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基于卫星遥感的水文水资源监测预报系统

第一篇：基于卫星遥感的水文水资源监测预报系统基于卫星遥感的水文水资源监测预报系统摘要：基于卫星遥感的水文水资源监测预报系统是依靠高科技手段，采用空间数据采集技术，充分利用卫星遥感等信息实现流域面上大尺度水文监测的一门新型技术。该系统根据接收的卫星探测资料和地面观测资料，以日为单位进行降雨、辐射、蒸散发计算，进而进行径流过程预报。关键词：卫星遥感；水文水资源监测；预报系统基于卫星遥感的水文水资源监测预报系统是依靠高科技手段，采用空间数据采集技术，充分利用卫星遥感等信息实现流域面上大尺度水文监测的一门新型技术。该系统的基本原理是根据接收的卫星探测资料和地面观测资料，以日为单位进行降雨、辐射、蒸散发计算，进而进行径流过程预报。系统的基本输入变量为降水、蒸发和气温，利用卫星云图信息和其它观测信息，在能量和水平衡原理的基础上，得到流域降水和蒸散发的空间连续分布，供河流降水径流预报模型和水资源预测模型使用。流域降水、蒸散发监测除需要气象卫星观测的云图数据外，还需要世界气象组织的全球远距离通信系统(WMO-GTS)提供的地面气象站观测的日雨量数据。云图数据需要建立气象卫星云图接收处理系统得到，日雨量数据为每天地面气象站观测的日降水量。系统工作流程见图1。气象卫星云图接受处理气象卫星云图接收处理包括：建立地面气象卫星云图接收系统，实时接收气象卫星云图数据，并对接收的数据进行质量控制；建立气象卫星云图处理系统，将接收的云图信息进行处理，处理过程包括对卫星云图进行几何纠正、格式变换，形成多通道卫星云图数据与图像，并将处理后的结果存入相应的实时卫星云图数据库中。卫星云图为每小时接收一次红外通道、可见光通道和水汽通道的信息。降水监测降水监测的基本思想是建立云顶温度与象素点降水的统计相关关系，同时利用卫星信息在地面雨量站点间进行雨量插值。故降水监测方法是建立在两种数据源的基础上，一是气象站观测的雨量数据；二是通过气象卫星云图得到的云频率数据。气象站观测的雨量数据可以直接得到；云频率数据是从接收到的红外云图数据中得到，在对流层，云的温度与其距离地面的高度具有-6.50℃/1000m的递减率的关系。首先用温度阈值（TTE）对红外卫星图像进行云顶高度分类，由于被观测的不同物体，包括地球表面和云层顶部，在红外波段都相对有一数值，该数值可以转化为行星大气温度，根据卫星云图柱状图分析，可将不同的云分成5个云级，每个云级都有其相对应的温度和大概高度范围（表1）。将红外云图中每个象素点上的值根据温度和高度范围进行分类，得到不同的云级，然后计算云生存期（CD），云生存期是按照每一云级等于10d内该云级的小时数得到的。表1云级分类与温度和大概高度范围对应云级红外数值范围温度范围/K大概高度范围/km冷云＜45＜226＞10.8高云45～59226～2408.5～10.8中高云60～89240～2605.2～8.5中低云90～119260～2792.2～5.2低云＞119＞279＜2.2在多重回归的基础上用卫星云数据计算每个象素点上的雨量，回归方程为：Rj,est=∑aj,nCDn+bjTTE这里CDn是在云级n的云生存期，TTE是温度阈值，表示雨强指标。对每个雨量站（j）建立该站雨量与该站及周边地区卫星云信息的回归关系。由于回归方程的局限性，每站估算降水和观测降水存在误差Dj：Dj=Rj,obj-Rj,est应用倒距离加权技术可得到各地面雨量站间象素点(i)的系数aj，n、bj和Dj值。最后可逐象素点进行降水场计算：Ri=∑ai,nCDn+biTTE+Di用这种方式得到的降水量估算在气象站点上与气象站观测的雨量数据相等。蒸散发监测蒸散监测很大程度决定于基于地球表面的能量和质量传输的物理过程。基于气象卫星的实际蒸散发计算通过气温映射、大气订正、净辐射计算、感热通量计算、确定实际蒸散发量等步骤完成。考虑完全热量传输极端情形：T0,n=T0,m=Ta基于中午地面气温（T0,n）和午夜地面气温（T0,m）之间的区域回归：T=aT0,m+b可通过卫星数据估算整个边界层气温Ta。根据云图的背景信息可自动完成大气订正过程。自由大气行星反射率图可取为最小值。用扩展的Kondratyev(1969)两层通量传输模型将每个象素点上的行星反射率转化为地面反射率。在该模型中，行星反射率是地面反射率和大气光学深度的函数，光学深度的影响在最小地面反射率时为最高，即在深厚植被地区大约为0.07。光学深度可由观测最小象素值计算。利用每日实际地面反射率与每旬最小地面反射率的比值，可估算每象素点的云量，后者用于辐射平衡计算。对于红外热量，可使用另一种大气订正方法。地球——大气系统温度（T0′）和地面温度（T0）之间的关系可描述为:(T0-Ta)=[k/cos(i0)]