多源地表下行辐射产品同化研究

Surface downwelling radiation flux (including surface incident shortwave and longwave radiation components) drives the evolution processes of land surface states and fluxes, and is one of the most important forcing for land surface models, hydrological models and ecological models. Limited by the accuracies of required atmospheric state parameters, currently traditional deterministic estimation approaches have been difficult to essentially improve the estimation of surface downwelling radiation flux. Therefore, our research would consider the uncertainties of satellite-based inputting parameters, while developing surface downwelling radiation flux remote sensing model, and assimilate multi-source surface radiation products to improve the estimated accuracy of surface downwelling radiation flux with high spatiotemporal resolution and reduce its uncertainty, under Bayesian data assimilation framework. This project would not only broaden and deepen the research approaches to estimate surface downwelling radiation, enhance and improve the researches and applications of data assimilation on merging multi-source radiation information, but also provide a more plentiful and reliable radiation forcing field for accurately modeling land surface, hydrological and ecological process.

地表下行辐射（含地表入射的短波和长波辐射）驱动了地表状态和通量的演变过程，是陆面过程模型、水文模型和生态模型等最重要的强迫之一。受所需大气状态参数精度的限制，目前传统的确定性估计方法已经很难对地表下行辐射通量的估算再有实质性的提高。因此，本研究拟在发展地表下行辐射通量遥感估算模型的同时，考虑输入参数的不确定性；在贝叶斯数据同化框架内，融合多源地表下行辐射产品，改进高时空分辨率地表下行辐射通量的估计精度并减少其不确定性。通过本项目的实施可以：拓宽和深化地表下行辐射通量估算的研究方法，增强和提高数据同化在多源辐射信息融合方面的研究和应用，为陆面、水文和生态过程的精确模拟提供更丰富、更可靠的辐射强迫场。

在国家自然科学基金的资助下，本项目“多源地表下行辐射产品同化研究”（项目批准号：41571358）取得了以下的科研成果：1）发展了一种新的地表短波辐射和光合有效辐射参数化方案，在新的参数化方案中云天大气被分为三层，基于每一层中的辐射传输过程，臭氧的吸收、云层上的瑞利散射、水汽吸收、云的单次散射、云的多次散射、气溶胶吸收和散射、云层下的瑞利散射等辐射传输过程都被分别解释了；2）基于新的参数化方案和贝叶斯融合技术，通过融合GEWEX等多源地表下行辐射产品，生成了黑河流域的地表太阳辐射、光合有效辐射和净辐射产品；3）利用HiWATER在黑河中游的通量矩阵观测试验，探讨了地表太阳辐射站点点观测的空间代表性，分析了单站点观测验证公里尺度和网格尺度遥感产品时的代表性误差及其特征。通过本研究可以得到以下结论：1）贝叶斯融合技术可以很好地去除高斯误差，但是对系统性偏差效果并不是很明显，由于目前基于辐射传输过程参数化方案在云天时存在系统性误差，因此融合效果并不是十分理想；2）太阳辐射点观测的代表性误差不仅受所验证产品的空间分辨率影响，也依赖于所验证产品的时间分辨率，只有在逐日或更长的时间尺度上，代表性误差的问题才可以忽略。本项目目前发表SCI论文5篇。