基于多源遥感与再分析数据估算塔克拉玛干沙漠地表净辐射日变化

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00048

摘要/Abstract

摘要：

作为世界第二大流动性沙漠，塔克拉玛干沙漠独特的陆表水热交换过程直接影响中国乃至全球的大气环流运动。将静止气象卫星FY-2F地表温度产品、极地轨道卫星MODIS陆表产品与中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集（CMFD）结合，反演得到时间分辨率为3 h、空间辨率为0.1°的2017年塔克拉玛干沙漠地表净辐射，利用塔中气象站观测值验证反演结果，并分析地表净辐射的时空变化特征。结果表明：（1）利用卫星遥感与再分析资料获取的地表特征参数与实测值误差较小，决定系数R²均在0.8以上。（2）地表净辐射模拟值与地面实测值具有较好的一致性，决定系数R²为0.967，均方根误差RMSE为29.193 W·m^-2。（3）地表净辐射日变化呈现明显的单峰型特征：早晚值较低，正午值最高，并且夜间值基本为负且变化幅度不大。（4）地表净辐射夏季>春季>秋季>冬季。（5）沙漠边缘散布的绿洲和农田地区净辐射值最高，沙漠腹地次之，沙漠南缘的昆仑山和阿尔金山冰川覆盖地区净辐射值最低。

关键词: 地表净辐射, 塔克拉玛干沙漠, FY-2F, MODIS, CMFD

Abstract:

The Taklimakan Desert is the second-largest flow desert in world， and its unique land-atmosphere interactions process directly affects the atmospheric circulation in China and even the world. Based on geostationary meteorological satellite data （FY-2F）， polar-orbiting satellite Data （MODIS）， and China Meteorological Forcing Dataset （CMFD）， 3-hourly surface net radiation at a spatial resolution of 0.1° in Taklimakan Desert is derived. The results shows that：（1）There is a good agreement between ground observed data and the surface characteristic parameter derived from satellite and reanalysis data， and the coefficient of determination （R²） is above 0.8. （2）The estimated surface net radiation is in good agreement with the in situ measurements. The coefficient of determination （R²） is 0.967， and the root means square error （ RMSE） is 29.193W·m^-2. （3）At the daily temporal scale， the surface net radiation increases with sunrise and reach their maximum at midday before decreasing again with sunset， and net radiation is small in summer and large in winter. （4）Its spatial distribution is consistent with general meteorological conditions of the Taklimakan Desert. There are the highest net radiation values in oasis and farmland， followed by desert hinterland， and there are the lowest net radiation values in Kunlun Mountains and Altun Mountains.

Key words: surface net radiation, Taklimakan Desert, FY-2F, MODIS, CMFD

中图分类号:

P422

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图/表 13

图1 研究区概况

Fig.1 General situation of the study area

表1 计算地表净辐射的输入数据信息

Table 1 Summary of the input datasets used for calculating daily surface net radiation

数据项	数据来源	空间分辨率	时间分辨率	数据格式
地表温度LST	FY-2F	0.1°×0.1°	1 h	AWX
地表比辐射率ε_s	MOD11C1	1 km	1 d	TIFF
	MOD11A1	1 km
	MOD09GA	500 m
地表反照率α	MOD09GA	500 m	1 d	TIFF
向下短波辐射R_swd	CMFD	0.1°×0.1°	3 h	NC
空气温度T_a	CMFD	0.1°×0.1°	3 h	NC

表2 塔中站地表能量探测系统设备信息

Table 2 The survey of land surface energy detections system in Tazhong station

观测项目	仪器型号	时间分辨率
风速、风向	Metone 010/020C	30 min
空气温、湿度	Vaisala HMP45C	30 min
辐射四分量观测仪	Kipp&Zonen CNR-1	30 min

表3 精度评价指标

Table 3 Statistical indices used for performance evaluation of input variables and in situ data

评价指标	公式	理想值
决定系数（R²）	$R 2 = ∑ i = 1 n (K o - K o ˉ) (K s - K s ˉ) 2 ∑ i = 1 n (K o - K o ˉ) 2 ∑ i = 1 n (K s - K s ˉ) 2$	1
均方根误差（RMSE）	$R M S E = 1 n ∑ i = 1 n (K s - K o) 2$	0
平均绝对误差（MAE）	$M A E = 1 n ∑ i = 1 n \| (K s - K o) \|$	0
模拟效率（EF）	$E F = 1 - ∑ i = 1 n (K s - K o) 2 ∑ i = 1 n (K o - K o ˉ) 2$	1

表3 精度评价指标

Table 3 Statistical indices used for performance evaluation of input variables and in situ data

评价指标	公式	理想值
决定系数（R²）	$R 2 = ∑ i = 1 n (K o - K o ˉ) (K s - K s ˉ) 2 ∑ i = 1 n (K o - K o ˉ) 2 ∑ i = 1 n (K s - K s ˉ) 2$	1
均方根误差（RMSE）	$R M S E = 1 n ∑ i = 1 n (K s - K o) 2$	0
平均绝对误差（MAE）	$M A E = 1 n ∑ i = 1 n \| (K s - K o) \|$	0
模拟效率（EF）	$E F = 1 - ∑ i = 1 n (K s - K o) 2 ∑ i = 1 n (K o - K o ˉ) 2$	1

图2 各参数与站点实测值对比

Fig.2 Comparison of the variables between CMFD， FY-2F， MODIS and ground observation

表4 参数误差统计

Table 4 Errors of input parameters

参数	R²	RMSE	MAE	EF
T_a/K	0.985	3.643	2.883	0.936
α	0.804	0.015	0.008	0.878
R_swd/(W?m^-2)	0.991	25.915	16.054	0.991
LST/K	0.897	9.350	8.044	0.762
ε_s	0.882	0.005	0.004	0.864

图3 2017年净辐射的估测值与实测值对比

Fig.3 Comparison of observed and estimated daily net radiation in different seasons

图4 不同月份下地表净辐射实测值与估算值的月平均日变化对比

Fig.4 Comparison of the diurnal variation of net radiation between observed and estimated net radiation in different months

表5 2017年各月份每日地表净辐射精度检验结果

Table 5 The precision inspection results of daily net radiation in 2017

月份	R²	MAE	RMSE	EF
1	0.960	17.407	22.590	0.951
2	0.979	13.750	18.697	0.978
3	0.918	31.984	40.148	0.924
4	0.948	20.431	37.229	0.947
5	0.959	28.351	40.586	0.944
6	0.978	21.368	26.960	0.997
7	0.979	22.134	33.385	0.967
8	0.970	26.589	33.848	0.967
9	0.981	21.024	28.405	0.971
10	0.975	17.863	23.266	0.975
11	0.949	23.385	29.695	0.936
12	0.922	12.998	23.176	0.901

图5 不同季节下地表净辐射实测值与估算值的月平均日变化对比

Fig.5 Comparison of diurnal variation of net radiation between observed and estimated net radiation in different seasons

图6 塔克拉玛干沙漠2017年7月8日净辐射日变化

Fig.6 The diurnal variations of daily net radiation on July 8， 2017

图7 塔克拉玛干沙漠2017年7月8日净辐射时空分布

Fig.7 The distribution of net radiation on July 8， 2017

图8 净辐射四季月均日变化

Fig.8 The diurnal variation of net radiation in different season

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