复杂地形区短波辐射遥感
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复杂地形区短波辐射遥感
2019.6.16
提纲
研究背景 云地耦合短波辐射建模 短波辐射时间尺度扩展 基于计算机真实结构模型的复杂地
形区辐射验证 总结
研究背景
地-气系统辐射是整个地球系统物质与 能量循环的主要驱动力。短波净辐射已 经被IGBP等列为优先测定的参数之一。
地形效应可引起900W/m2 的太阳辐射差 异； 全球的云覆盖高达70%
统计显示，校正前后短波瞬时辐射差异达500W/m2 （80%）
8/32
云地耦合短波辐射建模
MODIS L1B
传统方法
我们的方法
有效校正了由于太阳— 云—地—卫星观测几何导 致的辐射误差
9/32
云地耦合短波辐射建模
建立了云地耦合的短波辐射模型SWTRM (Shortwave topographic radiation model)
13/32
大尺度参数化短波辐射模型
不同云覆盖度下青藏高原的实验子区
(1) 0.06%
(3) 8.14%
(5) 31.61%
(7) 81.87%
最优空间尺度分析
(2) 0.34%
(4) 17.11%
(6) 59.34%
(8) 88.87%
下行短波总辐射
发现大尺度参数化模型的最优空间尺度为20km（无需修正太阳-云-观测几何关系，无需
Environment, 2018, 205:419-433.
10/32
云地耦合短波辐射建模
SWTRM可以精确计算复杂地形区 短波辐射
利用2015年在承德试验场测量的山区辐射量对 SWTRM进行了验证，总共布设5套CNR4仪器， 测量周期：2015年8月-9月。
短波下行辐射
短波净辐射
11/32
云地耦合短波辐射建模
SWTRM可以直接将传统的仅适用于 水平地表的短波辐射产品降尺度到 复杂地形区
考虑地形效应
不考虑地形效应
短波下行辐射
直射辐射
短波净辐射
12/32
大尺度参数化短波辐射模型
建立了大尺度参数化短波辐射模型
地表接收的下行短波总辐射：
传感器接收的辐亮度：
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· 1 ������ ������ _
下行辐射
Fdw _ rugged
(Vd Fsky
N P 1
LP
cosTM cosTPdSP rM2P
s Fdir )
净辐射
Fnet _ rugged
(Vd Fsky
N P1
LP cosTM cosTPdSP rM2P
s Fdir ) (1 )
校正因子 R
Fnet rugged
Vd Fsky =
N P 1
LP cos TM cos TPdSP rM2P
s Fdir
Fnet
Fsky 0 Fdir
红色参数代表需要输入的辐射量 蓝色参数代表与地形有关的参数，可以离线计算
Wang et al., Toward operational shortwave radiation modeling and retrieval over rugged terrain. Remote Sensing of
6/32
云地耦合短波辐射建模
综合考虑太阳、云、地、传感器几何关系
太阳—云-山区—卫星观测几何 太阳 示意图
卫星
云阴影 云下光照区 图像上的云
7/32
云地耦合短波辐射建模
MODIS L1b
受校观正测前几后何短影波响辐的射三差种值情况
基于云高、太阳和观测角度等确定以上三种几何关系，建立 模型实现太阳—云—地—卫星几何关系的校正
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1 ������ · 1 ������ · ������ ������ · ������
L Lp_cloud
f
Lp_clear
(1
f
)
F
rs
cloud
f
Βιβλιοθήκη Baidu
clear
(1
f
)
经全局敏感性分析发现，太阳天顶角、地表反照率和云覆盖度对大尺度地表短波辐射 分量的影响程度可高达94%(DSSR)、97%(NSSR)和96%(USSR)。
考虑邻近像元之间的散射相互作用）
14/32
地表短波净辐射(W/m2) 下行短波辐射(W/m2)
大尺度参数化短波辐射模型
最优空间尺度(20km)上模型结果
RMSE=107.84 Bias=-53.12 R2=0.82
RMSE=79.86 Bias=-20.38 R2=0.84
4/32
复杂地形区短波辐射地形效应
冰雪区邻近地形辐射变化
1）地形强烈改变下行辐射空间分布，造成阴、 阳山坡下行辐射的差异可达800w/m2
2）冰雪区邻近地形辐射区域平均可达 100w/m2
Yan et al., Temporal Extrapolation of Daily Downward Shortwave Radiation Over Cloud-Free Rugged Terrains. Part 1: Analysis of Topographic Effects, IEEE TGARS, 2018, 56(11): 6375-6394.
大尺度参数化模型抓住了短波辐射估算的最敏感因素，可直接用 于大范围遥感辐射产品的生产
Chen et al., Spatial Scale Consideration for Estimating All-sky Surface Shortwave Radiation with a Modified 1D Radiative Transfer Model, IEEE-JSTARS, 2019, 3(12): 821-835
5/32
复杂地形区短波辐射地形效应
下行辐射空间分布
信息熵表征下行辐射空间异质性日变化
ex p h T 1 C
ET
地形对短波辐射的影响随太阳/观测角度变化，随像元尺度变化, 高分辨率DEM不可或缺。 在公里级尺度，地形效应不能忽略，基于平地假设的算法（如MODIS核驱动算法）在山区不具有适用性。
(Wild et al., 2013)
3/32
研究背景
复杂地形区遥感短波辐射估算面临两个关键科学问题： 复杂地表云地效应辐射建模及时空扩展
缺少能够简洁描述地形起伏及云 覆盖对短波辐射影响的物理模型
Terrain Shadow
复杂地表真实性检验
(d)
常规的台站测量方法不适于复杂地形区； 无法获取遥感像元尺度复杂地形区的真值。
2019.6.16
提纲
研究背景 云地耦合短波辐射建模 短波辐射时间尺度扩展 基于计算机真实结构模型的复杂地
形区辐射验证 总结
研究背景
地-气系统辐射是整个地球系统物质与 能量循环的主要驱动力。短波净辐射已 经被IGBP等列为优先测定的参数之一。
地形效应可引起900W/m2 的太阳辐射差 异； 全球的云覆盖高达70%
统计显示，校正前后短波瞬时辐射差异达500W/m2 （80%）
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云地耦合短波辐射建模
MODIS L1B
传统方法
我们的方法
有效校正了由于太阳— 云—地—卫星观测几何导 致的辐射误差
9/32
云地耦合短波辐射建模
建立了云地耦合的短波辐射模型SWTRM (Shortwave topographic radiation model)
13/32
大尺度参数化短波辐射模型
不同云覆盖度下青藏高原的实验子区
(1) 0.06%
(3) 8.14%
(5) 31.61%
(7) 81.87%
最优空间尺度分析
(2) 0.34%
(4) 17.11%
(6) 59.34%
(8) 88.87%
下行短波总辐射
发现大尺度参数化模型的最优空间尺度为20km（无需修正太阳-云-观测几何关系，无需
Environment, 2018, 205:419-433.
10/32
云地耦合短波辐射建模
SWTRM可以精确计算复杂地形区 短波辐射
利用2015年在承德试验场测量的山区辐射量对 SWTRM进行了验证，总共布设5套CNR4仪器， 测量周期：2015年8月-9月。
短波下行辐射
短波净辐射
11/32
云地耦合短波辐射建模
SWTRM可以直接将传统的仅适用于 水平地表的短波辐射产品降尺度到 复杂地形区
考虑地形效应
不考虑地形效应
短波下行辐射
直射辐射
短波净辐射
12/32
大尺度参数化短波辐射模型
建立了大尺度参数化短波辐射模型
地表接收的下行短波总辐射：
传感器接收的辐亮度：
������ ������ _
· 1 ������ ������ _
下行辐射
Fdw _ rugged
(Vd Fsky
N P 1
LP
cosTM cosTPdSP rM2P
s Fdir )
净辐射
Fnet _ rugged
(Vd Fsky
N P1
LP cosTM cosTPdSP rM2P
s Fdir ) (1 )
校正因子 R
Fnet rugged
Vd Fsky =
N P 1
LP cos TM cos TPdSP rM2P
s Fdir
Fnet
Fsky 0 Fdir
红色参数代表需要输入的辐射量 蓝色参数代表与地形有关的参数，可以离线计算
Wang et al., Toward operational shortwave radiation modeling and retrieval over rugged terrain. Remote Sensing of
6/32
云地耦合短波辐射建模
综合考虑太阳、云、地、传感器几何关系
太阳—云-山区—卫星观测几何 太阳 示意图
卫星
云阴影 云下光照区 图像上的云
7/32
云地耦合短波辐射建模
MODIS L1b
受校观正测前几后何短影波响辐的射三差种值情况
基于云高、太阳和观测角度等确定以上三种几何关系，建立 模型实现太阳—云—地—卫星几何关系的校正
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L Lp_cloud
f
Lp_clear
(1
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(1
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经全局敏感性分析发现，太阳天顶角、地表反照率和云覆盖度对大尺度地表短波辐射 分量的影响程度可高达94%(DSSR)、97%(NSSR)和96%(USSR)。
考虑邻近像元之间的散射相互作用）
14/32
地表短波净辐射(W/m2) 下行短波辐射(W/m2)
大尺度参数化短波辐射模型
最优空间尺度(20km)上模型结果
RMSE=107.84 Bias=-53.12 R2=0.82
RMSE=79.86 Bias=-20.38 R2=0.84
4/32
复杂地形区短波辐射地形效应
冰雪区邻近地形辐射变化
1）地形强烈改变下行辐射空间分布，造成阴、 阳山坡下行辐射的差异可达800w/m2
2）冰雪区邻近地形辐射区域平均可达 100w/m2
Yan et al., Temporal Extrapolation of Daily Downward Shortwave Radiation Over Cloud-Free Rugged Terrains. Part 1: Analysis of Topographic Effects, IEEE TGARS, 2018, 56(11): 6375-6394.
大尺度参数化模型抓住了短波辐射估算的最敏感因素，可直接用 于大范围遥感辐射产品的生产
Chen et al., Spatial Scale Consideration for Estimating All-sky Surface Shortwave Radiation with a Modified 1D Radiative Transfer Model, IEEE-JSTARS, 2019, 3(12): 821-835
5/32
复杂地形区短波辐射地形效应
下行辐射空间分布
信息熵表征下行辐射空间异质性日变化
ex p h T 1 C
ET
地形对短波辐射的影响随太阳/观测角度变化，随像元尺度变化, 高分辨率DEM不可或缺。 在公里级尺度，地形效应不能忽略，基于平地假设的算法（如MODIS核驱动算法）在山区不具有适用性。
(Wild et al., 2013)
3/32
研究背景
复杂地形区遥感短波辐射估算面临两个关键科学问题： 复杂地表云地效应辐射建模及时空扩展
缺少能够简洁描述地形起伏及云 覆盖对短波辐射影响的物理模型
Terrain Shadow
复杂地表真实性检验
(d)
常规的台站测量方法不适于复杂地形区； 无法获取遥感像元尺度复杂地形区的真值。