从地表和卫星地表辐射温度估计表面感热通量的局限性外文翻译资料

 2022-12-11 08:12

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从地表和卫星地表辐射温度估计表面感热通量的局限性

Harry J. Cooper and Eric A. Smith①, William L. Crosson②

  1. 气象部和超级计算机研究所,佛罗里达州立大学，塔拉哈西

②大学空间研究协会，美国航空航天局马歇尔太空飞行中心，阿拉巴马州亨茨维尔

【摘要】这项研究的目的是为了证明：通过使用简单的物理技术有可能获得有用的技能来检索感热通量辐射测量方法，但只能在某一特定地点测定。将第一次国际卫星地表气候学项目（ISLSCP）现场实验（FIFE）1987和FIFE 1989期间在两个地点用波文比系统测得的感热通量，和用地面以上1.75m处安装扫地仪记录的表面温度辐射测量所得的感热通量进行比较。使用能够再现统计学上可靠的估计的热通量估计值的生物圈 - 大气转移化学（Ex-BATS）实验版本表明，从扫描仪在模型诊断获得的表面温度和扫描仪获得的表面温度之间可以获得良好的一致性。然而，由于辐射计中的偏差在绝对意义上是小的，在地-气温差却很大，所以在修订的批量公式表达式中使用这样的温度会在感热通量中产生显著偏差。通过调和感热通量的辐射估计和由Bowen比系统测量的通量，可以为两个地点中每一个计算平均有效发射率，这个平均有效发射率是以站点特异性来校准常数形式的。使用新的辐射率来获得修订的辐射表面温度，从而去除偏置附着位置测量辐射方法被证实是可行的，但仅限制在特定场所的基础上。修正后的表面温度与1987年实验期间在30天晴天获得的表面温度的常高分辨率辐射计（AVHRR）衍生的分割窗口估计进行比较发现，这两个数据集是相关的，但也有潜在的偏差。卫星估计温度和修正的表面温度之间的差异归因于分割窗口方程中使用的系数的不完全性以及残余云污染，以及由扫描仪和卫星观察到的场景中的相当大的偏差。这些差异导致从原始卫星表面温度估计中检索热通量的显著误差。在修正后的放射性表面温度之间应用回归后，可以改善估计值获得的辐射计和卫星衍生的温度，尽管由于残云影响和场景不匹配，最终会有约为65 Wm -2的RMS误差。辐射计温度与AVHRR之间的回归拟合的独立应用， 从1989年数据得出的温度在1989年4天晴朗天的热通量计算显示出较差的技能，加强了对于卫星应用而言，辐射测量方法也仅在特定场合可行的观念。

1.介绍

从空间的辐射能转化为大气动能的过程在很大程度上发生在地表和大气之间的界面。 更清楚地了解这些表面过程以及与大气的相互作用和反馈，变得越来越重要，因为地表过程在所有尺度的气象活动中起着重要的作用。 许多最近的研究表明，过程的变化甚至气候变化[见Ookouchie等，1984; Mahfouf等，1987; 马赫特，1987; Segal等，1988,1989;Wetzel和Chang，1988; Avissat和Pielke，1989; Pinty等人，1989]。

对地表过程和生物圈建模也引起了人们关注如何更好地利用卫星辐射信息来描述这些过程的问题，特别是那些与地表能源预算直接相关的过程，以及地表之间的热和水分交换和气氛[例如Wetzeel等人，1984; Wetzealnd Woodward，1987]。最近，史密斯等人[1992a]的四部分论文，Crosson和Smith [1992]，史密斯等人[1993]和Crosson等人[1993]报道了混合建模方法的开发，将卫星衍生的各种表面变量的估计用作详细的生物圈 - 大气交换模型中的边界条件输入，以诊断表面热和水分通量。这项研究是我们使用上述研究的后续行动.生物圈 - 气氛转移计划（Ex-BATS）的相同实验版本[见史密斯等人，1993]，以提供第一届国际期间感热通量的估计卫星地面气候学项目（ISLSCP）领域1987年和1989年的实验（FIFE）。

本研究使用基本的物理原理表明，通过使用直接前向位置特异性校准程序，可以克服辐射测量方法的各种主要问题。 该技术基于FIFE高草草原环境的数据分析。 没有声称该技术可以应用于一般应用或用于生成全局数据集，因为校准过程中存在不可克服的问题但是，基本方法适用于其他具体设置，因为测量和建模工具类似于我们 适用于FIFE研究区。

2.FIFE数据收集

本研究中使用的表面通量测量和额外的气象/辐射测量是在FIFE研究区域内的两个单独的草原地点期间在FIFE 1987和FIFE 1989现场阶段收集的。这些被鉴定为位点2（1916-BSR）和位点38（1478-BSR）[参Sellerse等人，1992]。这两个地点是佛罗里达州立大学（FSU）在两年间由人员操作的地面辐射和能源预算站（SREBS）的地点[见史密斯等人，1992a]。一九八七年的实验时间是五月二十七日至十月十五日，一九八九年七月二十二日至八月十日。在一九八七年的实验期间，1987年，共有142个实验日总数中有56个;这四个国际金融公司被称为国际金融公司1（5月27日至6月6日），国际金融公司2（6月25日至7月）11），国际金融公司3（8月5日至21日）和国际金融公司4（10-5）。 1989年期间称为国际金融公司5. 1987年，两个地点2和38都由FSU与匹配的一对车站经营;在1989年，只有现场38由FSU经营，与1987年在该地点使用的设备相同.

2.1地表和卫星数据

两个地区的SREBS系统测量了压力，空气温度和湿度，降水，定向太阳能和红外辐射通量，净辐射，潜热和感热通量，以及土壤热通量，土壤水分和四个水平的地下温度。每个车站每半小时提供一次测量，每天24小时。仪器设计用于回收表面能量预算的所有主要组成部分，使用Bowen比率方法从可用加热的测量值获得感热和潜热通量。 Bowen比例子系统使用两个垂直距离为1.25米的细线热电偶，以及从两个层面吸取空气的单个冷冻镜露点湿度计。辐射子系统由六个通量辐射计组成，表面上方1.75米。它们是配对的宽带辐射计和扫描仪（太阳能和总红外线）以及一对额外的过滤太阳辐射计。净辐射是通过将通量与表面和表面的宽带对区分，并增加太阳和红外差值项来获得的。太阳辐射计是使用Suprasil-Winner圆顶的温度补偿Eppley PSP来阻挡高于3.5mm的IR波长。未过滤的太阳辐射计配备了Suprasil-W外圆顶，以帮助最小化热电堆的圆顶加热。过滤的太阳辐射计使用Schott彩色玻璃滤光器作为外圆顶，在各种波长下提供短波干扰滤波。过滤的太阳辐射计用于与总太阳辐射计的连接，以获得植被指数。棱镜是使用抛光的Eppley PIR硅圆顶反射太阳波长低于3.0毫米;也可以对该热电堆进行温度补偿。

从NOAA 9的每日下午通道获得覆盖两个地点的先进的非常高分辨率的辐射计（AVHRR）图像。从这些场景中，使用二项式对以场为中心的分割窗口（4和5）的3times;3像素子网格进行平均加权方案。卫星子点的分辨率约为1.1公里，使得每个站点周围的空间平均过程面积约为11km2。通过筛选过程消除了云网络[参见Crossone等，1993]。筛选后应用程序，获得1987年的30次每日通道和1989年的4天，用于分析。

2.2 EX-BATS模型

研究中使用的模型Ex-BATS是Dickinson [1984]和Dickinson等人最初开发的生物圈 - 大气转移化学（BATS）模型的修改版本[1986]。该模型由八个大气强迫变量（压力，U V风力分量，空气温度和湿度，降水和下降太阳能和红外线通量），每半小时更新一次。虽然Ex-BATS是一个点模型，但表面仅允许部分被冠层覆盖。冠层下的表面分数由冠层高度（hc）和叶面积指数（LAI）诊断的分数植被覆盖（c ry）表示，其依次随时间变化，并且从整个田间定期进行的测量获得显示系列。地下层由三个嵌套层组成，其中每层诊断出土壤水分和土壤温度。包括地表径流，允许层间排水并进入深层储层。计算中使用的重要地点特定量是土壤组成，密度和热容量;表面红外辐射率;裸露地面和冠层粗糙度高度;土壤水力传导模型和实验测量强度的完整细节可以在Smith等人的工作中找到[1993]。

3.测量和建模的表面温度的推导和比较

在本节中，我们讨论了衍生的模型导出的表面温度（Tm）估计值，该估计是一致的，并且符合在过去BATS中使用的一般配方。我们还描述了基于扫描仪测量（Tsr）的替代表面温度的计算。在后面的章节中，概述了使用Tm和Tr的表面敏感通量的配方，并将如此计算的感热通量与直接由鲍恩比系统联系。

3.1 模型导出的表面温度（Tm）

该模型提供了冠层的能量的详细配方，模拟植物根叶和裸露地面以及冠层内和上层空气层之间的相互作用的热和水分交换过程。冠层能量学的参数化化学是基于将表面的冠层覆盖和裸地面部分分割。对于冠层（Hc）和裸地（Ha）分别计算明显的热通量，然后由模型（Hm）计算的总感热通量由

冠层感热通量Hc由

其中Cpi是潮湿空气的比热，ra是自由空气密度Coe是单位面积叶片覆盖部分的分数植被加权空气动力学电导，Wa和W g是与电导相关的归一化权重（Csa， Cg）空气和地面热通量T c是叶片温度，T ac是上面的空气温度，TgI是土壤表面正下方的地面温度。

室内空气温度Tic是根据空气温度，叶片温度和地面温度的加权值来制定的：

其中wf是叶子和室内空气之间的热交换的标准化重量。 在模型中，

其中C n = Cf Ca Cg。 由于根据定义wo wa w，= 1，我们可以重写（2）为

然后给出地面感热通量H a

其中Vac是上面的冠层风速度，是一个稳定的依赖阻力系数，是分数植被覆盖。 使用（3），这可以写成:

从（1）和（6）和（7）中可以看出，总感热通量被写为

从（4），（8）可以被写成：

定义一个模式派生表面温度Tm为

总体的感热通量可以为：

图1：来自辐射计的表面温度（Tr）在FIFE 1987期间，在现场2的表面上方1.75米处，与通过生物圈大气转移化学（Ex-BATS）模型（Tm）的表面温度相比较

3.2. 电位计衍生表面温度（T r）

每个FSU现场均有操作平面和倒角的扫描仪，可以测量下涌和上升的红外线通量（LD和L u）。 方向通量与辐射表面温度之间的关系由下式给出

其中cr是Stefan-Boltzmann常数，es是表面发射率，T r是开尔文。通过反转

我们为Konza草原草采取了es = 0.975 [见Vining and Blad，1992]。

3.3 Tm和Tr的比较

T m和T r之间的关系如图1所示，包括在现场2的所有1987年国际金融公司所采用的T m和T r的值。图中的数据是超过与所有类型的天空覆盖和气象条件以及所有时间段的春季到秋季早期收集的半小时观测相关的2000次计算。模型表面温度和辐射计表面温度之间几乎一一对应; 两个温度之间的相关性大于99％，较低温度下的变化稍大。

4. 从T m和Tr感热通量的计算

使用模型导出的表面温度和辐射计衍生的表面温度计算明显的热通量。计算出模型导出的感热通量（Hm）

从（13），提供了冠层温度（T ic），浅地面温度（Tg1）中的分数植被值的模型，（12）

计算Tm。空气密度（ra）和高于风量的风速（Vac）从观察获得使用辐射计估计的表面温度获得的感热通量，以相似的方式计算：

稳定性依赖阻力系数用中性稳定性和大量理查森数的阻力系数表示。 Deardorff [1978]的公式使用不稳定或稳定的条件来获得稳定性校正的公式。因此，（15）和（16）中的阻力系数不是必须相同的，因为影响Co的稳定性调整的界面处的温度可能不同;从Bowen比率系统测量直接获得的感热通量（Ht）的估计被认为是与模型来源和辐​​射计衍生液体比较的基准值。

5.结果与讨论

已经证明，由辐射计测量计算的表面温度与模型导出的表面温度之间存在密切的关系，我们现在检查相关性对独立计算感热通量的影响程度。

5.1 Hm和Hr与Bowen比率通量的比较（

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