全天候高空间分辨率地表长波辐射遥感反演研究

Surface longwave radiation budget is the important component of surface radiation budget. However, the spatial-temporal resolutions and accuracy of current surface longwave radiation products cannot meet the requirement of meteorological, hydrological, agriculture, and global change, etc. Based on our previous studies, this project aims to conduct an in-depth research on the estimates of all-sky high spatial resolution surface longwave radiation. The major studies include: (1) Developing new algorithms for estimating cloudy-sky high spatial resolution surface downward longwave radiation that incorporating the effects of cloud vertical structure and radiation properties; (2) Establishing the scale transform method for land surface temperature and derived cloud-day land surface temperature by integrating thermal-infrared and microwave surface temperature products using multi-resolution tree; (3) Combing the clear-sky algorithms for estimating surface radiation, realizing the estimate of the all-sky longwave radiation by synchronizing multi-algorithms for single surface longwave radiation component using the Bayesian model averaging. This project will help to establish the algorithm system for the estimate of all-sky high spatial resolution surface longwave radiation budget, improve the inversion accuracy of surface longwave radiation budget, and better service the study of international frontier science issues such as global change.

地表长波辐射是地表辐射收支与能量平衡的重要组成部分。现有的遥感长波辐射产品在空间分辨率、时间分辨率和精度上达不到气象、水文、农业、全球变化等研究领域的需求。本项目拟在前期研究的基础上，针对地表长波辐射遥感反演存在的问题，开展深入研究，具体包括：通过辐射传输模拟揭示云垂直结构和辐射特性对云天下行长波辐射反演的影响机制，发展云天下行长波辐射反演算法；建立统计意义上地表温度尺度转换模型，使用多尺度树（MRT）融合热红外、微波遥感地表温度产品，实现云天地表温度反演以及上行长波辐射反演；结合晴空高空间分辨率长波辐射反演算法，采用贝叶斯模型平均（BMA），集成单一长波辐射分量反演的多个算法，实现全天候高空间分辨率地表长波辐射反演；本课题的研究有助于建立全天候高空间分辨率长波辐射反演的方法体系，提高全天候高空间分辨率长波辐射的反演精度，从而更好地服务于全球变化等重大国际前沿科学问题研究。

围绕既定研究目标，本项目开展了三项研究，在每项研究上，皆取得了显著进展。（1）云天地表下行长波辐射估算单层云模型。因热红外传感器无法穿透云，仅能得到云顶温度信息，故云顶温度常用来计算云对地表下行长波辐射的贡献，在物理机制上不完善。实际上决定云天地表下行长波辐射的主要是云底温度。为此，本研究提出基于主被动遥感数据的云几何厚度反演算法，实现基于云属性参数的云厚反演，进而实现云底温度的反演，最后发展了基于云底温度的单层云模型，实现云天地表下行长波辐射得准确估算。（2）全天候地表温度反演方法框架。云天地表上行长波辐射估算，由地表温度和发射率决定。同样，热红外传感器无法获得云天的地表温度。本研究提出了新思路，即发展基于微波观测的地表温度反演算法，得到云下地表温度，在多尺度树得融合框架下，融合在分辨率、精度、空间完整性上具有互补得微波地表温度和热红外地表温度，实现1公里无缝地表温度反演。（3）长时间序列高分辨率全球地表长波辐射产品生成。结合前期研究成果，实现了2002-2020年全球高空间分辨率（1公里）长时间序列地表长波辐射产品生成，并在国内外免费发布。这是世界上首个地表长波辐射产品，发布后得到了多学科、多部门的广泛使用。此外，还生成了2002-2020中国区域1公里无缝地表温度产品，次产品一经发布，获得广发关注和大量下载，不到半年的时间，访问超过4000次，下载超过400次。综上，本项目完成了既定研究目标，在理论方法研究和定量遥感产品生成、发布、服务上，取得显著成果，具有一定的影响力。