考虑云和地形影响的地表长波辐射遥感反演研究

Surface longwave radiation (SLR) is a key factor in the surface material and energy cycling of the Earth. Satellite remote sensing observation is an effective means to obtain the global-scale SLR with high spatiotemporal resolution. In complex topographic regions, cloud and terrain are the two most important factors on SLR, which are still restraining its inversion accuracy and product quality. Therefore, this project will focus on the research contents combining effects of cloud and terrain as follows: 1) establish a universal downwelling SLR model under cloudy sky based on the atmospheric radiative transfer simulation and parameterization model; 2) directly estimate the upwelling SLR using the passive microwave brightness temperature, and combine with thermal infrared data to generate the all-sky upwelling SLR with 1 km resolution; 3) establish the SLR terrain model at kilometer scale considering the effects of topography and thermal anisotropy. Through the modeling of cloud and terrain effects, and estimating the clear-sky SLR based on the hybrid model method, the all-sky SLR considering terrain effect is then generated. Finally, the inversion results of these models are validated using the station measurements from the world's major radiation observation network. The research results of this project will help to improve the spatial continuity and inversion accuracy of SLR in complex terrain, and then as the input data, improve the calculation accuracy of models such as ecological and land surface process models, and enhance the capability of seismic thermal anomaly detection.

地表长波辐射是地球表面物质和能量循环的关键因素。卫星遥感观测是获取全球尺度高时空分辨率地表长波辐射的一种有效手段。在复杂地形区，云和地形是影响地表长波辐射的两个最重要因素，依然制约着反演精度和产品质量。因此，本项目联合考虑云和地形影响，拟重点研究：1）基于大气辐射传输模拟和参数化模型建立具有普适性的云天地表下行长波辐射模型；2）利用被动微波亮温直接估算上行长波辐射，联合热红外数据生成1km分辨率的全天空地表上行长波辐射；3）考虑地形、热辐射方向性对地表长波辐射的影响，建立公里级尺度的地形模型。通过对云和地形效应的建模和基于混合模型法的晴空地表长波辐射反演，最终生成考虑地形影响的全天空地表长波辐射；最后利用全球主要辐射观测站点数据对模型结果进行验证。本项目研究将有助于提高复杂地形区长波辐射空间连续性和反演精度；进而作为输入数据，提高如生态、陆面过程等模型的计算精度和地震热异常提取能力。

地表长波辐射（SLR）是全球能量平衡的基本物理参数之一。遥感技术成为全球范围内多空间尺度的SLR动态监测的重要手段，能够更好地体现地表辐射的空间分布和时间变化特征。云层的存在使热红外遥感无法获取地表的热辐射信息，造成地表长波辐射的反演结果在空间上不连续。对于中分辨率卫星影像（如1 km），地形对地表长波辐射的影响变得不容忽视。为了获取具有空间连续性的地表长波辐射数据和提高反演精度，本研究综合考虑云层和地形对地表长波辐射反演的影响，建立基于MODIS数据的地表长波辐射反演模型。（1）提出山区地表长波辐射模型（TLRM），揭示了地形效应对山区长波辐射的显著影响。与TLRM相比，不考虑地形影响的模型在山区SLR组分反演中会产生明显的差异。（2）基于方向和等效亮温的建模证实复杂地形导致的热辐射各向异性。地形耦合太阳和观察几何以及亚像元变化，显著影响LSTR的方向性，并导致方向和等效亮温间的明显偏差。当忽略山区地形的三维结构及其热辐射的角度效应时，难以满足20 W/m2的SLR反演精度需求。（3）基于DEM和DSM数据评估天空可视因子算法的精度和适用性。基于城区DSM数据的验证表明D-F方法计算的SVF具有最佳精度；基于DEM数据的验证表明L-G方法表现最佳。更复杂的地表三维结构会增加坡度和坡向计算误差对SVF误差的影响。使用DSM数据计算坡度的问题更明显地导致了SVF偏差。因此，由于难以在DSM数据中定义坡度和坡向角，L-G和Helbig_h方法在城市SVF计算中具有更大的应用潜力。（4）基于全球41个BSRN的地面观测，Tang2008反演方法具有最佳精度。对于山峰站点，所有模型都高估了SDLR；海拔高度对SDLR反演精度没有显著影响，因此明显的正偏差表明地形可能是一个重要因素。（5）有云条件SDLR模型具有良好的验证精度，RMSE优于20 W/m2。基于被动微波数据的SULR反演模型证实了该数据的适用性；验证结果表明该模型具有很大的应用潜力。