卷云条件下热红外数据地表温度遥感反演方法研究

Land surface temperature (LST) is an important indicative parameter for the study of land surface energy budget and climatic variations, and the retrieval of LST using satellite thermal infrared data is widely studied with various retrieval algorithms been proposed. However, those algorithms are mostly developed based on the clear-sky criteria. Thus, under semitransparent cirrus-skies that frequently occurred at global scale, the LST can be estimated with a large error or filled with null. To address the issues, the influences of cirrus optical depth, effective radius, and cloud top high on estimation of LST will be studied. In addition, the cirrus-sky atmospheric radiative transfer equation in thermal infrared channel is proposed with considering the influences of cirrus absorption and scattering. Based on the up to date products of remote sensing technique for cirrus parameters, the LST retrieval algorithm will be proposed with solving the multivariable equations of thermal infrared channels or with adding the correction term based on the traditional clear-sky algorithm, assuming that the atmospheric and cirrus radiative temperatures are equivalent between different channels, respectively. Finally, the accuracy of the proposed algorithm will be evaluated at some elaborately selected representative and homogeneous test sites. The method proposed in this study can be valuable for the numerical weather simulation and climate change research in the future work.

地表温度是表征地表能量平衡和气候变化的一项重要指示性指标，国内外学者目前已发展了多种热红外数据地表温度遥感反演算法，反演精度日趋提高。但传统热红外地表温度反演算法多以晴空条件作为理论基础，当卷云这种在全球尺度范围内常见又半透明的大气现象出现时，晴空算法将无法适用或带来较大反演误差。为反演卷云下地表温度，首先综合分析卷云光学厚度、等效粒径和云顶高度等参数变化对热红外地表温度反演的影响。其次，构建考虑卷云吸收和散射影响的热红外通道大气辐射传输方程，假设不同通道间大气以及卷云的等效温度相等，通过多个通道联立求解地表温度或在晴空算法基础上增加误差修正项，并利用卷云相关遥感信息对物理指标进行参数化，构建一套考虑卷云影响的热红外地表温度反演模型。最后选择若干具有代表性的验证场地对反演模型进行真实性检验，提高卷云下地表温度反演精度，为数值气象模拟和气候变化研究提供精确且覆盖更全面的基础数据做出贡献。

卷云一般位于对流层顶部和平流层底部，具有极低的温度，因而较薄的卷云就会显著降低遥感器热红外通道接收的辐亮度，并对地表温度的遥感反演带来较大误差。此外，卷云在全球尺度范围内均有分布且出现频率较高，如全球平均17%-30%的时间被卷云所笼，而低纬度地区可达80%，因此亟需发展卷云条件下的热红外地表温度反演模型。本基金在综合定量分析卷云分布高度、等效粒径、光学厚度和云层覆盖度等因素对热红外地表温度反演影响的基础上，利用上述因子参数化卷云对地表温度反演的影响量值，构建了基于上述因子的卷云条件下地表温度反演物理模型，以提高卷云条件下热红外地表温度的反演精度。为检验该方法的反演精度，考虑到全球海面布设有大量浮标观测数据且海面温度相比地表温度具有较高的空间一致性，可以避免验证场地不均一带来的影响，本研究在全球范围从北纬0°到北纬55°以约5°为间隔，从National Data Buoy Center选取了11个浮标站点各一年期观测数据（数据大部分为2018年数据，个别浮标该年没有观测数据，选取其他年份观测数据）。基于云掩膜产品筛选出卷云像元后，分析了MODIS热红外通道海面温度产品与浮标量测海面温度之差，即卷云对海面温度遥感反演的影响，并基于MODIS云产品中卷云光学厚度、等效粒径和云顶高度对该温度误差进行了改正。实测数据表明，本研究提出的方法能显著降低卷云条件下海面和地面的温度反演精度，应用该方法，可将卷云条件下误差大于10K的MODIS 海面温度产品误差降低为约2.2 K。本研究提出的卷云下地表温度的精确定量反演，为全球数值气象模拟和气候变化等研究提供精确可靠的地表温度数据服务，从而为提高全球变化监测水平和应对诸多重大自然灾害挑战等方面做出贡献。