基于过程统计的三峡库区水平面太阳辐射模拟研究

Solar radiation is the principal and critical energy for land surface process, as well as the fundamental driving force for the evolution of macrocosmic ecosystem. Understanding temporal and spatial variation of solar radiation is critical to study the macrocosmic ecosystem evolution of Three Gorges reservoir areas. However, limited solar radiation station is not sufficient to study solar radiation change pattern. Therefore, modeling the horizontal solar radiation, direct radiation and diffuse radiation is carried out using the theories and methods of atmospheric science, statistical analysis, remote sensing and geographic information system, and numerical modeling. The empirical relationship and a new learning machine algorithm, support vector machine, are developed using the commonly measured meteorological variables and 50 years long data in Three Gorges reservoir areas. The integrated model of physical process and empirical method is developed using the major atmospheric constituents, including cloud fraction, cloud optical thickness, precipitable water vapor and aerosol optical thickness which are retrieved from MODIS atmospheric product by quantitative remote sensing technique. Then, combing the measured meteorological variables and remote sensing technique and that integrated approach to model the horizontal solar radiation, direct radiation and diffuse radiation in Three Gorges reservoir areas. The developed model could facilitate the study of the driving mechanism and evolution processes of macrocosmic ecosystem evolution of Three Gorges reservoir areas.

太阳辐射是地表过程的最终能量来源，是驱动宏观生态系统演化的根本动力，科学理解其演变特征是研究三峡库区新生生态系统演化的基础，然而地面辐射观测站数量的稀少，远远不能满足研究的需要。本项目将综合运用大气科学、统计分析、遥感与地理信息系统以及数值模拟等学科理论和技术方法，开展三峡库区水平面太阳总辐射、直接辐射和散射辐射的数值模拟研究，以近50年的气象观测数据，构建基于气象要素模拟辐射的统计和支持向量模型；利用定量遥感技术提取大气剖面参数，以云量、云光学厚度、气溶胶光学厚度和可降水量概化作为辐射传输过程的主要影响因素，研究建立基于遥感的物理过程与统计相衔接的辐射模拟方法；在此方法的支持下，耦合地面气象要素，实现物理过程与统计相衔接、地面观测与遥感相耦合的太阳总辐射及分量数值模拟。为科学阐明三峡库区逆水位变化背景下辐射演变特征、深入研究三峡库区新生生态系统演化驱动机制和方向提供科学技术支撑。

太阳辐射是地表过程的最终能量来源，是驱动宏观生态系统演化的根本动力，科学理解三峡库区辐射演变特征是研究三峡库区新生生态系统演化的基础，然而地面辐射观测站数量的稀少，远远不能满足研究的需要。本项目综合运用大气科学、统计分析、遥感与地理信息系统以及数值模拟等学科理论和技术方法，开展了三峡库区水平面辐射数值模拟研究。以近50年的气象观测数据，利用经典统计方法，建立水平面辐射统计模型，利用机器学习算法和常规气象因子构建了模拟辐射的支持向量机模型；利用定量遥感技术提取大气剖面参数，以云量、云光学厚度、气溶胶光学厚度和可降水量概化作为辐射传输过程的主要影响因素，采用逐步回归方法和机器学习算法，构建了数据驱动模型，采用机理与经验方法，量化不同大气参数对辐射的透射和散射率，构建了基于遥感的物理过程与统计相衔接的辐射模拟模型；耦合地面气象要素和遥感反演大气剖面参数，构建了物理过程与统计相衔接、地面观测与遥感相耦合的辐射模型。本项目共发表论文8篇，其中SCI 5篇，研究取得的结果对推动辐射模拟创新发展及全球辐射参数化具有重要的理论和应用价值，研究结果立刻引起了同行的高度关注，并被全球可再生能源创新联盟当选为关键科学论文，并作为研究亮点在网站首页进行了报道。研究所建立的模型将为重构三峡库区的辐射变化数据序列提供了技术支持，也为科学阐明三峡库区辐射演变特征、深入研究三峡库区新生生态系统演化驱动机制和方向提供科学技术支撑。