[发明专利]下行短波辐射和光合有效辐射数据的反演方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及卫星遥感及其应用技术领域，特别是涉及一种下行短波辐射和光合有效辐射数据的反演方法及系统。

背景技术

下行短波辐射是太阳辐射中300-3000nm的部分，通常定义为：

其中，I(λ)是光谱辐照度，λ是波长范围。

光合有效辐射是太阳辐射中400-700nm的部分，即

光合有效辐射是形成生物量的基本能源，控制着陆地生物有效光合作用的速度，直接影响到植被的生长、发育、产量与产量质量。同时，光合有效辐射是重要的气候资源，影响着地表与大气环境物质、能量交换。众多陆面生态系统模型，包括很多生物地理模型，陆面-大气相互作用的模型等都有生态动态模拟的功能，以及与全球碳循环和水循环中相互作用的功能。基本上这些模型都涉及了使用光合作用来调节植被冠层和大气之间的水分和碳的交换，而入射光合有效辐射就是此类模型的一个重要的输入参数。

国内外对于到达地表太阳辐射的估算方法的研究，主要有三种基本类型：一种是通过统计回归，另外一种是建立物理模型，最后一种是通过与精确辐射传输模型模拟太阳辐射与大气和地表之间的相互作用建立查找表来估算地表太阳辐射。当前，大多数的宽波段模型都是针对短波辐射来估算的，直接建立光合有效辐射估算的模型相比于短波辐射模型还是比较少的，很多都是通过建立短波辐射模型到光合有效辐射模型之间的转换关系来实现的。当然还有一些物理原理的波谱模型，此类模型可以根据波谱的范围估算任意波长之间到达地表太阳辐射量。

一般通过统计模型来估算地表短波辐射，是通过建立短波辐射同一些大气或者气象因素的关系来实现的。这种方法不需要很清楚地知道太阳辐射和具体的大气的状况或成分，而是要建立卫星观测和地表的辐射观测数据之间一种统计关系。比如说Heliosat模型，就是基于阴天和晴天的晴朗指数建立Meteosat可见光波段数据地表短波辐射数据之间的统计关系，从而估算地表短波辐射的(Cano et al.1986)。Alados-Arboledas et al.(2000)通过对Iqbal(1983a)的短波的直射和辐射模型改进，进而估算地表光合有效辐射模型的直射和散射部分。

统计模型计算的辐射的最大的优点是其简单性，甚至不需要知道其中的物理机理和大气辐射传输的过程，就可以直接计算获得地表的光合有效辐射或者短波辐射。同时，这种统计模型的最大的弊端就是其普适性差，在某一特定区域或者大气条件下建立的关系，可能会在另外一种状况下并不适用，这就使得这种方法很难在大的区域或者不同环境下实施，因此统计模型的实施有着很大的限制性。

物理模型是通过模拟太阳辐射和大气直接的相互作用来估算地表的光合有效辐射和短波辐射的。众所周知，太阳辐射在经过大气时会有一个削弱的过程。通常来说水汽和CO₂吸收红外部分，而紫外部分会被臭氧层吸收。而可见光的波长较短的部分一般会被大气分子和气溶胶散射。如何计算各种大气中的成分对太阳辐射的吸收、散射作用是估算地表辐射太阳辐射量的关键。这种类似的物理模型的精度会随着对大气辐射传输和其他物理机理过程的理解而渐渐提高。与一般统计模型相比其普适性也有一定的提高，可以用作大范围的辐射反演。但是其缺陷就是所需输入的参数很多，而这些参数的反演精度有很难达到要求，因此输入参数的精度会影响算法的最终的验证的结果。

卫星遥感数据是反演全球尺度的光合有效辐射和短波辐射的有效方法，由于卫星数据可以提供连续的、高空间分辨率、高时间分辨率的数据。在不管是极轨卫星还是静止卫星上的各种传感器数据已经被广泛的应用于光合有效辐射和短波辐射的估算。如GOES，MSG等一批静止卫星相对于极轨卫星来说有很高的时间的分辨率，因此更易于检测地表辐射的天际的变化。如Iqbal(1983b)的模型被改进后，使用Meteosat观测数据被用作估算每小时直射和散射光合有效辐射(Rubio et al.2005)。

通过GCMs模型模拟来获得地表短波辐射和光合有效辐射是另外一种获得地表辐射量的选择之一。几乎所有的GCMs模型都会模拟大气顶的太阳辐射和地表下行短波辐射量，但是这些已有产品的空间分辨率都很低，都小于一度，但是其时间分辨率相对比较高，一般是六小时(Liang et al.2010)。