耦合三維過程模式的植被熱輻射時空變異研究

《耦合三維過程模式的植被熱輻射時空變異研究》是依託北京林業大學，由黃華國擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：耦合三維過程模式的植被熱輻射時空變異研究
• 依託單位：北京林業大學
• 項目負責人：黃華國
• 項目類別：面上項目

項目摘要

為進一步深入理解地表熱輻射方向性機理，提高地表溫度反演精度，服務於全球氣候變化監測，本項目在前期基金項目研究基礎上，繼續開展熱輻射方向性建模和過程模式研究。項目將借鑑圖形學的紋理概念，在保持精度的前提下，簡化自主研發的三維輻射傳輸模型HRAD的運算。進一步以三維植被輻射傳輸模型為基礎，聯合三維土壤-植被-大氣模式和植被生長模式，實現複雜像元內部的四維熱輻射傳輸模擬和驗證；通過模擬和觀測，了解和掌握熱輻射方向性存在的時間變化和空間變異規律，尋找最佳觀測角度和觀測時間，探索方向輻射的糾正和預報方法。

結題摘要

為進一步理清地表熱輻射方向性機理，突破現有的時空局限，實現四維的熱輻射傳輸模擬，推進熱輻射方向性研究的實用化，項目在原計畫的技術路線基礎上，逐步推進，解決了四維模型的耦合模擬問題和野外觀測問題，並儘可能地回答了熱輻射方向性模擬和預測中的幾個關鍵問題。 以北京和河北的野外測量數據，支持完成了三維小氣候模式ENVI-met模型的標定、敏感性分析和驗證。結果表明，ENVI-met能有效模擬地表組分溫度的三維空間分布規律(R2=0.91， RMSE=2.1 K)及其日變化特徵，是進行熱輻射方向性預測預報的有力工具。但是，項目也發現ENVI-met有幾點局限性，包括運行效率低、氣象數據不能靈活自定義、模擬溫差偏低等。主要原因是免費的ENVI-met版本功能限制。 提出並建立了一個新的基於孔隙面元的輻射度模型RAPID，可以快速模擬植被的光學輻射傳輸，並擴展到熱紅外波段。該模型在極大降低數據量的條件下，保持了三維模型的特色和精度。 將ENVI-met組分溫度三維空間分布數據轉化為有限高度層的二維格線數據結構，並在RAPID模型中增加讀取該數據結構的接口，實現了兩個模型的對接，完成了組分溫度到方向亮度溫度的尺度轉換。該耦合模型可以有效模擬高解析度地表溫度圖像和方向亮度溫度（R2＞0.88，RMSE＜2.4K）。 提出了基於全球數值預報產品NCEP、光學圖像和雷射雷達lidar數據的熱輻射方向性的預測方法。NCEP提供氣象和環境參數，光學圖像提供分類信息，雷射雷達提供三維結構參數，輸入到ENVI-met-RAPID模型即可實現全球熱輻射方向性模擬預測。 提出了基於地基平臂定軌塔吊平台，利用紅外熱像儀和廣角鏡頭，進行森林熱輻射方向性的觀測技術。該技術在河北懷來試驗場得到了驗證。觀測試驗表明，基於移動的多幅廣角熱圖像，可以有效提取組分溫度信息（光照樹冠、陰影樹冠、光照土壤、陰影土壤）和方向亮溫信息。但是，觀測時間偏長，地表植被分布異質性較強時，效果較差。 研究發現，在高大森林植被中，0度和55度亮度溫度差值多數小於0，並且存在明顯日變化與季節變化規律，夏季的熱輻射方向性日變化有明顯峰值，而其他三個季節的線性趨勢則更為明顯。這些規律仍需要驗證。 研究提出的耦合模擬模型及其預測方法，理論上可以提供全球陸地任意植被地區的熱輻射方向性估計值，為糾正熱紅外遙感圖像的方向性提供重要的先驗知識。