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1、(D辑)第30卷第6期SCIENCEINCHINA(SeriesD)2000年12月*一个新的双向反射地表-大气辐射耦合模式邱金桓(中国科学院大气物理研究所,北京100029)摘要一个精确而又适用的双向反射地表-大气辐射耦合模式对空间遥感应用是非常重要的.基于太阳辐射与地表和大气相互作用的物理过程,发展了一个新的双向反射地表-大气辐射耦合模式.如数值试验所表明的,本模式的精度明显优于6S的双向反射地表-大气辐射耦合模式.由本模式计算的总共110112组亮度样本的标准差只有0.49%,只为6S标准差的1/4左右.在太阳天顶角小于75°和视天顶
2、角小于60条件下,本模式的误差一般小于2.5%.关键词双向反射耦合向上辐射亮度遥感一个精确而又适用的双向反射地表-大气辐射耦合模式对空间遥感地表特性和大气光学[14]参数等都是非常重要的.从空间遥感地表反照率植被指数农作物产量等地表物理与生态特性受到地表-大气辐射相互作用的影响.因此,需要应用地表-大气辐射耦合模式来消除该影响,即进行空间遥感影像的大气效应订正.这是定量化空间光学遥感地表特性的关键技术之一.此外,由于大气气溶胶对环境与气候变化的重要性,空间遥感大气气溶胶光学特性研究成为遥感领域的另一热点,中分辨率成像光谱仪(MODIS)等新
3、一代的空间遥感器的一个主要[4]目标是探测陆地气溶胶光学特性.发展地表-大气辐射耦合模式对实现这一目标是必不可少的.就空间对地遥感应用而言,发展地表-大气辐射耦合模式的实质是建立一个向上辐射亮度的模式.在Lambert地表反射率假设下,向上的太阳辐射亮度对地表反射率的依赖具有简单[1]的解析关系.但在双向反射地表条件下,该假设可引起不可忽视的较大误差.因此,近年来[13]许多学者致力于发展双向反射地表-大气辐射耦合模式.6S是其中最有名的模式之一,它[2,3]由Vermonte等人为MODIS发展的一个向上辐射亮度算法模式.在该模式中,向上
4、亮度和辐射反射率表示为4项之和.由于第四项只考虑有限阶的辐射与大气和地表的相互作用,如本文后面的数值试验所表明的,当太阳天顶角较大时,6S模式计算的亮度可明显偏小.基于地表-大气辐射相互作用物理过程,本文发展了一个更精确的双向反射地表-大气辐射耦合模式.1地表-大气太阳辐射耦合模式本节首先简要介绍当今两个著名的地表-大气太阳辐射耦合模式,即Lambert地表假设的模式和6S模式,再导出本文提出的一个新模式.在3个模式中,尽可能采用一样的符号,对1999-03-17收稿,1999-07-25收修改稿*国家“863”计划308主题资助项目第6期
5、邱金桓:一个新的双向反射地表-大气辐射耦合模式657前面定义的符号,后面再用时,不另行定义.1.1Lambert反射地表条件下的辐射耦合模式[1]对Lambert反射地表,大气顶辐射反射率rTOA可表为:rTOA=rPath+TR+A(ms)TR+A(mv)rLam/(1-SrLam),(1)上式中,rPath为路程辐射反射率,TR+A(ms)和TR+A(mv)分别表示从太阳到地表和从地表至大气上界总的(直射加漫射)大气透过率,mv和ms分别是视天顶角余弦和太阳天顶角余弦,S是对天顶和方位积分的球大气反射率,rLam是Lambert地表反射
6、率.rPath,S,TR+A(ms)和TR+A(mv)都是无地表反射条件下的辐射物理量.1.26S模式对非Lambert地表,由于地表双向反射与大气的辐射耦合作用,方程(1)是不正确的.[2,3]Vermote等人近年发展的6S模式考虑了这一耦合作用.在6S中,双向地表反射对大气上[2,3]界辐射亮度和反射率的贡献表为4项之和,它的反射率表达式为:(1)(2)(3)(4)rTOA(t,ms,mv,fs-fv)=rPath+r+r+r+r,(2)(1)r=exp(-t/mv-t/ms)rs(ms,mv,fs-fv),(3)(2)r=exp(-
7、t/mv)td(ms)r,(4)(3)r=exp(-t/ms)td(mv)r¢,(5)2(4)TR+A(ms)TR+A(mv)Srr=td(ms)td(mv)r+,(6)1-Sr2p1¯¢¢-¢òòmLPath(tA,tR,ms,m,f)rs(m,mv,ff)dmdf00r(ms,mv,f)=,(7)2p1¯¢¢òòmLPath(ta,tm,ms,m,f)dmdf00r¢(ms,mv,f)=r(ms,mv,f),(8)r=r(ms,mv,f).(9)这些方程中,rs是双向地表反射率,td是大气的漫射透过率,tR和tA分别是分子和气溶胶光学¯
8、厚度,t是总光学厚度,LPath是无地表反射条件下的向下的辐射亮度.方程(3)的后3项都是基于地表-大气辐射相互作用物理过程的经验表达式.1.3一个新的地表-大气辐射耦合模式由于
