城市下垫面粗糙特性时空特征雷达遥感监测及气候环境影响研究

The rapid urbanization process dramatically alters the surface roughness and urban boundary layer dynamics, which in turn results in more frequent air pollution and extreme weather. Along with the acceleration of urbanization process, the surface roughness in urban areas takes on more complex spatial-temporal patterns, which makes parameterization method for urban roughness mapping very urgent. SAR (Synthetic Aperture Radar) sensor is very sensitive to target’s geometric structures, and can be used to derive target’s 3D parameters, and thus owns enormous preponderances for the dynamic monitoring of urban roughness caused by urbanization. In this project, retrieval methods for urban canopy parameters will be firstly developed using high resolution polarimetric and interferometric SAR data. Then suitable urban roughness radar index (URRI) and quantitative models for urban roughness retrieval will be developed with the aid of scale and orientation analysis. Then the weather research and forecasting (WRF) model will be employed into the validation experiments in temporal and spatial domains. And at last the effectiveness of SAR data for descripting the spatial-temporal characteristics of urban roughness and its significance for the research of ground wind and the air pollution diffusion resistance will be evaluated. The research will set up effective parameterization method for urban roughness mapping, and provide more accurate inputs for urban climate and environment parameters modelling. It is of great significance for urban development and planning, urban environment improvement, as well as urban meteorological disaster mitigation.

快速城镇化进程急剧改变了下垫面的粗糙特性，引发了雾霾长时间滞留、短时强降雨、城市内涝等一系列气候环境问题。随着城镇化进程的加速，下垫面粗糙特性呈现为更复杂的时空特征，这就要求最好采用参数化的方法对其进行动态描述。星载SAR对几何结构敏感，能同时获取目标空间分布及高度维特征，对于城镇化过程引起的下垫面粗糙特性变化监测具有明显优势。因此，本项目将研究利用高分辨率极化、干涉雷达遥感数据反演城市冠层参数的方法；在此基础上，借助尺度与方向性分析，建立适用的下垫面粗糙特性雷达遥感指数和定量反演模型；并利用WRF模型模拟和时间域、空间域的验证实验，评价雷达遥感数据对于表征城市下垫面粗糙特性时空分异规律及其对近地面风场、大气污染物扩散阻尼作用的有效性。本研究将建立有效的城市下垫面粗糙特性参数化方法，为城市气候环境模拟分析提供更准确的输入，对于城市科学发展与规划、环境质量改善、减缓气象灾害等具有重要意义。

随着城镇化进程的加速，城市下垫面粗糙特性呈现为更复杂的时空特征，要求采用参数化的方法对其进行动态描述。星载SAR对几何结构敏感，能同时获取目标空间分布及高度维特征，对于城镇化过程引起的下垫面粗糙特性变化监测具有明显优势。因此，项目引入雷达遥感技术，建立了基于高分辨率、极化、干涉雷达遥感数据的城市冠层参数提取方法；在此基础上，发展了适用于不同尺度的城市粗糙度定量反演模型；将城市粗糙度定量反演模型引入WRF和WRF-Chem模型，有效改善了对近地面风场和PM2.5模拟的精度，表明项目研究建立的城市下垫面粗糙特性参数化方法，可以有效地为城市气候环境要素模拟分析提供更准确的输入参数，对于城市科学发展与规划、环境质量改善、减缓气象灾害等具有重要意义。.（1）针对城市目标与场景的特点，分析了典型城市地物类型在高分辨率SAR图像上的散射特征、极化特征、干涉特征，以及这些特征的方向特性和尺度特性；分析了这些特征参数对于描述城市冠层参数的敏感性，认为后向散射系数、极化分解参量对于城市粗糙度较敏感，在利用SAR数据进行城市粗糙度参数化分析时应选取合适的上风向扇形区域尺寸。.（2）针对各类SAR数据的特点，开展了基于高分辨率单极化、全极化、干涉SAR数据的城市冠层参数提取方法研究，建立了基于InSAR数据提取粗糙元高度的方法，利用高分辨率TSX/TDX双星干涉测量数据生成DSM，再利用MSD滤波算法计算建筑物高度；提出了综合利用SAR和夜间灯光数据快速更新下垫面参数信息的方法。.（3）结合地面和实验测量数据，借助尺度和方向特性分析，利用多变量分析技术研究上风向扇形区域尺寸设置对于城市下垫面粗糙特性反演的影响；基于空气动力学粗糙度理论和经验计算模型，分别建立了基于后向散射系数、极化分解参量，以及将InSAR数据引入局地气候分区LCZ方法的城市下垫面粗糙度定量反演模型；并利用多源、多时相SAR数据分析了研究区城镇化过程引起的下垫面粗糙度特性的时空分布规律。.（4）将城市下垫面粗糙度参数化方法引入WRF模型及WRF-Chem耦合模型，分别以京津冀为实验区，以近地面风场为模拟对象，以北京市为实验区，以PM2.5为模拟对象，利用同期获取的气候环境要素监测数据和地面实验测量数据对模型模拟精度和效果进行评价，在不同尺度上验证分析了基于SAR数据的下垫面粗糙度参数化方法对于模型改进的效果。