林区有云条件下太阳短波辐射量的遥感估算方法研究

As one of the most complicated and most functional components of the terrestrial ecosystems, forest plays a key role in maintaining the ecological balance, dealing with the climate change and protecting the biodiversity. Solar radiation is not only the driving force for the earth's matter and energy cycle, but the only energy source for the plant photosynthesis. Two most important and difficult factors that affect the solar radiation balance over the forest area are clouds and complex terrain. However, up until now few attempts can fully consider the effects of the cloud and the terrain, especially the combined effects of these two factors. To overcome this challenge, we are dedicated to create a physically radiative transfer model which is supposed to describe the combine effects of the cloud and the complex terrain on the surface solar radiation components. In this modified model, the solar-cloud-land surface-viewing geometries will be thoroughly considered based upon the traditional one-dimensional plane-parallel radiative transfer model, such as MODTRAN. Afterwards, the combination of the comprehensive simulation and the artificial neural network will be utilized to construct an operational algorithm to estimate the solar radiation components under partially cloudy situations over forest areas. Field experiments and the existing radiation observational sites over the forest areas will support the validation of the estimation results, which can either justify the effectiveness of our proposed methodology or offer a reason to further improve it. In the end, the comparison of the results from both the physically radiative transfer model before and after modification will be operated in a series of spatial scales, which is used to analyze the spatial scale effects of clouds and topography on the surface solar radiation components.

森林作为结构最为复杂、功能最为完备的陆地生态系统，在维护生态平衡、应对气候变化、保护生物多样性等方面均发挥着关键性的作用。太阳辐射是整个地球系统物质与能量循环的主要驱动力，也是森林植被进行光合作用的唯一能量来源。对于林区而言，影响地表短波辐射平衡的两大最为复杂的要素是云和地形。目前多数研究均未充分考虑到云和复杂地形的综合影响，本项目将致力于考虑太阳-云-地-传感器四者之间的三维几何关系，在平坦地表辐射传输模型的基础上，创建能综合考虑云和地形的辐射传输物理模型，在此基础上，建立适合森林覆盖区域有云条件下太阳辐射量的遥感估算参数化方法，实现林区高空间分辨率地表短波辐射分量的准确估算；利用野外实验以及站点观测的辐射数据对所提出的林区有云条件下太阳短波辐射传输模型及其辐射量的估算结果进行验证。通过在一系列不同的空间尺度上对比改进前后模型的估算结果，定量分析云和地形对地表辐射量影响的空间尺度效应。

太阳辐射是森林植被用于光合作用从而进行生长发育的唯一能量来源，其对森林植被的生产能力具有显著的影响。因此，研究太阳辐射的大小和空间分布对于森林覆盖区而言是非常重要的。然而，在云和地形的影响下，森林覆盖区太阳辐射涉及的问题非常复杂。本项目分别从云和地形两个角度出发，对森林覆盖区与太阳短波辐射有关的量进行了探索性的研究，其中云为粗尺度研究，地形为精细尺度的研究。主要研究内容归纳如下：（1）粗尺度有云条件下地表短波辐射建模及敏感性分析；（2）有云条件下地表瞬时短波辐射的空间尺度分析；（3）结合极轨和静止卫星数据估算有云条件下地表短波辐射的算法研究；（4）地形因子对林分直径分布结构的影响分析；（5）基于5景高空间分辨率光学卫星影像及高精度的数字高程模型，研究地形引起的太阳辐射变化对林冠反射特征的影响。各项研究内容对应的研究结果归纳如下：（1）在粗尺度上，影响地表入射短波辐射最关键的因子依次为云覆盖度、地表反照率和太阳天顶角，故简化的粗尺度地表入射短波辐射估算模型中，与云有关的参数可仅考虑云覆盖度。（2）选择青藏高原为示例区域进行了定量的空间尺度分析，结果表明20km是考虑云覆盖度的一维辐射传输模型应用的最优临界尺度，该值与现存的涉及复杂三维辐射传输模拟的研究结论基本一致。（3）模拟验证和实际数据验证的结果表明，结合极轨卫星和静止卫星数据进行地表短波辐射的估算方法是简单易行的。（4）从精细的空间尺度上看，不同龄组杉木人工林的直径分布结构在阴坡和阳坡表现出明显差异，说明了坡向作为控制太阳辐射的关键变量之一，显著影响着树木的生长。（5）受地形影响的太阳有效入射角度和观测有效角度均对林冠方向性反射特征造成不同程度的影响，影响的幅度更多地受控于林分的生长状态且基本上独立于空间尺度。本项目的诸项研究结果均有助于深入理解森林覆盖区有云条件下太阳短波辐射量及其影响。