利用实时观测评估Aqua MODIS与NOAA-18 AVHRR 热红外波段/通道之间的校准差异外文翻译资料

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利用实时观测评估Aqua MODIS与NOAA-18 AVHRR

热红外波段/通道之间的校准差异

Aisheng Wu¹, Yong Xie¹, Xiaoxiong Xiong²and I-Wen Chu¹

¹西格玛太空公司, 4801 福布斯大道, 兰纳姆, MD 20706

²NASA/GSFC, 科学探索局, 格林贝特, MD 20771

投稿给《IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters 》

日期：2011年4月26日

来自空间的抽象监测环境变化需要非常精确的观测来获取必要的高精度和稳定性，MODIS和AVHRR热红外波段/通道间定标的区别为仪器性能提供了宝贵的质量评估。本研究比较了在11.0mu;m和12mu;m处，利用在几乎平行的轨道中获得的SNO（同时天底天桥）观测值的Aqua MODIS和NOAA-17 AVHRR波段/通道之间的校准差异。由于两个传感器之间相对光谱响应差异产生的影响通过MODTRAN模拟估算，其中包括温度，水汽，大气压力和臭氧以及表面皮肤温度的实时大气剖面。结果显示根据11.0mu;m波段/通道的有效校准范围，去除大气冲击后的温差在0.12 K（0.2％）以内。对于12.0mu;m的波段/通道，差异是在典型辐射下为0.20 K（0.4％），接近最大辐射度0.60K（0.8％），表明两个波段/通道的MODIS和AVHRR之间具有出色的校准一致性。

索引条例-MODIS,AVHRR,MODTRAN,SNO,定标，温度

Ⅰ 介绍

MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)是目前在近太阳同步的极地轨道上Terra和Aqua卫星平台（分别于1999年12月和2002年5月发射）上运行的NASA EOS(Earth Observation System)的重要工具^[1-3]。MODIS的设计灵感来源于许多传统的传感器，包括已经在NOAA极地轨道卫星上运行近三十年的AVHRR^[4]。MODIS和AVHRR是两个最重要的传感器，它们使全球观测得到各种监测陆地、海洋和大气过程的产品。从空间监测这些环境变化需要极为精确的观察结果，以达到所需的高精度和稳定性^[5]。

MODIS仪器具有36个光谱带，利用以0.25、0.50和1.0km三个垂直分辨率来采样的地球场景观测，覆盖从0.4到14.4mu;m的波长范围。16个热发射带（TEB，20-25和27-36波段）在轨道上使用大孔径V槽黑体（BB）进行校准，控制Terra的恒定温度为290 K，Aqua为285 K。三个AVHRR热红外通道（通道3b、4和5的3.7、11.0和12mu;m）在飞行中用全孔蜂窝黑体作为内部校准目标进行校准（ICT）。然而，ICT温度随着仪器周围环境而变化，温度在290K左右 ^[6-7]。MODIS TEB和AVHRR红外通道的绝对辐射校准要求可追溯到国家标准与技术研究所（NIST）的标准。

虽然MODIS和AVHRR传感器的校准都依赖于板载黑体和冷空间背景的测量，但校准方法根据仪器的设计而有所不同。MODIS和AVHRR之间的热带/通道的独立校准为每个仪器的性能提供了有价值的质量评估。通过从近同时天体超载（SNO）获得的温度的直接比较显示，在大气窗口波段/通道的典型场景温度下，差异通常在0.25 K以内^[8-10]。在MODIS和AVHRR之间以及对于大多数NOAA系列AVHRR已经发现了温度差异对场景温度的明显依赖^[11]。由于MODIS光谱波段通过率明显窄于AVHRR通道，所以两个传感器之间的温差可能是场景温度依赖性和大气水汽敏感性。为了更好地量化由校准引起的传感器差异，有必要去除地球相关的影响计算温差。过去，由于缺乏与卫星观测时间相符的大气温度和湿度曲线的实时观测，因此难以评估这种影响，因为大气温度和水汽剖面随着时间和地理位置的变化而不断变化。声音产品的最新发展和改进使传感器检索到的实时表面温度和大气剖面变得可用。

本研究使用从Aqua MODIS和NOAA-18 AVHRR SNO观察获得的观察温度差异来检查其在11.0和12mu;m处的热带/通道的校准差异。大气水汽对温差的计算的影响由MODTRAN4（中等分辨率大气TRANsmission）版本3，修订版1 ^[12]和Aqua航天器大气红外探测器（AIRS）获得的实时大气剖面模拟 。我们选择Aqua MODIS和NOAA-18 AVHRR是因为Aqua和NOAA-18

SNO事件周期性地发生在平行轨道上，从而提供了更多的机会来检查和比较两个传感器的校准稳定性。为了保证定标的质量，仅使用在比较均匀的表面上收集的数据，选择不同纬度部分的轨道以覆盖各种场景温度。本研究的目的是：1）提供由RSR差异引起的MODIS和AVHRR实时温差的MODTRAN模拟；2）通过SNO观测与大气影响的实时模拟结合，提供MODIS和AVHRR校准差异的定量评估。

II.方法

对于两个频谱匹配的波段/通道（Aqua MODIS的31和32波段分别在11.0和12.0mu;m与NOAA-18 AVHRR的4和5波段相匹配）进行MODIS和AVHRR之间的比较。等效温度T用于评估两个传感器之间的差异。为了准确计算T，黑体有效温度，T_E，先计算

（1）

其中c1和c2是普朗克方程常数，L是带/通道的辐射度，lambda;c是带/通道的中心波长。为了确定T，使用T和T_E之间的线性回归。

(2)

NOAA系列AVHRR的系数A和B在NOAA KLM用户指南（https://www.ncdc.noaa.gov/

oa/pod-guide/ncdc/docs/intro.htm）中提供，而Terra和Aqua的系数 MODIS是使用MODIS波段的光谱响应从普朗克方程应用的相同过程得到的^{[13, 8-9]}。MODIS和AVHRR之间的T的相对差异由

（3）

计算。其中T_MODIS和T_AVHRR分别是MODIS和AVHRR的等效温度。

通过MODTRAN模拟估计由MODIS和AVHRR RSR差异导致的Delta;T的理论值。我们的模拟使用了AIRS观察到的实时温度，压力，湿度和臭氧特征以及在MODIS和AVHRR SNO期间获得的皮肤温度。每个模拟提供实时的TOA辐射光谱L（lambda;）。给定了MODIS和AVHRR的RSR，模拟波段/通道光谱辐射L^simu通过

（4）

来确定。通过用L^simu替换方程（1）中的L，并且从等式（1）到（3）遵循相同的计算路径，可以确定MODIS和AVHRR之间的模拟的相对差。观测和模拟的传感器（即理论值）Delta;T之间的剩余差异被认为是由相对校准差引起的，即

（5）

III. 结果

1. 观察并模拟Delta;T

观测数据是从2006年至2010年间几乎平行的轨道上发生的13个Aqua MODIS和NOAA-18 AVHRR SNO事件收集的。这些轨道在不同的纬度区域和季节中选择，所以收集的数据集涵盖了广泛的场景温度，对最低点50km范围内的采样MODIS L1B 1km和AVHRR L1B 4km GAC（全球覆盖）像素进行平均。为了减少空间不均匀性对平均值的影响，检查每个50km区域内的采样像素的标准误差。标准误差大于2.0 K的平均值不包括在我们的结果中。

因为AVHRR通道的RSR分布比频谱匹配的MODIS波段分布更广（图1），预估场景温度和大气水汽可以对T_MODIS和T_AVHRR之间的差异产生影响。图2绘制了11.0和12.0 mu;m波段/通道观察到的Delta;T和T。如预期的那样，一般来说，Delta;T取决于T。12.0 mu;m的波段/通道在高温下对T的依赖性更强。最近的研究使用分裂窗技术（即11.0和12.0mu;m波段/通道之间的T的差异）来确定总的大气水汽含量^[14]。因此，重要的是要消除现有大气水汽对T的计算的影响，以便检测传感器之间的小校准差异。

由于大气温度和水汽剖面随着时间和地理位置的不断变化，所以有必要使用实时大气剖面进行模拟，因此可以捕获对Delta;T的计算的影响。在本研究中，从AIRIS标准检索产品^[15]中，同时也在MODIS和AVHRR SNO区域内收集温度，水汽，大气压，臭氧和表皮温度的大气剖面。轮廓水平分辨率为50km，与采样像素平均面积相匹配，垂直分辨率为28级，在1000 mb至0.1 mb之间。给定每个AIRS检索到的实时大气剖面，产生在0.001m（1.0nm）的光谱间隔处的TOA辐射光谱L（lambda;）的模拟使用MODTRAN版本3，修订版1^[12]。MODIS和AVHRR波段/频道的模拟光谱辐射L^simu取决于方程（4）。然后使用等式（1）和（2）计算模拟的T_MODIS和T_AVHRR。 图3在11.0和12.0 mu;m处绘制了两个MODIS和AVHRR波段/通道的Delta;T^simu对T图像。结果表明，当T低于300K时，Delta;T^simu几乎没有温度依赖性。这可能是因为大多数低温场景的SNO事件发生在大约70°N / S纬度，其中大气含水量显著较低。结果还表明，在高温下，Delta;T^simu在12.0 mu;m波段/频道中对T的依赖性高于11.0 mu;m波段/频道。在图2和3中提供的观察和模拟Delta;T之间的比较显示观察到的Delta;T对T有较强的依赖性。

B.校准差异

当观察到的和模拟的Delta;T，即在图2和3之间对点之间进行减法时，根据等式（5），剩余的差被认为是由MODIS和AVHRR之间的相对校准偏差引起的。图4绘制了对T在11.0和12.0 mu;m波段/频道的剩余差异。为了更好地了解与校准相关的其余差异的原因，在与MODIS预开关校准中使用的三个辐射水平相对应的三个温度下分别检查差异：分别为0.3的典型辐射度，典型辐射度和0.9最大辐射度。对应于这三个温度的线条标记在图4中。典型辐射度的值基于科学产品^[16]提供。在11.0和12.0 mu;m波段的典型辐射情况下，MODIS校准要求为0.5％。在典型辐射度为0.3和最大辐射率为0.9的水平下，额外的1.0％被添加到校准要求^[17]，表明在T = 0.3T_typ和T = 0.9T_max之间的温度下校准质量得到保证。对于AVHRR，在典型辐射方面存在类似的严格要求，主要集中在海面温度检测的准确性(http://www2.ncdc.noaa.gov/docs/klm/html/c7/sec7-1.htm)。结果表明，Aqua MODIS与NOAA-18 AVHRR 11.0 mu;m波段/通道在0.3T_typ至0.9T_max之间存在良好的一致性，平均差异小于0.12K。对于12.0 mu;m的波段/通道，T_typ的平均差为0.20 K，对于接近T = 0.3T_typ和T = 0.9T_max的温度，温度偏差（高达0.60 K）有轻微的温度依赖性趋势。图5绘出了图4中辐射百分比方面的相同差异。 在T = 0.3T_typ和T = 0.9T_max之间，对于11.0mu;m波段/通道，差异在0.2％以内，而对于12.0mu;m波段/通道，T = T_typ的差为0.4％，T = 0.9T_max时的差异达到0.8％。这些差异在MODIS和AVHRR组合校准要求中是很好的，并且表明在11.0和12.0mu;m处，Aqua MODIS与NOAA-18 AVHRR波段/通道之间的校准一致性很好。

IV.结论

本研究使用在几乎平行的轨道中获得的SNO观测值，比较了11.0和12.0mu;m处的Aqua MODIS和NOAA-17 AVHRR波段/通道之间的校准差异。两个传感器之间的温度差Delta;T用于评估其在每个场景温度水平上的校准，从典型辐射的0.3到最大辐射度的0.9。通过MODTRAN模拟估计由于MODIS和AVHRR之间的相对光谱响应差异对Delta;T的影响，并且从观察到的Delta;T中去除了该效应。模拟使用了从Aqua AIRS标准检索产品获得的温度，水蒸气，大气压力和臭氧以及表面皮肤温度的实时大气剖面。该研究的结果表明，对于11.0mu;m波段/通道，整个温度范围内的剩余温差在0.12K（或0.2％）以内。对于12.0mu;m的波段/频道，典型辐射率的差异为0.4％，最大辐射度的0.9处为0.8％。这些结果表明，在11.0和12.0mu;m处，Aqua MODIS与NOAA-18 AVHRR波段/通道分别具有出色的校准一致性。

致谢

作者非常感谢同行Gary Toller博士对原稿的有益评论。

参考文献

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