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遥感反演非均匀下垫面地表特征参数及能量通量

王丽娟  
【摘要】:陆地表面作为地-气间物质与能量交换的交界面,在地球科学系统中占有重要地位。不同的地表类型决定着不同的地-气交换特征,从而影响着区域乃至全球的大气环流及气候变化。在实际的陆面过程研究中,往往需要了解大范围地表及能量通量的特征,而常规的气象观测只局限于代表一定尺度的单点或观测定点附近的小范围区域。遥感技术在解决这个问题上占据了绝对的优势。遥感资料具有空间上的连续性和时间上的动态变化特点,可以实现由点到面的转换,其中的关键就在于如何使用遥感得到更加精确的地表温度及地表特征信息。 古浪非均匀近地层观测试验(Gulang Heterogeneous Underlying Surface Layer Experiment,GHUSLE)设置在一小尺度的非均匀下垫面,加密观测期间各观测点的距离在1.0km左右。为保证试验数据具有可对比性,所有观测仪器都在均匀的下垫面上进行了平行对比观测。此次试验为绿洲-沙漠的特征及其相互作用研究提供了宝贵的观测资料,也为非均匀下垫面的遥感反演提供了可靠的验证资料。本文利用GHUSLE试验期间TERRA/MODIS和FY-3A/VIRR的卫星资料,首先估算了试验区的归一化植被指数NDVI和地表反照率。其次,着重发展了非均匀下垫面地表温度的卫星反演算法。针对常见的局地分裂窗算法,采取如下两种方法提高地表温度的反演精度。第一种是利用实测地表温度和反演地表温度之差修正反演算法中的关键参数,从而提高地表温度反演精度。但这种做法仅限于有实际观测的地表温度才能进行,并且对于不同地区修正系数也不一样。第二种利用Sobrino的发射率方法得到裸土和完全植被覆盖情况下两个独立的分裂窗计算式,之后用植被覆盖度计算混合像元的地表温度。这种方法比较普适,也不需要实际观测的地表温度。最后,利用卫星资料反演试验区的能量通量。在能量反演中采用Thom等1977年提出的空气动力学阻抗算法。为了使之适用于有较高植被覆盖的非均匀下垫面,本文提出将算法中的动量和热量粗糙度进行分离。研究主要结论如下: (1)以NDVI大于0.5为绿洲区域和NDVI小于0.2为沙漠区域符合实际的植被覆盖特征。利用MOD09地表反射率反演的地表宽波段反照率与实际观测的地表反照率较为接近,均方根误差为0.027。 (2)本文提出的两种改善方法都能提高地表温度反演精度。其中,第一种改善方法反演精度高于第二种,但这种方法只限于要有实测地表温度才能进行,与第二种改善方法相比,普适性较差。利用TERRA/MODIS资料通过这两种方法反演的地表温度与实际观测相比,相关系数分别为0.93、0.92,均方根误差分别为2.38K、2.55K。 (3)卫星光谱响应函数灵敏度和地理定标精度在卫星资料反演中至关重要。TERRA/MODIS各通道光谱响应函数比FY-3A/VIRR敏感,且地理定标精度高,TERRA/MODIS资料反演的地表温度更接近于实际观测值。统计分析两者反演地表温度的偏差主要集中在3.0K以内。 (4)卫星资料反演可以准确地给出绿洲-过渡带-沙漠的非均匀特征。从试验区植被指数、地表温度区域分布图中可以明显地看见绿洲、过渡带和沙漠的边界。植被指数和地表温度在绿洲、沙漠内部的变化梯度明显小于过渡带,且绿洲面积越大这种特征表现得越明显。 (5)本文提出将Thom算法中动量和热量粗糙度进行分离的方法可以提高非均匀下垫面空气动力学阻抗的反演精度。在此基础上估算得到的感热通量均方根误差较小,为23.49W.m-2。


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