青藏高原地表反照率反演及冷热源分析
【摘要】：
地表反照率是影响地表能量收支平衡的决定性因素之一，青藏高原具有极高的海拔和广阔的面积，其反照率对地区乃至全球的大气运动及气候有重要影响。本文的目的是对青藏高原地表反照率和冷热源参数进行定量反演。为获得较高的反演精度，采取象元组分信息分解的方法，将象元对应地物分解为土壤、植被、水分、水体、雪被等基本组分，然后根据这些组分的光谱组合模型用遥感数据计算象元中各组分含量，再根据组分含量反演半球反射率和反照率。
为建立象元组分信息模型，本文对土壤光谱与土壤含水量及表面粗糙度的关系进行了深入研究，论证了含水量与土壤光谱呈指数关系，提出了土壤含水量与土壤光谱的函数关系式，并测定了土壤水吸收系数；在研究土壤光谱反射与散射过程基础上，提出了土块级土壤粗糙度与土壤光谱的函数关系式，进而提出了湿润、粗糙土壤反射率的数学模型，并通过实验证明了模型具有较高的精度。
在植被反射率模型方面，本文根据青藏高原植被特点，对Hapke's等的植被冠层模型进行了改进，提出了更为实用的植被冠层模型。模型考虑前三次散射，既保证了计算精度，又减小了运算量。
地形与反射率的关系是本文研究的一个重点。本文对崎岖山地象元的各入射光和反(散)射光分量进行了深入分析，在所提出的湿润土壤光谱模型和植被冠层模型的基础之上进一步提出了新的适合青藏高原的山地辐射传输模型。该模型同时考虑了土壤含水量、植被覆盖(LAI)、地形起伏和海拔高度的影响，并以象元坡面定义的半球空间立体角对环境入射光进行积分，使周围地形和天空散射光均得到适当考虑，计算量又在可接受范围内。
在以上提出的山地辐射传输模型基础之上，对Irons等提出的10波段反照率计算方法进行了发展，提出了高原山区的反照率计算模型。并应用该模型对多时相的青藏高原反照率进行了计算。得到了比传统方法精度更高的结果。对反照率及其变化进行分析，发现反照率的总体分布与地形及雪域密切相关。地形伏大的山坡、山麓地区，反照率明显降低，山顶雪域分布区反照率显著上升。高原反照率年变化的主要原因是土壤含水量、雪盖分布面积及植被覆盖度的变化。
然后，在翁笃鸣等提出的有关半经验公式的基础上，提出了根据反照率和
地形参数计算高原地面向大气输送能量的日平均通量的算法，并以此作为判定冷
热源的标准。用该方法对青藏高原1998年夏天、2000年夏至和冬至晴空条件下
地面向大气的输送能日平均通量进行了计算。结果显示，地形与输送能日平均通
量成正相关，青藏高原四季均为热源。夏季，整个高原为一强热源，其中高原南
部为极强热源;冬季，高原南部为强热源，而北部则减弱为弱热源。
最后针对青藏高原热力作用对气候的影响进行了分析。得到的结论是，高
原的热源作用使高原上空形成一个大气对流系统，作用强时可形成反气旋，弱时
在高原上空形成对流云系。在高原热力用和地形的共同作用下，来自西南或西面
的潮湿空气在高原迎风坡面中部被抬升，两侧被地形分开，导致在高原南部和两
侧的中国南方及印度一孟加拉地区雨量丰沛，而高原北面的中国北方则形成异常
干旱的气候。该结论得到了大范围的GMS卫星图像云图和水汽分布图系列的验
证。
【关键词】：反照率 遥感反演 土壤—植被二向反射模型 山地辐射传输模型 青藏高原 冷热源
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（遥感应用研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2002
【分类号】：P422
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2003.094558
【目录】：
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（遥感应用研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2002
【分类号】：P422
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2003.094558
【目录】：
- 摘要3-7
- 目录7-11
- 第一章 绪论11-25
- 1.1 研究目的与意义11-13
- 1.1.1 反照率研究意义11-12
- 1.1.2 青藏高原反照率遥感研究意义12-13
- 1.2 青藏高原气候特征的研究现状13-15
- 1.3 青藏高原地表反照率研究现状15
- 1.4 地表反照率遥感反演研究现状15-19
- 1.4.1 植被的二向性反射模型16-17
- 1.4.2 山地辐射传输模型17-18
- 1.4.3 地表反照率的反演18-19
- 1.5 青藏高原地表反照率定量反演面临的问题19-21
- 1.6 本文研究的技术路线21-25
- 第二章 自然土壤的二向反射率模型25-43
- 2.1 土壤对成份光谱的影响25-26
- 2.2 土壤含水量对土壤光谱的影响26-29
- 2.2.1 水份与土壤的光谱定量模型26-27
- 2.2.2 水吸收率的测定27-28
- 2.2.3 土壤含水量计算模型的检验28-29
- 2.3 粗糙度对土壤光谱的影响及自然土壤的二向反射模型29-37
- 2.3.1 土壤粗糙度与反射率关系研究现状29-33
- 2.3.2 粗糙土壤的二向反射模型33-37
- 2.4 模型的二向反射率分布特点37-39
- 2.5 粗糙地表的土壤含水量计算39-42
- 2.5.1 粗糙地表的土壤含水量计算方法39-40
- 2.5.2 土壤含水量计算结果检验40-42
- 2.6 本章小结42-43
- 第三章 植被二向反射模型43-60
- 3.1 前言43
- 3.2 考虑三次散射的植被二向反射模型43-53
- 3.2.1 一次散射的二向反射率44-47
- 3.2.2 多次散射的散射率47-49
- 3.2.3 植被冠层的透射49-50
- 3.2.3.1 透射光的组成49-50
- 3.2.3.2 直接透射光和散射透射光的求解50
- 3.2.4 植被寇层--土壤的综合反射率50-52
- 3.2.5 植被寇层--土壤反射率的组成特征52-53
- 3.3 垂直观测下模型的实验验证53-57
- 3.3.1 模型LAI与综合反射率关系的检验实验53-55
- 3.3.2 土壤含水量与综合反射率的光谱检验55-57
- 3.4 模型二向反射特征及其检验57-59
- 3.4.1 模型二向反射特征57-58
- 3.4.2 模型二向反射特征验证实验58-59
- 3.5 本章小结59-60
- 第四章 高原山地辐射传输模型60-83
- 4.1 山区入射辐射能量60-70
- 4.1.1 太阳直射光61-64
- 4.1.1.1 藏高原气溶胶的特点61
- 4.1.1.2 大气光程与大气折简高度61-62
- 4.1.1.3 太阳直射光62-63
- 4.1.1.4 大气上行辐射比及大气透过率的计算63-64
- 4.1.2 阳坡与阴坡的判断64
- 4.1.3 天空漫射光64-66
- 4.1.3.1 天空光的特点64-65
- 4.1.3.2 天空漫射光的数值模拟65-66
- 4.1.4 周围地物反射光66-70
- 4.2 崎岖山地地表二向反射模型70-74
- 4.3 山地地表土壤含水量及LAI的遥感反演74-76
- 4.3.1 地形参数的获取74-75
- 4.3.2 由遥感数据计算行星反射率75
- 4.3.3 土壤含水量及LAI的遥感反演75-76
- 4.4 山地地表反照率的反演76-82
- 4.4.1 研究现状76-78
- 4.4.2 山区反照率遥感反演存在几个问题78-79
- 4.4.3 山区反照率反演79-82
- 4.4.3.1 半球反射率的计算79-80
- 4.4.3.2 反照率的计算80-82
- 4.5 本章小结82-83
- 第五章 青藏高原地表反照率反演83-102
- 5.1 技术路线84-85
- 5.2 基础数据85-86
- 5.3 地形参数的生成86-91
- 5.3.1 DEM86-87
- 5.3.2 坡度和坡向图87-89
- 5.3.3 糙面坡度标准差89-91
- 5.4 NOAA-AVHRR数据的预处理91-92
- 5.4.1 辐射纠正91-92
- 5.4.2 几何纠正92
- 5.5 土壤含水量与LAI的反演92-93
- 5.6 地表反照率的反演93-94
- 5.7 地表反照率反演结果的检验94-96
- 5.8 青藏高原反照率分布、年变化特征及其影响因素分析96-101
- 5.8.1 青藏高原反照率总体分布特点及其决定因素分析96
- 5.8.2 青藏高原反照率年变化特征及其影响因素分析96-101
- 5.9 本章小结101-102
- 第六章 青藏高原冷热作用及其影响分析102-125
- 6.1 地表冷热源的概念102-103
- 6.2 地表净辐射的计算103-109
- 6.2.1 山区辐射平衡103
- 6.2.2 太阳直接辐射随海拔高度的变化103-104
- 6.2.3 太阳散射辐射随高度的变化104
- 6.2.4 山区太阳总辐射随海拔高度的变化104-105
- 6.2.5 山区地表有效辐射和大气逆辐射随海拔高度的变化105-106
- 6.2.6 太阳辐射日总量与纬度的关系106-107
- 6.2.7 青藏高原地表净辐射的计算107-109
- 6.3 地表向大气输送能量日平均通量的计算109-112
- 6.4 青藏高原冷热源空间分布及年变化特征112-115
- 6.5 青藏高原热力作用对大气循环及气候影响115-124
- 6.5.1 青藏高原热力作用对地区大气循环及气候影响115-116
- 6.5.2 青藏高原热力作用的一些证据116-123
- 6.5.2.1 特殊的天气、气候现象116-117
- 6.5.2.2 大尺度卫星影象中的云图和水汽分布图117-123
- 6.5.3 青藏高原热力作用对大气环流及全球气候的影响分析123-124
- 6.6 本章小结124-125
- 第七章 结论与问题讨论125-129
- 7.1 主要工作及结论125-126
- 7.2 论文特色及创新点126-127
- 7.3 问题与展望127-129
- 参考文献129-139
- 攻读博士期间发表的论文139-140
- 攻读博士期间参加的科研项目140
- 攻读博士期间参加的大型实验和学术活动140-141
- 致谢141
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| 【引证文献】 | ||
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| 【参考文献】 | ||
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| 【共引文献】 | ||
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| 【同被引文献】 | ||
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| 【二级引证文献】 | ||
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| 【二级参考文献】 | ||
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| 【相似文献】 | ||
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