青藏高原地表太阳辐射多源遥感反演方法研究

Through the study of the National Natural Foundation for Youth (No. 41001215), the applicant found the estimation accuracy of daily surface solar radiation (SSR) over the Tibetan Plateau (TP) is influenced by the instantaneous SSR, which shows large spatio-temporal differences due to the interaction among the daily change and clouds and water vapor. Therefore, satellite estimation of SSR in high temporal resolution for this region has to be driven by a deeper study. Meanwhile, knowledge of the SSR in high temporal resolution on the TP indeed helps further explore the atmospheric heating mechanism and the interaction mechanism among radiation and clouds and water vapor. Satellites observation of SSR on the TP have their own issues such that polar-orbiting satellite instruments (e.g. MODIS) can derive high estimation accuracy of SSR but low temporal resolution; while geostationary meteorological satellite (e.g. MTSAT) can possess high temporal resolution but relative low estimation accuracy of SSR. This project combines the advantages of polar-orbiting satellite data (high estimation accuracy) and geostationary meteorological satellite data (high temporal resolution), developing a parameterization scheme of broadband solar radiation under all-sky conditions, a coupling cloud-snow screen method, and a multi-satellite estimation method for SSR through the combination between polar-orbiting satellite data and geostationary meteorological satellite data, validating the accuracy of the estimated SSR data using the ground measurements from typical observing stations on the TP, and estimating the instantaneous SSR in high temporal resolution and accuracy for the TP region.

通过青年科学基金项目的研究，申请人发现瞬时地表太阳辐射在青藏高原存在很大的时空差异，其日变化与云和水汽相互作用，影响着日总太阳辐射的遥感反演精度，需要对该地区高时间分辨率的地表太阳辐射遥感反演进行深入研究。同时，获取青藏高原高时间分辨率的地表太阳辐射日变化，有助于深入认识青藏高原大气加热机制、辐射与云和水汽的相互作用机理等。目前卫星遥感存在极轨卫星传感器（如：MODIS）地表太阳辐射反演精度高但时间分辨率低、静止气象卫星（如：MTSAT）时间分辨率高但地表太阳辐射反演精度较差的情况。本项目将融合极轨卫星（高精度）和静止气象卫星（高时间分辨率）观测数据各自的优势，发展全天空条件下的宽波段辐射参数化方案、云雪检测耦合方法、极轨卫星和静止气象卫星相结合的地表太阳辐射多源遥感反演方法，并通过青藏高原野外综合观测站地面观测数据对其精度进行验证，获取青藏高原地区高时间分辨率、高精度的瞬时地表太阳辐射。

获取青藏高原高时间分辨率的地表太阳辐射日变化，有助于深入认识青藏高原大气加热机制、辐射与云和水汽的相互作用机理等，对于探讨青藏高原地表辐射平衡、能量交换、水文循环等具有决定性的意义。在自然科学基金支持下，本项目研究了云、雪检测耦合方法、提出了全天空条件下宽波段辐射参数化方案、发展了青藏高原地表太阳辐射的多源遥感反演算法以及地面观测和遥感反演数据的融合方法。研究结果包括：（1）利用背景值合成，比较静止气象卫星观测数据的直方图变化特征，采用分位数回归方法分离出云和晴空；（2）发展了抽图法对遥感影像进行分割，以自适应方式通过分析稀疏矩阵的特征值向量来估算解的属性，使云检测自动化；（3）根据晴空大气、冰云和水云在各个窄波段上的光学特性（如光学厚度、粒子半径、单次散射反照率和非对称因子），发展出整个全波段上的有效系数来分别计算晴空和云天的吸收率及散射率，形成了全天空条件下宽波段辐射参数化方案；（4）以静止气象卫星的观测和极轨卫星的大气、地表反射率产品作为输入数据，采用短波全波段参数化方案来计算大气气体参量、气溶胶和云的大气透过率，从而形成了新的青藏高原太阳辐射的多源遥感反演算法，该算法的辐射计算全部基于大气辐射传输的物理过程，具有很好的普适性和精度；（5）在贝叶斯推理的框架内，根据贝叶定理中数据的似然函数和先验概率分布，来生成参数的后验概率，从而提出了全新的多源数据融合方法，将地面观测辐射数据、遥感反演辐射数据以及其它各类辐射数据统一到一起进行融合；（6）利用青藏高原地面日射站的辐射观测对反演结果进行了验证，结果表明，本项目辐射遥感反演结果具有很好的精度（反演瞬时地表太阳辐射的均方根误差为100 W/m2，日地表太阳辐射的均方根误差为35W/m2）。本项目的研究结果对构建青藏高原地表太阳辐射遥感反演体系具有重要的意义，所形成的技术方法及系统，能够应用到其它大气参数的遥感反演当中，具有较高的应用价值。