本發(fā)明涉及氣象領(lǐng)域的定量遙感科學(xué)及技術(shù)，具體而言，本發(fā)明涉及一種空氣溫度空間擴展方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

空氣溫度不僅是地球表層大氣的基本指示因子，還是下墊面輻射交換和熱量平衡的綜合反映因子，是表征陸地表層大氣冷熱程度最基本的指標，是全球變化、蒸散發(fā)估算、農(nóng)業(yè)災(zāi)害預(yù)報、天氣預(yù)報、城市熱島評估等領(lǐng)域的重要參數(shù)。目前氣象臺站提供的空氣溫度數(shù)據(jù)是局限在氣象臺站觀測場的“點”尺度數(shù)據(jù)，而研究氣象、生態(tài)和水文等眾多領(lǐng)域的研究更需要區(qū)域尺度的空氣溫度的空間分布信息。

現(xiàn)有的空氣溫度空間擴展方法主要有地統(tǒng)計空間內(nèi)插法和基于遙感信息的相關(guān)統(tǒng)計法、大氣廓線法和熱量平衡法。地統(tǒng)計空間內(nèi)插法缺乏物理基礎(chǔ)，當氣象臺站較稀疏或者地表異質(zhì)性較大的時候無法使用。而基于遙感信息的相關(guān)統(tǒng)計法、大氣廓線法和熱量平衡法只考慮了能量閉合系統(tǒng)內(nèi)的湍流驅(qū)動和輻射熱驅(qū)動對空氣溫度的作用，而沒有考慮外來的水平平流作用對空氣溫度形成產(chǎn)生的重要影響。而空氣溫度的空間擴展既要考慮局地的湍流驅(qū)動和輻射熱驅(qū)動，也要考慮到外來水平平流作用的影響。

公開于本發(fā)明背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在加深對本發(fā)明的一般背景技術(shù)的理解，而不應(yīng)當被視為承認或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種空氣溫度空間擴展方法及系統(tǒng)，該方法及系統(tǒng)既考慮局地湍流驅(qū)動和輻射熱驅(qū)動對空氣溫度形成的影響，又考慮外來水平平流作用的影響，是基于氣象臺站觀測數(shù)據(jù)和ASTER遙感數(shù)據(jù)的空氣溫度空間擴展方法。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出了一種空氣溫度空間擴展方法，所述方法包括以下步驟：

步驟1：計算由局地因子驅(qū)動下的局地氣溫T_ajd；

步驟2：根據(jù)水平平流強度求解水平平流驅(qū)動因子f，并計算由水平平流驅(qū)動因子f驅(qū)動下的外來氣溫T_awl；

步驟3：根據(jù)以下公式(4)將局地氣溫T_ajd和外來氣溫T_awl進行線性加權(quán)混合成實際空氣氣溫T_azs：

T_azs＝fT_awl+(1-f)T_ajd (4)。

優(yōu)選地，計算局地氣溫T_ajd：

$T_{adj}=T_s-\[\frac{\mathrm{\β}(R_n-G)}{(\mathrm{\β}+1)}\frac{r_a}{{\mathrm{\ρC}}_P}\]---\left(1\right);$

其中，T_s表示地表溫度，β表示波文比，R_n表示凈輻射通量，r_a表示空氣動力學(xué)阻抗，G表示土壤熱通量，ρ表示空氣密度，C_P表示定壓比熱。

優(yōu)選地，通過蒸滲儀測定所述空氣動力學(xué)阻抗r_a。

優(yōu)選地，根據(jù)以下公式(2)計算所述水平平流驅(qū)動因子f：

$f=1-\frac{T_{1azs}-T_{2azs}}{T_{1ajd}-T_{2ajd}}---\left(2\right)$

其中，T_1azs和T_2azs是與待求像元最近的兩個氣象臺站的空氣溫度觀測值，T_1ajd和T_2ajd是對應(yīng)所述兩個氣象臺站的局地氣溫。

優(yōu)選地，根據(jù)以下公式(3)計算外來氣溫T_awl：

$T_{aw1}=\frac{(T_{1azs}+T_{2azs})-(1-f)(T_{1ajd}+T_{2ajd})}{f}---\left(3\right).$

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種空氣溫度空間擴展系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

局地氣溫計算模塊，用于計算由局地因子驅(qū)動下的局地氣溫T_ajd；

外來氣溫計算模塊，用于根據(jù)水平平流強度求解水平平流驅(qū)動因子f，并計算由水平平流驅(qū)動因子f驅(qū)動下的外來氣溫T_awl；

實際空氣氣溫合成模塊，用于根據(jù)以下公式(4)將局地氣溫T_ajd和外來氣溫T_awl進行線性加權(quán)混合成實際空氣氣溫T_azs：

T_azs＝fT_awl+(1-f)T_ajd (4)。

優(yōu)選地，所述局地氣溫計算模塊根據(jù)以下公式(1)計算局地氣溫T_ajd：

$T_{adj}=T_s-\[\frac{\mathrm{\β}(R_n-G)}{(\mathrm{\β}+1)}\frac{r_a}{{\mathrm{\ρC}}_P}\]---\left(1\right)$

其中，其中，T_s表示地表溫度，β表示波文比，R_n表示凈輻射通量，r_a表示空氣動力學(xué)阻抗，G表示土壤熱通量，ρ表示空氣密度，C_P表示定壓比熱。

優(yōu)選地，通過蒸滲儀測定所述空氣動力學(xué)阻抗r_a。

優(yōu)選地，所述外來氣溫計算模塊根據(jù)以下公式(2)計算所述水平平流驅(qū)動因子f：

$f=1-\frac{T_{1azs}-T_{2azs}}{T_{1ajd}-T_{2ajd}}---\left(2\right)$

其中，T_1azs和T_2azs是與待求像元最近的風速相等的兩個氣象臺站的空氣溫度觀測值，T_1ajd和T_2ajd是對應(yīng)所述兩個氣象臺站的局地氣溫。

優(yōu)選地，所述外來氣溫計算模塊根據(jù)以下公式(3)計算外來氣溫T_awl：

$T_{aw1}=\frac{(T_{1azs}+T_{2azs})-(1-f)(T_{1ajd}+T_{2ajd})}{f}---\left(3\right).$

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是在于：利用氣象臺站觀測數(shù)據(jù)，包括氣溫度、風速、風向等，還利用遙感數(shù)據(jù)，包括地表溫度、遙感反射率、遙感植被覆蓋率、凈輻射、土壤熱通量和波文比等，在空氣溫度空間擴展中既考慮局地湍流驅(qū)動和輻射熱驅(qū)動對空氣溫度形成的影響，又考慮外來水平平流作用對空氣溫度的影響，實現(xiàn)空氣溫度的空間擴展，獲取區(qū)域尺度的空氣溫度空間分布信息。

本發(fā)明的方法和裝置具有其它的特性和優(yōu)點，這些特性和優(yōu)點從并入本文中的附圖和隨后的具體實施例中將是顯而易見的，或者將在并入本文中的附圖和隨后的具體實施例中進行詳細陳述，這些附圖和具體實施例共同用于解釋本發(fā)明的特定原理。

附圖說明

通過結(jié)合附圖對本發(fā)明示例性實施例進行更詳細的描述，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)勢將變得更加明顯。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的空氣溫度空間擴展方法的流程圖；

圖2示出了本發(fā)明實施例中的2012年6月24日局地氣溫T_ajd的空間分布圖；

圖3示出了本發(fā)明實施例中的2012年8月27日局地氣溫T_ajd的空間分布圖；

圖4示出了本發(fā)明實施例中的2012年6月24日的實際氣溫T_azs的空間分布圖；

圖5示出了本發(fā)明實施例中的2012年8月27日的實際氣溫T_azs的空間分布圖；

圖6示出了2012年6月24日和8月27日的遙感估算值與氣象臺站觀測值的對比圖。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本發(fā)明。雖然附圖中顯示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，然而應(yīng)該理解，可以以各種形式實現(xiàn)本發(fā)明而不應(yīng)被這里闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了使本發(fā)明更加透徹和完整，并且能夠?qū)⒈景l(fā)明的范圍完整地傳達給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

現(xiàn)有的空氣溫度空間擴展方法主要有地統(tǒng)計空間內(nèi)插法和基于遙感信息的相關(guān)統(tǒng)計法、大氣廓線法和熱量平衡法。地統(tǒng)計空間內(nèi)插法缺乏物理基礎(chǔ)，當氣象臺站較稀疏或者地表異質(zhì)性較大的時候無法使用。而基于遙感信息的相關(guān)統(tǒng)計法、大氣廓線法和熱量平衡法只考慮了能量閉合系統(tǒng)內(nèi)的湍流驅(qū)動和輻射熱驅(qū)動對空氣溫度的作用，而沒有考慮外來的水平平流作用對空氣溫度形成產(chǎn)生的重要影響。而空氣溫度的空間擴展既要考慮局地的湍流驅(qū)動和輻射熱驅(qū)動，也要考慮到外來水平平流作用的影響。

針對上述問題，本發(fā)明提出了一種空氣溫度空間擴展方法，該方法利用氣象臺站觀測的近地面高度(通常為1.5米或2米)的基本數(shù)據(jù)，還利用遙感反演的基本數(shù)據(jù)獲得4個參數(shù)：能量閉合條件下的空氣溫度T_ajd、外來能量對實際空氣溫度影響所占的比例f、外來能量帶來的空氣溫度T_awl、實際的空氣溫度T_azs，既考慮局地湍流驅(qū)動和輻射熱驅(qū)動對空氣溫度形成的影響，又考慮外來水平平流作用的影響，是基于氣象臺站觀測數(shù)據(jù)和ASTER遙感數(shù)據(jù)的空氣溫度空間擴展方法。

圖1示出了根據(jù)示例性實施例的空氣溫度空間擴展方法的流程圖，其包括以下步驟：

步驟1：計算由局地因子驅(qū)動下的局地氣溫T_ajd：

局地氣溫T_ajd用來描述能量閉合時，即不受外來能量影響時，空氣溫度的量值。

由地表能量平衡方程可知：R_n＝H+LE+G(1-1)；

其中，R_n表示凈輻射通量，H表示感熱通量，LE表示潛熱通量，G表示土壤熱通量；

由潛熱通量的方程可知：

其中，ρ表示空氣密度，C_P表示定壓比熱，r_a表示空氣動力學(xué)阻抗，T_o表示空氣動力學(xué)溫度，T_ajd表示局地氣溫；

通常用地表溫度T_s代替空氣動力學(xué)溫度T_o，由此式(1-2)變?yōu)椋?/p>

$H=\frac{{\mathrm{\ρC}}_P}{r_a}(T_S-T_{ajd})---(1-3);$

由波文比的定義式可知：

將式(1-3)和式(1-4)帶入式(1-1)，得到計算局地氣溫T_ajd的公式：

$T_{adj}=T_s-\[\frac{\mathrm{\β}(R_n-G)}{(\mathrm{\β}+1)}\frac{r_a}{{\mathrm{\ρC}}_P}\]---\left(1\right)$

其中，T_s表示地表溫度，β表示波文比，R_n表示凈輻射通量，r_a表示空氣動力學(xué)阻抗，G表示土壤熱通量，ρ表示空氣密度，C_P表示定壓比熱。

可以通過多種現(xiàn)有方法測定空氣動力學(xué)阻抗r_a。在示例性實施例中，在無風的人工氣候?qū)嶒炇抑校\用蒸滲儀實際測定空氣動力學(xué)阻抗r_a。

在蒸滲儀中裝有接近實際表面粗糙度的并在測量過程中保持水分飽和的土壤。用紅外測溫儀測量土壤表面溫度T_s，以公式獲取土壤表面飽和空氣水汽壓e_s，在1米上空由通風干濕表測定空氣水汽壓e_a，測量1小時，取得平均的e_s和e_a。以稱重法獲取水分蒸發(fā)量，換算潛熱通量LE，最后，用水分飽和表面的蒸發(fā)擴散方程反演無風時的空氣動力學(xué)阻抗r_a，如以下公式(7)所示：

$r_a=\frac{{\mathrm{\ρc}}_p}{\mathrm{\γ}LE}(e_S-e_a)---\left(7\right)$

其中ρ、C_P、γ分別是空氣密度、定壓比熱和干濕表常數(shù)。

在室溫為20℃時實驗室測定的空氣動力學(xué)阻抗值r_a為150s/m。因此，所述空氣動力學(xué)阻抗r_a可以根據(jù)測定值得出為150s/m。由于r_a是在閉合無風狀況下的試驗值，與實際氣候條件沒有明顯的函數(shù)關(guān)系，因此r_a的值是基本恒定的。

步驟2：根據(jù)水平平流強度求解水平平流驅(qū)動因子f，并計算由水平平流驅(qū)動因子f驅(qū)動下的外來氣溫T_awl：

在距離待求像元(在遙感圖像中，待求像元代表待求取實際空氣氣溫的地面點)最近的氣象臺站中找到兩個氣象臺站，這兩個氣象臺站滿足以下兩個條件：氣象臺站風速和風向相等或相近，待求像元位于此兩個氣象臺站的風向的垂直方向上，以及兩個氣象臺站的局地源區(qū)空氣溫度與臺站實測空氣溫度有一定差異；并建立以下公式：

T_1azs＝f₁T_1awl+(1-f₁)T_1ajd (5)

T_2azs＝f₂T_2awl+(1-f₂)T_2ajd (6)

在式(5)和(6)中，T_1azs和T_2azs分別表示兩個氣象臺站的空氣溫度觀測值，T_1ajd和T_2ajd分別表示兩個氣象臺站的局地氣溫，T_1awl和T_2awl分別表示兩個氣象臺站的外來氣溫，f₁和f₂分別表示兩個氣象臺站的水平平流驅(qū)動因子。

本發(fā)明提出了水平平流驅(qū)動因子f的質(zhì)量守恒概念。首先，建立以百葉箱空氣溫度的源區(qū)面積為底面、以參考高度為側(cè)面高度的空氣柱的空氣為單位系統(tǒng)。當外來的水平平流、垂直交換及臨近異質(zhì)地表上空的空氣擴散加入到這個閉合系統(tǒng)后，將以較冷的或較熱的空氣與系統(tǒng)內(nèi)的空氣進行混合，與該閉合系統(tǒng)內(nèi)的可利用能量一起加熱本系統(tǒng)1個單位的空氣柱。根據(jù)線性混合理論，局地體積為V_ajd、溫度為T_ajd的空氣與外來的體積為V_awl、空氣溫度為T_awl的空氣混合后，在相同的氣壓下形成實際測量到的體積為V_azs的空氣溫度T_azs。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，提出如下公式：

V_azsT_azs＝V_awlT_awl+V_ajdT_ajd (2-1)

V_azs＝V_ajd+V_awl (2-2)

$f=\frac{V_{aw1}}{V_{azs}}(1-f)=\frac{V_{ajd}}{V_{azs}}---(2-3)$

根據(jù)上述的水平平流驅(qū)動因子f的質(zhì)量守恒概念，風速相等或相近時空氣的體積混合比例相等，即T_1awl＝T_2awl＝T_awl，f₁＝f₂＝f。從而根據(jù)公式(5)和公式(6)可以得出計算水平平流驅(qū)動因子f的公式(2)：

$f=1-\frac{T_{1azs}-T_{2azs}}{T_{1ajd}-T_{2ajd}}---\left(2\right).$

根據(jù)公式(5)和(6)，可以得到公式(3)：

$T_{aw1}=\frac{(T_{1azs}+T_{2azs})-(1-f)(T_{1ajd}+T_{2ajd})}{f}---\left(3\right).$

步驟3：根據(jù)以下公式(4)將局地氣溫T_ajd和外來氣溫T_awl進行線性加權(quán)混合成實際空氣氣溫T_azs：

T_azs＝fT_awl+(1-f)T_ajd (4)

將公式(1)、(2)和(3)代入公式(4)即完成實際空氣氣溫T_azs的計算。

本發(fā)明還提供了一種空氣溫度空間擴展系統(tǒng)，根據(jù)示例性實施例的空氣溫度空間擴展系統(tǒng)包括：

局地氣溫計算模塊，用于計算由局地因子驅(qū)動下的局地氣溫T_ajd；

外來氣溫計算模塊，用于根據(jù)水平平流強度求解水平平流驅(qū)動因子f，并計算由水平平流驅(qū)動因子f驅(qū)動下的外來氣溫T_awl；

實際空氣氣溫合成模塊，用于根據(jù)以下公式(4)將局地氣溫T_ajd和外來氣溫T_awl進行線性加權(quán)混合成實際空氣氣溫T_azs：

T_azs＝fT_awl+(1-f)T_ajd (4)。

實施例

在實施例中，以黑河中游綠洲區(qū)作為試驗區(qū)，利用試驗區(qū)內(nèi)共17個氣象觀測臺站和ASTER遙感數(shù)據(jù)進行空氣溫度空間擴展，其中5個氣象臺站的數(shù)據(jù)用于空氣溫度的計算，剩余12個氣象臺站的數(shù)據(jù)用于進行結(jié)果驗證。

以下詳細描述示例性實施例的具體步驟，圖2～圖6示出了實施例中的各項數(shù)據(jù)以及對比的空間分布圖：

1)計算由局地因子驅(qū)動下的局地氣溫T_ajd

根據(jù)所述的公式(1)，得到2012年6月24日和8月27日的局地氣溫T_ajd的空間分布如圖2和圖3所示。

2)計算水平平流驅(qū)動因子f：

根據(jù)所述的公式(2)，得到了2012年6月24日和8月27日的水平平流驅(qū)動因子f的空間分布。

3)計算外來氣溫T_awl：

根據(jù)所述的公式(3)，得到2012年6月24日和8月27日的外來氣溫T_awl的空間分布。

4)計算實際空氣氣溫T_azs：

根據(jù)所述的公式(4)，得到2012年6月24日和8月27日的實際空氣氣溫T_azs的空間分布如圖4和5所示。

將反演得到的空氣溫度值，提取驗證用的氣象臺站所在像元位置的估算值，再與臺站實際觀測值進行對比，如圖6所示，由此驗證了方法的可靠性。

以上已經(jīng)描述了本發(fā)明的實施例，上述說明是示例性的，并非窮盡性的，并且也不限于所披露的各實施例。在不偏離所說明的各實施例的范圍和精神的情況下，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。本文中所用術(shù)語的選擇，旨在最好地解釋各實施例的原理、實際應(yīng)用或?qū)κ袌鲋械募夹g(shù)的改進，或者使本技術(shù)領(lǐng)域的其它普通技術(shù)人員能理解本文披露的各實施例。