基于静止气象卫星数据的日尺度地表土壤热通量模型研究

The daily surface soil heat flux (daily G0) is a necessary variable for the daily land surface evapotranspiration estimation. Due to the lack of comprehensive and quantitative researches, some related models usually assume the soil absorbed energy is equal to the energy released during a day, which means the daily G0 is zero and it’s contrary to the fact. The diurnal and yearly variations of land surface temperature affect diurnal variation of G0 simultaneously. However, the remote sensed models only use the diurnal variation of surface temperature, and the information of yearly variations is underutilized. The geostationary satellite provides high temporal and long-time series of land surface temperature data. The project will try to develop a phase and amplitude of G0 model, including the effect of soil moisture, soil properties and harmonic frequency; Develop a daily G0 estimation model with the harmonic analysis theory and the new phase and amplitude of G0 model, based on a harmonic analysis of land surface temperature during a year which is derived from geostationary satellite; Validate the daily G0 model and optimize parameters with ground observation data. The project provides a solution for the daily G0 estimation, which will improve the surface evapotranspiration estimation accuracy and the land surface model’s simulation ability.

日尺度地表土壤热通量是地表蒸散发研究中的必需参数，由于缺少全面定量的研究，目前相关模型通常假定一天内土壤吸收和释放的能量相等即地表土壤热通量日均值为零，与事实不符。地表土壤热通量日间变化同时受地表温度的日间和年变化影响。但是，目前遥感地表土壤热通量模型中仅利用了地表温度日间变化，对年变化信息利用不足导致估算精度无法保障。静止气象卫星能提供高时间分辨率、长时间序列的地表温度数据。本研究旨在构建引入土壤水分的地表土壤热通量相位、振幅模型，建立土壤水分、土壤属性和谐波频率的参数化方案；利用年尺度的静止气象卫星地表温度数据，基于谐波分析理论和建立的相位、振幅模型构建日尺度地表土壤热通量谐波分析模型；基于地面观测数据对谐波分析模型参数进行优化。本研究为区域日尺度地表土壤热通量估算提供了解决方案，有助于提高地表蒸散发及陆面过程模拟能力。

地表土壤热通量（G0）是地表能量平衡的重要组成部分，绝大多数陆-气交互模式中均涉及G0。日尺度G0是地表蒸散发研究中的必须参数，目前几乎所有研究均认为日尺度G0为零，与事实不符。本研究基于谐波分析方法，利用风云2号静止气象卫星和其他卫星数据，研究区域日尺度G0值及空间分布。.本项目主要研究内容如下：.（1）评估谐波分析方法.谐波分析方法中需要土壤表面温度，在植被覆盖区，需要根据植被温度反演土壤表面温度。本研究基于黑河流域农田、草地、蔬菜和果园不同下垫面的站点观测数据，对Murray and Verhoef (2007)提出的植被温度和土壤表面温度日变化关系进行评估（包括振幅和相位）。.（2）改进谐波分析方法.经过研究发现，Murray and Verhoef(2007)提出的植被温度和土壤表面温度关系具有很大的经验性，在黑河流域并不适用。本研究利用植被覆盖度对植被和土壤温度日变化关系的相位进行改进。针对谐波分析方法对地表温度夜间变化的模拟与观测值存在较大差异的情况，基于半阶导数法能解决非谐波变化问题，本研究将谐波法和半阶导数法有效结合，G0计算精度有效提高。.（3）计算日尺度G0.基于改进的谐波分析方法，利用风云2号静止气象卫星和其他遥感数据，计算黑河流域日尺度G0分布。.本项目重要结果：黑河流域不同下垫面日尺度G0均不为零，其中盈科农田站5-9月份的值为-20~20W/m2，阿柔草地站5-9月份的值为-15~15 W/m2，蔬菜地和果园站6-8月份的值为-10~10 W/m2。.本项目关键数据：风云2号地表温度、AMSR-E土壤水分、全国土壤属性数据、MODIS NDVI、MODIS反照率，以及站点的多层土壤温湿度观测值、土壤属性观测值、植被区0cm土壤温度观测值。.本研究结果可作为地表蒸散发遥感估算的输入数据，以及陆面过程模型的输入数据，提高蒸散发估算及地表能量平衡研究的精度。对大范围水循环和气候变化研究有重要意义。