基于CRTM的植被覆盖微波地表发射率模拟分析

王喜峰+李宪光+许东红

摘要 地表发射率是表征地表辐射特性的重要参数，也是反演大气参数和地表其他参数的重要参量。微波地表发射率在卫星资料的同化和应用中占有很重要的地位，更是辐射传输模式卫星资料应用中不可缺少的重要部分。本文提取了CRTM辐射传输模式中的微波地表发射率模式，对植被覆盖地表发射率进行了模拟计算，并对结果进行分析，以期为地表、大气参数反演及卫星资料的同化使用提供参考。

关键词 地表发射率；辐射传输模式；植被覆盖；CRTM；模拟分析

中图分类号 TP722.6 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）24-0220-02

地表发射率是指在相同的温度下地表发出的热辐射能量与黑体辐射能量的比值，是反映地表热辐射能力的重要参数。微波地表发射率是表征地表特性的重要参数，不仅是实现微波辐射资料直接同化的重要参数，也是卫星微波反演地表参数和大气参数的重要条件[1]。现在越来越多的卫星微波传感器探测资料被应用于数值天气预报中，以提高数值天气预报的准确率。地表发射率的不确定性导致卫星资料中包含的大气温度、湿度等信息不能很好地提取并应用于数值天气预报中。对于陆地表面而言，只能在有限地表条件下推导出微波地表发射率模型[2]。对于缺乏准确发射率模型对应的地表类型，可以直接利用卫星资料估计地表的发射率。

不同的地表类型由于结构、含水量和粗糙程度等的不同各自具有不同的辐射信息，故微波发射率也有所差异[3]。可见光和红外波段，不同地表类型的光谱各不相同，可以利用高光谱、多光谱的遥感影像进行地表覆盖类型的分类、变化检测和地物特征的分析研究[4]；红外波段地表的微波发射率也不相同，不同地表类型的微波发射率以及不同类型的微波发射率随频率和植被覆盖率等参数的变化都有相应的变化规律。利用微波遥感观测地表发射率的最大优势在于能够提供大范围空间上连续的地表和大气信息。

1 模拟方法

本文提取CRTM（Community Radiative Transfer Model）辐射传输模式中的微波发射率模式，对植被覆盖地表的微波地表发射率进行模拟计算，并进行卫星观测天顶角、土壤含水量、植被覆盖率等参数对微波地表发射率的敏感性试验。

2 微波地表发射率敏感性试验

2.1 微波地表发射率模式的输入参数与输出

本文所使用的地表发射率的模式从CRTM辐射传输模式中提取，用于模拟分析微波地表发射率的变化。模式的输入参数为卫星观测天顶角、卫星观测频率、土壤含水量、土壤质量含水量、植被覆盖率、植被类型、土壤类型、地表温度、土壤温度，模式的输出为不同地表类型的微波发射率。本文将对有植被覆盖地表类型条件下不同参数输入值进行模拟，并对结果进行分析说明。

2.2 植被覆盖地表发射率的变化特征

对卫星观测频率、植被覆盖率、土壤含水量、土壤温度、卫星观测天顶角和土壤温度对植被的微波发射率的敏感性进行试验分析，结果如图1～5所示。

图1显示植被的微波发射率随频率的变化趋势。其中，横坐标表示卫星观测频率（范围为10～90 GHz，间隔为10 GHz），纵坐标表示植被表面的微波发射率。卫星观测天顶角为45°，土壤含水量为0.5，植被覆盖率为0.7，土壤温度为280 K，表面温度为290 K。植被表面微波发射率的主要影响因素是卫星观测频率、土壤含水量、表面粗糙程度和植被覆盖率。可以看出，植被的微波发射率随频率的增大而增大，当频率 <50 GHz时发射率增大速度比较快，频率>50 GHz时发射率增长比较慢。随频率的增大，植被表面的散射作用增强，导致植被的辐射增强，最终使总辐射能量随频率的增大而增大。

图2表示不同频率下植被表面微波发射率随植被覆盖率变化的变化趋势。植被覆盖率分别为0.3、0.5、0.7、0.9，卫星测量天顶角为45°，土壤含水量为0.5，土壤温度为280 K，表面温度为290 K。可以明显看出，表面发射率随植被覆盖率增大而增大，并且地表微波发射率随植被覆盖率的增大，其增长速度先增大后减小。可能是由于高频率微波波长短、穿透能力较强，对植被辐射率的变化不敏感，而低频率穿透能力较弱，接收到的辐射能量很小，导致发射率的变化比较慢。相同的植被覆盖率下，发射率随频率的增大而增大。发射率随植被覆盖率变化，主要是由于植被覆盖率增大时，植被表面的发射率大于无植被覆盖的裸土的发射率。植被覆盖率增大，植被密度也相应增大，植被对发射率的贡献增大，导致总体发射率增大。当植被覆盖率为0.9、频率>40 GHz時，发射率有减小趋势。Karbou等在处理AMSU-A数据时发现，当频率为23～31 GHz时发射率会下降，并将其原因归结为仪器定标时的绝度误差和此频率下大气吸收随频率的增大而减小。此处发射率的数值不符合实际规律也可能是这个原因造成的。此外，植被的衰减和吸收等辐射特性主要受植被介电常数、植被密度、植被组成成分大小（例如树枝长度、叶片大小）和相对波长等因素影响。

图3表示不同频率下发射率随土壤含水量变化的变化趋势。土壤含水量分别为0.3、0.5、0.7、0.9，卫星测量的天顶角为45°，植被覆盖率为0.5，土壤温度为270 K，表面温度为270 K。相同频率下植被的微波发射率随土壤含水量的增大而减小，并且频率越小微波发射率减小越快。原因是水的比热容较大，会吸收部分热辐射能量，导致发射的热辐射能量减小；而温度不变黑体的辐射能量不变，最终使总辐射能量减小。

图4表示植被的微波发射率随卫星观测天顶角变化的变化趋势。频率为31.4 GHz，植被覆盖率为0.7，土壤温度为290 K，表面温度为290 K，土壤含水量为0.5，测量的天顶角为5°～60°，间隔5°。可以看出，植被地表发射率随卫星天顶角的增大而减小，并且<40°时变化不明显，>40°时变化加速。原因是随卫星观测天顶角的增大辐射到达卫星的距离增大，大气衰减的能量增大导致到达卫星的辐射能量减小，最终导致植被的微波发射率减小。endprint

图5显示的是植被发射率随土壤温度变化的变化趋势。频率为23.8 GHz，卫星观测天顶角为45°，植被覆盖率为0.7，土壤含水量为0.5，土壤温度280～392 K，间隔为1 K，表面温度为290 K。植被的微波发射率随土壤温度的升高有明显的下降趋势。原因是随着地表温度的增高，黑体辐射能量和地表的热辐射能量都增大，但是黑体增大幅度大于地表热辐射能量，导致比值减小，即地表微波发射率减小。

3 结论

随着卫星资料在数值天气预报中的广泛应用，地表发射率也越来越受各学者和研究机构的关注[5-6]。表面发射率跟卫星观测天顶角、土壤含水量、植被覆盖率、土壤温度等有很大的关系，这些参数可表述地表变化，也能作为反演地表发射率的初始值。根据不同地表类型和不同参数对地表发射率变化趋势的分析得到以下结论：一是地表微波发射率会随频率的变化而变化，并且植被的微波发射率随频率的增大而增大；二是地表微波发射率与土壤温度有关，植被表面发射率都随土壤温度的增大而减小；三是植被覆盖率影响表面发射率，随植被覆盖率的增大裸土对表面发射率的贡献减小，植被辐射增大，总发射率增大，发射率随卫星观测天顶角的增大而减小，并且随土壤含水量的增大而减小。

总之，根据以上研究分析可看出，频率、植被覆盖率是影响地表发射率最重要的因素。本研究为进一步反演地表和大气的各种参数、卫星资料的同化使用打下良好的基础。

4 参考文献

[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] 张勇攀，蒋玲梅，邱玉宝，等.不同地物类型微波发射率特征分析[J].光谱与光谱分析，2010，6，30（6）：1446-1451.

[4] 王红梅，张桂杰，谢应忠，等.农田-草地景观镶嵌体土壤水分界面瞬时判定初探[J].农业科学研究，2010，31（4）：40-45.

[5] 吴莹，王振会.被动微波遥感反演地表发射率研究进展[J].国土资源遥感，2012（4）：1-7.

[6] 毛克彪，施建成，李召良，等.用被動微波AMSR数据反演地表温度及发射率的方法研究[J].国土资源遥感，2005（3）：14-17.endprint