[发明专利]复杂地形条件下太阳短波入射辐射估算方法

摘要

一种复杂地形条件下太阳短波入射辐射估算方法，通过宽波段水汽吸收透过率估算、宽波段气溶胶散射透过率估算MODIS大气产品的宽波段大气透过率，根据0.55μm的气溶胶光学厚度及实际α值重新推导β；估算其他三种宽波段透过率分量；基于ATCOR3模型反演地表反照率；从太阳直接辐射、各向异性散射辐射、各向同性散射辐射和周围地形反射辐射四个方面估算复杂地形条件下太阳短波入射辐射。该估算方法基于ATCOR3模型对研究区基于TM影像进行快速地形标准化，得到地表真实反照率，作为先验值代入山区辐射传输模型，计算周围地形反射辐射；将DEM与MODIS水汽与气溶胶大气产品作为模型输入参数，无须地面站点观测资料。

主权项

一种复杂地形条件下太阳短波入射辐射估算方法，其特征在于，该估算方法具体按以下步骤进行：步骤1：基于MODIS大气产品的宽波段大气透过率估算：宽波段大气透过率分为两类：直射辐射透过率和散射辐射透过率，具体参数化方案选择阳坤大气透过率模型；直射辐射透过率公式为：式中：T_r(θ_s)、T_a(θ_s)、T_g(θ_s)、T_σ3(θ_s)和T_w(θ_s)分别表示瑞利散射透过率、气溶胶散射透过率、稳定气体吸收透过率、臭氧吸收透过率与水汽吸收透过率。散射辐射透过率T_d(θ_s)计算公式为：太阳直接辐射在大气中的衰减大小由直射辐射透过率决定，散射辐射的衰减量由散射辐射透过率确定；周围地形的反射辐射是周围地物接收的直接辐射与散射辐射的函数； 1、宽波段水汽吸收透过率估算：式中的大气质量m(θ_s)参见世界气象组织建议计算公式；w是大气可降水厚度，单位是厘米，用MODIS水汽产品PW代替；2、宽波段气溶胶散射透过率估算：式中：β为浑浊度；MODIS水汽产品直接输入水汽透过率公式，而阳坤大气透过率模式中，其假设为波长指数假设为1.3，且β由0.50μm处气溶胶光学厚度推导而来，即：β=τ_0.500.5^1.3                     （6）式中，τ表示气溶胶光学厚度，τ_0.50表示0.50μm气溶胶光学厚度；然而，MODIS气溶胶产品没有记录0.50μm波长处的AOD，需要根据0.55μm的气溶胶光学厚度及实际波长指数α值对β重新进行推导： β=τ_0.55(0.5/0.55)^‑α0.5^1.3       (7)    3、其他三种宽波段透过率分量估算瑞利散射透过率、臭氧透过率和稳定气体吸收透过率三种透过率公式依然利用阳坤模型，即：其中，l为臭氧层厚度总量，单位cm或多布森，随地理纬度和季节而变化；利用卫星产品的24年平均值内插得到m_c=m(θ_s)p_s/p₀，表示气压校正的大气质量；p_s是当地面气压，为了避免大气透过率计算对地面实测数据的依赖，利用经验公式由地表高程直接估算，即：p_s= p₀exp(‑z/H_T)     (11)式中，z为地面高程，单位，米；p₀为标准大气压；H_T是大气标高，高度每升高一个标高H_T，则大气压降低1/e = 0.37；步骤2：基于ATCOR3模型反演地表反照率：对于观测方向在天顶附近的Landsat 等高分辨率卫星传感器，山区地表方向反射调节因子G函数：G=cosi_s/cosi_T            (12)其中，i_T为角度阈值，表明只有坡元处太阳实际照射角度i_s大于等于该阈值时才使用G函数进行地表二向反射校正；即，如果太阳照射角小于阈值，则认为地表为朗伯体，不区分坡地反射率和平地反射率；根据这种地形校正原则，将坡地反射率ρ_T转换为平地反射率ρ_H，实现地形校正的目的，获得地表真实反照率，其公式为：      ρ_H=ρ_TG              (13)步骤3：复杂地形条件下太阳短波入射辐射估算1）太阳直接辐射太阳短波入射辐射的直接辐射来自太阳的直接照射，计算公式为：太阳直接辐射受TOA太阳短波入射辐射E₀、太阳天顶角θ_s、局地太阳照射角i_s、地形遮蔽因子V_s和大气直射透过率T_b(θ)_s共同影响；地表坡度与坡向将导致太阳实际照射角随地形而改变；在DEM 数据辅助下，均可以通过太阳及地表之间几何关系精确获取；地形遮蔽因子判断地物是否被周围地形遮挡得不到太阳照射，而局地照射角大于90°时表明地表由于自身遮蔽同样处于阴影中；这两种情况使得太阳直接辐射为零；2）各向异性散射辐射其中，环日因子，是水平地表接收的太阳直接辐射占TOA太阳短波入射辐射的比重，其实质是大气直接透过率，表明各向异性太阳辐射所占总散射辐射的比重；水平地表散射辐射可由下列公式计算：各向同性散射辐射来自各向均匀的天穹，其散射强度依赖于地表各像元天空可视因子V_iso，即：4）周围地形反射辐射式中，F_ij为目标像元j周围n个像元中第i个像元的地形形状因子，表明从第i个像元出发的辐射能量中，可以到达第j个像元的部分。