EOS卫星上基于MODIS云产品的AIRS像素云检测

王丹凤，张记龙，王志斌，陈媛媛，陈友华

（中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心；仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

电视信号的接收与卫星数据密不可分，因此卫星数据的前期处理尤为重要。而数据的获得首先需要对卫星辐射云图进行精确的云检测。载在地球观测系统EOS卫星上的高光谱大气红外探测器AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）[1]、静止气象卫星GOES-R上的HES（Hyperspectral Environmental Suite）、美国极轨气象卫星NPOESS上的CrIS（Crosstrack Infrared Sounder）以及欧洲极轨气象卫星METOPA上搭载的红外大气探测干涉仪IASI（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer），都可提供高精度的大气温度、湿度、云结构的三维遥感观测信息[2]。但是目前AIRS，HES，CrlS，和IASI上的云检测还依赖于低光谱分辨力探测器上提供的有限的云特性[3]。AIRS光谱分辨力高，提供的云特性产品具有较高的精度，但是空间分辨力（13.5 km）较低。

载在地球观测系统EOS Terra和Aqua卫星上的中分辨力成像光谱仪MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）提供了1 km的多谱线空间分辨力。包括1 km空间分辨力的云掩膜[4]、分类掩膜[5]、云相位[6]、5 km空间分辨力的云高压强、有效云量（被定义为云发射率和部分云覆盖产品）[7]、云粒子大小、可见波段的云光学厚度[8]。

目前业务上使用的AIRS云检测是由落在每个AIRS视场中的空间匹配的1 km MODIS云分类产品客观确定的[9]。然而，不仅仅是云检测，相应的1 km MODIS分类掩膜也有助于确定AIRS视场内是部分或者全部被云覆盖，确定是单层云还是多层云。相对应的1 km MODIS云相态可以提供AIRS视场内是否包含水云、冰云，或混合云相位信息，这些信息在云微观物理特性反演中是必需的。在AIRS视场内结合使用AIRS和MODIS数据不仅可以更精确地反演AIRS云层辐射测量内的云参数，而且为联合使用先进的成像仪和探测器进行研究提供了机会。

成像仪和探测器结合使用的关键步骤是：1）空间和时间上的搭配；2）成像仪的云量、云类型和像素的相位检测。MODIS地表信息类型包括水、陆地、荒漠、雪等；云层信息包括低云、中云、高云；相位信息包括水云、冰云或混合云相位。这些信息和每一个AIRS视场都需要有很好的匹配。本文利用基于几何扫描特性的空间匹配算法，结合MODIS云分类掩膜、云相态掩膜产品，运用MODIS云检测算法，利用MODIS数据实现了AIRS像素的云特性检测。

1 MODIS和AIRS的空间匹配算法

1 km空间分辨力的MODIS与AIRS视场是相匹配的。基于几何扫描的空间匹配算法已经在业务中使用[1]。每一个AIRS的探测视场可被描述为在星下点为圆形，随着扫描角增大，变为类似于鸡蛋型。AIRS的星下点视场直径大约为13.5 km。假设已知卫星高度为h km，则AIRS像素与重叠的MODIS观测值之间最大的可能角度差（θmax：弧度rad）可表示为：θmax=(5 7.29578×13.5)/(2 h)。

卫星与AIRS的斜距（卫星与AIRS在地球上的像素点之间的距离）和卫星与MODIS之间的斜距的夹角如果小于θmax，就认为MODIS点落在AIRS视野内。根据AIRS与MOIDS斜距间夹角的大小，给每一个落在AIRS视野中的MODIS像素点赋予一个权重值：若MODIS像素点落在AIRS椭圆视野的中心，则为1；若落在边缘，则为0。如果两个仪器提供的几何信息都是精确的，那么匹配算法的精度可达到1 km。

2 MODIS云检测

2.1 MODIS地表和云分类检测

MODIS辐射的分类或聚类是数据分析和图像分割的重要部分。用MODIS辐射测量对地表和云类型自动分类的方法已经被开发应用[5]。训练区由MODIS云掩膜信息来定义。基于极大似然法对地表和云类型进行分类。最初的分类结果为后来的迭代次数定义训练区。当像素转换级别比预定的数量少，或者当其他条件得到满足时，迭代结束。在类别里的光谱和空间域中的平均向量被用来类别识别和产生MODIS景中的最终1 km分辨力掩膜。在MODIS分类中使用3个参数类型（辐射、辐射强度的差异和光谱亮温的差异）。所有的变量都是1 km的分辨力。MODIS分类掩膜把每一个MODIS像素分为表面（陆地、水、雪、沙漠等）和云（低云、中云、高云等）类型。

2.2 MODIS云相态检测

若要进一步判断云特性，还需要用到MODIS云相态检测。本文使用的是业务上的MODIS云相态检测算法。在8.5～11 μm波段，水滴和冰晶微观物理和光学性质的不同是云相位推理的基础[5]。辐射传输模拟表明在8.5～11 μm波段亮温值（下文表示为BT8.5—11）的不同往往表示为冰云有大于1的光学厚度，水云有小于-2 K的光学厚度。由于水汽廓线的增加和在8.5 μm表面发射率的减少，低云在BT8.5—11的值将变现为更低。利用BT8.5—11的云相位检测的方法在白天和晚上都可以使用。这种目前正在业务上使用的红外相位算法将每个MODIS云像素都被标记为不确定相、混合相、冰或者水。通过判断空间匹配的MODIS像素点的云相态就可判定AIRS像素的云相态。

3 用匹配的MODIS产品检测AIRS像素云特性

图1是2002年9月6日AIRS景193在通道763（波数901.69 cm-1）的亮度温度（BT）图。冷云由蓝色（冷色调）表示。方框中的区域（A1，A2，A3）是选择研究的区域。（编者注：本文彩图见www.VideoE.cn。）

图1 2002年9月6日AIRS景193在通道763（波数901.69 cm-1）的亮度温度图

根据上述几何扫描空间匹配算法，图2显示了研究区A1（图1方框中的研究区域）中与AIRS视野匹配的MODIS 11 μm的亮温图。

图2 研究区域A1中与AIRS视野匹配的MODIS 11 μm的亮温图

图中的圆圈代表AIRS视野，由MODIS 1 km云产品决定其明暗。暖的亮温值代表中低云或者地表，冷的亮温值代表高云。从图中可看出，大部分视野中的AIRS值是均匀的。每个AIRS视野中大概有100～200个MODIS像素点。借助于高空间分辨力的MODIS观测值，一些AIRS视野可显示出更精确的云特性。

通过匹配算法和MODIS云特性产品，结合上述MODIS云特性检测算法，可以实现AIRS的云检测，如图3所示。

图3 与2002年9月6日AIRS 193景匹配的MODIS 1 km云相态产品和云分类产品

由图可知，MODIS云相态掩膜很好地检测出了AIRS视野中的冰云和水云，MODIS分类掩膜产品很好地检测出了AIRS视野中的单层高云或低云。云相态产品上的水云和冰云的模式和MODIS云分类产品上的低云、高云模式是类似的。也就是说，MODIS云相态产品中对冰云或者水云的确认相当于MODIS分类产品中对单层云的确认；有些AIRS视场中存在混合云相态，相当于分类产品中的多层云。因此，用与AIRS视野匹配的1 km空间分辨力的MODIS云分类掩膜产品还可以确定每一个AIRS视野中有几层云的存在，如图4所示。这对于单个AIRS视野中检测AIRS云辐射测量中的单层、多层云参数的初始反演中是很重要的。

图4 2002年9月6日，由MODIS 1km云分类掩膜产品检测的AIRS视场（见图3中的覆盖区域）

图4显示了由匹配的MODIS 1 km云分类掩膜产品检测的AIRS视场中的晴空视场（蓝色），单层云视场（绿色）和多层云视场（红色）（见图3中覆盖的区域）。

由图可看出，大约55%的AIRS视场是晴空，22%是单层云，23%是多层云。这与图1在直观视觉上吻合得很好。另外，与AIRS视野匹配的MODIS分类掩膜产品还可以验证云参数反演，例如有效云量和云光学厚度。进一步验证其精确度及云参数等的检测，还需后续工作的研究。

4 结论

利用几何扫描的空间匹配算法，业务上的MODIS云分类算法和MODIS云相态算法，用与AIRS视野相匹配的1 km空间分辨力的MODIS云产品，可以检测出AIRS云辐射测量的云性能。MODIS云相态掩膜能很好地检测出来AIRS视野中的冰云和水云。并与用空间匹配的MODIS云分类产品检测出的低云和高云有很好地对应。这在云微观物理特性方面对AIRS像素云相位特征进行检测是很重要的，因为云散射模型需要云相位信息。MODIS分类掩膜产品能很好地检测出AIRS视野中的单层高云和低云，并确定每一个AIRS视野中有几层云的存在。这为AIRS的廓线检测和认证提供了重要信息。

本文利用空间匹配的MODIS产品实现了对AIRS像素的云检测。精确的云检测为卫星数据的处理提供了先决条件，更是为地面接收卫星信号完成了至关重要的第一步。

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