空气温度空间扩展方法及系统与流程

本发明涉及气象领域的定量遥感科学及技术，具体而言，本发明涉及一种空气温度空间扩展方法及系统。

背景技术：

空气温度不仅是地球表层大气的基本指示因子，还是下垫面辐射交换和热量平衡的综合反映因子，是表征陆地表层大气冷热程度最基本的指标，是全球变化、蒸散发估算、农业灾害预报、天气预报、城市热岛评估等领域的重要参数。目前气象台站提供的空气温度数据是局限在气象台站观测场的“点”尺度数据，而研究气象、生态和水文等众多领域的研究更需要区域尺度的空气温度的空间分布信息。

现有的空气温度空间扩展方法主要有地统计空间内插法和基于遥感信息的相关统计法、大气廓线法和热量平衡法。地统计空间内插法缺乏物理基础，当气象台站较稀疏或者地表异质性较大的时候无法使用。而基于遥感信息的相关统计法、大气廓线法和热量平衡法只考虑了能量闭合系统内的湍流驱动和辐射热驱动对空气温度的作用，而没有考虑外来的水平平流作用对空气温度形成产生的重要影响。而空气温度的空间扩展既要考虑局地的湍流驱动和辐射热驱动，也要考虑到外来水平平流作用的影响。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明提出了一种空气温度空间扩展方法及系统，该方法及系统既考虑局地湍流驱动和辐射热驱动对空气温度形成的影响，又考虑外来水平平流作用的影响，是基于气象台站观测数据和ASTER遥感数据的空气温度空间扩展方法。

根据本发明的一方面，提出了一种空气温度空间扩展方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：计算由局地因子驱动下的局地气温T_ajd；

步骤2：根据水平平流强度求解水平平流驱动因子f，并计算由水平平流驱动因子f驱动下的外来气温T_awl；

步骤3：根据以下公式(4)将局地气温T_ajd和外来气温T_awl进行线性加权混合成实际空气气温T_azs：

T_azs＝fT_awl+(1-f)T_ajd (4)。

优选地，计算局地气温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表示地表温度，β表示波文比，R_n表示净辐射通量，r_a表示空气动力学阻抗，G表示土壤热通量，ρ表示空气密度，C_P表示定压比热。

优选地，通过蒸渗仪测定所述空气动力学阻抗r_a。

优选地，根据以下公式(2)计算所述水平平流驱动因子f：

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

其中，T_1azs和T_2azs是与待求像元最近的两个气象台站的空气温度观测值，T_1ajd和T_2ajd是对应所述两个气象台站的局地气温。

优选地，根据以下公式(3)计算外来气温T_awl：

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

根据本发明的另一方面，提出了一种空气温度空间扩展系统，所述系统包括：

局地气温计算模块，用于计算由局地因子驱动下的局地气温T_ajd；

外来气温计算模块，用于根据水平平流强度求解水平平流驱动因子f，并计算由水平平流驱动因子f驱动下的外来气温T_awl；

实际空气气温合成模块，用于根据以下公式(4)将局地气温T_ajd和外来气温T_awl进行线性加权混合成实际空气气温T_azs：

T_azs＝fT_awl+(1-f)T_ajd (4)。

优选地，所述局地气温计算模块根据以下公式(1)计算局地气温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表示地表温度，β表示波文比，R_n表示净辐射通量，r_a表示空气动力学阻抗，G表示土壤热通量，ρ表示空气密度，C_P表示定压比热。

优选地，通过蒸渗仪测定所述空气动力学阻抗r_a。

优选地，所述外来气温计算模块根据以下公式(2)计算所述水平平流驱动因子f：

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

其中，T_1azs和T_2azs是与待求像元最近的风速相等的两个气象台站的空气温度观测值，T_1ajd和T_2ajd是对应所述两个气象台站的局地气温。

优选地，所述外来气温计算模块根据以下公式(3)计算外来气温T_awl：

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

与现有技术相比，本发明的有益效果是在于：利用气象台站观测数据，包括气温度、风速、风向等，还利用遥感数据，包括地表温度、遥感反射率、遥感植被覆盖率、净辐射、土壤热通量和波文比等，在空气温度空间扩展中既考虑局地湍流驱动和辐射热驱动对空气温度形成的影响，又考虑外来水平平流作用对空气温度的影响，实现空气温度的空间扩展，获取区域尺度的空气温度空间分布信息。

本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。

图1示出了根据本发明的示例性实施例的空气温度空间扩展方法的流程图；

图2示出了本发明实施例中的2012年6月24日局地气温T_ajd的空间分布图；

图3示出了本发明实施例中的2012年8月27日局地气温T_ajd的空间分布图；

图4示出了本发明实施例中的2012年6月24日的实际气温T_azs的空间分布图；

图5示出了本发明实施例中的2012年8月27日的实际气温T_azs的空间分布图；

图6示出了2012年6月24日和8月27日的遥感估算值与气象台站观测值的对比图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

现有的空气温度空间扩展方法主要有地统计空间内插法和基于遥感信息的相关统计法、大气廓线法和热量平衡法。地统计空间内插法缺乏物理基础，当气象台站较稀疏或者地表异质性较大的时候无法使用。而基于遥感信息的相关统计法、大气廓线法和热量平衡法只考虑了能量闭合系统内的湍流驱动和辐射热驱动对空气温度的作用，而没有考虑外来的水平平流作用对空气温度形成产生的重要影响。而空气温度的空间扩展既要考虑局地的湍流驱动和辐射热驱动，也要考虑到外来水平平流作用的影响。

针对上述问题，本发明提出了一种空气温度空间扩展方法，该方法利用气象台站观测的近地面高度(通常为1.5米或2米)的基本数据，还利用遥感反演的基本数据获得4个参数：能量闭合条件下的空气温度T_ajd、外来能量对实际空气温度影响所占的比例f、外来能量带来的空气温度T_awl、实际的空气温度T_azs，既考虑局地湍流驱动和辐射热驱动对空气温度形成的影响，又考虑外来水平平流作用的影响，是基于气象台站观测数据和ASTER遥感数据的空气温度空间扩展方法。

图1示出了根据示例性实施例的空气温度空间扩展方法的流程图，其包括以下步骤：

步骤1：计算由局地因子驱动下的局地气温T_ajd：

局地气温T_ajd用来描述能量闭合时，即不受外来能量影响时，空气温度的量值。

由地表能量平衡方程可知：R_n＝H+LE+G(1-1)；

其中，R_n表示净辐射通量，H表示感热通量，LE表示潜热通量，G表示土壤热通量；

由潜热通量的方程可知：

其中，ρ表示空气密度，C_P表示定压比热，r_a表示空气动力学阻抗，T_o表示空气动力学温度，T_ajd表示局地气温；

通常用地表温度T_s代替空气动力学温度T_o，由此式(1-2)变为：

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

由波文比的定义式可知：

将式(1-3)和式(1-4)带入式(1-1)，得到计算局地气温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表示地表温度，β表示波文比，R_n表示净辐射通量，r_a表示空气动力学阻抗，G表示土壤热通量，ρ表示空气密度，C_P表示定压比热。

可以通过多种现有方法测定空气动力学阻抗r_a。在示例性实施例中，在无风的人工气候实验室中，运用蒸渗仪实际测定空气动力学阻抗r_a。

在蒸渗仪中装有接近实际表面粗糙度的并在测量过程中保持水分饱和的土壤。用红外测温仪测量土壤表面温度T_s，以公式获取土壤表面饱和空气水汽压e_s，在1米上空由通风干湿表测定空气水汽压e_a，测量1小时，取得平均的e_s和e_a。以称重法获取水分蒸发量，换算潜热通量LE，最后，用水分饱和表面的蒸发扩散方程反演无风时的空气动力学阻抗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分别是空气密度、定压比热和干湿表常数。

在室温为20℃时实验室测定的空气动力学阻抗值r_a为150s/m。因此，所述空气动力学阻抗r_a可以根据测定值得出为150s/m。由于r_a是在闭合无风状况下的试验值，与实际气候条件没有明显的函数关系，因此r_a的值是基本恒定的。

步骤2：根据水平平流强度求解水平平流驱动因子f，并计算由水平平流驱动因子f驱动下的外来气温T_awl：

在距离待求像元(在遥感图像中，待求像元代表待求取实际空气气温的地面点)最近的气象台站中找到两个气象台站，这两个气象台站满足以下两个条件：气象台站风速和风向相等或相近，待求像元位于此两个气象台站的风向的垂直方向上，以及两个气象台站的局地源区空气温度与台站实测空气温度有一定差异；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分别表示两个气象台站的空气温度观测值，T_1ajd和T_2ajd分别表示两个气象台站的局地气温，T_1awl和T_2awl分别表示两个气象台站的外来气温，f₁和f₂分别表示两个气象台站的水平平流驱动因子。

本发明提出了水平平流驱动因子f的质量守恒概念。首先，建立以百叶箱空气温度的源区面积为底面、以参考高度为侧面高度的空气柱的空气为单位系统。当外来的水平平流、垂直交换及临近异质地表上空的空气扩散加入到这个闭合系统后，将以较冷的或较热的空气与系统内的空气进行混合，与该闭合系统内的可利用能量一起加热本系统1个单位的空气柱。根据线性混合理论，局地体积为V_ajd、温度为T_ajd的空气与外来的体积为V_awl、空气温度为T_awl的空气混合后，在相同的气压下形成实际测量到的体积为V_azs的空气温度T_azs。根据质量守恒原理，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)

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

根据上述的水平平流驱动因子f的质量守恒概念，风速相等或相近时空气的体积混合比例相等，即T_1awl＝T_2awl＝T_awl，f₁＝f₂＝f。从而根据公式(5)和公式(6)可以得出计算水平平流驱动因子f的公式(2)：

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

根据公式(5)和(6)，可以得到公式(3)：

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

步骤3：根据以下公式(4)将局地气温T_ajd和外来气温T_awl进行线性加权混合成实际空气气温T_azs：

T_azs＝fT_awl+(1-f)T_ajd (4)

将公式(1)、(2)和(3)代入公式(4)即完成实际空气气温T_azs的计算。

本发明还提供了一种空气温度空间扩展系统，根据示例性实施例的空气温度空间扩展系统包括：

局地气温计算模块，用于计算由局地因子驱动下的局地气温T_ajd；

外来气温计算模块，用于根据水平平流强度求解水平平流驱动因子f，并计算由水平平流驱动因子f驱动下的外来气温T_awl；

实际空气气温合成模块，用于根据以下公式(4)将局地气温T_ajd和外来气温T_awl进行线性加权混合成实际空气气温T_azs：

T_azs＝fT_awl+(1-f)T_ajd (4)。

实施例

在实施例中，以黑河中游绿洲区作为试验区，利用试验区内共17个气象观测台站和ASTER遥感数据进行空气温度空间扩展，其中5个气象台站的数据用于空气温度的计算，剩余12个气象台站的数据用于进行结果验证。

以下详细描述示例性实施例的具体步骤，图2～图6示出了实施例中的各项数据以及对比的空间分布图：

1)计算由局地因子驱动下的局地气温T_ajd

根据所述的公式(1)，得到2012年6月24日和8月27日的局地气温T_ajd的空间分布如图2和图3所示。

2)计算水平平流驱动因子f：

根据所述的公式(2)，得到了2012年6月24日和8月27日的水平平流驱动因子f的空间分布。

3)计算外来气温T_awl：

根据所述的公式(3)，得到2012年6月24日和8月27日的外来气温T_awl的空间分布。

4)计算实际空气气温T_azs：

根据所述的公式(4)，得到2012年6月24日和8月27日的实际空气气温T_azs的空间分布如图4和5所示。

将反演得到的空气温度值，提取验证用的气象台站所在像元位置的估算值，再与台站实际观测值进行对比，如图6所示，由此验证了方法的可靠性。

以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。