浑善达克沙地沙尘气溶胶的辐射强迫

利用2001年春季浑善达克沙地外场观测的辐射资料及大气辐射模式,对沙尘气溶胶的局地辐射强迫进行了分析和模拟估算。计算结果表明,浑善达克沙地大气透过率日变化显著,晴天可达0.80以上,沙尘天气最低在0.01以下;白天沙尘的辐射强迫对地表有冷却作用,夜间起保温作用。观测期间,平均大气透过率为0.6,白天沙尘对地面向下长波辐射的平均强迫增加量为16.76 W.m-2,对地面净辐射能收支的平均强迫减少量为62.76 W.m-2;夜间地表长波辐射净损失量因沙尘作用减少,平均为67.84 W.m-2。     

从FY-4静止气象卫星估算晴空地表下行长波辐射通量的反演模式

通过红外辐射传输模拟,计算了446183条全球晴空大气廓线的地表下行长波辐射通量以及FY-4成像仪通道亮温,应用统计回归分析模拟结果,建立了通道亮温与低层大气有效辐射温度的回归关系、大气柱总可降水量与低层大气比辐射率的回归关系,依据黑体辐射定律建立了由卫星观测估算地表下行长波辐射通量的反演模式。初步地,模式应用于FY-4成像仪代理资料Meteosat-8卫星的SEVIRI（Spring Enhanced Visible and Infared Imager）仪器观测数据,估算了2006年8月1日00:00（协调世界时,下同）、06:00、12:00、18:00地理范围在（45°S～45°N,45°W～45°E）的地表下行长波辐射通量,结果与用ECMWF 6 h预报场资料经验计算的通量相比,系统均方根误差（RMS）依次为12.1、13.0、20.7、12.5 W/m2,相关系数分别为0.9256、0.9291、0.9042、0.9325,相比于GOES-R同类产品（RMS=13.7 W/m2）,这一直接把卫星通道亮温与低层大气温度相联系的反演模式,其精度性能达到了应用研究对其反演产品的质量要求。     

边界层温度廓线遥感反演的本地化改进研究

采用MODIS资料和美国发展的MODIS大气温、湿度廓线统计反演算法,估算大气温度、湿度廓线作为初始场,应用101层快速透过率模式(PFAAST)估算了大气透过率,并采用Newton非线性迭代算法反演中国西北荒漠戈壁地区大气温度廓线。结果表明:该方法对边界层高度及以上部分的大气温度反演得比较好,误差基本都在2 K范围内,边界层范围内的温度反演误差较大,反演误差与气溶胶光学厚度增量和地表温度估算误差呈显著正相关关系,与大气水汽混合比的关系较差。文中从敏感性试验和理论分析角度阐述了地表温度和气溶胶光学厚度估算误差对大气温度反演误差的影响,发现不同光谱波段的地表温度权重均随地表温度的增加有不同程度增加,地表温度反演误差增加将增加地表温度权重,提高地表温度估算误差有助于提高地表温度权重的精度;荒漠戈壁地区大气边界层中气溶胶浓度较高,光学厚度较大,使边界层大气透过率降低,进而降低卫星红外遥感波段的地表温度权重和空气温度权重。由于该模式没有很好地考虑边界层中沙尘气溶胶的影响,使卫星反演的大气透过率偏高,以至于高估地表温度权重和大气温度权重,使得反演的表面温度和空气温度偏低。该研究结合太阳光度计获得的光学厚度资料,采用统计方法对气溶胶效应引起的大气透过率误差和表面温度估算误差进行校正,并对物理算法进行本地化改进,实现了边界层温度廓线的反演。     

塔克拉玛干沙漠腹地的长波辐射变化特征

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站(塔中站)实测的长波辐射资料,分析了流动沙漠区的长波辐射特征.结果表明:地表长波辐射能具体地反映地表失去热能的状况.在沙漠区,由于地表层的湍流运动较强以及下垫面温度与空气温度的差值较大,使得地表向大气传输的热通量较大,所以地面长波辐射值较大,有时接近于总辐射,最小值出现在日出前,最大值出现在15:00左右;由于大气中的水汽含量及云量较少,而沙尘气溶胶含量较高,所以大气长波辐射较大,沙漠区有效辐射也较大,为我国有效辐射年总量最高的地区之一.地表放射的净长波辐射在太阳总辐射中所占的比例小于地表反射辐射,只有在春、夏季两者较接近,且以反射辐射大些.区域气候变化过程中,沙漠加热场的强度是沙漠局地天气气候变化的主要影响因素之一.     

基于MODIS遥感产品估算西北半干旱区的陆面蒸散量

在中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据产品的基础上,使用MODIS地表温度替代净辐射及蒸散模型中的气温进行计算,并利用兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL)的实测资料对模型进行修正。将模型修正前后估算的SACOL站和定西干旱气象与生态环境试验站(定西站)的净辐射和蒸散与实测值进行对比。结果表明,MODIS的白天\夜间地表温度与日最高\最低气温之间具有很好的相关性,相关系数都超过0.75,使用其替代气温进行净辐射和蒸散的估算是可行的,且各参数具有明确的物理意义。通过比较模型估算值与地面通量观测站的实测值发现:使用实测资料对模型进行修正后,净辐射和蒸散的估算结果较修正前有了明显的改善。净辐射估算值与实测值之间的均方根误差减小到25.93 W·m~(-2);修正后模型估算的SACOL站和定西站蒸散更接近于实测值,均方根误差分别减小到0.81 mm和0.68 mm,相关系数都增加到0.6以上,通过了0.01显著性水平检验;且遥感估算的区域蒸散分布特征与地表覆盖特征相符,说明利用修正后模型估算的净辐射和地表蒸散是合理的,由于这种估算净辐射和蒸散的模型不需要任何实时地面资料的辅助,可以为观测资料缺乏地区的辐射及蒸散研究提供一种新的思路。     

西藏林芝地区混合像元MODIS地表温度产品验证

西藏林芝地区地形复杂、土地覆盖类型多样,MODIS地表温度 (land surface temperature,LST) 产品验证面临处理混合像元的难题,为获得与像元尺度 (1 km) 相匹配的地表温度数据,该文提出采用多点同时观测结合面积加权的方法,将该方法应用于验证林芝地区2013年6月10日夜间晴空MODIS/LST产品。结果显示:单点观测对像元的代表性不足,容易低估产品精度 (10个样本均方根误差为2.2 K),面积加权法可获得综合性更好的地面LST信息,对MODIS/LST产品的精度给出更高的评价 (30个样本均方根误差为1.40 K)。对于地表类型混杂程度高且地势较为平坦的像元,面积加权法的优势更为明显,可将卫星LST产品与地面LST之间的差异由3 K降至1 K以内。     

辐射传输模式中地表参数对大气长波辐射的影响

本文利用Liou-Ou一维宽带辐射传输模式，对地表热力参数取值部分作了改进，使用模式大气和青藏高原实测资料对下垫面温度与地表空气温度两者不能合二为一的问题进行了分析，同时还讨论了下垫面温度的日变化对大气长波辐射通量日变化的影响及地表比辐射率的变化对大气长波辐射通量计算结果的修正作用。     

中国西北三类典型裸土下垫面地表宽波段发射率变化特征研究

利用2013年我国西北戈壁、沙漠和黄土塬区三类典型裸土下垫面野外观测试验资料,探究了上述地区地表向下、向上长波辐射（DLR&ULR）、地表温度（LST）和地表宽波段发射率（LSBE）的变化特征,结果表明:黄土站地表ULR和LST明显比戈壁和沙漠站偏低;戈壁宽波段发射率（GbBE）、沙漠宽波段发射率（DeBE）和黄土宽波段发射率（LoBE）具有明显的变化特征,尤其是日变化特征;观测期内GbBE、DeBE和LoBE平均值分别约为0.926±0.0452、0.916±0.0419和0.881±0.049。三站点地表宽波段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。地表发射率会受站点周围环境和当时气象条件等因素的影响,表层土壤湿度被认为是一个非常重要的影响因子,将来的野外观测试验中需加强相关影响要素的观测与分析。     

从FY-4A卫星遥感数据和GFS资料估算全天空状况下的地表长波辐射通量

本文介绍一种利用FY-4A成像仪遥感数据和全球预报系统(GFS)资料估算全天空地表长波辐射通量的反演方法。该方法通过辐射传输模拟和统计回归计算建立云天地表下行长波辐射通量的反演模式,并基于GFS资料处理云覆盖地区的地表上、下行长波辐射通量。这种全天空状况下两种通量的反演结合了FY-4A晴空地表长波辐射业务产品和本文反演模式处理的云天地表上、下行长波辐射通量。2018年9月1日的处理结果与Aqua/CERES同类产品相对比,精度为:RMSE=20.52 W·m^-2,R=0.9481,Bias=3.3 W·m^-2(夜间地表下行辐射通量对比);RMSE=25.58 W·m^-2,R=0.9096,Bias=5.4 W·m^-2(白天地表下行辐射通量对比);RMSE=10.97 W·m^-2,R=0.9762,Bias=-3.3 W·m^-2(夜间地表上行辐射通量对比);RMSE=19.97 W·m^-2,R=0.9283,Bias=5.0 W·m^-2(白天地表上行辐射通量对比)。这些结果表明本文发展的方法能够反演出精度较好的云天上下行长波辐射通量资料,为今后利用FY-4后续星处理生成全天空状况下的地表长波辐射通量产品奠定了理论基础。     

从Himawari08卫星估算晴空地表长波辐射及其日变化特征初探

通过446183条全球晴空大气廓线的红外辐射传输模拟和统计回归,建立了由Himawari08成像仪通道遥测数据估算晴空地表上行、下行长波辐射通量的反演模式,模式应用于成像仪观测资料,处理出晴空地表上行、下行长波辐射通量实时产品,2016年2~6月的产品精度验证试验结果为:与相同时刻的AQUA卫星CERES仪器同类产品相比,地表上行通量均方根误差R_e=7.9 W/m2,相关系数R=0.9399,地表下行通量R_e=14.5 W/m2,R=0.9586;与由中国地面气象站地面气温和相对湿度观测经Brunt、Brutsaert经验公式计算的实时地表下行长波辐射通量相比,R_e=15.34 W/m2,R=0.8786;与用陆表温度计算的地表上行长波辐射通量相比,R_e=12.6 W/m2,R=0.9977。研究了2016年2、6月的晴空地表长波辐射产品,发现陆地晴空上、下行通量有着与太阳加热地表增温相应的明显日变化特征,峰值出现在12:00（当地时间,下同）至14:00,低谷出现在04:00至07:00,下行通量与上行通量几乎同步变化或约有延时,陆地上2个通量归一化的日变化指数类似一个半正弦曲线,而海面长波辐射通量则没有明显的日变化规律。     

利用NOAA卫星HIRS探测器监测东亚地区辐射收支的研究

地球－大气系统的辐射收支是描述地球和宇宙空间能量交换的重要参量，也只有从卫星平台才能直接观测大气顶的地球－大气系统的辐射收支。目前，长期的地－气系统射出长波辐射序列资料是从美国ＮＯＡＡ极轨业务气象卫星的甚高分辨率扫描辐射计测量中计算的，精度不能满足气候监测的要求。本文根据美国ＮＯＡＡ卫星高分辨率红外大气探测器（ＨｉｇｈＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＩｎｆｒａｒｅｄＳｏｕｎｄｅｒ，缩写为ＨＩＲＳ）测量资料，研究了从中推算地球大气系统辐射收支的方法，并对计算出的１９９１年１月份东亚地区的地－气系统的辐射收支各参量、白天和夜间射出长波辐射差别分别进行了对比分析。结果表明，此方法计算的辐射收支分量，能揭示云和地球－大气系统的辐射分布特征及其分布细节，是进行区域气候研究的有效资料。     

北京市城市化对地表温度时空特征的影响

分别采用常规气象数据和遥感资料,结合城市化发展总体水平不同的三大板块,分析北京市城市化对地表温度时空变化特征的影响。(1)将北京市1978—2006年常规气象站点的陆表温度(Land Surface Temperature,LST)观测资料与三大板块结合,分析城市化对LST年、季、白天、夜间、最大值和最小值的影响。发现1978—2006年期间,北京市三大板块LST均值总体上均呈上升趋势,且大多数情况下,第一板块的第二板块的第三板块的。(2)采用北京市2001年和2006年全年的EOS MODIS MOD 13归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)产品以及MOD11白天/夜间LST产品,分析城市化过程中下垫面变化对LST的影响。总体上,北京市2006年较2001年NDVI减少的比例为51.3%,白天LST升高的比例为73.74%,夜间LST升高的比例高达90.92%。(3)北京市2006年与2001年NDVI的差值以及白天、夜间LST的差值的联合分类结果表明,第一和第二板块均表现出2006年较2001年NDVI减少、白天LST增加的类别所占的百分比最大,分别占54.29%和40.95%,而且均大于其在第三板块中所占的比例34%,而三个板块中NDVI增加、白天LST减少的百分比与NDVI减少、白天LST增加的百分比之和均超过了50%。第一、第二和第三板块中2006年较2001年NDVI减少、夜间LST增加的类别所占百分比分别为51.67%、44.2%和42.46%。这些数据定量地说明了城市化过程中下垫面变化对白天、夜间LST的影响。     

大气红外窗区(10.5-11.5μm和11.5-12.5μm)辐射传输的敏感性试验

大气窗区卫星红外遥感的辐射资料可应用于地表温度的确定,但必须考虑大气影响。为此,本文利用辐射传输模式和中纬度及青藏高原模式大气,用数值模拟的方法研究了大气和地表状态(大气温、湿廓线、地表温度与高度)的改变对大气顶红外窗区射出辐射的影响以及射出辐射对发射方向(天顶角)依赖关系。主要结论见正文小结。     

高云和气溶胶辐射效应对边界层的影响

通过WRF(Weather Research and Forecasting) 模式嵌套包含了高云和气溶胶辐射效应的大气边界层模式, 结合激光雷达资料, 进行数值模拟, 定量分析高云和气溶胶辐射效应对城市边界层的影响。模式能很好地模拟出在高云和气溶胶辐射效应下城市边界层的特征。夜间, 气溶胶在低层起到保温作用, 高云使得保温作用得到加强, 地表增温达1.5 K。中高层, 气溶胶降低所在气层温度, 高云使得降温幅度减少, 降温达0.2～0.7 K。白天, 高云和气溶胶减少到达地面的太阳短波辐射, 导致低层温度降低, 地表降温达1.3 K。中高层, 气溶胶加热所在的气层, 高云使得这一增温幅度减少, 在500 m处增温最大, 达0.85 K。无论白天还是夜间, 气溶胶的辐射效应都会抵消一部分形成山谷风的热力条件, 使得中低层的风速减少, 这种影响在白天显得尤为明显。高云的存在使得这种抵消得到少量的补偿。     

我国利用MODIS数据反演陆面温度的研究进展

陆面温度（LST）是区域和全球尺度地表物理过程中的一个关键因子，亦是研究地表和大气之间物质交换和能量交换的重要参数。因精确反演LST具有一定的难度，因此反演LST成为当今研究的热点之一。现较详尽地介绍目前常用的利用MODIS数据反演LST的算法：推广的分裂窗算法，白天／夜间LST算法、单窗算法，并阐述了各种算法的研究概况，并针对其研究进展情况进行讨论分析，提出相应观点。     

基于ETM＋遥感影像反演不同土地利用类型地表温度的研究

采用Landsat7 ETM＋为基本数据源,运用3种算法（大气辐射传输方程RTE、Qin等单窗算法和Jimenez—Munoz＆Sobrino普适性单通道算法）定量反演了黄河三角洲部分地区的地表温度（land surface temperature,LST）,并进行了不同算法反演结果的差值比较：以RTE反演结果为标准,在大气水汽含量较低时,Qin等单窗算法和JM＆S普适性单通道算法精度较高,与RTE的反演结果相差均在1K以内;在大气水汽含量较高时,Qin等单窗算法在采用地面气象资料估算水汽含量条件下仍保持较高的精度,比RTE反演结果平均偏小0．95K;而根据估算的大气水汽含量进行反演的JM＆S普适性单通道算法的反演偏差比Qin等单窗算法要大,达到1．94K,但JM＆S普适性单通道算法根据实测的大气水汽含量得到的反演结果要略优于Qin等单窗算法,比RTE结果偏大0．67K。同时计算了经过6s模式校正后归一化植被指数（INDV）,然后利用GIS中的空间分析功能,分析LST、INDV在不同土地利用类型之间的差异以及二者之间的定量关系。发现研究区内,就所有土地利用类型而言,平均LST和INDV之间存在显著的负相关关系;对于各种土地利用类型,这种相关关系也存在．但相关程度不同。     

CRTM微波亮温模拟对地表和云参数的敏感性分析

利用快速辐射传输模式CRTM研究了微波地表发射率和微波亮温对地表参数和云参数的敏感性问题。首先利用实测的云南思茅地面和探空资料,通过CRTM正演了12个微波通道的地表发射率和亮温,与AMSR-E卫星亮温资料进行对比,分析了模拟亮温的正演误差,研究了地表参数对微波地表发射率模拟的敏感性,并重点分析了微波亮温对地表和云雨参数的敏感性。结果表明,地表参数中土壤湿度、地表温度和植被覆盖度三者对CRTM模拟亮温影响较大,而模拟微波地表发射率主要受土壤湿度和植被覆盖度的影响;有云雨存在时,降水云比非降水云的影响大。6种云中,雨云对模拟的影响最大。晴空条件下,大部分通道的正演亮温误差在3 K以内,垂直极化较水平极化误差小。低频通道比高频通道受地表参数影响大,受云雨影响小,垂直极化比水平极化更稳定。其中10.65 V通道几乎不受云雨影响,但对地表参数非常敏感。     

基于哨兵2/3卫星高分辨率地表温度的降尺度方法

针对卫星遥感数据提取或生成地表温度（land surface temperature, LST）存在的时空分辨率矛盾,利用哨兵2/3卫星产品数据,其中哨兵3数据提供高时间分辨率影像,哨兵2数据提供高空间分辨率信息,并利用SNAP70及Excel2010软件,建立归一化植被指数与LST的相关关系,利用统计降尺度方法,成功将LST的空间尺度从1 000 m降至10 m,生成高时间分辨率10 m空间分辨率的LST。将原始1 000 m分辨率哨兵3地表温度图与降尺度到10 m空间分辨率的地表温度图对比,可以发现：降尺度地表温度图可以覆盖大部分原始1 000 m分辨率的地表温度信息,说明降尺度结果较好地保留了原始LST影像热特征的分布情况;而且,所生成的高空间分辨率的地表温度产品地物特征清晰,纹理明显。利用地面国家气象自动观测站实测0 cm地温数据验证降尺度结果,可以看出：误差平均值为26 K,误差值较小,说明降尺度结果精度较高。     

青海湖北岸大气向下长波辐射特征及云的影响

大气向下长波辐射对地表能量平衡、水循环等有重要影响。基于青海湖北岸2018年9月至2019年8月辐射观测资料,分析不同时间尺度的辐射通量变化特征,对比晴天条件下10个大气比辐射率参数化公式在该地区的适用性,在此基础上定量评估了云对大气向下长波辐射的影响。结果显示:青海湖北岸地区各辐射分量均呈现相似的"单峰型"日变化特征,辐射量白天较高、夜间较低;一年中,除向上短波辐射(主要受地表反照率影响)外,其余辐射分量均随气温而变化。晴天条件下大气比辐射率参数化Brutsaert公式在青海湖北岸地区的适用性最高。随着云份额数(C_f)的增大,青海湖北岸大气向下长波辐射逐渐增强,在C_f10%时,云增强效应低于10 W·m~(-2);当C_f75%时,云增强效应超过60 W·m~(-2)。云天大气向下长波辐射观测值与晴天计算值的比值r随着C_f的增大而增大,两者存在极显著的二次函数关系,当C_f10%时,r平均为1.04;当C_f75%时,r1.25,该统计关系能够较好地揭示青海湖北岸地区云对大气向下长波辐射的影响。     

RegCM4对中国东部区域气候模拟的辐射收支分析

利用卫星和再分析数据,评估了区域气候模式Reg CM4对中国东部地区辐射收支的基本模拟能力,重点关注地表净短波(SNS)、地表净长波(SNL)、大气顶净短波(TNS)、大气顶净长波(TNL)4个辐射分量。结果表明:1)短波辐射的误差值在夏季较大,而长波辐射的误差值在冬季较大。但各辐射分量模拟误差的空间分布在冬、夏季都有较好的一致性。2)对于地表辐射通量,SNS表现为正偏差(向下净短波偏多),在各分量中误差最大,区域平均误差值近50 W/m2;SNL表现为负偏差(向上净长波偏多);对于大气顶辐射通量,TNS和TNL分别表现为"北负南正"的误差分布和整体正偏差。3)利用空间相关和散点线性回归方法对4个辐射分量的模拟误差进行归因分析,发现在云量、地表反照率、地表温度三个直接影响因子中,云量模拟误差的贡献最大,中国东部地区云量模拟显著偏少。