基于MODIS晴空数据的森林日净第一性生产力估算

基于光能利用率模型提出了一个基于MODIS数据参数反演的日净第一性生产力估算模型. 其中包括基于植被冠层叶面积指数和地表反照率的光合有效辐射比例能量平衡模型, 基于大气气溶胶光学厚度、水汽含量和Bird模型相结合的光合有效辐射计算模型. 日净第一性生产力模型所需的主要参数从MODIS数据反演获得. 为了验证净第一性生产力结果的估算精度, 用中国生态系统研究网络2003和2004年千烟洲和长白山观测站点的日净第一性生产力观测数据和模型估算结果对比, 结果表明两者具有较好的一致性. 同时也将同期NASA的净第一性生产力产品加以对比, 结果表明千烟洲站点上2004年的NASA产品低估了净第一性生产力值, 但长白山站则高估了净第一性生产力结果.     

基于多源遥感数据陆面大气水汽反演的物理统计算法研究

大气水汽对全球以及区域气候变化有着极其重要的影响,因而精确的获取水汽数据一直是非常重要的研究课题.单一传感器的遥感水汽反演算法有一定的局限,本文致力于发展一个基于多源遥感数据的水汽反演物理统计算法,该算法还能有效解决有云情况下的水汽反演.通过将晴空条件下近红外水汽反演结果与基于微波23.8 GHz的水汽敏感波段的组合指数进行回归,再将有云覆盖区域的微波指数代入到回归反演模型,从而获得有云覆盖条件下的水汽结果,实现有云条件下的水汽反演,对基于光学波段的水汽反演结果进行补充.不同的地表覆盖会对裸土表面的微波辐射有不同的影响作用,本文的算法还利用地表覆盖数据有效消除了这一影响,针对不同的地表覆盖,分别进行回归模型的建立.最后将该算法反演的结果与地基GPS的水汽监测数据进行对比,有云条件下的均方根误差为8 mm,且利用本算法可以较好的对光学数据进行补充,具有良好的空间一致性.     

HJ-1B/IRS热红外数据反演太湖水温的方法比较

太湖是我国典型的富营养化湖泊,水温是影响太湖藻类生长的重要环境因子之一,我国环境减灾卫星HJ-1B搭载的红外多光谱相机IRS对太湖水温动态遥感监测具有较大的性能优势.利用6景过境太湖的IRS热红外遥感影像,分别采用单通道普适性算法、辐射传输模型法和单窗算法反演太湖水温,并与实测水温和同期的TERRA/MODIS温度产品进行对比.结果表明,普适性单通道算法反演水温偏高,而辐射传输模型法和单窗算法则偏低;3种算法反演水温的均方根误差在1.001 K以内,单窗算法反演精度最高,其次是辐射传输模型法,再次为普适性单通道算法,而同期MODIS温度产品的均方根误差为1.507 K.3种算法从IRS热红外数据反演的水温直方图均呈正峰态、尖峰状态分布,反演结果能真实地反映太湖水温的空间分布特征.本研究对只有单个热红外通道的卫星传感器开展内陆水体水温遥感监测具有一定的参考意义.     

利用ENVISAT/AATSR资料反演黄土高原陇东地区地表温度

由于ENVISAT/AATSR资料不同角度热辐射亮度值之间存在较高的相关性从而导致较大误差的产生,本文尝试避开这种误差源,只选取天底观测数据对黄土高原陇东地区整层大气水汽含量及地表温度进行反演.与MODIS整层大气水汽含量产品对比验证表明,本文结果与MODIS产品有一定差异,但是可以直接用于大气透过率的估算.结合野外观测数据对地表温度反演结果的检验表明,最大绝对误差为4.0 ℃,平均相对误差为5.0％,因此,该算法在黄土高原陇东地区应用比较成功.     

GNSS掩星中大气水汽的非线性反演

研究利用无线电掩星探测数据反演大气水汽参数,文中使用一维非线性方法,反演对流层水汽压廓线.首先,定义了一维目标函数,并以几何光学假设为前提,反演出电波弯曲角;将电波弯曲角作为掩星探测量,大气模式输出的温、湿参量作为初始场,代入目标函数,对目标函数求最优反演出水汽压廓线.文中给出了部分反演结果,经讨论分析认为:非线性方法反演水汽压对初始场的精度依赖较小,能够同时反演出大气温度\水汽压廓线及相应的误差分析,对数值天气预报的应用及数据同化研究具有重要意义.     

二氧化碳柱浓度的卫星反演试验及地基验证

基于最优估计理论,采用LBLRTM和VLIDORT辐射传输模式以及包含Line Mixing效应的aer_v_3.2数据库,构建了一套短波红外高光谱卫星反演XCO2的算法.利用该算法试验了Line Mixing效应对卫星反演结果的影响,对GOSAT卫星观测光谱数据进行了系统性试验反演,并利用选取的TCCON站点一年中的匹配观测资料进行了地面验证,同时与GOSAT卫星官方L2B产品进行了比对.试验表明,忽略Line Mixing将系统性低估约0.25%的CO2柱浓度.在气溶胶光学厚度小于0.3的大气条件下,本文反演算法反演结果与GOSAT官方数据产品精度接近,与地基观测值相差小于1%,而高浓度气溶胶背景下卫星反演CO2浓度的有效方法仍有待于突破.     

利用NOAA_16/FY_1C和ASAR数据纠正大气水汽对重轨星载D_INSAR的影响

大气水汽影响一直是造成重轨星载合成孔径雷达差分干涉测量监测结果不确定性的一个重要因素.本文以地表形变速率稳定的延怀盆地为试验区，利用ASAR数据得到该区域的差分干涉处理结果，利用与ASAR数据获取时间相近的NOAA_16/FY_1C数据对该区域的大气水汽含量进行了反演.通过这些结果，对差分干涉处理结果中大气水汽的影响进行了去除.去除大气水汽影响后得到的地表形变结果与野外考察实测结果基本吻合，从而验证了该方法的可行性.     

基于相关性的热红外温度与发射率分离算法

在分析地面测量大气下行辐射和地表发射率之间关系的基础上,给出了针对热红外高光谱数据温度与发射率分离过程中地表温度优化的相关性判据,提出了基于相关性的温度与发射率分离算法（the Correlation Based Temperature Emissivity Separation Algorithm,CBTES）。该算法利用大气下行辐射和地表发射率之间的相关性优化地表温度,进而获得地表发射率。基于模拟的热红外高光谱数据,对CBTES算法的精度进行分析,结果表明CBTES算法具有较高的温度与发射率反演精度;并与光谱迭代平滑温度发射率分离算法（ISSTES）进行比较,发现CBTES算法具有和ISSTES算法相当的精度。此外,CBTES算法具有一定的抗噪性,对测量过程中大气下行辐射的变化不敏感;对于非同温像元,当其发射率定义为r-emissivity时,其辐射温度是对波数缓慢变化的,假设在比较窄的光谱区间内辐射温度近似不变,可以用CBTES算法反演非同温像元在窄光谱区间内的等效温度,在714-1250cm^-1。光谱区间内多个窄光谱区间反演的等效温度可以较好的刻画非同温像元辐射温度的变化趋势。     

利用GPS观测资料反演水汽含量及地震异常初步探讨

利用GPS观测数据反演大气水汽技术是20世纪90年代发展起来的一种全新的大气探测手段。根据中国大陆构造环境监测网络(简称陆态网)和广东省地震局建设的广东省地壳运动观测网络提供的GPS数据反演大气水汽含量,用ECMWF水汽含量数据进行对比和补充,并试图把它们应用于地震研究,探讨广东地区地震前后的水汽含量变化特征。结果表明:GPS反演结果是可靠的;广东地区水汽含量具有夏高冬低的年变规律和南高北低的分布特征;广东地区2000年以来3个MS4.8级地震前1个月以内震中区都出现了显著的水汽含量增加的现象,异常幅度超过平均值30 mm,高值区沿构造带展布,并在水汽含量出现异常的同时,伴随着地表气温的异常,说明水汽含量增加与震中区热作用增强、水汽蒸发加速有关,可能是地震前的异常反应。     

改进的基于订正ALPHA差值谱的TES算法

与可见光遥感不同, 热红外传感器测得的辐射亮度值是温度和发射率的函数, 因此, 对于热红外遥感, 温度和发射率的分离是一个关键问题. 热红外地表温度反演需要考虑的另一个问题是地表反射的大气下行辐射订正, 由于该项与地表发射率紧密联系在一起, 在地表发射率未知的情况下, 该项很难消去. 研究从普朗克方程的维恩近似出发, 引入Li和Becker等提出的大气下行辐射修正项, 以此为基础, 推导出与温度无关的改进ALPHA差值谱, 并进一步提出消除维恩近似影响的修正项. 在上述工作基础上, 借鉴ALPHA导出发射率法和ASTER TES算法的优点, 提出改进的基于订正ALPHA差值谱的TES算法(ICADS TES). 由于算法采用多光谱反演技术, 并且算法中包含波段差值、比值操作, 因而可以部分消除大气、仪器噪声等的影响, 具有良好的抗干扰能力. 采用不同大气条件、下垫面类型、地表温度组合的数值模拟实验表明, 算法具有很宽的适用范围和稳定性, 反演的温度精度一般在0~1.5 K之间, 平均发射率精度在0~0.015之间. 算法反演温度产品与ASTER数据下载中心 (Earth Observing System Data Gateway, EDG)提供的地表温度产品相比, 相关性非常好, 相关系数接近1.0, 产品直方图分布基本一致. 与现有发射率温度分离算法相比, ICADS TES算法的优点是适用的温度和下垫面范围宽, 不需要诸如地表分类、发射率方向性等先验信息支持, 计算结果不受参数设置影响, 更为客观. 由于该算法不需要下垫面类型先验信息支持, 可以避免其他算法中出现的因地表误分类、混合像元等问题引起的反演误差. 与作者此前提出的基于订正ALPHA差值谱的TES算法(CADS TES)相比, 算法考虑了大气下行辐射的影响, 在大气辐射特性已知的条件下, 可以获得更好的反演结果.     

全覆盖植被冠层水分遥感监测的一种方法: 短波红外垂直失水指数

利用叶片辐射传输模型PROSPECT、植被冠层辐射传输模型SailH和地气辐射传输模型6S, 进一步探索近红外、短波红外反射光谱特征, 从光谱特征空间的角度, 分析地物在NIR-SWIR空间的分异规律, 建立监测植被冠层水分含量的新方法-短波红外垂直失水指数(SPSI). 通过实地观测数据和叶片、冠层辐射传输模型验证本文提出的新方法, 结果表明SPSI和实地观测的植被冠层水分含量(FMC)具有较高的相关性, R2和RMSE分别为0.79, 26.41%, 证明了SPSI在FMC反演方面有一定的应用潜力.     

大气污染对北京冬季城市和郊区辐射收支影响的观测分析

近年来城市化和大气污染对辐射收支的影响日益显著.本研究利用2013—2014年中国科学院大气物理研究所325m铁塔、南郊观象台、密云气象塔、上甸子区域大气本底站四个观测站点的辐射及自动站气象要素数据,采用南郊观象台的能见度资料将观测数据分为清洁天和污染天,并进行类比分析,以1月份为例,研究了北京地区大气污染和城郊差异对辐射收支的影响.结果表明:(1)从月平均值来看,各站污染天入射短波辐射均小于清洁天,衰减最大可达55.8W·m~(-2),直接辐射亦然,衰减最大可达161.1W·m~(-2),散射辐射相反,增加最大值为72.2W·m~(-2);长波辐射污染天大于清洁天,向下向上长波辐射增加最大值分别为85.0 W·m~2和70.0 W·m~(-2),且长波辐射的衰减与污染物浓度和大气温度相关;净辐射白天污染天小于清洁天,夜间相反.(2)从各站的对比可知,大气污染对入射短波辐射的衰减,南部郊区(13.2%)大于北部城区(7.4%),与北京地区"南北两重天"的污染物分布特征一致;且污染物对长短波辐射的影响呈现了从城区到郊区衰减率依次减小的现象.本研究为大气污染与气象条件的相互作用研究提供了观测基础.     

基于GPS和MODIS的ENVISAT ASAR数据干涉测量中大气改正方法研究

GPS数据用于改正InSAR中大气延迟误差的方法受GPS站点密度的限制,只利用有限的几个站点所观测到的大气数据来生成干涉图的大气改正图,往往达不到很好的效果.本文研究利用GPS与MODIS数据的联合使用来生成大气改正图,首先用GPS数据对MODIS水汽产品进行分块校准,并且对MODIS水汽数据进行了空间结构函数分析,得到研究区域内水汽场的空间分布规律.然后把这种区域水汽场的空间分布信息结合到Kriging内插法中生成更为合理的水汽图.通过上海地区ENVISAT ASAR数据的实验发现,这种加以改正的GPS和MODIS数据联合改正法不仅可以对长波大气信号有明显的消弱,还能消弱一些短波的大气信号,特别是一些幅度较强的短波信号;经过GPS+MODIS算法改正后,短波信号占优和长波信号占优的两幅差分大气延迟图的整体RMS分别降低了32.74%和38.82%,去除幅度较大.与GPS+ATM(大气传输模型)算法比较,我们发现,在上海地区有限的数据条件下（即研究区域内只有6个GPS点）,GPS+MODIS法在大气去除效果或者说大气信号重现能力方面优于GPS+ATM算法.GPS+MODIS算法在捕获短波大气信号方面要比GPS+ATM更有优势,因此也可以改正短波大气误差.     

基于卫星数据的地表下行短波辐射估算:方法、进展及问题

地表下行短波辐射的估算对全球辐射平衡及气候变化研究具有重要的意义.文章从卫星载荷、反演算法和发展趋势等方面,回顾和总结了近十年来地表下行短波辐射的相关研究.到达地表的短波辐射受大气和陆表参数的双重影响.最近的研究对影响地表下行短波辐射的因素给予了更细致的考虑,例如通过提升云微物理参数的反演精度,降低云层引入的不确定性,以及考虑气溶胶、复杂地形和高反照率地表(如冰雪覆盖区)对地表下行短波辐射估算的影响等.此外,文章还对当前地表下行短波辐射估算的四类主要方法(经验法、参数化法、查找表法和机器学习法)的精度和优缺点进行了对比分析.未来需要提高云、雾霾、水汽等大气参数及复杂地形和亮地表的反照率等陆表参数的计算精度,有机结合机器学习和其他方法,利用新一代静止卫星和极轨卫星资料生产高时空分辨率地表下行短波辐射产品,推进辐射产品在陆面水文模型和气候模式中的应用.     

GMS 5资料反演地表温度的一个修正算法

本文研究发展利用GMS 5/VISSR每小时卫星观测资料反演地表温度的方法,首先利用时空判断法进行云检测寻找晴空像元,然后从辐射传输方程出发,由实时探空资料求取大气上行、下行辐射率及大气透过率,根据由AVHRR NDVI导出的地表比辐射率,用单时相双光谱分裂窗法反演得到地表温度.比较反演结果与54511站及其他中国基准站2000年地面0cm地表温度实测值,相对于国际上其他经验公式而言,本文算法在精度上有所提高.敏感性分析试验着重于大气衰减的影响.基于本文算法,给出了内蒙中东部地区地表温度连续4天的变化实例以及东亚部分陆地“纯晴天”地表温度图.     

GPS无线电掩星技术反演大气参数方法对比

无线电掩星技术是一种探测地球大气的崭新途径.菲涅耳衍射反演是GPS掩星技术中基于物理光学原理的新的反演方法.文章研究了菲涅耳及几何光学方法的反演原理，利用GPS/MET数据分别反演得到了大气折射率及温度廓线.对比分析了菲涅耳衍射方法在10 Hz、25 Hz和50 Hz三个采样频率下不同的反演结果，通过与几何光学反演结果及相应探空数据的对比分析，表明菲涅耳衍射反演得到的结果在对流层，特别是水汽含量丰富的区域中更为准确可靠.     

基于Bayes算法的Abel积分反演折射指数的研究

本文将Bayes算法应用到Abel积分方程中,利用End-to-End Generic Occultation Performance Simulation and Processing System(EGOPS)软件仿真出的弯角数据来反演大气折射指数,并与Tikhonov正则化的反演结果进行对比.当直接利用仿真所得的弯角数据(认为它是不含误差的)时,Bayes算法与Tikhonov正则化的反演结果具有很好的一致性,二者的均方根误差均为2.5470×10~(-8);但在实际观测过程中,由于电离层以及水汽等方面的影响,所得到的弯角数据不可避免地会含有误差,可能产生高频成分,甚至存在间断的现象,因此我们在仿真的弯角数据中加入了满足高斯型分布的随机噪声,然后进行折射指数的反演试验.结果表明,相比于Tikhonov正则化技术,Bayes算法具有更高的反演精度.     

大气掩星反演误差特性初步分析

GPS大气掩星探测技术可以获得全球大气折射率、气压、密度、温度和水汽压等气象参数，该技术基本原理是基于几何光学近似的Abel积分反演.地球扁率、电离层传播时间延迟、大气大尺度水平梯度、多路径传播现象等因素在某些高度范围影响大气反演的精度.本文采用模拟的方法，分析其中地球扁率及电离层对反演结果的影响，并讨论局部圆弧修正及电离层修正的效果.利用CHAMP掩星实测轨道数据和有关电离层和大气经验模式、采用三维射线追踪方法模拟计算几种情形下的GPS掩星观测附加相位数据，对模拟数据进行反演，将反演气象参量剖面与模拟时给定模式剖面进行比较，得到了0～60 km高度范围内的反演误差.误差统计分析结果表明，局部圆弧中心的修正以及电离层修正，对于高精度的GPS掩星反演是非常重要的；电离层修正残差仍是制约30～60 km高度范围内反演精度的重要因素，进一步完善和优化大气掩星反演需要发展新的电离层修正算法.     

新型Landsat8卫星影像的反射率和地表温度反演

Landsat 8卫星自2013年2月发射以来,其影像的定标参数经过了不断调整和完善,针对Landsat 8开发的各种算法也相继问世.本文采用最新的参数、算法和引入COST算法建立的大气校正模型,对Landsat 8多光谱和热红外波段进行了处理,反演出它们的反射率和地表温度,并与同日的Landsat 7数据和实测地表温度数据进行了对比.结果表明,现有Landsat 8多光谱数据的定标参数和大气顶部反射率反演算法已有很高的精度,本文引入COST算法建立的Landsat 8大气校正模型也与Landsat 7的COST模型所获得的结果几乎相同,相关系数可高达0.99.但是现有针对Landsat 8提出的地表温度反演算法仍不理想,已提出的劈窗算法误差都较大.鉴于TIRS 11热红外波段的定标参数仍不理想,因此在现阶段建议采用单通道算法单独反演TIRS 10波段来求算地表温度,但要注意根据大气水汽含量的情况选用正确的大气参数计算公式.     

利用全极化微波辐射计资料反演台风境内海面风场

作为一种新兴的被动遥感技术,全极化微波辐射计不仅可以提供海面风速产品,还可以提供海面风向产品.以往利用全极化微波辐射计观测亮温进行海面风场反演仅在晴空条件下进行,本文通过对观测亮温结合台风区域海面风场的分布特征进行分析,验证了全极化微波辐射计具有在台风等恶劣天气条件下进行海面风场观测的能力.基于敏感性分析实验,确定使用6.8 GHz和10.7 GHz等低频通道组合可进行台风区域内海面风场反演.其中,海面风速反演使用基于统计的多元线性回归算法,同时对海面温度、大气水汽含量、云中液态水含量及降水强度等物理量进行反演计算,为海面风向反演做准备.海面风向反演使用物理统计法进行,借鉴散射计风向反演使用的最大似然估计法.通过在全极化辐射传输前向模型中加入降水对大气透过率的影响、设计第三和第四Stokes通道亮温环境影响修正函数,在实现台风区域内海面风向反演的同时减小了反演误差.通过对“云娜”台风境内海面风场进行数值计算,验证了本文反演算法的可行性,并对反演误差的空间分布特征进行了分析.将2004年各台风过程的海面风场反演结果与散射计风场产品进行对比,海面风速和海面风向反演的均方根误差分别为1.64 m·s^-1和18.02°.