云天下行短波辐射遥感估算方法研究

Downward Solar Radiation (DSR) is the most important and primary source of energy for the Earth's ecosystem, while the spatial-temporal distribution of cloud changes the land-atmosphere energy and water re-distribution. This study aims to develop a radiative transfer theory based model for the estimation of DSR under cloudy sky. The primary factors of cloud, including cloud optical thickness and cloud drop effective radius, are retrieved with the integration of geostationary satellite (MTSAT) and moderate resolution polar satellite (MODIS). The outputs of the model are the instantaneous solar irradiance, hourly and daily DSR. The model is validated using four sets observations collected from the Heihe river basin, Huailai remote sensing test site, CERN, and China Meteorological Data Sharing Service System. Furthermore, the model is compared with global shortwave radiation data sets; meanwhile, the accuracy and sensitive factors of the model are also explored.

太阳短波辐射是地球生态系统最主要和最直接的能量，而云的时空分布改变了地表-大气间能量与水分的再分配。本研究将基于辐射传输的机理，以高时间分辨率的MTSAT静止卫星和中等空间分辨率的MODIS极轨卫星作为基础数据源，在实现静止卫星云光学厚度和云有效粒子半径遥感反演的基础上，构建云天瞬时及每小时/每日下行短波辐射模型，实现有云天气下区域下行短波辐射的遥感估算。利用黑河流域、河北怀来遥感实验场、CERN、国家气象观测网的太阳辐射站点实测数据，以及现有的全球短波辐射产品对模型结果进行不同时空尺度的验证，并对模型的精度及误差原因进行深入探讨。

本项目以结合静止和极轨卫星的云天下行短波辐射估算方法为研究目标，完成并取得了以下三项主要成果：1）结合时间差分法、动态阈值法和光谱特征法实现了静止卫星日间云检测；2）利用辐射传输模型，结合静止卫星和极轨卫星影像，分别实现了云天云光学厚度反演和晴天气溶胶光学厚度反演，在此基础上实现了瞬时下行短波辐射估算，采用时间积分法实现了小时及日均下行短波辐射估算；3）利用国家气象辐射观测站对估算的下行短波辐射进行了验证及比较分析，并在此基础上生产了2012年全年的下行短波辐射产品。. 基于地面实测资料分别对全国及青藏高原的模型结果进行了评估验证：对全国区而言，模型的总体偏差为10.13 W/m2 (5.86%)，均方根误差为35.83 W/m2 (20.72%)；青藏高原区总体偏差为3.20 W/m2 (1.53%)，均方根误差为36.56 W/m2 (17.50%)。青藏高原区模型没有明显的退化现象。对同类的三种卫星辐射数据集(GEWEX - SRB，GEWEX – QCSW和ISCCP - FD)进行了比较分析，三种卫星辐射产品的精度以GEWEX-SRB为最高，全国站点均方根误差为36.30 W/m2 (21.85%)，青藏高原区辐射低估，其平均偏差为-8.57 W/m2 (-4.13%)，RMSE为36.08 W/m2 (17.39%)；其次为GEWEX-QCSW；最差的为ISCCP-FD产品，全国站点验证的均方根误差(RMSE)为49.08 W/m2 (28.90%)，青藏高原区也呈现低估，系统偏差为-9.27 W/m2 (-0.20%)，均方根误差(RMSE)为50.36 W/m2 (24.06%)。. 对模型的误差分析结果表明：引起模型的主要误差是地表反照率和气溶胶模式及输入数据的影响。地表反射率20%的变化，引起的下行短波辐射的变化大致为5%，相比而言，气溶胶模式和输入数据的精度对下行辐射的影响占主要地位，乡村型气溶胶模式会使得地表反射率偏高，进而导致云光学厚度和气溶胶光学厚度偏低，从而使得总下行短波辐射反演值偏高。. 围绕本项目的研究内容已发表SCI文章2篇，会议论文2篇（含EI会议论文1篇），在审SCI论文1篇，申请国家发明专利2项。本项目研究任务完成情况良好，成果丰富。