MODIS自2000年4月開(kāi)始正式發(fā)布數(shù)據(jù)，NASA對(duì)MODIS數(shù)據(jù)以廣播X波段向全球免費(fèi)發(fā)送，我國(guó)目前已建立了數(shù)個(gè)接收站并分別于2001年3月前后開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。由于NASA對(duì)MODIS數(shù)據(jù)實(shí)行這種全球免費(fèi)接收的政策，使得MODIS數(shù)據(jù)的獲取十分廉價(jià)和方便。MODIS數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分發(fā)格式為HDF（Hierarchical Data Format），MODIS數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分發(fā)格式為HDF（Hierarchical Data Format），HDF是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的超文本文件格式，由美國(guó)國(guó)家高級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心組織開(kāi)發(fā)，能夠存儲(chǔ)和處理不同種類(lèi)的大數(shù)據(jù)的科學(xué)數(shù)據(jù)，MODIS使用的是HDF4版本，目前包括C、Fortran、Matlab和IDL等軟件都可以方便地進(jìn)行讀取和處理。表1列出了SST反演中使用的MODIS波段，對(duì)每一個(gè)波段列出了熱紅外波段的波長(zhǎng)范圍和NET。

2 IDL介紹

IDL（Interactive Data Language）交互式數(shù)據(jù)語(yǔ)言是進(jìn)行二維及多維數(shù)據(jù)可視化分析及應(yīng)用開(kāi)發(fā)的理想軟件工具。作為面向矩陣、語(yǔ)法簡(jiǎn)單的第四代可視化語(yǔ)言，IDL致力于科學(xué)數(shù)據(jù)的可視化和分析。

IDL在海洋領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，在各種海洋數(shù)據(jù)的可視化及與時(shí)間、空間相關(guān)的分析，對(duì)風(fēng)、流、浪、溫度以及水、粒子流等數(shù)據(jù)的生物學(xué)和化學(xué)參數(shù)的時(shí)間序列，不同格式的數(shù)據(jù)的讀取，不同的機(jī)器和操作系統(tǒng)的兼容都有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

圖1 Topex/Poseidon數(shù)據(jù)時(shí)間上的動(dòng)態(tài)模擬

3 SST反演算法

MODIS的SST反演算法主要來(lái)源于“邁阿密”探路者海表面溫度算法，是在NOAA/AVHRR的SST算法基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，屬于一種非線性多通道結(jié)構(gòu)。公式如下：

MODIS_sst=C1+C2·T31+C3·T（31）（32）+C4[sec（θ）-1]·T（31）（32）

該公式模擬了NOAA氣象衛(wèi)星AVHRR的MCSST算法。式中θ是衛(wèi)星天頂角；T31代表MODIS通道31探測(cè)到的亮溫，它等價(jià)于AVHRR的通道4亮溫；T（31）（32）代表MODIS通道32亮溫與通道31亮溫之間的溫差，它等價(jià)于AVHRR的通道4亮溫與通道5亮溫之間的溫差。該算法通過(guò)運(yùn)用通道32亮溫與通道31亮溫之間的溫差T（31）（32）進(jìn)行大氣校正，來(lái)剔除大氣衰減的影響。因?yàn)槿鹄?金斯定律在熱紅外波段不成立，所以MODIS熱紅外通道的亮溫Ti需要依據(jù)普朗克定律（黑體輻射定律）從該通道探測(cè)的輻亮度Li計(jì)算獲得。

因?yàn)榱翜豑i是依據(jù)黑體輻射定律從該通道探測(cè)的輻亮度Li計(jì)算獲得，故Ti又稱為對(duì)應(yīng)通道的黑體溫度。

4 利用IDL對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

（1）查看變量和屬性。

function hdf_sd_vardir，hdfid

if（n_params（） ne 1）then $

message，'usage：result=hdf_sd_vardir（hdfid）'

if（n_elements（hdfid）eq 0） then $

message，'hdfid is undefined'

varnames="

hdf_sd_fileinfo，hdfid，nvars，ngatts

if（nvars gt 0） then begin

varnames=strarr（nvars）

for index=0L，nvars-1L do begin

varid=hdf_sd_select（hdfid，index）

hdf_sd_getinfo，varid，name=name

hdf_sd_endaccess，varid

varnames[index]=name

endfor

endif

return，varnames

End

（2）返回變量和屬性的數(shù)目。

function hdf_sd_attdir，hdfid，varnames

if（n_params（） ne 2） then $

message，'usage：result=hdf_sd_attdir（hdfid，varname）'

if（n_elements（hdfid） eq 0） then $

message，'hdfid is undefined'

if（n_elements（varnames） eq 0） then $

message，'varname is undefined'

attnames=''

if（varnames eq''） then begin

hdf_sd_fileinfo，hdfid，nvars，natts

endif else begin

index=hdf_sd_nametoindex（hdfid，varnames）

varid=hdf_sd_select（hdfid，index）

hdf_sd_getinfo，varid，natts=natts

endelse

if （natts gt 0）then begin

attnames=strarr（natts）

for index=0，natts-1 do begin

if（varnames eq ''） then begin

hdf_sd_attrinfo，hdfid，index，name=name

endif else begin

hdf_sd_attrinfo，varid，index，name=name

endelse

attnames[index]=name

endfor

endif

if（varnames ne ''） then hdf_sd_endaccess，varid

return，attnames

End

（3）以獲取文件＼A20131522013181.L3m_MO_SST4_4中所有變量的名稱為例。

hdfid=hdf_sd_start（'E：＼衛(wèi)星海洋實(shí)習(xí)＼A20131522013181.L3m_MO_SST4_4'）

varnames=hdf_sd_vardir（hdfid）

print，varnames

index=hdf_sd_nametoindex（hdfid，'l3m_data'）

varid=hdf_sd_select（hdfid，index）

hdf_sd_getinfo，varid，ndims=ndims，dims=dims，type=type

print，ndims，dims

print，type

hdfid=hdf_sd_start（'E：＼衛(wèi)星海洋實(shí)習(xí)＼A20131522013181.L3m_MO_SST4_4'）

attnames=hdf_sd_attdir（hdfid，'l3m_data'）

hdf_sd_end，hdfid

print，attnames

lhdfid=hdf_sd_start（'E：＼衛(wèi)星海洋實(shí)習(xí)＼Data＼A20131522013181.L3m_MO_SST4_4'）

index=hdf_sd_nametoindex（hdfid，'l3m_data'）

varid = hdf_sd_select（hdfid，index）

attindex=hdf_sd_attrfind（varid，'Slope'）

hdf_sd_attrinfo，varid，attindex，data=attvalue

hdf_sd_endaccess，varid

print，attvalue

hdfid=hdf_sd_start（'E：＼衛(wèi)星海洋實(shí)習(xí)＼A20131522013181.L3m_MO_SST4_4'）

index=hdf_sd_nametoindex（hdfid，'l3m_data'）

varid = hdf_sd_select（hdfid，index）

attindex=hdf_sd_attrfind（varid，'Intercept'）

hdf_sd_attrinfo，varid，attindex，data=attvalue

hdf_sd_endaccess，varid

print，attvalue

index=hdf_sd_nametoindex（hdfid，'l3m_data'）

varid=hdf_sd_select（hdfid，index）

hdf_sd_getdata，varid，data

hdf_sd_end，hdfid

hdfid=hdf_sd_start（'E：＼衛(wèi)星海洋實(shí)習(xí)＼A20131522013181.L3m_MO_SST4_4'）

attnames=hdf_sd_attdir（hdfid，'l3m_qual'）

hdf_sd_end，hdfid

print，attnames

hdfid=hdf_sd_start（'E：＼衛(wèi)星海洋實(shí)習(xí)＼A20131522013181.L3m_MO_SST4_4'）

index=hdf_sd_nametoindex（hdfid，'l3m_qual'）

varid = hdf_sd_select（hdfid，index）

attindex=hdf_sd_attrfind（varid，'valid_range'）

hdf_sd_attrinfo，varid，attindex，data=attvalue

hdf_sd_endaccess，varid

print，attvalue

hdfid=hdf_sd_start（'E：＼衛(wèi)星海洋實(shí)習(xí)＼A20131522013181.L3m_MO_SST4_4'）

index=hdf_sd_nametoindex（hdfid，'l3m_qual'）

varid=hdf_sd_select（hdfid，index）

hdf_sd_getdata，varid，data_y

hdf_sd_end，hdfid

index=where（data_y eq 2，count）

if（count gt 0） then data（index）=65535

y=0.000717185*data-2.00000

data=congrid（data，700，500） ；tvscl，data

index=where（data eq 65535，count）

if（count gt 0） then data（index）=33

data=reverse（data，2）

window，/free，xsize=900，ysize=600

device，decomposed=0

loadct，39

tvscl，data，100，100

colorbar，-2，32，6，'sst'

device，decomposed=1

到此完成了對(duì)參數(shù)的讀取。

5 反演結(jié)果及其結(jié)果分析

圖2 MODIS反演SST圖像

黑的是陸地，色條是溫度標(biāo)尺。

從反演結(jié)果圖（圖2）可以看出世界大洋海表面的溫度大致沿緯向呈帶狀分布，即東西方向上量值的差異相對(duì)很?。欢诮?jīng)向上，即南北方向上的變化卻十分顯著。

（1）在這個(gè)圖像上SST的寬的帶狀分布通過(guò)近極地鋒面的暗藍(lán)色邊界和接近赤道較暖的紅色到綠色邊界予以實(shí)現(xiàn)。

（2）同時(shí)有許多特殊的非帶狀特性，包括沿著北美的東海岸與灣流有聯(lián)系的向北方向流的暖水羽狀流和鄰近日本海岸類(lèi)似于羽狀的由黑潮產(chǎn)生的流。沿著南部非洲的東海岸，流向南方的阿加勒斯海流延伸到好望角。

（3）該圖也顯示了一個(gè)鄰近南部美洲的冷水上升流區(qū)域和在太平洋赤道冷水上升流的拉尼娜帶。相似的冷水帶沿著大西洋延伸。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹SST及利用IDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)MODIS數(shù)據(jù)的SST反演方法并給出了應(yīng)用實(shí)例。海表面溫度是海洋學(xué)研究中最重要的參數(shù)之一。幾乎所有的海洋過(guò)程，特別是海洋動(dòng)力過(guò)程都直接或間接地與之相關(guān)。由此可見(jiàn)，提供高精度的海表面溫度，對(duì)了解全球氣候變化及其他各種海洋科學(xué)工作有重要意義。本文的海表面溫度反演實(shí)現(xiàn)方法，運(yùn)算速度快，能從海量的MODIS數(shù)據(jù)直接提取有效數(shù)據(jù)，可用于批量和實(shí)時(shí)地對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行SST反演，節(jié)省了大量的人力和物力。

參考文獻(xiàn)

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