基于MODIS数据的河北近海海域海面温度变化特征分析

徐雯佳 许志辉 杨斌 韩笑

（河北省遥感中心，石家庄 050021）

基于MODIS数据的河北近海海域海面温度变化特征分析

徐雯佳 许志辉 杨斌 韩笑

（河北省遥感中心，石家庄 050021）

河北省遥感中心自2013年，应用MODIS数据对河北近海海域海面温度进行了遥感业务化监测。本文基于监测结果，对河北近海海域海面温度的月际、季际和年际变化特征进行了统计分析。结果表明，春季和夏季，海面温度表现为近岸海域高于远岸海域，沧州市管辖海域高于秦皇岛市和唐山市管辖海域。月均海面温度平均值通常在1月或2月达到最小值，8月达到最大值。

MODIS 海面温度河北海域变化特征

1、引言

海面温度（SST）是海洋环境的主要物理参数之一，与海洋水色、海洋渔业、赤潮和海冰灾害有着密切关系[1,2]。获取海面温度信息，对评价海洋环境状况和防范预警海洋灾害具有重要作用。

卫星遥感具有大范围、实时、连续等特点，是一种监测海面温度的非常有效的技术手段。利用遥感监测海面温度的方法主要有红外和微波两种。相对微波遥感，红外遥感的空间分辨率较高，应用较为广泛。目前，基于N0AA/AVHRR和E0S/M0DIS传感器的海面温度算法最为成熟。算法形式可以分为多通道海面温度反演MCSST和非线性海面温度反演NLSST两大类[3,4]。河北省遥感中心自2010年以来，对应用M0DIS数据进行河北近海海域海面温度监测进行了大量研究，建立了针对河北近海海域的海面温度反演算法，并投入业务化运行[2]。

本文介绍了应用M0DIS数据监测海面温度的方法，分析了2015年度河北近海海域海面温度的月际变化特征，2015年3月至2016年2月的季际变化特征，并结合2013以来的监测成果，分析了年际变化特征。

2、数据与方法

2.1 遥感数据

M0DIS是搭载在E0S系列卫星上的一个重要传感器，具有36个光谱通道，光谱范围从0.4μm至14 μm，覆盖可见光、近红外和热红外波段，空间分辨率分别为250m，500m和1000m，扫描宽度为2330km，每天可在不同时间过境4次[5]。

本文监测所用的M0DIS数据是基于河北省卫星遥感海洋应用平台，从国家卫星海洋应用中心实时获取。

2.2 监测方法

（1）基础理论

在热红外通道，遥感传感器接收到的辐射信号由以下三部分组成：海表的热发射辐射、大气上行辐射和大气下行辐射的反射辐射。对于海洋来说，发射率约等于1，所以大气顶传感器接收到辐射度表达式为[6]：

因此，要精确反演海洋表面温度，需消除大气对光谱辐射的影响。在热红外波段，大气的影响主要表现在H20和C02的吸收作用。

（2）数据预处理

M0DIS L1B数据存储的是经过定标的反射率和辐射率缩放为16比特整数后的SI刻度值。在反演之前，需要对M0DIS L1B数据进行辐射预处理，利用SI缩放公式将DN值转换为反演处理所需的辐射度[6]，然后利用下式把热红外波段辐射度转换成亮温[7]

式中，TB(λi)为第i波段亮温，C1=3.74151×10-2(W-m2)，C2=0.0143879(m-K)，λi为第i波段的中心波长，I(λi)为第i波段辐射度。

（3）反演算法

红外遥感数据容易受到大气的影响，为提高海面温度反演精度，必须消除大气对反演结果的影响。目前，劈窗算法是用于海面温度反演较为成熟的算法。劈窗算法是McMillin于1975年提出的，其基本原理是大气在两个相邻的波段窗口具有不同的吸收特性，因而可通过这两个通道辐射亮温的某种组合来消除大气影响[6]。

M0DIS第31和第32波段处于热红外大气窗口，几乎不受太阳反射的影响[4,6]。基于M0DIS的海面温度反演算法公式如下：

SST=a+bT31+c(T31-T32)Tenv+d(T31-T32) sec(θ)-1)

式中，SST为海面温度，T31和T32分别是31和32波段的亮温，θ是卫星天顶角，Tenv是环境温度，a, b, , d为模型系数。

河北省遥感中心利用2011-2014年的实测数据，获取了上式中适用于河北近海海域的模型系数值，从而建立了适用于河北近海海域的M0DIS海面温度遥感反演算法[2]。公式如下：

SST=-13.4552+1.0488×T31+2.8639×|T31-32|+0.9273×(T31-T32)×(sec(θ)-1)

式中，SST为海面温度，T31和T32分别是31和32波段的亮温，θ是卫星天顶角。

3、结果分析

应用M0DIS数据，每日对河北近海海域的海面温度进行遥感监测，选取有效数据，进而制作月均值和季均值监测产品。

3.1 月际特征分析

（1）数值特征

2015年1月至12月，河北近海海域、秦皇岛市管辖海域、唐山市管辖海域、沧州市管辖海域月均海面温度平均值的变化范围分别为1.2℃至26.3℃、-0.1℃至26.6℃、0.5℃至26.6℃、0.1℃至27.7℃。各海域月均海面温度平均值整体均呈先上升后下降的变化趋势，其中2月数值最小，8月数值最大（图1）。

以月均海面温度的平均值作为评价指标，秦皇岛市和唐山市管辖海域的海面温度差异甚小，而与沧州市管辖海域的海面温度均有较为明显的差异。

具体而言，1月、10月至12月，沧州市管辖海域海面温度则明显略低于秦皇岛市和唐山市管辖海域的海面温度，其中1月差值在0.8℃左右，10月至12月差值在1℃至1.7℃之间；2月和9月，三市管辖海域海面温度基本一致，差异较小；3月至8月，沧州市管辖海域海面温度明显略高于秦皇岛市和唐山市管辖海域的海面温度，差值在1.7℃至5.4℃之间。

（2）时空分布特征

以月均值作为评价指标，从近岸至远岸来看，2015年1月至2月、10月至12月河北近海海域海面温度表现为近岸海域低于远岸海域，4月至8月表现为近岸海域高于远岸海域，而3月和9月横向梯度分布特征则不明显（图2）。

其中3月和9月，太阳辐射分别进入加强期和减弱期，海面温度也随着分别进入增温期和降温期，而近岸海域海面温度的变化幅度较远岸海域明显。海面温度上升和下降趋势的转换，导致这两个月海面温度的横向梯度分布特征相对不明显。

整体上看，由近岸至远岸，各市海域海面温度的横向梯度分布特征均较为明显。相比而言，沧州市海域梯度分布特征最为明显，秦皇岛市次之，而唐山市相对较不明显。

从南部至北部来看，南部近岸海域海面温度与中部、北部近岸海域的海面温度有一定的差异。总体而言，在1月、10月至12月，河北近海海域海面温度表现为南部近岸海域低于中部、北部近岸海域；而在3月至9月，河北近海海域海面温度表现为南部近岸海域高于中部、北部近岸海域。

3.2 季际特征分析

（1）数值特征

2015年春季至冬季，河北近海海域、秦皇岛市管辖海域、唐山市管辖海域、沧州市管辖海域季均海面温度平均值的变化范围分别为0.6℃至23.1℃、0.9℃至23.4℃、0.3℃至26.4℃、2.2℃至22.9℃。

以季均海面温度的平均值作为评价指标，秦皇岛市和唐山市管辖海域的海面温度差异甚小，而与沧州市管辖海域的海面温度均有较为明显的差异（图3）。

具体而言，春季和夏季沧州市管辖海域海面温度明显略高于秦皇岛市和唐山市管辖海域的海面温度，差值在3.5℃左右。秋季和冬季，则相反，沧州市管辖海域海面温度略低于秦皇岛市和唐山市管辖海域的海面温度，差值在0.3℃至0.9℃之间。

（2）时空分布特征

以季均值作为评价指标，从近岸至远岸来看，2015年春季和夏季海面温度表现为近岸海域高于远岸海域，秋季和冬季表现为近岸海域低于远岸海域。与其他季节相比，秋季海面温度的横向梯度特征略不明显（图4）。

各市海域海面温度的横向梯度分布特征均较为明显。相比而言，沧州海域梯度分布特征最为明显，秦皇岛和唐山相对较弱。

总体而言，春季与夏季，河北近海海域海面温度表现为从南部至北部逐渐降低的变化趋势。秋季和冬季，河北近海海域海面温度南北差异相对不明显，南部的略低于北部。

3.3 年际特征分析

2013年、2014年、2015年河北近海海域月均海面温度平均值的变化范围分别为-0.4℃至26.0℃、1.0℃至25.8℃、1.2℃至26.3℃。2013至2015年河北近海海域海面温度变化趋势一致，均以8月作为拐点，呈先上升后下降的变化趋势，总体上海面温度的数值差异较小（图5）。

其中，1月至4月，2014年和2015年海面温度相对较高，2013年相对较低，差异在1.3℃至3.2℃之间；6月和7月，2014年海面温度相对较高，2013年和2015年海面温度相对较低，差异在1.9℃至3℃之间；其他月份，3年的海面温度差异较小。

4、结论

本文基于河北近海海域海面温度遥感业务化监测结果，对该海域海面温度的月际、季际和年际变化特征进行了分析。

（1）河北各市管辖海域海面温度月际变化趋势有所差异。2015年度1月、10月至12月，沧州市管辖海域海面温度明显略低于秦皇岛市和唐山市管辖海域的海面温度；而3月至8月，海面温度表现特征则相反。这意味着，相对秦皇岛市和唐山市管辖海域，冬季沧州市管辖海域海冰持续时间可能更长，春夏季浮游植物生长可能更旺。

（2）河北近海海域海面温度每个季节的空间分布特征不尽相同。春季和夏季海面温度表现为近岸海域高于远岸海域，秋季和冬季表现则相反。与其他季节相比，秋季海面温度的横向梯度特征略不明显，这与海流的作用有关（图4）。

（3）月均海面温度的平均值大多在1月或2月达到最小值，8月达到最大值。可见，1月下旬至2月上旬是河北省近海海域海面温度易达到最小值的时间段，这期间需加强对海冰的监测。

[1]张春桂.福建省近海区域海面表层温度的卫星遥感应用研究[J].国土资源遥感,1999, 39(1):25-28.

[2]杨斌,徐雯佳,许志辉,等.河北海域海面温度遥感反演业务化算法[J].海洋环境科学,2016, 35(2):270-273.

[3]朱利,顾行发,王桥等.我国东海海面温度定量遥感反演研究[J].遥感技术与应用,2008, 23(5):495-499.

[4]郑嘉淦,李继龙,杨文波.利用MODIS遥感数据反演东海海域海表温度的研究[J].海洋渔业, 2006,28(2):141-146.

[5]黄家洁,万幼川,刘良明.MODIS的特性及其应用[J].地理空间信息, 2003, 1(12): 20-24.

[6]陈宏,许华,李家国等.基于MODIS的海表面温度反演系统设计与实现[J].遥感应用, 2009,(2):76-80.

[7]刘玉洁,杨忠东等．MODIS遥感信息处理原理与算法[M]北京：科学出版社,2001．