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MODIS - 蓝色星球的健康监视器

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  自1957年前苏联发射了第一颗人造地球卫星以来,卫星遥感走过了半个多世纪的历程。其间,不乏新技术的发明创造、新方法的研究应用以及新产品的开发制作。作为新一代地球卫星观测系统(EOS)的“掌门人”,隶属于美国NASA的Terra(1999)和Aqua(2002)卫星备受瞩目,在拉丁文中,它们分别有着“土”和“水”的含义,由此不难看出,其工作任务就是对我们居住的蓝色家园进行不间断的全方位的监测。这里我们主要介绍其中的一种仪器—MODIS。

  1. MODIS其人其事

  MODIS的“真实姓名”为Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,中文取名为“中分辨率成像光谱仪”,是加载于Terra(EOS-AM1)和Aqua(EOS-PM1)卫星上的眼睛(遥感传感器)。两颗卫星在地球上空700多公里的轨道上,用这颗眼睛以2000多公里的观测范围从南向北或从北向南获取地球陆海空各种信息,并发送到地面。它具有36个电磁光谱通道,涵盖可见光至热(远)红外波段。得益于数量众多的光谱通道,MODIS被誉为“图谱合一的新一代遥感传感器”,而正是这些细致划分的电磁波段,使得它能够出色的完成对地球大气圈、水圈、生物圈以及岩石圈等的立体多尺度观测。它能够看清楚地球表面250m见方的物体。两颗卫星每天可对同一地区进行多次观测,高质量、丰富的观测数据给地理学、地质学、生物科学、水文学、气象气候学等学科研究提供了有力的基础数据支持,为近十年来遥感学科的快速发展做出了重要的贡献。

  拥有了丰富的对地观测数据,如何利用它们便成为首要的问题。为了获得最真实的地物状态信息,更好的服务于科学家、科研工作者、甚至企业、公司和众多的地球科学爱好者,EOS计划专门组建了大气、陆地、海洋和定标四个科学小组,为MODIS量身定制了以下多个应用领域:①地球表面覆盖变化和全球生产力;②自然灾害监测;③短期气候预报;④长期气候变化研究;⑤大气臭氧监测。如此看来,我们不难发现MODIS有两个基本探测目标:一是由于人类活动对地球的压力和影响;二是针对以上影响,地球的反馈机制和机理。

  2. MODIS应用概述

  作为多波段光学遥感传感器,MODIS可谓“眼观六路”,其数据不仅常常被直接应用于火灾、沙尘暴、冰、雪、洪涝、干旱等多种灾害的研究和监测工作中,它还为短期气象监测和中长期气候预报立下汗马功劳。为了给科学研究和用户们提供更加便捷的服务,MODIS的科学研究小组开发了5大类共35种数据产品,分为大气、陆地和海洋三大专题,在接下来的内容中,本文将分别对这些应用进行简介。

  2.1 大气应用

  包裹整个地球的大气是一种混合气体,其中的各种固态、液态成分及其含量随时间、地域的不规律变化,不仅对地球气候有着重要的调节作用,甚至会对动物、植物乃至人类的发育和生长造成一定的影响。因此,分析大气组成并探寻其演化规律是地球环境研究的重要课题。在这一方面,MODIS提供了水汽、气溶胶、云、大气剖面、大气网格、云掩模等6种数据产品。

  2.1.1 气溶胶

  气溶胶是指悬浮在大气中的各种液态或固态微粒,我们通常所说的烟、雾、尘等都是气溶胶的表现形式,我国北方地区的沙尘暴也是气溶胶的一种。事实上,气溶胶不光自身是空气的污染物,也是许多有毒、有害物质的携带者,它的组成和分布在一定程度上反映了大气污染的状况。作为空气质量(雾、酸雨、沙尘暴等)以及全球气候变化研究的重要内容,气溶胶也难逃MODIS的“法眼”,MODIS的气溶胶产品被广泛用于气溶胶的来源及种类分析、气溶胶与云交互作用以及气候学等研究中。

  2.1.2 水汽

  水汽在大气中的含量很少,而且主要集中在2-3公里以下的大气层中,但却是天气变化的主要角色。云和雾,没有水汽就不能形成;雨和雪没有水汽也不能形成;霜和露等凝结现象,没有水汽同样不会出现。可见,水汽对天气变化的影响是何等重要。水汽一方面通过蒸发或凝结吸收或放出潜热,另一方面它又能够强烈地吸收和放出长波辐射,从而影响地面和空气的温度。MODIS的近红外波段17、18、19以及热红外波段26、27、28均为理想的大气水汽探测波段。由近红外波段可得到白天1km分辨率的水汽产品,由热红外波段则得到夜间5km分辨率的水汽产品。在全球水分循环、地球能量收支、气溶胶特性及气候研究等课题上,MODIS的水汽产品都发挥了重要的支持作用。

  2.2 海洋应用

  海洋对人类的可持续发展和整个地球气候及生态环境的巨大影响力是不言而喻的。在海洋观测方面MODIS的性能同样出色,其科学组开发了多种海洋数据产品,帮助人们更加理性的认识海洋,从而合理的进行海洋资源的开发和利用。

  同为混合物的海水,由于含有叶绿素、泥沙以及多种有机微粒这些有色成分,随着其含量和种类的不同而有着相应的颜色变化,这些物质也因此被称为海洋水色要素。研究它们的来源、种类、含量以及随时间、地域的变化规律,是海洋生态环境监测和评估的重要内容。 MODIS的8~16波段是海洋水色要素探测的专用波段,所提供的叶绿素浓度产品、悬浮固体浓度产品、有机物浓度产品等在洋流、喷流、羽流等海洋特征的研究方面有着重要作用,为全球生化模式和气候模式的研究提供了数据基础。

  2.2.1 赤潮

  赤潮是指海水中某些浮游植物、原生动物或细菌在特定的环境条件下,爆发性增殖或高度聚集而引起水体变色的一种有害的生态现象。赤潮的发生,往往会破坏海洋的正常生态结构和生产过程,从而威胁海洋生物的生存,带来巨大的经济损失。

  作为陆地和海洋的“双料”遥感探测器,MODIS在赤潮的检测和监测方面做出了突出的贡献,它不仅利用赤潮的光谱特性对其进行探测,同时,海水叶绿素浓度、海表面温度、有机物浓度等其他海洋环境产品有力的辅助了赤潮种类、来源的判断和分析。

  2.2.2 洋流

  洋流是具有明显冷、暖特征的大规模水团的移动,洋流的动能巨大,仅佛罗里达洋流所具有的动能即约为全球所有河流总能量的50倍,可谓地球能量及水汽平衡、全球气候变化的“决策者”,对其研究的重要性和必要性不言而喻。由MODIS红外波段反演得到的海表面温度、海表面亮度温度数据能够较好的反映出洋流的走向、温度分布、细部特征以及发展趋势等。

  2.3 陆地应用

  作为地球观测系统EOS计划的重要组成部分,MODIS在陆地环境监测方面同样具有不俗的实力,提供了地表反射比、地表温度、叶面积指数等10种陆地产品,为陆地自然资源监测、生态环境评估以及其他环境相关学科的研究做出了重要的贡献。

  2.3.1 自然灾害监测

  MODIS提供的多种陆地表面观测产品为自然灾害的检测和监测提供了良好的数据支持,在洪水、旱灾(干旱)、火灾、雾、雪、沙尘暴等方面均有突出应用。由于其光谱波段细致分布于可见光及热红外波段,可进行灾害时段内地物光谱特征的深入分析,从而准确判断其成灾原因。同时,250m、500m和1km三种空间分辨率和密集的过境时间大大丰富了灾情数据,使得长期、大范围的动态监测成为可能。

  2.3.2 全球气候变化监测 — 厄尔尼诺与拉尼娜

  厄尔尼诺是太平洋中东部海水温度异常变暖的现象,拉尼娜则与之相反,其产生与大气环流有密切联系,多引全球范围的台风、暴雨以及干旱等强、极端天气现象。据悉,2008年年初中国中部大部分地区的持续冰雪灾害即是拉尼娜的所作所为。MODIS的全球海表面温度产品为研究此类大规模气候现象提供了优质的数据源,能够准确捕捉其变化,为长期监测及有关影响的预测、预报提供可靠的数据保障。

  3. 结束语

  自1999年EOS-AM1卫星Terra发射至今,加载于其上的MODIS已经连续8年向我们提供了包括大气、海洋和陆地在内的地球观测数据。无论在光谱通道的数量、还是数据获取的质量方面,MODIS在当前的光学遥感传感器中都可谓“优等生”,其数据不仅被各国的科研院所广为采纳,应用于地球科学的各个领域,且制作精良、种类丰富的各种专题产品也为众多科学爱好者提供了良好的数据服务。MODIS以前所未有的准确程度更加细腻的捕捉地球环境的有关变化,帮助人们从更深的层次认识自身的生存环境,为增强环境保护意识、改善人-地作用机制、制定合理的社会发展方案做出了积极的贡献。(武汉大学遥感信息工程学院 刘良明 杨娜)

  


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