基于卫星数据的地表下行短波辐射估算：方法、进展及问题

来源：中国科学地球科学

地表下行短波辐射(DSSR)(波长范围0.3~3.0μm)是地球净辐射收支的重要组成部分，是生物圈以及地球化学循环的主要能量来源，其精度对全球辐射平衡及气候变化研究的准确模拟具有重要作用。多年来，DSSR的观测手段主要依赖于有限的地面观测站点, 较低时空分辨率的卫星(极轨卫星为主)及再分析资料, 很难满足目前地表过程研究中对DSSR输入数据的要求。随着近年来新一代静止卫星的成功发射以及遥感技术(图1)与机器学习方法的深度融合, 基于卫星遥感的DSSR估算在时空分辨率、计算精度方面有了显著提高。尽管如此，现有DSSR估算仍受制于云、气溶胶、大气水汽等输入参数的精度，且算法对地形等参数影响的考虑过于简单。如何充分利用新一代静止卫星有针对性的提高DSSR估算过程中输入数据的遥感反演精度、结合观测信息完善算法中的理想假设是进一步需要关注的问题。

中国科学院空天信息创新研究院研究员施建成、胡斯勒图等从卫星载荷、反演算法和发展趋势等方面，回顾和总结了进十年来基于卫星数据估算DSSR的研究方法(经验法、参数化法、查找表法和机器学习法)，并比较和分析了四类方法的精度和优缺点；在此基础上总结了目前DSSR卫星估算研究中存在的问题和挑战，并对未来研究趋势进行展望。该研究以“基于卫星数据的地表下行短波辐射估算：方法、进展及问题”为题，发表在《中国科学：地球科学》中英文版上。

利用卫星观测数据估算DSSR的研究可以追溯至20世纪60年代，随着卫星观测平台和理论技术的不断发展，目前国内外已发展出大量DSSR估算方法。同时也面临以下难题：

(1) 估算过程中所需的云物理参数产品仍存在一定的不确定性；

(2) DSSR的估算在地形复杂的区域存在较大误差；

(3) 遥感数据的时空连续性较差，利用单一传感器观测资料很难构建时空连续的全球尺度短波辐射产品。

文章调研了基于现有的卫星资料发展的全球DSSR卫星产品(表1)，从产品精度、时空分辨率等方面进行了总结，发现部分产品的空间分辨率较低，不能满足高时空分辨率产品的生产需求；且在复杂地形区的精度较差，影响DSSR产品的整体精度。

在DSSR估算算法进展方面，随着卫星观测平台的发展与计算性能的大幅提升，近几年呈现系统化、多学科交叉融合的趋势。文章中将近十年的DSSR估算算法总结为经验法、参数化法、查找表法和机器学习法四类方法，详细叙述了四种反演方法以及进行了精度的比较，总结了四种方法在不同外部条件下各自具有的优势与劣势。其中，查找表法以物理机制明确和精度较高的优势成为较为通用的方法之一。马润等在查找表中引入高时间分辨率的云、气溶胶产品, 提高了DSSR产品的精度。图2为马润等利用10分钟时间分辨率的H-8二级云、气溶胶产品结合查找表计算得到的DSSR结果，与日本宇宙航空研究开发机构(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)生产的H-8二级DSSR产品的对比，显示二者DSSR高低值空间分布上趋势一致性较好。为了在保障DSSR估算精度不降低的前提下进一步提高计算的速度, 结合利用查找表方法和机器学习算法作为快速生产DSSR产品的工具。Takenaka等利用辐射传输模式的输出结果作为神经网络的训练数据，考虑了多种影响DSSR的因素，如太阳天顶角、大气水汽含量、云光学厚度、云粒子有效半径等，训练了一个具有3层的简单且紧凑的神经网，保证计算精度的同时明显提升计算效率。

对于今后DSSR的研究，文章从卫星资料、估算算法和误差来源方面进行了总结和展望。在卫星观测资料方面，可基于新一代静止卫星开发覆盖全球范围内的DSSR产品，同时利用MODIS等极轨卫星资料，有效弥补静止卫星覆盖不了高纬度地区的缺点，也可以考虑利用激光雷达观测获得云垂直结构信息，引入到算法构建当中。估算算法方面，查找表法的精度从大范围尺度来看较高，但计算速度受输入参数数量的影响会大幅降低，难以满足实时观测的需求，无法应对海量的卫星数据，应有效结合机器学习方法和查找表方法，推动高精度DSSR产品的研制。

在误差来源方面，DSSR的不确定性由大气条件(气溶胶光学厚度、云光学厚度、云粒子有效半径、大气水汽含量、臭氧含量等)和地表条件(地表反照率、地表高程)等因素共同决定。其中云、气溶胶光学厚度、大气水汽总量和地表反照率对DSSR影响更为显著，上述关键参数的反演精度需要匹配高精度DSSR估算的需求。

此外，当前DSSR的遥感反演方法多集中在对总量的反演，而其分量，如直射、散射的准确反演目前仍有较大不确定性。DSSR的分量对地表反照率估算和复杂地形区地表辐射的纠正等都有重要意义，今后需要加强有关研究。未来也应在保证反演精度的前提下，注重数据的高效处理，提高反演效率，如有机结合查找表法和深度学习等人工智能方法。

出版信息

中文出版信息：

胡斯勒图, 施建成, 李明, 王天星, 尚华哲, 雷永荟, 姬大彬, 闻建光, 阳坤, 陈良富. 2020. 基于卫星数据的地表下行短波辐射估算: 方法、进展及问题. 中国科学: 地球科学, 50(7): 887–902

英文出版信息：

Letu H, Shi J, Li M, Wang T, Shang H, Lei Y, Ji D, Wen J, Yang K, Chen L. 2020. A review of the estimation of downward surface shortwave radiation based on satellite data: Methods, progress and problems. Science China Earth Sciences, 63(6): 774–789