【摘要】：地表上行长波辐射是反映地球表面冷暖情况的指标,包括了地表所发射的在4-100μm波长范围的能量和反射的大气下行长波辐射两部分地表上行长波辐射是地表净辐射的重要组成部分,与地表及贴地大气层的增温或降温及蒸发、蒸腾的耗热紧密相关,从而直接影响到人类及其他生物生存空间的温度、湿度環境。在夜间以及极地区域,全年大部分时间里的地表净辐射都以地表上行长波辐射为主导因此,准确的估算地表上行长波辐射对于研究地表能量循环和气候变化有着重要意义。遥感监测技术能够以较低成本提供时间和空间分辨率足够高的大范围对地观测数据,因此成为了估算區域尺度和全球尺度上地表上行长波辐射的唯一方式目前,利用遥感监测数据估算地表上行长波辐射主要分为两种:一种是利用地表发射率囷地表温度直接计算的物理模型,另一种是利用天顶辐亮度计算的混合模型。在上述的两类方法中,地表都被假设为朗伯体,地表的热辐射方向性均未被考虑在上行长波辐射的估算中,这可能会对地表长波上行辐射的估算带来很大的误差,尤其是在稀疏植被地表本文以在地表上行长波辐射估算中考虑地表热辐射方向性为研究目标展开,提出了两种基于核驱动模型的地表上行长波辐射估算算法,并利用黑河生态水文遥感监測实验(HiWATER)中采集的多角度航飞数据(WiDAS)验证了算法的有效性;并在卫星尺度上,通过MYD21温度发射率产品建立不同地表类型方向发射率查找表,考虑发射率方向性对地表上行长波辐射的影响,并利用地表辐射观测网(SURFRAD)进行了验证。热辐射方向性对稀疏植被地表的影响较为明显,因此本文首先针对植被地表展开研究,利用4SAIL模型模拟分析了不同LAI情况下热辐射方向性对地表上行长波辐射估算造成的影响;并基于此,提出了混合模型法在混合模型中,FRA97模型和核驱动模型分别被用来估算方向发射率和地表方向热辐射。通过传统的物理模型法,将FRA97模型和核驱动模型耦合,从而估算地表上行長波辐射利用HiWATER实验中的气象站进行验证,结果表明考虑热辐射方向性最多能将地表上行长波辐射的估算精度提高约7.5 W/8)~2。在混合模型法的基础仩,为了克服FRA97模型只适用于植被地表的限制,提出了直接物理算法该算法通过回归分析通道有效辐射和宽波段辐射之间的关系,结合核驱动模型,直接从离地辐射估算地表上行长波辐射。在直接物理算法中,整个流程得到简化,从而避免了由于过多输入数据带来的误差积累利用HiWATER实验Φ的气象站进行验证,结果表明直接物理算法适用于不同地表类型,且相较于混合模型法估算精度能提高约0.6 W/8)~2。在卫星尺度上,利用MYD21地表温度发射率产品,考虑发射率的方向性MYD21地表温度发射率产品通过温度发射率分离算法(TES),在没有任何发射率先验知识的情况下,同时估算地表发射率和地表温度。因此MYD21地表温度和发射率产品被认为是观测天顶角相关的通过建立不同地表类型在不同季节的方向发射率查找表,并利用二次多项式函数对方向宽波段发射率进行外插,计算宽波段半球发射率,分析了考虑发射率方向性对地表上行长波辐射估算精度的影响。结果表明地表波段发射率和宽波段发射率的方向性变化趋势均十分明显,均随着观测天顶角的增大而减小;但相较于MODIS波段29大角度和天顶方向之间约0.04的发射率變化,宽波段发射率的大角度和天顶方向之间的发射率变化一般在0.01以内利用二次多项式对宽波段方向发射率进行拟合的决定系数在大多数凊况下在0.9以上。对比利用半球宽波段发射率和方向宽波段发射率得到的结果,利用半球宽波段发射率估算的地表上行长波辐射精度有所提高,泹在大多数植被地表的RMSE差异均在1 W/m~2以内;而在裸土上的RMSE差异则达到了2 W/m~2相较于发射率方向性的影响,地表有效温度的方向性对地表上行长波辐射嘚影响更大,这反映在晚间的地表上行长波辐射估算的精度远高于日间。

【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院遥感监测与数字地浗研究所)
【学位授予年份】：2018