CN109959970A - 一种天空半球热红外大气下行辐射地面测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天空半球热红外大气下行辐射地面测量方法，通过对热红外方向性大气下行辐射的近似表达，构建了方向性大气下行辐射和观测角度余弦值的线性关系模型，进一步结合方向性大气下行辐射与天空半球大气下行辐射的角度积分关系，发展了利用线性关系模型中的斜率和截距来计算天空半球大气下行辐射的简化模型。只需在地面上利用红外辐射计对天空的不同观测角度进行三次测量，就可根据构建的线性关系模型拟合出斜率和截距，从而计算出天空半球热红外大气下行辐射。本发明省去了半球积分的复杂计算，也不需要在野外释放探空气球来获取大气剖面数据，只需要在地面上利用红外辐射计对天空不同方向进行三次测量，即可快速得到天空半球热红外大气下行辐射数据，节省了物力和财力，对于热红外地表温度遥感反演产品的地面验证具有重要意义。

Description

一种天空半球热红外大气下行辐射地面测量方法

技术领域

本发明涉及一种天空半球热红外大气下行辐射地面测量方法，适用于热红外遥感中的大气辐射校正过程，同时也适用于热红外地表温度遥感反演产品的地面验证。

背景技术

大气下行辐射是全球辐射平衡研究中的一个关键分量，主要是大气中的水汽、CO₂、O₃等气体分子以及气溶胶颗粒、云雾中的冰晶成分吸收太阳辐射后向外发射到达地表的长波辐射，波谱范围4微米-100微米，即大气自身辐射和散射长波辐射向下到达地面的部分。作为地表长波辐射的来源之一，大气下行辐射的变化直接影响着地表的辐射收支，控制着地球的水文、生态和生物地球化学过程，在霜冻、雾、温度变化及云量的预测、能量平衡、气候变化和全球变暖等领域的研究中起着重要的作用。遥感技术从技术性、经济性和实效性等方面来看，被认为是获得大气下行辐射唯一可行的方法。研究表明，局地、区域和全球尺度的大气下行辐射可以依据遥感反演得到的地表参数和地面观测数据进行估算。

在地面上获取天空半球热红外大气下行辐射，传统方法主要有两种：一种是通过释放探空气球来获取地面上一定垂直高度大气剖面的温度和湿度数据，然后再结合大气辐射传输模型来计算大气下行辐射值。另一种方法是测量天顶角53度的方向大气下行辐射值来替代天空半球大气下行辐射值。这两种方法都有一定的局限性。前一种方法需要释放探空气球，涉及到空域的申请、探空气球和温湿传感器的购买等很多问题，并且还不能有风的存在，否则探空气球就会漂移，测量的大气温湿剖面数据代表的就不是垂直高度了。后一种方法只是用一个固定的角度测量值会带来一定的不确定性，因为用一个角度的观测值来近似整个天空半球的观测值，这种近似常常与大气的状况和测量仪器的光谱波段有关，而且一个观测角度有时还会受到部分云和云的阴影等影响。因此，采用几个观测角度的测量结果来计算天空半球的热红外大气下行辐射，可避免测量过程中的不确定性，提高估算精度。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种天空半球热红外大气下行辐射地面测量方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种天空半球热红外大气下行辐射地面测量方法，包括以下步骤：

步骤一、方向性热红外大气下行辐射值的地面测量：

1）选定三个不同的观测天顶角，分别记为、、，角度范围是0°~90°，所选的三个角度应尽量在此角度范围内均匀分布，同时求得三个角度的余弦值，分别记为、、；

2）利用红外辐射计分别在选定的三个不同角度对天空进行测量，不同方向测得的大气下行辐射值分别记为、、；

步骤二、方向性热红外大气下行辐射值的参数化：

1）方向性热红外大气下行辐射值的近似表达：

热红外地表温度的遥感反演都是针对无云的大气，故方向性大气下行辐射测量值可以假设与方位角无关，近似表示为：

（1）

其中， 表示观测天顶角，表示观测方位角，表示波长，表示天空的大气。在波长处，是观测天顶角为的热红外大气下行辐射值，是观测天顶角为0°时的方向性大气下行辐射值，是一个与测量仪器的波长范围和大气状况有关的参数；

2）方向性热红外大气下行辐射的线性化表达：

对公式（1）两边分别求取自然对数，得到方向性大气下行辐射与观测天顶角余弦值的线性化关系：

（2）

其中，表示方向性大气下行辐射的对数值，表示观测天顶角余弦的对数值，二者之间满足一元线性关系，斜率的物理意义与公式（1）中的相同，截距表征天顶方向大气下行辐射的对数值；

3）线性模型中斜率和截距的确定：

根据步骤一的三次测量结果，分别代入公式（2）即可建立方程组：

对以上方程组进行参数拟合，回归出斜率和截距；

步骤三、天空半球热红外大气下行辐射的计算，具体步骤为：

天空半球大气下行辐射是由方向性大气下行辐射对天空不同观测天顶角、不同观测方位角在半球方向积分得到的，记为：

（4）

将公式（1）方向性大气下行辐射的近似表达式代入公式（4）中，即可求得天空半球热红外大气下行辐射值：

（5）

结合公式（3）拟合出的斜率和截距，即可根据公式（5）快速计算出天空半球热红外大气下行辐射值。

本发明与现有技术的优点在于：

（1）、该方法简单，实用，只要在野外对天空进行3次测量就可以准确获得天空半球大气下行辐射，省去了半球积分的复杂计算。

（2）、该方法只要在地面利用红外辐射计就可测量，不需要申请空域，即不需要先在野外放探空气球获取大气廓线数据，再结合大气辐射传输模型计算大气下行辐射，节约了物力和财力。

（3）、该方法方便、快捷，对热红外地表温度遥感反演产品的地面验证非常有用，能够迅速获取卫星过境时刻的天空半球热红外大气下行辐射数据。

附图说明

图1 是本发明确定天空半球热红外大气下行辐射的总体流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种天空半球热红外大气下行辐射地面测量方法，具体实施步骤如下：

步骤一、方向性热红外大气下行辐射亮度值的地面测量：

1）选定三个不同的观测天顶角，分别记为 、、，角度范围是0°~90°，所选的三个角度应尽量在此角度范围内均匀分布，同时求得三个角度的余弦值，分别记为、、；

2）利用红外辐射计分别在选定的三个不同角度对天空进行测量，不同方向测得的大气下行辐射值分别记为、、；

步骤二、方向性热红外大气下行辐射值的参数化：

1）方向性热红外大气下行辐射值的近似表达：

热红外地表温度的遥感反演都是针对无云的大气，故方向性大气下行辐射测量值可以假设与方位角无关，近似表示为：

（1）

其中， 表示观测天顶角，表示观测方位角，表示波长，表示天空的大气。在波长处，是观测天顶角为的热红外大气下行辐射值，是观测天顶角为0°时的方向性大气下行辐射值，是一个与测量仪器的波长范围和大气状况有关的参数；

2）方向性热红外大气下行辐射的线性化表达：

对公式（1）两边分别求取自然对数，得到方向性大气下行辐射与观测天顶角余弦值的线性化关系：

（2）

其中，表示方向性大气下行辐射的对数值，表示观测天顶角余弦的对数值，二者之间满足一元线性关系，斜率的物理意义与公式（1）中的相同，截距表征天顶方向大气下行辐射的对数值；

3）线性模型中斜率和截距的确定：

根据步骤一的三次测量结果，分别代入公式（2）即可建立方程组：

对以上方程组进行参数拟合，回归出斜率和截距；

步骤三、天空半球热红外大气下行辐射的计算，具体步骤为：

天空半球大气下行辐射是由方向性大气下行辐射对天空不同观测天顶角、不同观测方位角在半球方向积分得到的，记为：

（4）

将公式（1）方向性大气下行辐射的近似表达式代入公式（4）中，即可求得天空半球热红外大气下行辐射值：

（5）

结合公式（3）拟合出的斜率和截距，即可根据公式（5）快速计算出天空半球热红外大气下行辐射值。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种天空半球热红外大气下行辐射地面测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一、方向性热红外大气下行辐射值的地面测量：

1）选定三个不同的观测天顶角，分别记为、、，角度范围是0°~90°，所选的三个角度应尽量在此角度范围内均匀分布，同时求得三个角度的余弦值，分别记为、、；

2）利用红外辐射计分别在选定的三个不同角度对天空进行测量，不同方向测得的大气下行辐射值分别记为、、；

步骤二、方向性热红外大气下行辐射值的参数化：

1）方向性热红外大气下行辐射值的近似表达：

热红外地表温度的遥感反演都是针对无云的大气，故方向性大气下行辐射测量值可以假设与方位角无关，近似表示为：

（1）

其中，表示观测天顶角，表示观测方位角，表示波长，表示天空的大气。

2.在波长处，是观测天顶角为的热红外大气下行辐射值，是观测天顶角为0°时的方向性大气下行辐射值，是一个与测量仪器的波长范围和大气状况有关的参数；

2）方向性热红外大气下行辐射的线性化表达：

对公式（1）两边分别求取自然对数，得到方向性大气下行辐射与观测天顶角余弦值的线性化关系：

（2）

其中，表示方向性大气下行辐射的对数值，表示观测天顶角余弦的对数值，二者之间满足一元线性关系，斜率的物理意义与公式（1）中的相同，截距表征天顶方向大气下行辐射的对数值；

3）线性模型中斜率和截距的确定：

根据步骤一的三次测量结果，分别代入公式（2）即可建立方程组：

对以上方程组进行参数拟合，回归出斜率和截距；

步骤三、天空半球热红外大气下行辐射的计算，具体步骤为：

天空半球大气下行辐射是由方向性大气下行辐射对天空不同观测天顶角、不同观测方位角在半球方向积分得到的，记为：

（4）

将公式（1）方向性大气下行辐射的近似表达式代入公式（4）中，即可求得天空半球热红外大气下行辐射值：

（5）

结合公式（3）拟合出的斜率和截距，即可根据公式（5）快速计算出天空半球热红外大气下行辐射值。