基于干旱/半干旱区协同观测网络的GLASS下行短波辐射产品精度验证及影响因素评估

下行短波辐射(Downward Shortwave Radiation,DSR)是地表接收太阳辐射的重要组成部分,是地表能量平衡和地气相互作用的重要驱动因素,同时DSR的变化影响着天气过程与气候变化。遥感手段获取的DSR产品已成为陆面过程与气候变化研究的重要驱动参数,对DSR数据的验证与评估能为相关研究提供必要的数据精度与可靠性信息,同时反馈于相关数据产品的改进工作。使用干旱/半干旱区协同观测网络为研究评估数据源,对新一代DSR产品(Global Land Surface Parameters-Downward Shortwave Radiation,GLASS-DSR)进行验证评估,发现在中国北方干旱/半干旱区该数据与观测具有较好的一致性,整体相对误差小于4%,RMSE小于140W·m-2。在不同站点评估效果有一定程度差异,均一下垫面具有较好效果。研究也发现卫星观测辐射的精度受到时空尺度的影响,卫星获取DSR存在明显的观测特征尺度。

下行短波辐射变化与厄尔尼诺的相关性——以秦岭淮河地区为例

选用地-气系统辐射产品中的地表下行短波数据分析秦岭淮河地区辐射分量时间变化,得到如下结果:地表下行短波辐射年际变化整体呈下降趋势,分别在2002年7月和2004年9月发生显著下降;结合海洋尼诺指数对下行短波辐射进行相关分析,研究结果表明,2000-2016年间下行短波辐射发生突变的时间与厄尔尼诺事件发生的时间具有高度一致性,且辐射突变时间基本发生于厄尔尼诺事件的初期。同时下行短波辐射通量在发生厄尔尼诺现象时显著下降,在发生拉尼娜现象时显著上升。

中国大陆地区ERA5下行短波辐射数据适用性评估与对比

ERA5地表下行太阳短波辐射数据是欧洲中期天气预报中心(ECMWF)最新的,具有高时空分辨率的再分析产品,该短波辐射产品可作为陆面模式大气强迫数据之一,并在区域气候评估、农业以及太阳能资源等方面具有重要应用。本文利用中国区域2011—2018年经过质控的91个国家级地面辐射站点观测数据,对其在中国大陆地区的适用性进行多时空尺度的评估,并与ERA-Interim、CFSR、MERRA2共3套全球大气再分析产品和1套CERES卫星反演SYN1deg的产品进行了比较。结果表明:①在月均值尺度上,与其他再分析产品比较,ERA5产品与站点数据的Corr最高(0.939),RMSE最小(28.309 W/m^(2)),Bias(15.4 W/m^(2))略大于ERA-Interim产品(13.2 W/m^(2));CERES卫星反演产品与站点数据的Corr为0.955,RMSE为20.042 W/m^(2),Bias为5.3 W/m^(2);②5套产品的辐射值均高于地面观测数据,存在高估现象,总体上,ERA5产品在中国大陆地区的整体精度高于其他再分析产品,但与CERES卫星反演产品还存在一定差距,日均值比较结论亦具有相似规律。③分区评估结果表明在再分析产品中,ERA5产品在4个区域与观测数据都有更好的一致性,但5套产品均在南部区域表现不佳。并且与东北和北部区域相比,ERA5产品和CERES卫星反演产品在西部区域和观测数据相比的RMSE和Bias也相对偏大。

基于葵花-8卫星大气产品的地表下行短波辐射计算

地表下行短波辐射DSSR(Downward Surface Shortwave Radiation)的准确估算在气候变化研究和地表太阳能估算等领域具有重要作用。新一代静止气象卫星葵花-8(Himawari-8)具有高达10 min的对地观测能力,为DSSR近实时估算提供了新机遇。然而,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)对外公开的葵花-8辐射产品中,没有将其反演的云、气溶胶产品作为DSSR的输入参数,从而没有形成一整套的DSSR估算算法流程,缺乏产品输出的一致性。大气中的云、气溶胶是DSSR的重要影响因子,本文重点考虑云、气溶胶对太阳辐射的影响,基于大气辐射传输模式RSTAR构建了DSSR查找表,开发了DSSR的快速计算方法,进而将JAXA葵花-8二级云、气溶胶产品(光学厚度,粒子有效半径等)作为快速化计算方法的输入参量,计算得到了DSSR。通过与JAXA葵花-8二级DSSR产品(JAXA DSSR)对比,发现两者具有很好的空间一致性。为了进一步评价本文的DSSR计算精度,分别选取了陆地(Yonsei)和海洋(0n165e)的观测数据验证了2016年4、7、10和12月本文计算的DSSR和同时期的JAXA DSSR产品,验证结果显示两者的DSSR在两个观测站点均具有非常高的相关性(全天空、晴空和云天条件下的相关系数R均大于0.88)。在两个站点云天条件下的验证结果中,考虑了云相态并在冰云模型中使用了非球形冰晶粒子(六棱柱)来计算DSSR,获得了比JAXA DSSR更小的偏差。本文提出的快速化计算方法能快速准确地计算DSSR,可为计算地表辐射收支等研究提供重要数据支撑。

基于卫星数据的地表下行短波辐射估算:方法、进展及问题

地表下行短波辐射的估算对全球辐射平衡及气候变化研究具有重要的意义.文章从卫星载荷、反演算法和发展趋势等方面,回顾和总结了近十年来地表下行短波辐射的相关研究.到达地表的短波辐射受大气和陆表参数的双重影响.最近的研究对影响地表下行短波辐射的因素给予了更细致的考虑,例如通过提升云微物理参数的反演精度,降低云层引入的不确定性,以及考虑气溶胶、复杂地形和高反照率地表(如冰雪覆盖区)对地表下行短波辐射估算的影响等.此外,文章还对当前地表下行短波辐射估算的四类主要方法(经验法、参数化法、查找表法和机器学习法)的精度和优缺点进行了对比分析.未来需要提高云、雾霾、水汽等大气参数及复杂地形和亮地表的反照率等陆表参数的计算精度,有机结合机器学习和其他方法,利用新一代静止卫星和极轨卫星资料生产高时空分辨率地表下行短波辐射产品,推进辐射产品在陆面水文模型和气候模式中的应用.

中国-东盟5km分辨率下行短波辐射数据集(2013)

太阳辐射是地表生物、物理和化学过程的基本能源,也是水文模拟、陆面过程模型的基本输入参数。中国-东盟自由贸易区的建立为"一带一路"的实施打下了良好基础,推动了区域经济的快速发展,也加重了生态环境的承载压力。中国-东盟下行短波辐射数据集提供了区域生态环境主要参量,其空间分辨率为5 km,时间分辨率为每天。每天的数据存储为一个文件,数据格式采用.tif存储,缩放系数是0.1,单位是W/m^2,时间范围为2013年(因原始数据缺失,缺8天)。数据量为1.15 GB(压缩为386 MB)。该数据集的输入数据包括日本气象厅的静止卫星MTSAT-2,全圆盘图像时间分辨率为1 h,以及MODIS 16天合成的地表反照率产品。数据集的生产方法采用基于辐射传输模型的查找表法,首先创建云掩膜,根据晴阴天选用不同的查找表,在生成瞬时辐射的基础上,累积为日均辐射及年总辐射。产品验证采用国家级气象辐射观测站(96个台站)的实测下行太阳辐射资料与产品数据集直接对比的方法。整体验证结果表明,模型估算值与实测值的相关系数为0.93,总体偏差为10.13 W/m^2(5.86%),均方根误差为35.83W/m^2(20.72%)。青藏高原区的验证结果表明,青藏高原区下行短波辐射模拟值与实测值的总体相关系数为0.91,总体偏差为3.20 W/m^2(1.53%),均方根误差为36.56 W/m^2(17.50%)。该数据集对不同下垫面和地形起伏情形的下行短波辐射都能较好模拟,且数据质量无明显退化。

基于GF-4数据分析低分辨率卫星云检测尺度误差对下行辐射计算的影响

为研究低分辨率气象卫星数据云检测的尺度误差及其给下行辐射计算带来的影响,利用高分辨率静止卫星GF-4数据进行云检测并进行误差分析。首先运用可见光通道阈值法和时间序列法,对GF-4数据进行云检测,以GF-4云检测结果为基准,分析Himawari-8和FY-2(FY-2G和FY-2E)云检测结果的误差。在研究区内FY-2G,FY-2E与Himawari-8云图能够将云和晴空较好的区分开,造成误差的主要原因是不同空间分辨率卫星所产生的尺度效应(云检测算法不同造成的差异在此不予讨论),误差大多发生在薄云以及碎云较多的区域,高分辨率数据能够较好地检测出碎云,而低分辨率数据则会产生误检、漏检等情况。在此基础上对下行短波辐射遥感计算的误差进行分析,发现像元中实际云量的误差会给下行辐射的估算带来明显误差,所选试验区瞬时下行辐射相对误差最大为-173.52%,日总下行短波辐射相对误差最大为-20.20%。研究结果表明,在碎云较多的区域,利用高分辨率静止卫星数据可以显著提高下行短波辐射的估算精度。

1990-2010年中国土地覆被变化引起反照率改变的辐射强迫

土地覆被变化通过改变地表反照率而影响地表辐射收支与能量平衡,从而对区域和全球气候产生影响。本文利用高时空分辨率遥感数据分析1990-2010年中国土地覆被变化改变地表反照率的时空驱动机制,并计算全国50个生态区地表反照率变化导致的年际尺度辐射强迫,揭示土地覆被变化在生态区尺度上影响气候变化的生物地球物理机制。结果表明:1990-2010年全国土地覆被变化以耕地开垦、草地沙化、城市化等人类土地利用活动导致的土地覆被变化最为明显,全国草地与林地面积分别减少了0.60%和0.11%;建设用地和耕地面积分别增加了0.60%和0.19%。全国土地覆被变化通过改变地表反照率引起的平均辐射强迫为0.062W/m2,表现为增温的气候效应,但在生态区尺度辐射强迫空间差异很大。京津唐城镇与农城郊农业生态区主要土地覆被变化为耕地转为建设用地,引起地表反照率降低了0.00456,产生0.863 W/m2的辐射强迫,表现为增温的气候效应;而三江平原温带湿润农业与湿地生态区主要的土地覆被变化为林草地转为耕地,引起地表反照率升高了0.00152,产生-0.184 W/m2的辐射强迫,表现为降温的气候效应。