CN110411982B - 一种利用地面气象观测资料估算地表反照率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用地面气象观测资料估算地表反照率的方法，首先获取目标站点的气象观测数据，包括该站点所在的地理位置、逐日的辐射作用层的叶面指数LAI_k和日照时数n_k，根据目标站点的地位位置计算太阳倾角δ_k；然后根据不同计算需求的时间尺度对数据进行整理，之后根据太阳倾角和地理位置数据计算目标站点的太阳正午时角天顶距，获得的数据计算晴空地表反照率的天顶值；对时角积分得到晴天地表反照率的日平均值；之后采用日照时数考虑云量对反照率的影响，计算地表反照率的日平均值。本发明具有适用范围广、计算精度高、便于应用等优点，是一种计算简便，计算精度高的方法。

Description

一种利用地面气象观测资料估算地表反照率的方法

技术领域

本发明属于地面观测领域，涉及一种地表反照率计算方法，具体涉及一种利用地面气象观测资料估算地表反照率的方法。

背景技术

地表反照率是指地表反射辐射通量与入射辐射通量的比值，是模拟各种农林气象、生物化学和生物地球化学过程的关键参数。地表反照率主要受辐射作用层特性(例如裸土的颜色、湿度、粗糙度等)和其他外部因素(云量、风向、积雪)的影响。反照率可用两个背靠背水平安装的辐射计直接测量得到。然而，受直接测量有关的经济和技术的限制，仅有极少数的站点观测到地表反照率。例如，在2500多个气象站中，只有18个站点观测逐日的反射辐射，用于估算地表反照率。此外，由于地表特性和各种外部因素随时空变化，从特定站点测量得到的地表反照率不适用于其他未监测的地点。

为此，许多科技工作者致力于地表反照率估算方法的研究，提出了许多地表反照率的计算方法，大致分为基于地面观测的方法和基于遥感的方法两大类。虽然基于地面观测的模型在输入方面相当简单，在应用上也较为方便，但是大多数模型都是针对几个特定站点拟合得到的，能否推广应用于其他地方还有待检验。基于遥感的方法通常用于较大空间尺度的研究中，以往的许多研究都集中在需要遥感测量的地表反照率区域值上。自1965年Conover首次将卫星影像应用于确定云层和地表的反照率以来，科技工作者一直致力于从卫星平台利用中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution ImagingSpectroradiometer,MODIS)等遥感测量资料推算区域表面反照率。尽管MODIS反照率产品因其低成本的可获取性，被广泛用于区域表面反照率的估算。然而，这些产品的最小分辨率为1公里，周期为16天，这限制其在较小空间尺度和假定表面(如参考作物)上的应用。因此需要一种成本低廉，数据准确度高的地表反照率获取方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种估算地表反照率的气象学方法，能够简便、快速、精确地利用气象观测资料估算地表反照率。

为了解决上述技术问题，本发明采用技术方案是：

一种利用地面气象观测资料估算地表反照率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、气象观测数据收集与整理，获取目标站点的气象观测数据，包括该站点所在的地理位置、逐日的辐射作用层的叶面指数LAI_k和日照时数n_k，其中k为表示时序的下标，根据目标站点的地理位置计算太阳倾角δ_k；

步骤2、根据太阳倾角和目标站点的地理位置计算目标站点的太阳正午时角天顶距，计算公式如下：

上式中，Z_k，表示第k日或第k月平均太阳正午时角天顶距；

步骤3、根据步骤1和步骤2获得的数据计算晴空地表反照率的天顶值α_zz,k；

步骤4、计算晴天反照率的日或月平均值，由于太阳角天顶距随太阳东升西落的时角不断变化，第k日或第k月的地表反照率平均值是随时间变化，对时角积分得到晴天地表反照率的日或月平均值；

步骤5、计算地表反照率的日或月平均值，采用日照时数考虑云量对反照率的影响，则地表反照率的日或月平均值为

上式中：C₁和C₂为常数，N_k为第k日或第k月平均最大可能日照时数。

作为优选，所述步骤1中，所述地理位置包括经度L、纬度

和海拔h，所述纬度

采用弧度表示，若位于北半球取正值，位于南半球则取负值。

作为优选，所述步骤1中，根据需要计算表反照率的时间尺度，分为以下四类对输入数据进行整理与分析：

第一类、对于需要计算长系列逐日的日平均地表反照率，采用长系列的逐日日照时数和叶面指数进行计算，对于缺测的日照时数，采用相邻时间的算术平均值代替，此时k为日序数，k＝1对应每年的1月1日，k＝365或366对应每年的12月31日，则第k日的太阳倾角δ_k计算公式为：

第二类、对于需要计算多年平均的逐日日平均地表反照率，算术平均得到多年平均的逐日日照时数和叶面指数，此时k为日序数，k＝1对应每年的1月1日，k＝365或366对应每年的12月31日，第k日的太阳倾角δ_k采用公式(1)计算得到；

第三类、对于需要计算长系列逐月的月平均地表反照率，将日照时数和叶面指数算术平均得到逐月的日照时数和叶面指数，此时k为月序数，k＝1对应1月，k＝12对应12月，第k月的太阳倾角的平均值δ_k计算公式为

δ_k＝23.2sin(29.5k-94) 公式(2)

第四类、对于需要计算多年平均的逐月地表反照率，算术平均得到多年平均的逐月日照时数和叶面指数，此时k为月序数，k＝1对应1月，k＝12对应12月，第k月的太阳倾角的平均值δ_k采用公式(2)计算得到。

作为优选，所述步骤3中，所述晴空地表反照率的天顶值计算公式如下：

α_zz,k＝α_zv,k[1-exp(-ζ·LAI_k)]+exp(-ζ·LAI_k)α_zs,k

上式中：ζ为常数；α_zs,k，α_zv,k分别为太阳正午时裸土和植被反照率的天顶值，与太阳正午时角天顶距、海拔、降水量等有关，其计算公式为

α_zs,k＝C_s1P_r ^-0.5α_zzsexp(bZ_k)+C_s2

α_zv,k＝C_v1P_r ^-0.5α_zzvexp(bZ_k)+C_v2

上式中：b为与辐射作用层类型有关的常数；α_zzs,α_zzv,C_s1,C_s2,C_v1和C_v2为常数，采用观测反射辐射的气象站资料进行率定；P_r为该站点大气压强与标准大气压的比值。

作为优选，所述步骤3中，C_v2和C_s2的取值和该站点的多年平均降水量P有关，分为以下三种情况，1)当P≥400mm，即该站点位于湿润半湿润区时，C_s2＝0.177，C_v2＝0.145；2)当200≤P<400mm，即该站点位于半干旱区时，C_s2＝0.216，C_v2＝0.155；3)当P<200，即该站点位于干旱区时，C_s2＝0.218，C_v2＝0.164。

作为优选，所述步骤3中，所述P_r与该站点的海拔有关，其计算公式为

上式中：h为该站点的海拔。

作为优选，所述步骤4中，晴天地表反照率的日或月平均值的计算公式如下：

上式中，α_0,k为第k日或第k月晴天地表反照率的平均值。

作为优选，所述步骤5中，最大可能日照时数N_k的计算公式如下：

上式中

表示纬度。

本发明有益效果是：

本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：1)本发明提出方法综合考虑纬度、海拔、日倾角、土壤湿度、植被特性等因素对地表反照率的影响，能够精确地反映地表反照率的时空变异特性；2)本发明提出方法采用我国气象站资料对本发明提出方法中的参数进行率定，能够用于我国不同气候区、干湿区，不同时间尺度下地表反照率的估算，适用范围广；3)本发明提出的方法是解析方法，可用于参考作物等假定表面反照率的计算，应用范围广；4)在辐射平衡分析中，本发明利用气象观测资料估算地表反照率，计算所需的基础数据与辐射平衡分析衔接，便于应用；5)与现有方法相比，本发明具有适用范围广、计算精度高、便于应用等优点，是一种计算简便，计算精度高的方法。

附图说明

图1为本发明实施例利用地面气象观测资料计算地表反照率的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种利用地面气象观测资料估算地表反照率的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、目标站点的气象观测数据收集与整理。获取目标站点的气象观测数据，包括该站点所在的地理位置(经度L、纬度

和海拔h)、逐日的辐射作用层的叶面指数LAI_k和日照时数n_k，其中k为表示序号的下标。纬度

采用弧度表示，若位于北半球取正值，位于南半球则取负值。根据计算结果的时间尺度，分为以下四类对输入数据进行整理与分析。

1)对于需要计算长系列逐日的日平均地表反照率，采用长系列的逐日日照时数和叶面指数进行计算，对于缺测的日照时数，采用相邻时间的算术平均值代替。此时k为日序数，k＝1对应每年的1月1日，k＝365(平年)或366(润年)对应每年的12月31日，则第k日的太阳倾角δ_k计算公式为：

2)对于需要计算多年平均的逐日日平均地表反照率，算术平均得到多年平均的逐日日照时数和叶面指数。此时k为日序数，k＝1对应每年的1月1日，k＝365(平年)或366(润年)对应每年的12月31日，第k日的太阳倾角δ_k采用公式(1)计算得到。

3)对于需要计算长系列逐月的月平均地表反照率，将日照时数和叶面指数算术平均得到逐月的日照时数和叶面指数，此时k为月序数，k＝1对应1月，k＝12对应12月，第k月的太阳倾角的平均值δ_k计算公式为

δ_k＝23.2sin(29.5k-94) 公式(2)

4)对于需要计算多年平均的逐月地表反照率，算术平均得到多年平均的逐月日照时数和叶面指数，此时k为月序数，k＝1对应1月，k＝12对应12月，第k月的太阳倾角的平均值δ_k采用公式(2)计算得到。

步骤2、计算目标站点的太阳正午时角天顶距。采用下公式计算正午太阳天顶角：

公式(3)中：Z_k为第k日或第k月平均太阳正午时角天顶距。

步骤3、确定晴空地表反照率的天顶值。采用下公式计算晴空地表反照率的天顶值：

α_zz,k＝α_zv,k[1-exp(-ζ·LAI_k)]+exp(-ζ·LAI_k)α_zs,k 公式(4)

公式(4)中：ζ为常数，对于草地，取ζ＝0.50；α_zs,k，α_zv,k分别为太阳正午时裸土和植被反照率的天顶值，与太阳正午时角天顶距、海拔、降水量等有关，其计算公式为

α_zs,k＝C_s1P_r ^-0.5α_zzsexp(bZ_k)+C_s2 公式(5)

α_zv,k＝C_v1P_r ^-0.5α_zzvexp(bZ_k)+C_v2 公式(6)

公式(5)和公式(6)中：b为与辐射作用层类型有关的常数，对于草地，取b＝0.6090；α_zzs,α_zzv,C_s1,C_s2,C_v1和C_v2为常数，采用观测反射辐射的气象站资料进行率定。对中国而言，采用额济纳旗、北京、成都、上海、郑州、昆明、武汉、贵阳、三亚、广州、兰州、拉萨、喀什、格尔木等14个观测反射辐射的气象站1993至2015年的逐日观测资料进行率定，确定C_v1＝—1.0，C_s1＝—1.0，α_zzs＝0.050，α_zzv＝0.030，C_v2和C_s2的取值和该站点的多年平均降水量P有关，分为以下三种情况，1)当P≥400mm，即该站点位于湿润半湿润区时，C_s2＝0.177，C_v2＝0.145；2)当200≤P<400mm，即该站点位于半干旱区时，C_s2＝0.216，C_v2＝0.155；3)当P<200，即该站点位于干旱区时，C_s2＝0.218，C_v2＝0.164；P_r为该站点大气压强与标准大气压的比值，与该站点的海拔有关，其计算公式为

公式(7)中，h为该站点的海拔。

步骤4、计算晴天反照率的日或月平均值。由于太阳角天顶距随太阳东升西落的时角不断变化，第k日或第k月的地表反照率平均值是随时间变化的，对时角积分得到晴天地表反照率的日或月平均值为

公式(8)中：α_0,k为第k日或第k月晴天地表反照率的平均值。

步骤5、计算地表反照率的日或月平均值。采用日照时数考虑云量对反照率的影响，则地表反照率的日或月平均值为

公式(9)中，C₁和C₂为常数，C₁＝0.832，C₂＝0.032；N_k为第k日或第k月平均最大可能日照时数，其计算公式为

实施例1

某灌区位于热带地区，灌区附近有气象站A(东经109.58°，北纬18.22°，高程419m)，观测有1953年1月1日至2015年12月31日的逐日日照时数、全辐射和反射辐射，计算站点A的多年平均的月平均地表反照率。

采用本发明的技术方案推求该站点平均反照率的步骤如下：

按照步骤1对目标站点A的气象观测数据收集与整理。该站点位于北半球，取

根据计算结果的时间尺度，将该气象站1993年至2015年观测的日照时数算术平均得到多年平均的月均日照时数，见表1。月均叶面指数采用多年平均值，见表1。同时，k表示月序数，k＝1表示1月，k＝12表示12月，采用公式(2)计算该站点各月的月均日倾角。

表1是本发明用于算例的计算过程和结果

按照步骤2计算目标站点的太阳正午时角天顶距。采用公式(3)计算该站点各月的太阳正午时角天顶距，见表1。

按照步骤3确定晴空地表反照率的天顶值。该站点高程h＝419m，代入公式(6)，P_r＝0.98；多年平均降水量大于400mm，该站点位于湿润地区，取C_s2＝0.177，C_v2＝0.145代入公式(5)和公式(6)，得到各月的α_zs,k和α_zv,k，由公式(4)计算得到α_zz,k的值，见表1。

按照步骤4计算晴天反照率的日平均值。取b＝0.6090，将各月的α_zz,k，Z_k代入公式(7)，得各月的月均地表反照率α_0,k，见表1。

按照步骤5计算月均地表反照率。采用公式(10)计算各月的月均最大可能日照时数，代入公式(9)得到各月的月均地表反照率。与该站点的实测值相比，平均相对误差仅为3.3％，表明本发明提出方法的计算精度较高，可用于地表反照率的计算。

上述实施例仅为本发明技术方案说明的算法举例，并不代表对本发明技术方案保护范围的限定，上述为详细展开说明内容均为现有技术中的已有公知常识或者采用已有公知常识即可实现。

Claims (4)

1.一种利用地面气象观测资料估算地表反照率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、气象观测数据收集与整理，获取目标站点的气象观测数据，包括该站点所在的地理位置、逐日或逐月的辐射作用层的叶面指数LAI_k和日照时数n_k，其中k为表示时序的下标，根据目标站点的地理位置计算太阳倾角δ_k；

步骤2、根据太阳倾角和目标站点的地理位置计算目标站点的太阳正午时角天顶距，计算公式如下：

上式中，Z_k表示第k日或第k月平均的太阳正午时角天顶距；

步骤3、根据步骤1和步骤2获得的数据计算晴空地表反照率的天顶值α_zz,k；

步骤4、计算晴天反照率的日或月平均值，由于太阳角天顶距随太阳东升西落的时角不断变化，第k日或第k月平均的地表反照率是随时间变化，对时角积分得到晴天地表反照率的日或月平均值；

所述步骤4中，晴天地表反照率的日或月平均值的计算公式如下：

上式中，α_0,k为第k日或第k月晴天地表反照率的平均值；

步骤5、计算地表反照率的日或月平均值，采用日照时数考虑云量对反照率的影响，则地表反照率的日或月平均值为

上式中：C₁和C₂为常数，N_k为第k日或第k月平均最大可能日照时数；

所述步骤1中，所述地理位置包括经度L、纬度

和海拔h，所述纬度

采用弧度表示，若位于北半球取正值，位于南半球则取负值；

所述步骤3中，所述晴空地表反照率的天顶值计算公式如下：

α_zz,k＝α_zv,k[1-exp(-ζ·LAI_k)]+exp(-ζ·LAI_k)α_zs,k

上式中：ζ为常数；α_zs,k，α_zv,k分别为太阳正午时裸土和植被反照率的天顶值，与太阳正午时角天顶距、海拔、降水量等有关，其计算公式为

α_zs,k＝C_s1P_r ^-0.5α_zzsexp(bZ_k)+C_s2

α_zv,k＝C_v1P_r ^-0.5α_zzvexp(bZ_k)+C_v2

上式中：b为与辐射作用层类型有关的常数；α_zzs,α_zzv,C_s1,C_s2,C_v1和C_v2为常数，采用观测反射辐射的气象站资料进行率定；P_r为该站点大气压强与标准大气压的比值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3中，C_v2和C_s2的取值和该站点的多年平均降水量P有关，分为以下三种情况，1)当P≥400mm，即该站点位于湿润半湿润区时，C_s2＝0.177，C_v2＝0.145；2)当200≤P<400mm，即该站点位于半干旱区时，C_s2＝0.216，C_v2＝0.155；3)当P<200，即该站点位于干旱区时，C_s2＝0.218，C_v2＝0.164。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中，k表示逐日数据；

第一类、对于需要计算长系列逐日的日平均地表反照率，采用长系列的逐日日照时数和叶面指数进行计算，对于缺测的日照时数，采用相邻时间的算术平均值代替，此时k为日序数，k＝1对应每年的1月1日，k＝365或366对应每年的12月31日，则第k日的太阳倾角δ_k计算公式为：

第二类、对于需要计算多年平均的逐日日平均地表反照率，算术平均得到多年平均的逐日日照时数和叶面指数，此时k为日序数，k＝1对应每年的1月1日，k＝365或366对应每年的12月31日，第k日的太阳倾角δ_k采用公式(1)计算得到。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中，k表示逐月数据；

第三类、对于需要计算长系列逐月的月平均地表反照率，将日照时数和叶面指数算术平均得到逐月的日照时数和叶面指数，此时k为月序数，k＝1对应1月，k＝12对应12月，第k月的太阳倾角的平均值δ_k计算公式为

δ_k＝23.2sin(29.5k-94) 公式(2)

第四类、对于需要计算多年平均的逐月地表反照率，算术平均得到多年平均的逐月日照时数和叶面指数，此时k为月序数，k＝1对应1月，k＝12对应12月，第k月的太阳倾角的平均值δ_k采用公式(2)计算得到。

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