考虑热辐射方向性的地表上行长波辐射估算模型和方法研究

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1、博士学位论文考虑热辐射方向性的地表上行长波辐射估算模型和方法研究作者姓名:胡添指导教师:柳钦火研究员中国科学院遥感与数字地球研究所杜永明副研究员中国科学院遥感与数字地球研究所学位类别:理学博士学科专业:地图学与地理信息系统培养单位:中国科学院遥感与数字地球研究所2018年6月SurfaceUpwellingLongwaveRadiationEstimationModelandMethodologyStudyConsideringThermalDirectionalityAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinp

2、artialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinCartographyandGeographyInformationSystemByTianHuSupervisor:ProfessorQinhuoLiuAssociateSupervisor:AssociateProfessorYongmingDuInstituteofRemoteSensingandDigitalEarthJune2018中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我

3、所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：日期：中国科学院大学学位论文授权使用声明本人完全了解并同意遵守中国科学院有关保存和使用学位论文的规定，即中国科学院有权保留送交学位论文的副本，允许该论文被查阅，可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。涉密的学位论文在解密后适用本声明。作者签名：导师签名：日期：日期：摘要摘要地表上行长波辐射是反映地球表面冷暖情况的指标，包括了地表所发射的在4-100μm波长范围的能量和反

4、射的大气下行长波辐射两部分。地表上行长波辐射是地表净辐射的重要组成部分，与地表及贴地大气层的增温或降温及蒸发、蒸腾的耗热紧密相关，从而直接影响到人类及其他生物生存空间的温度、湿度环境。在夜间以及极地区域，全年大部分时间里的地表净辐射都以地表上行长波辐射为主导。因此，准确的估算地表上行长波辐射对于研究地表能量循环和气候变化有着重要意义。遥感技术能够以较低成本提供时间和空间分辨率足够高的大范围对地观测数据，因此成为了估算区域尺度和全球尺度上地表上行长波辐射的唯一方式。目前，利用遥感数据估算地表上行长波辐射主要分为两种：一种是利用地表发射率和地表温度直接计算的物理模型，另一种是利用天顶辐亮度计算的混

5、合模型。在上述的两类方法中，地表都被假设为朗伯体，地表的热辐射方向性均未被考虑在上行长波辐射的估算中，这可能会对地表长波上行辐射的估算带来很大的误差，尤其是在稀疏植被地表。本文以在地表上行长波辐射估算中考虑地表热辐射方向性为研究目标展开，提出了两种基于核驱动模型的地表上行长波辐射估算算法，并利用黑河生态水文遥感实验（HiWATER）中采集的多角度航飞数据（WiDAS）验证了算法的有效性；并在卫星尺度上，通过MYD21温度发射率产品建立不同地表类型方向发射率查找表，考虑发射率方向性对地表上行长波辐射的影响，并利用地表辐射观测网（SURFRAD）进行了验证。热辐射方向性对稀疏植被地表的影响较为明显

6、，因此本文首先针对植被地表展开研究，利用4SAIL模型模拟分析了不同LAI情况下热辐射方向性对地表上行长波辐射估算造成的影响；并基于此，提出了混合模型法。在混合模型中，FRA97模型和核驱动模型分别被用来估算方向发射率和地表方向热辐射。通过传统的物理模型法，将FRA97模型和核驱动模型耦合，从而估算地表上行长波辐射。利用HiWATER实验中的气象站进行验证，结果表明考虑热辐射方向性最多能将地表上行长波辐射的估算精度提高约7.5W/?2。I考虑热辐射方向性的地表上行长波辐射估算模型和方法研究在混合模型法的基础上，为了克服FRA97模型只适用于植被地表的限制，提出了直接物理算法。该算法通过回归分析

7、通道有效辐射和宽波段辐射之间的关系，结合核驱动模型，直接从离地辐射估算地表上行长波辐射。在直接物理算法中，整个流程得到简化，从而避免了由于过多输入数据带来的误差积累。利用HiWATER实验中的气象站进行验证，结果表明直接物理算法适用于不同地表类型，且相较于混合模型法估算精度能提高约0.6W/?2。在卫星尺度上，利用MYD21地表温度发射率产品，考虑发射率的方向性。MYD21地表温度发射率产品通过温