林区有云条件下太阳短波辐射量的遥感估算方法研究

太阳辐射是森林植被用于光合作用从而进行生长发育的唯一能量来源，其对森林植被的生产能力具有显著的影响。因此，研究太阳辐射的大小和空间分布对于森林覆盖区而言是非常重要的。然而，在云和地形的影响下，森林覆盖区太阳辐射涉及的问题非常复杂。本项目分别从云和地形两个角度出发，对森林覆盖区与太阳短波辐射有关的量进行了探索性的研究，其中云为粗尺度研究，地形为精细尺度的研究。主要研究内容归纳如下：（1）粗尺度有云条件下地表短波辐射建模及敏感性分析；（2）有云条件下地表瞬时短波辐射的空间尺度分析；（3）结合极轨和静止卫星数据估算有云条件下地表短波辐射的算法研究；（4）地形因子对林分直径分布结构的影响分析；（5）基于5景高空间分辨率光学卫星影像及高精度的数字高程模型，研究地形引起的太阳辐射变化对林冠反射特征的影响。各项研究内容对应的研究结果归纳如下：（1）在粗尺度上，影响地表入射短波辐射最关键的因子依次为云覆盖度、地表反照率和太阳天顶角，故简化的粗尺度地表入射短波辐射估算模型中，与云有关的参数可仅考虑云覆盖度。（2）选择青藏高原为示例区域进行了定量的空间尺度分析，结果表明20km是考虑云覆盖度的一维辐射传输模型应用的最优临界尺度，该值与现存的涉及复杂三维辐射传输模拟的研究结论基本一致。（3）模拟验证和实际数据验证的结果表明，结合极轨卫星和静止卫星数据进行地表短波辐射的估算方法是简单易行的。（4）从精细的空间尺度上看，不同龄组杉木人工林的直径分布结构在阴坡和阳坡表现出明显差异，说明了坡向作为控制太阳辐射的关键变量之一，显著影响着树木的生长。（5）受地形影响的太阳有效入射角度和观测有效角度均对林冠方向性反射特征造成不同程度的影响，影响的幅度更多地受控于林分的生长状态且基本上独立于空间尺度。本项目的诸项研究结果均有助于深入理解森林覆盖区有云条件下太阳短波辐射量及其影响。 2100433B

森林作为结构最为复杂、功能最为完备的陆地生态系统，在维护生态平衡、应对气候变化、保护生物多样性等方面均发挥着关键性的作用。太阳辐射是整个地球系统物质与能量循环的主要驱动力，也是森林植被进行光合作用的唯一能量来源。对于林区而言，影响地表短波辐射平衡的两大最为复杂的要素是云和地形。目前多数研究均未充分考虑到云和复杂地形的综合影响，本项目将致力于考虑太阳-云-地-传感器四者之间的三维几何关系，在平坦地表辐射传输模型的基础上，创建能综合考虑云和地形的辐射传输物理模型，在此基础上，建立适合森林覆盖区域有云条件下太阳辐射量的遥感估算参数化方法，实现林区高空间分辨率地表短波辐射分量的准确估算；利用野外实验以及站点观测的辐射数据对所提出的林区有云条件下太阳短波辐射传输模型及其辐射量的估算结果进行验证。通过在一系列不同的空间尺度上对比改进前后模型的估算结果，定量分析云和地形对地表辐射量影响的空间尺度效应。

短波辐射短波辐射的特征

国内外科学工作者对太阳短波辐射进行了大量的研究。自1980 年开始，新西兰、英国、日本、美国相继监测总辐射紫外UV-B 辐射的变化以及两者之间的关系。在太阳辐射的变化方面，在1990 年前后有一个由全球太阳辐射变化导致的从暗变亮的转折。分析1990—1995 年商船观测的西太平洋的海表太阳总辐射得到结论：海表太阳总辐射在15°N 以北和15°S 以南的海区都有明显的季节变化。正午时刻的太阳总辐射最大值从3 月的10°～15°N 海区逐渐移到6 月的25°N 海区。在北半球观测区，日平均太阳总辐射最大值的范围为270～280 W·m^-2，在南半球观测区，最大值大约为290 W·m^-2。

国内学者利用PICC AR4 全球气候模式输出结果，重点分析模式对东亚地区地表短波辐射的气候平均、季节变化及年际变化特征。并且利用ERBE 和ISCCP 卫星辐射及总云量资料，研究了青藏高原地表短波吸收辐射和总辐射的气候反演方法，并揭示了二者的基本特征；利用绿洲、戈壁和沙漠的辐射资料分析了不同下垫面的太阳辐射特征；利用彩南、古尔班通古特沙漠中的沙漠一站、乌鲁木齐实测辐射资料分析了典型天气的辐射特征，指出总辐射和反射辐射日总量晴天最大，阴天次之，雨天最小，沙漠反照率高于绿洲。国内学者陈霞等 分析了塔中沙尘气溶胶对短波辐射的影响。李红军等 利用肖塘野外加密观测资料分析了沙尘暴期间太阳辐射的变化。何清等[9]利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测站（塔中站）直接探测的总辐射资料，对流动沙漠区近地层总辐射的变化特征及影响因子进行了分析。

短波辐射波辐射的时空变化

在太阳短波辐射的时空变化方面，有关研究表明，从国际地球物理年（1957 年）建立地面太阳辐射观测网，到20 世纪80 年代末，全球范围内观测到的到达地面的太阳辐射普遍呈现出下降的趋势 。

近50 年，中国大部分地区的太阳总辐射和直接辐射均呈减少趋势，大气中悬浮粒子浓度的增加可能是造成这种减少趋势的主要原因之一。20 世纪90年代与40 年代相比，西北地区和东北地区辐射减少幅度小于西南、华南、华北和华东，其中华东减少幅度最大，平均约为6%。许潇锋 对我国50 多个台站的近40 a 的太阳辐射观测资料进行了统计分析，结果表明，1961-1990 年全国平均总辐射、直接辐射年总量呈显著下降趋势，年下降值分别为24．81 MJ·m^-2、21．67 MJ·m^-2；散射辐射总体变化趋势不明显。总辐射和直接辐射在东部下降较西部明显，东北和西南地区下降不明显；而散射辐射在东部站点呈增加趋势的多，西部站点呈下降趋势的偏多。1990 年以来，总辐射年总量又有增加的趋势，全国平均增加105．6 MJ·m^-2。

目前对短波辐射的估算采用较多的是经验公式和定量及数值模拟研究，近年来晴空条件下的宽带短波辐射模拟也受到了相当的重视。

估算地表辐射已经有许多模拟方法，这些方法大致可以分为基于云、基于日照和基于温度的模拟。一个精确标校过的基于日照的模拟方法比基于云或者基于温度的方法能提供更准确的太阳辐射估算。也可以部署一个阻尼谱，计算出晴空中的地表太阳辐射。他们的模型考虑物理过程的细节，因此纬度、海拔和其他因素的影响都自动纳入。ANN 估算海拔在1 000～1 700 m 之间山区平均每日的向下短波辐射。

我国学者也对短波辐射进行了许多估算研究。K．Yang 等 研发了一种用日照时数来估算太阳辐射的Artificial neural networks（ANNs）模型，这个模型能清楚地解释辐射在大气中消失的过程。W．Tang等 利用中国气象局维护的97 个辐射站资料，针对已经质量控制过的太阳辐射测量值，评估了混合模型。

到达地球表面的太阳辐射，除了受太阳常数以及平均日地距离等天文因子影响外，还受到地球大气的强烈影响，其中包括：太阳高度角、大气透明度、云、地形、大气气溶胶、海冰、纬度、水汽等。

短波辐射地形的影响

受地形因素影响的太阳辐射研究始于20 世纪50 年代。对于任意地形条件下太阳辐射，其计算坡地临界时角公式和日照时段判断方法简化了山区太阳辐射计算，使得数值积分可以改用解析公式计算。李怀瑾等 则提出了一种图解方法确定坡面上辐射总量的方法。关于坡地太阳辐射的理论研究和区域性实验，为坡地太阳辐射计算奠定了理论基础。李占清等 采用从地形图中直接读取100 m×100 m 分辨率网格点高程的方法，描绘了3 km×3．5 km 范围内山区太阳总辐射的分布，尝试解决地形对辐射的遮蔽影响问题；通过两个有多年太阳总辐射数据的站点实测数据检验，模拟结果良好：各月太阳总辐射平均误差率均小于10%，平均为3．69%；同时，也提供了一个可以借鉴到其它山地丘陵区的太阳总辐射空间化模式；运用坡地坡向短波辐射效应（SLOPE）的非静力中尺度模式GRAPES（全球/区域同化和预报系统），模拟和讨论坡地坡向的短波辐射效应。

短波辐射云的影响

在地气系统热量平衡的概念模型中，传统上一般认为云只吸收3%～4%的太阳短波辐射，这一结论一直用于气候模式的模拟中。然而近两年来，以Cess、Ramanathan 及Pileskie 等 为代表，认为云对太阳辐射的吸收远远超过3%～4%，可能达到百分之十几甚至二十。来自于GFDL 实验室的Eta Geophysical FluidDvnamies Laboratory（GFDL）短波辐射方案考虑了大气水汽、臭氧和二氧化碳效应，云层是随机覆盖的。

短波辐射的计算是由白天平均余弦太阳高度角计算得出。来自于MM5 的短波辐射方案，对太阳辐射通量进行向下积分，考虑晴空散射，水汽吸收及云的反照率和吸收作用，采用stephens 的云表。基于Chouand Suarez 而提出的Goddard 方案，一个包含有大气、气溶胶、云的复杂的短波辐射效应谱方案，该方案包括由云、气溶胶、臭氧、二氧化碳、水汽、氧气的吸收，还包括云、气溶胶以及各种气体散射产生的辐射通量。