我国西北几类典型裸土下垫面地表反射率和发射率的参数化和比较研究

By using the land-atmosphere interaction experiment data and satellite remote sensing data in NW China, we will select the Gobi, desert and loess Mesa typical underlying surface, and analyze the characteristics of the surface global solar radiation, reflected radiation, the surface up and downlong-wave characteristics, the total surface albedo and surface emissivity on these surfaces. We will research the solar spectral radiation including ultraviolet, visible light, infrared radiation its corresponding reflection of the surface radiation and reflectivity variation on these surfaces. Several major land surface models will be selected to compare and study the surface albedo and surface emissivity parameterization scheme. By using the data of the surface atmosphere and land process as a driver, test the simulation capabilities of several land surface model on the surface albedo and surface emissivity in these underlying surface,and analyze the main factors to influence the surface albedo and surface emissivityand its importance.The field experiment will be run on the solar ultraviolet, visible and infrared radiation to improve or create new surface albedo and emissivity parameterization scheme.The impact of the new scheme on the surface energy and water exchange will be researched.

利用我国西北干旱区陆气相互作用试验资料和卫星遥感资料，选择戈壁、沙漠、黄土塬等典型裸土下垫面，比较分析这些下垫面太阳总辐射、反射辐射、地表向上和向下长波的特征，总的地表反射率和地表发射率特征；比较分析这些下垫面太阳分光辐射包括紫外、可见光、红外辐射及其相应的地表反射辐射和反射率的变化特征；选择几个主要的陆面模型，比较研究其地表反射率和地表发射率的参数化方案，以近地层大气和地表过程的观测资料作驱动，检验主要陆面模型中现有地表反射率和地表发射率参数化方案在这些地域的模拟能力，分析影响地表反射率和地表发射率的主要因子及其不同下垫面这些因子的重要程度；根据研究结果进行地表辐射特别是太阳紫外、可见光和红外辐射的观测补充试验，改进或建立新的适合这些地区的分光和总的地表反射率和发射率的参数化方案，利用陆面模型研究其对地表能量和水分交换的影响。

选择戈壁、沙漠、黄土塬作为典型下垫面，在项目执行期间，多次进行了地表辐射特别是太阳紫外、可见光和红外辐射及其地表净辐射的观测试验，收集整理了这些观测试验和我国西北干旱区陆气相互作用试验资料，对比分析了上述典型裸土下垫面地表太阳总辐射、紫外辐射、可见光辐射、近红外辐射、地表长波辐射、地表反照率和地表发射率的变化特征，尤其是典型裸土下垫面地表太阳分光辐射及其反照率、总辐射及其反照率的变化特征，以及分光辐射与总辐射之间的关系。发现三类下垫面下垫面地表总辐射和各波段分光辐射变化特征及趋势一致，天气状况对地表辐射影响较大，三站点各波段分光辐射占总辐射比例基本保持不变。整体而言，该地区可见光占比和近红外占比分别约为40.2% 和54.4%，这一实测结果与陆面模型中指定的可见光与近红外辐射各占50%不一致。典型晴天地表对太阳总辐射和分光辐射反照率的日变化均呈“U”型分布，荒漠戈壁、沙漠和裸露黄土站地表对可见光和近红外辐射的反照率平均值分别为0.231、0.211和0.142，以及0.266、0.252和0.255。荒漠戈壁、沙漠和黄土下垫面地表宽波段发射率具有明显的变化特征，发射率的数值大小和变化特征与陆面模式中所指定的参数化情况不符，表层土壤湿度对地表宽波段发射率有明显影响。太阳高度角和表层土壤湿度是决定干旱半干旱地区裸土下垫面的地表反照率变化特征的重要因子，地表反照率随太阳高度角的增大而减小，当太阳高度角大于40°时，地表反照率趋于稳定，与太阳高度角呈e指数关系。地表反照率与表层土壤湿度呈线性关系，反照率随着土壤含水量的增大而逐渐减小。. 利用典型戈壁下垫面野外观测站资料，以WRFv3.7.1为研究工具，陆面过程方案分别选取Noah和CLM4.5两种不同陆面模式，评估了Noah和CLM4.5模型中裸土地表反照率参数化方案在西北典型地区的适用性，结果表明，Noah和CLM4.5两模型中对裸土地表反照率的模拟均无明显的“U”日变化特征，且Noah陆面模型模拟的反照率数值比实测值偏大，而CLM陆面模型模拟的反照率数值比实测值偏小。根据对观测资料的分析，建出了一组新的适合该地区的裸土地表反射率双因子参数化方案，新方案所模拟的反照率数值也与实际观测值非常接近，可很好再现干旱区戈壁下垫面的变化特征及其数值大小。