基于遥感数据的空气动力学粗糙度和零平面位移高度估算

Aerodynamic roughness and zero plane displacement height are key variables of parameterization of momentum and heat, and many of the surface energy balance model requires detailed information of these two parameters. This study uses the morphological model based frontal wind area index to calculate the aerodynamic roughness and the zero-plane displacement height and integrates vegetation coverage fraction to the model. The model not only embodies the dynamic characteristics of individual roughness elements but also represent the impact that the overall layout of roughness elements exert to airflow.The model will be optimized based on land cover types in the research and frontal wind area index will be derived from optical remote sensing data. In succession, the sensitivity of the frontal area of roughness element and coverage fraction relative to the aerodynamic roughness and zero plane displacement height will be analyzed.This study will persent the complete development framework including model and method to produce input data.

空气动力学粗糙度和零平面位移高度是动量和热量参数化的关键变量，目前很多研究地表能量平衡的模型都需要这两个参数的详细信息。本研究采用以迎风面积指数作为形态变量的形态学模型作为基础，在模型中引入植被覆盖度信息，使模型既体现个体粗糙元的动力特征又包括总体分布对气流的影响。发挥遥感技术优势，应用光学遥感数据反演植被单位迎风面积，根据土地覆盖类型优化模型参数，并分析粗糙元单位迎风面积和覆盖度相对于空气动力学粗糙度和零平面位移高度的敏感性。解决形态模型动力参数反演的模型和输入数据问题，提供空气动力学粗糙度和零平面位移高度的完整开发法案。

空气动力学粗糙度和零平面位移高度是很多气候模型和陆面模式中的重要参数，采用气象学方法推导这两个参数对于大范围长时间序列的计算需要大量长期的野外观测，而遥感方法可以快速经济的提供大范围数据。本研究采用遥感方法生产形态模型所需要的各种数据，进而利用模型计算空气动力学粗糙度和零平面位移高度。研究中首先利用MODIS产品计算黑河流域空气动力学粗糙度和零平面位移高度，利用实测数据验证了模型，发现模型计算得到的变化趋势同理论相符合。京津唐地区是我国城市化快速发展的代表性区域，长期城市快速发展导致气候变化。为了获取土地利用数据，结合面向对象和基于像元的方法分类Landsat影像，根据不同时期影像分析变化区域，更新变化区域土地利用，最终获得京津唐1990,2000,2010年土地利用数据。为了获得建筑高度从而分析城市空气动力学粗糙度和零平面位移高度绝对值，根据资源三号卫星像对计算了北京城区数字高程数据。配合建筑分布数据，提取出北京建筑高度，进而利用形态模型计算北京城区空气动力学粗糙度和零平面位移高度。分析表明城区空气动力学粗糙度和零平面位移高度与建筑高度、朝向显著相关。