[發明專利]下行短波輻射和光合有效輻射數據的反演方法及系統

無效

• 申請號: 201110166546.0
• 申請日: 2011-06-20
• 公開（公告）號: CN102338869A
• 公開（公告）日: 2012-02-01
• 發明（設計）人: 趙祥;張曉通;周公器;張鑫;梁順林
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: G01S7/41
• 分類號: G01S7/41;G06F19/00
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩

技術領域

本發明涉及衛星遙感及其應用技術領域，特別是涉及一種下行短波輻射和光合有效輻射數據的反演方法及系統。

背景技術

下行短波輻射是太陽輻射中300-3000nm的部分，通常定義為：

其中，I(λ)是光譜輻照度，λ是波長范圍。

光合有效輻射是太陽輻射中400-700nm的部分，即

光合有效輻射是形成生物量的基本能源，控制著陸地生物有效光合作用的速度，直接影響到植被的生長、發育、產量與產量質量。同時，光合有效輻射是重要的氣候資源，影響著地表與大氣環境物質、能量交換。眾多陸面生態系統模型，包括很多生物地理模型，陸面-大氣相互作用的模型等都有生態動態模擬的功能，以及與全球碳循環和水循環中相互作用的功能。基本上這些模型都涉及了使用光合作用來調節植被冠層和大氣之間的水分和碳的交換，而入射光合有效輻射就是此類模型的一個重要的輸入參數。

國內外對于到達地表太陽輻射的估算方法的研究，主要有三種基本類型：一種是通過統計回歸，另外一種是建立物理模型，最后一種是通過與精確輻射傳輸模型模擬太陽輻射與大氣和地表之間的相互作用建立查找表來估算地表太陽輻射。當前，大多數的寬波段模型都是針對短波輻射來估算的，直接建立光合有效輻射估算的模型相比于短波輻射模型還是比較少的，很多都是通過建立短波輻射模型到光合有效輻射模型之間的轉換關系來實現的。當然還有一些物理原理的波譜模型，此類模型可以根據波譜的范圍估算任意波長之間到達地表太陽輻射量。

一般通過統計模型來估算地表短波輻射，是通過建立短波輻射同一些大氣或者氣象因素的關系來實現的。這種方法不需要很清楚地知道太陽輻射和具體的大氣的狀況或成分，而是要建立衛星觀測和地表的輻射觀測數據之間一種統計關系。比如說Heliosat模型，就是基于陰天和晴天的晴朗指數建立Meteosat可見光波段數據地表短波輻射數據之間的統計關系，從而估算地表短波輻射的(Cano?et?al.1986)。Alados-Arboledas?et?al.(2000)通過對Iqbal(1983a)的短波的直射和輻射模型改進，進而估算地表光合有效輻射模型的直射和散射部分。

統計模型計算的輻射的最大的優點是其簡單性，甚至不需要知道其中的物理機理和大氣輻射傳輸的過程，就可以直接計算獲得地表的光合有效輻射或者短波輻射。同時，這種統計模型的最大的弊端就是其普適性差，在某一特定區域或者大氣條件下建立的關系，可能會在另外一種狀況下并不適用，這就使得這種方法很難在大的區域或者不同環境下實施，因此統計模型的實施有著很大的限制性。

物理模型是通過模擬太陽輻射和大氣直接的相互作用來估算地表的光合有效輻射和短波輻射的。眾所周知，太陽輻射在經過大氣時會有一個削弱的過程。通常來說水汽和CO₂吸收紅外部分，而紫外部分會被臭氧層吸收。而可見光的波長較短的部分一般會被大氣分子和氣溶膠散射。如何計算各種大氣中的成分對太陽輻射的吸收、散射作用是估算地表輻射太陽輻射量的關鍵。這種類似的物理模型的精度會隨著對大氣輻射傳輸和其他物理機理過程的理解而漸漸提高。與一般統計模型相比其普適性也有一定的提高，可以用作大范圍的輻射反演。但是其缺陷就是所需輸入的參數很多，而這些參數的反演精度有很難達到要求，因此輸入參數的精度會影響算法的最終的驗證的結果。

衛星遙感數據是反演全球尺度的光合有效輻射和短波輻射的有效方法，由于衛星數據可以提供連續的、高空間分辨率、高時間分辨率的數據。在不管是極軌衛星還是靜止衛星上的各種傳感器數據已經被廣泛的應用于光合有效輻射和短波輻射的估算。如GOES，MSG等一批靜止衛星相對于極軌衛星來說有很高的時間的分辨率，因此更易于檢測地表輻射的天際的變化。如Iqbal(1983b)的模型被改進后，使用Meteosat觀測數據被用作估算每小時直射和散射光合有效輻射(Rubio?et?al.2005)。

通過GCMs模型模擬來獲得地表短波輻射和光合有效輻射是另外一種獲得地表輻射量的選擇之一。幾乎所有的GCMs模型都會模擬大氣頂的太陽輻射和地表下行短波輻射量，但是這些已有產品的空間分辨率都很低，都小于一度，但是其時間分辨率相對比較高，一般是六小時(Liang?et?al.2010)。