基于遥感时间信息无需计算阻抗的地表水热通量协同反演方法研究

Estimation of surface water and heat fluxes using temporal information in remotely sensed data is significant for the development of quantitative remote sensing. To solve these problems of uncertainty of calculating resistance and the model sensitive to retrieval error of surface parameters at the instantaneous scale in the current remote sensing-based ET model, the project will try to develop a method to estimate surface water and heat fluxes using temporal information of surface parameters from remote sensing. The components in surface energy balance, i.e., sensible, latent and soil heat fluxes, and soil evaporation and vegetation transpiration, are all parameterized as the function of some unknown parameters relatively invariant in one day and the surface variables from remote sensing. The surface variables from remote sensing can include surface temperature, component temperature of soil and vegetation, air temperature, vegetation cover, soil moisture, and so on. With known surface net radiation, those unknown parameters can be solved by surface energy balance equation. The method can simultaneously estimate sensible, latent and soil heat fluxes, and soil evaporation and vegetation transpiration without resistance calculation. The project is helpful to improve the research level in quantitatively estimating surface water and heat fluxes, which will meet the needs of the nation for drought monitoring and water resource management.

利用遥感反演参数时间信息进行地表水热通量估算是定量遥感研究的重要方向。考虑到地表参数时间变化包含丰富的地表通量信息，针对现有遥感蒸散发模型中阻抗计算不确定、对单一时刻遥感反演参数误差敏感、以及时间信息没有充分被挖掘等问题，本项目旨在已有研究成果基础上，通过理论推导、模型模拟、数学求解、比较验证等手段，将地表能量平衡中的各组分（显热、潜热、土壤热通量以及土壤蒸散与植被蒸腾）分别参数化为一天内保持不变的未知参数及遥感可反演参数（地表温度、组分温度、气温、植被覆盖度、土壤湿度等）的函数，并基于地表能量平衡方程，在地表净辐射已知的前提下，将参数化方案中的未知参数估算转化为求解方程的数学问题，利用遥感反演参数时间信息，实现无需计算阻抗的显热、潜热、土壤热通量的协同反演，同时实现土壤蒸发与植被蒸腾的分离。项目研究有助于提高地表水热通量定量遥感研究水平，满足国家干旱监测、水资源管理等方面的需求。

蒸散发是地表能量平衡与水量平衡的重要组成部分，与全球气候变化、水资源管理、干旱监测等紧密相关。遥感是目前区域及全球尺度蒸散发估算的主要手段，精确的蒸散发估算是相关领域研究的前沿问题。基于遥感地表参数时间信息进行地表蒸散发估算是定量遥感研究的重要方向，也是新的研究思路。针对现有遥感蒸散发模型中阻抗计算不确定、对单一时刻遥感反演参数误差敏感、以及时间信息没有充分被挖掘等问题，本项目发展了一种改进的地表水热通量日变化模型，基于显热、潜热、土壤热通量简化参数化方案，利用地表参数时间信息，通过寻找先验知识约束地表能量平衡方程，在不计算地表阻抗的情况下对地表水热通量进行协同反演。遥感地表参数时间信息应用、地表水热通量协同反演是研究的主要创新点。利用美国通量观测站点数据以及北美陆面同化系统数据对简化参数化方案及联合求解模型在不同地表类型条件下的空间适应性进行分析，得出参数化方案精度通常较高，联合求解在湿润条件下估算精度优于干旱地区。从输入参数误差、参数化方案误差、优化算法求解误差、以及能量平衡不闭合误差等方面分析地表水热通量日变化模型的主要误差来源及参数敏感性，未知参数求解不稳定是地表水热通量日变化模型联合求解估算误差的主要原因。利用模拟数据，通过对未知参数与遥感可反演变量植被指数、土壤湿度等相关关系研究，获取先验知识对地表能量平衡方程求解进行约束。最终以日蒸散发为约束，对地表水热通量日变化模型进行改进，发展了从日蒸散发向瞬间蒸散发分解的方案。利用欧洲静止气象卫星MSG的地表辐射、地表温度等数据，通过改进模型进行一天内连续蒸散发估算，当日蒸散发精确给定时，估算结果与测量值间有较高一致性，优于MSG蒸散发产品。融合遥感地表温度信息进入ETMonitor模型，提升了日蒸散发估算精度，实现了植被蒸腾与土壤蒸发的分离。同时挖掘了遥感蒸散发在干旱监测及水资源估算等方面的应用潜力。