论文部分内容阅读
地表短波辐射量是地.气能量平衡的关键组成部分,定量估算和深入理解晴空及有云条件下地表短波辐射分量的时空变化特征是研究陆气相互作用的关键所在。已有大量研究提出了很多从遥感观测值推算地表短波辐射分量的算法和模型,取得了较为可观的研究成果。然而目前仍然面临几大亟待决的关键问题:①高空间分辨率地表短波辐射方面的研究未考虑太阳.云.观测几何关系以及邻近像元的辐射相互作用;②低空间分辨率辐射产品未能充分考虑亚像元云覆盖的影响;③最优空间尺度,即可忽略太阳.云.观测几何关系以及邻近像元辐射影响的边界尺度有待确定;④极轨和静止卫星的优势未充分结合起来。本文针对这些问题提出了一系列操作性较强的解决方案,并分别在青藏高原区域进行了应用和验证。 首先,在经典的一维大气辐射传输模型(MODTRAN4)的基础上,引入了半球有效云覆盖度以及区域云覆盖度,在考虑各种太阳.云.观测几何条件下,建立了单点短波辐射传输模型(MODTRAN-CF),对其进行的单点和区域案例模拟分析均表明了MODTRAN-CF能够模拟出现实存在的云辐射增强现象,并且利用地面实测数据验证了该物理模型的优越性。基于该模型大量的辐射传输模拟及其全局定量敏感性分析结果,结合人工神经网络(ANN),创建了适合高空间分辨率地表短波辐射分量遥感估算的ANN模型。以MODIS为数据源,估算出青藏高原晴空及有云条件下1km分辨率地表短波辐射分量,利用地面站点测量数据对不同空间尺度上的瞬时估算结果进行了验证,与4种青藏高原辐射产品已有的验证研究进行对比后发现,本文的估算结果更为稳定可靠。 其次,对MODTRAN4进行了适当的修正,建立了能够考虑亚像元云量影响的区域尺度短波辐射传输模型。模型的全局定量敏感性分析表明,云覆盖度(CF)、太阳天顶角(SZA)和地表反照率为区域模型最为重要的三大参数,其次是地表高程,气溶胶光学厚度和云的光学厚度。基于此,结合大量的辐射传输模拟和ANN,建立了区域尺度上地表短波辐射分量估算的ANN模型。在区域ANN模型应用之前,本文分别针对整个研究区和根据云的空间分布特征所选择的8个典型子区,在25个空间尺度上比较分析了修正前后模型的估算结果,从而确定了青藏高原区域地表短波辐射分量的最优空间尺度约为20km,该数值基本上独立于云量及其破碎程度,为区域模型的推广应用提供了理论依据。 再次,基于区域辐射传输模拟,建立了结合极轨和静止卫星数据估算地表短波辐射量的融合算法。算法所需输入仅包含5项:极轨卫星时刻的CF和SZA、静止卫星时刻的CF和SZA以及极轨卫星时刻短波辐射量;算法的输出为静止卫星时刻短波辐射量。结合极轨卫星MODIS数据和我国静止气象卫星FY-2C数据,本文估算了青藏高原最优空间尺度约1小时分辨率的地表短波辐射分量,估算结果能够合理地反映出区域内地表短波辐射的空间分布特征以及从日出至日落的时序变化。 最后,结合正弦内插模型和日出日落时刻,对l小时分辨率地表瞬时短波辐射分量进行了时间扩展,获得了约10分钟分辨率的地表短波辐射量,在此基础上进行时间积分后,得到地表短波辐射量的日均值。为了验证算法的可行性,本文分别从辐射的日变化趋势和日均值两个方面对融合算法的估算结果进行了验证。从日变化趋势看来,本文的估算结果能够较为准确地反映晴空及有云条件下地表短波辐射的日变化,与地面观测数据之间的吻合程度较高。从日均值的验证结果看,单站点与其最邻近像元值直接对比时,地表短波总辐射的验证精度稍高于地表短波净辐射;而多站点均值与包含站点的区域均值进行对比时,地表短波净辐射的精度稍高于地表短波总辐射。这在一定程度上证明了地面站点的空间代表性对验证精度的影响较大,遥感估算值和地面测量值之间的空间尺度不匹配是导致验证精度较差的主要原因。因此,今后在进一步改善遥感估算精度的同时,有必要寻求更为合理的地面验证方式。 本文提出的适合晴空及有云条件下地表短波辐射分量估算的方法对地表辐射平衡、地表能量平衡、乃至全球气候变化等研究具有理论和实践意义。