基于CRTM的植被覆蓋微波地表發射率模擬分析

王喜峰+李憲光+許東紅

摘要 地表發射率是表征地表輻射特性的重要參數，也是反演大氣參數和地表其他參數的重要參量。微波地表發射率在衛星資料的同化和應用中占有很重要的地位，更是輻射傳輸模式衛星資料應用中不可缺少的重要部分。本文提取了CRTM輻射傳輸模式中的微波地表發射率模式，對植被覆蓋地表發射率進行了模擬計算，并對結果進行分析，以期為地表、大氣參數反演及衛星資料的同化使用提供參考。

關鍵詞 地表發射率；輻射傳輸模式；植被覆蓋；CRTM；模擬分析

中圖分類號 TP722.6 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）24-0220-02

地表發射率是指在相同的溫度下地表發出的熱輻射能量與黑體輻射能量的比值，是反映地表熱輻射能力的重要參數。微波地表發射率是表征地表特性的重要參數，不僅是實現微波輻射資料直接同化的重要參數，也是衛星微波反演地表參數和大氣參數的重要條件[1]?，F在越來越多的衛星微波傳感器探測資料被應用于數值天氣預報中，以提高數值天氣預報的準確率。地表發射率的不確定性導致衛星資料中包含的大氣溫度、濕度等信息不能很好地提取并應用于數值天氣預報中。對于陸地表面而言，只能在有限地表條件下推導出微波地表發射率模型[2]。對于缺乏準確發射率模型對應的地表類型，可以直接利用衛星資料估計地表的發射率。

不同的地表類型由于結構、含水量和粗糙程度等的不同各自具有不同的輻射信息，故微波發射率也有所差異[3]?？梢姽夂图t外波段，不同地表類型的光譜各不相同，可以利用高光譜、多光譜的遙感影像進行地表覆蓋類型的分類、變化檢測和地物特征的分析研究[4]；紅外波段地表的微波發射率也不相同，不同地表類型的微波發射率以及不同類型的微波發射率隨頻率和植被覆蓋率等參數的變化都有相應的變化規律。利用微波遙感觀測地表發射率的最大優勢在于能夠提供大范圍空間上連續的地表和大氣信息。

1 模擬方法

本文提取CRTM（Community Radiative Transfer Model）輻射傳輸模式中的微波發射率模式，對植被覆蓋地表的微波地表發射率進行模擬計算，并進行衛星觀測天頂角、土壤含水量、植被覆蓋率等參數對微波地表發射率的敏感性試驗。

2 微波地表發射率敏感性試驗

2.1 微波地表發射率模式的輸入參數與輸出

本文所使用的地表發射率的模式從CRTM輻射傳輸模式中提取，用于模擬分析微波地表發射率的變化。模式的輸入參數為衛星觀測天頂角、衛星觀測頻率、土壤含水量、土壤質量含水量、植被覆蓋率、植被類型、土壤類型、地表溫度、土壤溫度，模式的輸出為不同地表類型的微波發射率。本文將對有植被覆蓋地表類型條件下不同參數輸入值進行模擬，并對結果進行分析說明。

2.2 植被覆蓋地表發射率的變化特征

對衛星觀測頻率、植被覆蓋率、土壤含水量、土壤溫度、衛星觀測天頂角和土壤溫度對植被的微波發射率的敏感性進行試驗分析，結果如圖1～5所示。

圖1顯示植被的微波發射率隨頻率的變化趨勢。其中，橫坐標表示衛星觀測頻率（范圍為10～90 GHz，間隔為10 GHz），縱坐標表示植被表面的微波發射率。衛星觀測天頂角為45°，土壤含水量為0.5，植被覆蓋率為0.7，土壤溫度為280 K，表面溫度為290 K。植被表面微波發射率的主要影響因素是衛星觀測頻率、土壤含水量、表面粗糙程度和植被覆蓋率?？梢钥闯?，植被的微波發射率隨頻率的增大而增大，當頻率 <50 GHz時發射率增大速度比較快，頻率>50 GHz時發射率增長比較慢。隨頻率的增大，植被表面的散射作用增強，導致植被的輻射增強，最終使總輻射能量隨頻率的增大而增大。

圖2表示不同頻率下植被表面微波發射率隨植被覆蓋率變化的變化趨勢。植被覆蓋率分別為0.3、0.5、0.7、0.9，衛星測量天頂角為45°，土壤含水量為0.5，土壤溫度為280 K，表面溫度為290 K?？梢悦黠@看出，表面發射率隨植被覆蓋率增大而增大，并且地表微波發射率隨植被覆蓋率的增大，其增長速度先增大后減小?？赡苁怯捎诟哳l率微波波長短、穿透能力較強，對植被輻射率的變化不敏感，而低頻率穿透能力較弱，接收到的輻射能量很小，導致發射率的變化比較慢。相同的植被覆蓋率下，發射率隨頻率的增大而增大。發射率隨植被覆蓋率變化，主要是由于植被覆蓋率增大時，植被表面的發射率大于無植被覆蓋的裸土的發射率。植被覆蓋率增大，植被密度也相應增大，植被對發射率的貢獻增大，導致總體發射率增大。當植被覆蓋率為0.9、頻率>40 GHz時，發射率有減小趨勢。Karbou等在處理AMSU-A數據時發現，當頻率為23～31 GHz時發射率會下降，并將其原因歸結為儀器定標時的絕度誤差和此頻率下大氣吸收隨頻率的增大而減小。此處發射率的數值不符合實際規律也可能是這個原因造成的。此外，植被的衰減和吸收等輻射特性主要受植被介電常數、植被密度、植被組成成分大?。ɡ鐦渲﹂L度、葉片大?。┖拖鄬ΣㄩL等因素影響。

圖3表示不同頻率下發射率隨土壤含水量變化的變化趨勢。土壤含水量分別為0.3、0.5、0.7、0.9，衛星測量的天頂角為45°，植被覆蓋率為0.5，土壤溫度為270 K，表面溫度為270 K。相同頻率下植被的微波發射率隨土壤含水量的增大而減小，并且頻率越小微波發射率減小越快。原因是水的比熱容較大，會吸收部分熱輻射能量，導致發射的熱輻射能量減??；而溫度不變黑體的輻射能量不變，最終使總輻射能量減小。

圖4表示植被的微波發射率隨衛星觀測天頂角變化的變化趨勢。頻率為31.4 GHz，植被覆蓋率為0.7，土壤溫度為290 K，表面溫度為290 K，土壤含水量為0.5，測量的天頂角為5°～60°，間隔5°?？梢钥闯?，植被地表發射率隨衛星天頂角的增大而減小，并且<40°時變化不明顯，>40°時變化加速。原因是隨衛星觀測天頂角的增大輻射到達衛星的距離增大，大氣衰減的能量增大導致到達衛星的輻射能量減小，最終導致植被的微波發射率減小。endprint

圖5顯示的是植被發射率隨土壤溫度變化的變化趨勢。頻率為23.8 GHz，衛星觀測天頂角為45°，植被覆蓋率為0.7，土壤含水量為0.5，土壤溫度280～392 K，間隔為1 K，表面溫度為290 K。植被的微波發射率隨土壤溫度的升高有明顯的下降趨勢。原因是隨著地表溫度的增高，黑體輻射能量和地表的熱輻射能量都增大，但是黑體增大幅度大于地表熱輻射能量，導致比值減小，即地表微波發射率減小。

3 結論

隨著衛星資料在數值天氣預報中的廣泛應用，地表發射率也越來越受各學者和研究機構的關注[5-6]。表面發射率跟衛星觀測天頂角、土壤含水量、植被覆蓋率、土壤溫度等有很大的關系，這些參數可表述地表變化，也能作為反演地表發射率的初始值。根據不同地表類型和不同參數對地表發射率變化趨勢的分析得到以下結論：一是地表微波發射率會隨頻率的變化而變化，并且植被的微波發射率隨頻率的增大而增大；二是地表微波發射率與土壤溫度有關，植被表面發射率都隨土壤溫度的增大而減??；三是植被覆蓋率影響表面發射率，隨植被覆蓋率的增大裸土對表面發射率的貢獻減小，植被輻射增大，總發射率增大，發射率隨衛星觀測天頂角的增大而減小，并且隨土壤含水量的增大而減小。

總之，根據以上研究分析可看出，頻率、植被覆蓋率是影響地表發射率最重要的因素。本研究為進一步反演地表和大氣的各種參數、衛星資料的同化使用打下良好的基礎。

4 參考文獻

[1] FELDE G W，PICKLE J D.Retrieval of 91 and 150 GHz earth surface emissivities[J].J Geophys Res，1995，100（10）：20855-20866.

[2] JUN L，WOLF W W，MENZEL W P，et al.Global soundings of the atmosphere from ATOVS measurements：the algorithm and validation[J].J Appl Meteor，2000，39（8）：1248-1268.

[3] 張勇攀，蔣玲梅，邱玉寶，等.不同地物類型微波發射率特征分析[J].光譜與光譜分析，2010，6，30（6）：1446-1451.

[4] 王紅梅，張桂杰，謝應忠，等.農田-草地景觀鑲嵌體土壤水分界面瞬時判定初探[J].農業科學研究，2010，31（4）：40-45.

[5] 吳瑩，王振會.被動微波遙感反演地表發射率研究進展[J].國土資源遙感，2012（4）：1-7.

[6] 毛克彪，施建成，李召良，等.用被動微波AMSR數據反演地表溫度及發射率的方法研究[J].國土資源遙感，2005（3）：14-17.endprint