藏北高原辐射平衡分量与土壤热通量的卫星遥感估算研究

摘要

青藏高原地气间的能量交换，是青藏高原地气相互作用过程中非常重要的组成部分。以往有关青藏高原地表能量平衡的研究多集中在利用经验公式或者中低分辨率卫星产品得到辐射平衡分量（太阳辐射、地表反射辐射、大气逆辐射、地表发射辐射、净辐射）与土壤热通量的分布特征，尚未建立一套适用于高空间分辨卫星资料的藏北高原辐射平衡分量和土壤热通量的参数化方案。因此，本论文结合“全球协调加强观测计划(CEOP)亚澳季风之青藏高原试验研究”(CAMP/Tibet)自动气象站观测数据和高空间分辨率卫星遥感数据(Landsat-7ETM+)，优化一套适用于藏北高原地表辐射分量与土壤热通量的卫星遥感估算方案。
　　首先，论文基于CAMP/Tibet自动气象站（ANNI站、BJ站、D105站和NPAM站）的观测数据分析了不同下垫面、不同海拔高度的辐射平衡分量日变化和季节变化规律。利用土壤温湿度观测资料以及土壤温度预报校正法(TDEC)计算土壤热通量，结果表明计算值与土壤热通量板实测值在热流的方向以及相位上均相差很小，但量值上热通量板测量结果普遍偏小。因此，论文摒弃传统土壤热通量板测量土壤热通量方法，利用TDEC法估算藏北高原地区土壤热通量特征。此外，站点上的辐射观测与土壤热通量估算结果直接为卫星估算结果提供了可靠的地面验证资料。
　　其次，利用高空间分辨率极轨卫星Landsat-7 ETM+轨道级资料，选取2001年6月13日、2001年11月4日、2002年2月8日、2002年5月15日影像分别代表夏、秋、冬、春季，通过引入Teillet-回归模型，消除地形影响，结合Landsat-7ETM+通道反射率和CAMP/Tibet站点实测地表反照率资料，建立了适用于藏北高原的地表反照率估算方程。在地表温度反演过程中，选用估算精度高、操作简单、输入参数少的单通道算法，并且引入了高时间分辨率静止卫星(FY-2C)，建立研究区地表温度估算的分裂窗算法。研究表明估算得到藏北高原的地表特征参数（包括:地表反照率、地表比辐射率、植被指数、地表温度）空间分布特征与下垫面分布特征吻合，各参数估算结果显示出较为合理的季节变化特征。
　　最后，由于藏北高原地形复杂，将地形因子（坡度、坡向）引入辐射通量的参数化方案过程，结合Landsat-7 ETM+可见光/热红外波段和CAMP/Tibet自动气象站观测数据（相对湿度和气温）计算太阳辐射。土壤热通量参数化过程中，引入了植被因子，并针对不同下垫面类型提出了相应的估算方案。通过卫星遥感估算值和CAMP/Tibet自动气象站观测值的对比表明估算值和观测值之间具有良好的一致性。同时分析得到研究区辐射平衡分量、土壤热通量与地面加热场强度的空间分布和季节变化特征。其中，辐射平衡分量的变化特征与利用CAMP/Tibet四分量辐射仪观测值所得结果较为一致。大气逆辐射、净辐射、土壤热通量和地面加热场强度呈现春夏季较大，秋冬季较小的季节变化特征，其中峰值均出现在夏季，分别为256.52 W·m-2、633.54 W·m-2、57.00 W·m-2和576.50 W·m-2;冬季则最小，分别为218.16 W·m-2、384.72W·m-2、31.21W·m-2和353.51W·m-2。卫星过境时刻（北京时12时10分左右），藏北高原土壤热通量均为正值。地面加热场数据显示藏北高原地区夏季为强热源(576.50 W·m-2)，冬季为弱热源(353.51 W·m-2)。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 辐射平衡分量研究进展

1．2．2 土壤热通量研究进展

1．3 研究内容

1．4 论文结构

第2章 藏北高原地区辐射平衡分量与土壤热通量的地基观测研究

2．1 观测站点介绍

2．1．1 ANNI站

2．1．2 BJ站

2．1．3 D105站

2．1．4 NPAM站

2．2 辐射平衡分量

2．2．1 辐射平衡分量的日变化特征

2．2．2 辐射平衡分量的季节变化特征

2．3 基于土壤温湿资料估算土壤热通量

2．3．1 数据与方法

2．3．2 结果分析

2．4 本章小结

第3章 藏北高原地区地表特征参数的卫星遥感估算

3．1 卫星数据与估算方法

3．1．1 卫星数据

3．1．2 地表参数估算方法

3．2 卫星估算值与地面实测值的比较与评价

3．3 地表反照率、植被指数与地表比辐射率空间分布和季节变化

3．4 地表温度空间分布、日变化和季节变化

3．5 本章小结

第4章 藏北高原地表辐射平衡分量与土壤热通量的卫星遥感估算

4．1 辐射平衡分量与土壤热通量估算方法

4．1．1 复杂地形区太阳辐射的遥感估算

4．1．2 大气逆辐射遥感估算

4．1．3 地表发射辐射遥感估算

4．1．4 净辐射通量遥感估算

4．1．5 土壤热通量遥感估算

4．2 卫星估算值与地面实测值的比较与评价

4．3 辐射平衡各分量空间分布与季节变化

4．4 土壤热通量以及地表加热场时空分布

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 结论

5．2 主要创新点

5．3 存在的问题和展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文