一种msg2-seviri数据估算地表温度日较差的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于遥感技术领域，具体涉及一种MSG2-SEVIRI数据估算地表温度日较差 的方法。
【背景技术】
[0002] 地表温度日较差，也称为地表温度日振幅，是一天中地表温度最高值与最低值之 差。其大小和炜度、季节、地表性质及天气情况有关。地表温度日较差在气候变化和农情监 测等研究方面具有重要意义。传统的地表温度日较差测量是通过地面观测获取。常规的地 面测量只能代表点尺度的数据，难以获取区域尺度上的数据，而卫星遥感是获取区域尺度 上地表温度日较差的唯一手段。要获取地表温度日较差，首先需要从卫星数据中反演得到 地表温度。但是，受大气和地表比辐射率的影响，从卫星数据中准确地反演地表温度目前仍 然比较困难，因此从卫星数据获取区域尺度上的地表温度日较差也比较困难。静止卫星具 有较高的时间分辨率，例如MSG-SEVIRI每15分钟获取一次数据，GOES每30分钟获取一次 数据，因此静止卫星数据可以描述地表温度日变化。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种MSG2-SEVIRI数据估算地表温度日较差的方法，解决了 现有技术中存在的需要已知地表温度和比辐射率估算地表温度日较差的问题。
[0004] 本发明所采用的技术方案是，一种MSG2-SEVIRI数据估算地表温度日较差的方 法，包括以下步骤：
[0005] 步骤1、获取研究区域的MSG2-SEVIRI数据，对MSG2-SEVIRI数据进行辐射定标，将 DN值转换为辐亮度；根据普朗克方程，将辐亮度转换为星上亮温；
[0006] 步骤2、利用地表温度分裂窗算法计算任意两个时刻的地表温差；
[0007] 步骤3、耦合地表温度日变化模型和分裂窗算法，通过最小二乘拟合法，计算地表 温度日变化模型参数；
[0008] 步骤4、根据步骤3获取的地表温度日变化模型参数计算地表温度日较差。
[0009] 进一步地，步骤1中获取研究区域的MSG2-SEVIRI数据，对MSG2-SEVIRI数据进行 辐射定标，将DN值转换为辐亮度；根据普朗克方程，将辐亮度转换为星上亮温具体为：
[0010] 对MSG2-SEVIRI数据进行辐射定标，将MSG2-SEVIRI获取的DN值转换为辐亮度；
[0011] L = CAL_gain*DN+CAL_offset (1)
[0012] 式中，L为MSG2-SEVIRI测量的星上辐亮度，DN为计数值，CAL_gain和CAL_ offset 为辐射定标系数，对于 MSG2-SEVIRI 第 9 通道：CAL_gain = 0· 205034, CAL_offset =-10. 4568 ;对于第 10 通道：CAL_gain = 0· 222311，CAL_offset = -11. 3379 ;
[0013] 根据普朗克方程，进一步将辐亮度转换为星上亮温：
[0014]
[0015] 式中，T1为星上亮温，CdP C2为辐射常量，C1= I. 19104e5mW m 2sr 1Gm1) 4，C2 =1.438771((0111) 1W。为中心波数，D和E为转换系数；对于MSG2-SEVIRI第9通道：V c = 931. 700cm \ D = 0· 640K, E = 0· 9983 ;对于第 10 通道：Vc= 836. 445cm = 0· 408K, E = 0. 9988 〇
[0016] 进一步地，步骤2中地表温度分裂窗算法计算任意两个时刻的地表温差具体为：
[0017] 地表温度分裂窗算法表示为：
[0018] Ts= T 9+a (T9-T10) +b (T9-T10) 2+c+B ( ε , ff) (3)
[0019] 式中，Ts为地表温度；T 9和T i。分别为MSG2-SEVIRI第9和10通道的星上亮温；a、 b和c为拟合系数，只与大气状况有关，而与地表条件无关；系数B为地表比辐射率和大气 水汽含量的函数，表示为：
[0020] Β(ε,ψ) = (α〇+α jff) (1- ε ) - (β0+β :W+ β ^f"') Δ ε (4)
[0021] 其中，ε = ( ε 9+ ε 1Q)/2为MSG2-SEVIRI第9和10通道比辐射率的平均值；Δ ε =ε 9_ ε i。为MSG2-SEVIRI第9和10通道比辐射率的差值；W为大气水汽含量；α。、α ρ β 0、β ^ β 2为拟合系数。
[0022] -天中任意两个时刻的大气水汽含量差值导致系数B的变化表示为：
[0023]
.(:5.)
[0024] 式中，WjP W及别为i和j时刻的大气水汽含量。
[0025] 为了通过公式（5)计算大气水汽含量的变化导致系数B的变化，取一天内任意两 个时刻的大气水汽含量之和为l〇g cm 2,之差为Ig cm 2,同时，给定2个像元的地表比福射 率：沙地中，ε = 〇· 96 和 Δ ε = -〇· 02,植被，ε = 〇· 99 和 Δ ε = 〇)。
[0026] 根据上述分析，系数B在一天内可以假定为常数。由此，任意时刻t的地表温度可 以表示为：
[0027] Ts (t) = T9 (t) +a [T9 (t) -T10 (t) ] +b [T9 (t) -T10 (t) ] 2+c+B (6)
[0028] 根据公式（6)，任意时刻t和参考时刻^ (t设定为13:00UTC)之间的地表温度差 值表示为：
[0029] ATs(t) = Ts(t)-Ts(tr)
[0030] = T9 (t) +a [T9 (t) -T10 (t) ] +b [T9 (t) -T10 (t) ] 2_ (7)
[0031 ] {T9 (tr) +a [T9 (tr) -T10 (tr) ] +b [T9 (tr) -T10 (tr) ]2}
[0032] 在公式（7)中，a和b是与地表条件无关的大气系数。由于MSG2-SEVIRI观测天 顶角的范围较大，为了得到任意角度下的系数a和b，系数a和b要表示成观测天顶角的函 数，即 a( Θ ) = ao+ajsec) Θ )-1]和 b( Θ ) = bo+bJsecC Θ )-1]。a。、a" b。和 b 丨的值分别 为1. 07、-0. 04、0. 259和0. 165。当MSG2-SEVIRI第9和10通道星上亮温获得后，通过公 式（7)可以计算得到任意时刻的地表温差。
[0033] 进一步地，步骤3中耦合地表温度日变化模型和分裂窗算法，通过最小二乘拟合 法，计算地表温度日变化模型参数具体为：
[0034] 地表温度日变化模型的公式表达如下： CN 105137506 A VL 3/丫贝
[0035]
(8)
[0036] 其中，
[0037]
[0038] (10)
[0039] 式中，Tsd和T sn分别为白天和晚上部分的地表温度；T。为日出时刻附近的初始温 度；!；为温度的幅度；ω为余弦函数半周期宽；tni为最大温度出现的时刻；ts为温度开始衰 减的时刻；S T为T。和T (t )之间的温差；k为衰减系数；该地表温度日变化模型具有 5个自由参数，即TQ、Ta、δ TUniUs;参数ω和k分别通过公式（9)和（10)计算得到；t slii 过太阳几何计算得到；
[0040] 从公式（7)看出，任意时刻t和参考时刻t之间的地表温度差值表示为：
[0041]
[0042]
[0043]
[0044] 结合公式（7)和（8)，任意时刻t和参考时刻~之间的地表温差进一步表示为：
[0045]
(12)
[0046] 在公式（12)中，公式左边由公式（7)或者公式（11)从MSG-SEVIRI第9和10通 道的星上亮温计算得到；在不需要反演地表温度和比辐射率情况下，通过最小二乘拟合，从 公式（12)直接得到参数T a、δ T、t s的值；在最小二乘拟合时，参数T a、δ T、L和13设 定初值为=Ta= Δ Τ_-ΔΤ_，其中，Δ Tniax和Δ T _分别为公式（7)计算的地表温差的最大 值和最小值，S T = 0· 5Κ，t"= 12. 5h，t s= 17h。
[0047] 进一步地，步骤4中根据步骤3获取的地表温度日变化模型参数计算地表温度日 较差具体为：
[0048] 从公式⑶看出，当t = tjt，地表温度达到最大值，即Tmax= TQ+Ta;i t 时， 地表温度达到最小值，即T_~T。+ δ T，根据地表温度日较差DTR的定义，地表温度日较差 表示为：
[0049] DTR = Tnax-Tnin^ Ta-δ T (13)
[0050] 式中，Τ，δ T从步骤3中可以获取得到。