引言

陆面温度(LST，Land Surface Temperature)是研究地表和大气之间物质和能量交换的重要参数，广泛应用于农业气象灾害、城市热岛等方面的监测及研究^[1-3]。但由于其在时空上的动态分布变化特性，依靠地面观测站大面积获取陆面温度参数，宏观地把握其时空分布规律是不现实的，而借助遥感技术可大范围、快速地获取陆面温度信息。依据使用波段数，现有的热红外遥感数据陆面温度反演算法基本上可以分为三类^[4]：单通道算法、分裂窗算法和多波段算法。在国内，MODIS数据LST的反演基本上是从2004年开始的。到目前为止，改进分裂窗算法最为成熟^[5]，根据毛克彪、覃志豪、丁莉东、高懋芳等研究^[6-10]，MODIS-LST反演精度基本控制在1K以内(误差分析为MODIS反演结果与高分辨率影像资料反演结果值对比)。但由于陆地表面的复杂性和大气影响的诸多因素，地表真实温度反演是一个非常复杂的过程。分裂窗算法是建立在大气热辐射传输模型和对相关参数各种近似、假设基础上的，算法复杂，不利于推广使用。为尽量避免各种参数的估计及适用范围的限定，简化反演计算过程，可以利用基于自动站观测数据与遥感资料的统计方法，在考虑引入对LST影响较大的水汽因子和地表植被情况下，既可简化运算，又能够保证一定的反演精度，能够满足一般气象业务的需求。另外，结合自动站资料对MODIS资料进行地面温度的反演工作，目前这种研究方法在国内还没有，而这种思路对提高地面自动站的利用率以及风云3系列气象卫星的地面参数订正方面有参考价值。

1 资料选取与匹配 1.1 遥感资料

选取由宁夏气象科研所DVB-S系统接收的2005—2007年共13个时次白天过宁夏境的MODIS/TERRA晴空(或少云)资料，春季5幅，夏季3幅，秋季1幅，冬季4幅。利用中国气象局研制的EOS/MODIS资料接收处理系统软件，对接收的EOS/MODIS卫星资料经定标、几何校正、投影变换后，再对生成的*.LD2文件，利用宁夏气象科学研究所开发研制的程序，以*.txt格式提取17个对应自动站5×5矩阵的2、19、31、32通道资料，其中通道1、2为定标后的反射率，19通道考虑大气水汽影响，3l、32为反映陆面温度的辐射值。

1.2 自动站资料

宁夏自动气象站从2002年11月开始布设，到目前为止，已建成并投入业务使用的有17个。包括宁夏北部川区(惠农、吴忠、银川、陶乐、永宁、中宁，海拔高度为1100~1500m)、中部干旱带(同心、盐池，海拔高度为1180~1350m)、南部宁南山区(兴仁、韦州、海原、固原，海拔高度为1380~1860m)和六盘山区(西吉、隆德、泾源，海拔高度为1900~2080m)及两个高山站(麻黄山和六盘山，海拔高度分别为1713m和2843m)。

EOS卫星作为新一代对地观测仪器为太阳同步卫星，其中，TERRA卫星白天过境时间为当地时间10:30，宁夏介于104°17′~107°39′E之间，北京介于115°25′~117°30′E之间。根据时区计算，过宁夏境时间换算成北京时应为11：00左右，所以可以选取17个自动站11时0cm地温观测数据代替LST。

2 研究方法

运用春季4幅、夏季3幅、秋季1幅、冬季3幅共11幅晴空或少云MODIS/TERRA资料，结合11时自动站0cm地温和卫星过境通道31、32亮温资料，分别建立各季和全年统计模式，引入因子主要考虑对陆面温度影响较大的大气水汽和地表植被因素，即19水汽通道资料和NDVI(归一化植被指数)、EVI(增强型植被指数)值，选择复相关系数最大的作为该季节全区适合的反演模式，经过分析比较得出：建立全年全区适用模式只用31、32通道资料，模式的复相关系数为0.891，单引入19、NDVI或EVI后复相关系数分别增加到0.951、0.895、0.902，也就是说LST对大气中水汽含量的敏感性大于对地表植被状况NDVI或EVI，而对EVI的敏感性又大于对NDVI的敏感性；而引入19、EVI和19、NDVI的参数组合复相关系数分别增加到0.955，但后者的F检验值略大些；而就各季节而言，同样与全年模式测验情况一致，即在引入单个参数或者参数组合后复相关系数均比只用31、32通道资料有明显提高，春季、夏季、秋季引入19、EVI的参数组合最好，冬季引入19、NDVI的参数组合最好。全年和各季节建立的统计计算LST的结果见表 1。

验证资料选取未参与模式建立的春季(2006年1月10日)和冬季(2006年4月18日)的各1景资料各17个样本点资料，运用全年LST反演统计模式，最终通过误差在3℃以内的样本点为16个，占51.6%，通过4.5℃以内的样本点占77.4%。误差最大的是中宁，为7.0℃，大于6.0℃的有3个台站。

分析误差来源可能主要包括①地面观测是整点进行，卫星过境时间(成像时间)与地面观测时间不能完全吻合，时差基本在10分钟以内，这一时间上的差异会带来相应的偏差。②由于图像分辨率为1km×1km，一个像元代表 1km²的范围，而自动站观测资料为单点资料，这在空间区域上并不能完全对应叠加，虽然这里采用了5×5矩阵平均温度，降低点与面对应带来的误差风险，但也会给结果造成偏差。由于采用5×5矩阵平均温度，所以认为误差在5℃以内即为准确。③LST实际含义是指地表冠层温度与自动站观测裸地0cm地温有一定的差异，根据齐述华^[11]等的研究，这一差异会造成4℃左右的偏差。总的来说，统计模式精度在误差允许范围内，运算简便快捷，省去了运用MODTRAN模型对大气透过率的估算以及对地表比辐射率估计的繁琐计算，能够满足基本业务需求。

3 模式对地表发射率敏感性分析

以全年LST统计模式为例，将遥感影像资料反演结果与实际地面自动站观测值进行误差分析对比。将地表特征按照USGS全球土地覆盖类型结合宁夏下垫面实际分布类别大致分为4类：稀疏植被、草地或灌丛、林地和农田。分析各地表覆盖类型下地表发射率与反演误差间的关系，结果见表 2。

由表 2可以看出就宁夏下垫面的具体情况，反演模式在草地和小灌丛土地覆盖类型下反演精度较高，符合要求的站点在88.2%，其次是林地、农田和稀疏植被，这说明改进型的统计反演模式对草地或小灌丛地表类型敏感，对稀疏植被反演误差大。

4 监测实例

分别利用毛克彪、覃志豪、丁莉东、高懋芳等人的分裂窗算法和基于自动站及遥感资料建立的统计模型对2006年6月28日宁夏科研所接收的EOS/MODIS 1km数据反演宁夏地区的陆面温度。分裂窗算法中大气水汽含量和透过率参数参考中高纬度地区夏季的模拟参数结果，地表比辐射率参照许国鹏等^[12]混合像元的地表比辐射率算法。图 1为两种模式反演的各站陆面温度，结果表明，分裂窗算法中由于研究参数所得出的经验参数并不适合宁夏，且宁夏地表温度上午11时左右地表温度大于60℃的是普遍情况，显然已经超出分裂窗算法中所界定的温度范围，误差较大，反演值普遍低于自动站观测值，统计模式反演的LST值与自动站观测值比较接近，且改进型的统计模式是基于地面自动站实际观测数值，更符合实际且方法简单，算法快捷，更具使用性。

从统计模式反演的2006年6月30日11时的陆面温度分布结果可以看出(图 2)：灌区及海拔较高的南部阴湿区气温普遍较低，陆面温度在45℃以下，尤其是六盘山区和海原南华山及月亮山部分地区陆面温度在35℃以下。中部干旱带及贺兰山东麓冲积扇由于植被覆盖度较低，陆面温度在65℃以上。而彭阳河谷和麻黄山一带受地形影响陆面温度介于高温区和低温区之间，温度介于50~55℃之间。与当日11时自动站观测资料相比，全区陆面温度反演与实际情况相符，且分布趋势较好，完全能够满足业务需要。

5 小结

分裂窗算法反演陆面温度物理意义明确，是目前反演陆面温度精度较高的方法，但由于其涉及到的地表比辐射率和卫星过境时的大气透过率较难获取，需要一系列观测试验与模拟，才能获得较好的反演结果。统计方法虽然不稳定，但涉及参数较少，在地表状况不太复杂时也能取得较好的监测效果。利用EOS/MODIS资料建立统计模型反演陆面温度时，就宁夏来说，各季节影响因子变化不大，可以用同一公式代表进行反演，不用进行分季节建模，也能到达较好的陆面温度反演结果。这种比较简单的构建方法，对气象部门来说，较易推广使用，并且对建立在LST反演基础上的干旱监测、城市热岛等气象服务业务也提供了另外一种途径。