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目 录

1 引言 1

1.1 研究目的与意义 1

1.2 国内外研究进展 2

1.3 研究内容 2

2 数据说明 3

2.1 研究区域概况 3

2.2 数据来源 4

3 研究方法 4

3.1 基于地面观测资料对MODIS云量进行订正 4

3.2 基于地面观测云量资料与日照时数资料建模 5

4 结果分析 6

4.1 2010年东北三省云量空间分布特征 6

4.2 地面观测云量资料与日照时数资料相关性分析 9

4.3 模型性能评估 10

4.4 2010年东北三省日照时数空间分布特征 11

5 结论 13

参考文献 13

致谢 15

东北三省MODIS云量时空分布及其与日照时数的关系

刘文璞

,China

Abstract: This article uses the MODIS monthly scale cloud products in the three northeastern provinces in 2010 and the ground observation cloud data and sunshine data from the three northeastern provinces in 2010. The cloud value at the surface of the meteorological station is considered as the true value and the MODIS monthly scale cloud amount is revised based on it. The analysis of weather station cloud cover and sunshine duration data can be negatively related to each other. Then, the spatial distribution of sunshine hours in the three northeastern provinces is simulated, a model for sunshine hours estimation is established, and the three provinces of northeast China in 2010 are drawn. The 5km×5km sunshine hours can be used to estimate the monthly average spatial distribution map of the image, using the 2010 5km×5km sunshine hours of three provinces in Northeast China to estimate the monthly average spatial distribution map of the image and the relative daily sunshine hours. The overall spatial distribution is roughly the same, but the spatial continuity of the image map estimated by the sunshine hours is better.

Key words: MODIS; Cloud amount; sunshine duration

1 引言

1.1 研究目的与意义

热量平衡、地气系统辐射平衡和温湿分布都直接受到云量这个因子的影响^[1]。全球总云量及其的趋势和空间分布的错误估计，将直接或间接导致使用宏、微观参数，辐射参数，湿度，降水量等物理量在对气候变化、天气、气候模型等研究时产生偏差^[2]。所以，对云量的时空分布的研究是进行大气辐射、气候分析等研究基础的部分。

太阳辐射是指电磁波形式的太阳传输能量。 太阳辐射的主要作用是维持表面温度，是大气运动的主要驱动力和陆地生命活动的主要动力，也是形成地球气候的最重要因素^[3]。 日照时数是指某一地区接受日照时间多久的重要指标之一，也是计算太阳辐射的重要参数之一，对其的研究一直都受到国内外众多学者的关注。日照时数的长短可以是用来判断某一地区所受到太阳能量多少及分布的一项指标。日照时数作为气候形成的重要因子之一，日照时数对于地球热量分布、植物的光合作用、植物的生长、分布和人类生产生活等有着密切的关系。因而，对日照时数的研究有着重要的意义。

如今，对于云量的观测一般有地面气象站点观测和卫星遥感观测这两种方法进行测量。地面气象站观测到的云量资料，因为技术有限、观测条件、人员技术等问题的限制，所得到的数据会出现连续性不强的不足，不能使得每个地区的云量都能得到准确测量，特别是山区、高原等地方。由于环境等原因，设置的站点量也较少，所以连续性更弱。卫星遥感所观测到的云量，如MODIS云量产品，连续性很强，而且不用受到地形、气象站点的设置等原因的限制。但是，由于受到传感器、大气、地形等不可控的原因，所获得的MODIS月尺度云量产品存在着反演误差。

遥感探测的云量可以弥补地面气象站所观测得到的云量数据连续性不强的不足，而地面观测的云量也可以纠正卫星探测得到的云量所存在的反演误差的不足，将气象站地面观测到的云量资料视为真实值，利用气象站地面观测的云量将MODIS云量产品进行订正，订正的具体方法通过研读之前的文献可知，在差值订正、比值订正、归一化混合订正中比值订正的效果最佳^[4]。

本文所研究的“日照时数”是指 “实际日照时数”。但是,受到设置站点条件的限制,分析日照时数在全国及各地区的空间分布单单依靠气象站点实地测量的日照时数资料是不够的,特别是在地势复杂多变、高差较大的山区。由此可知,实际日照时数依然是一个未知而重要的气象参数^[5]。慢慢的随着空间技术、遥感卫星的发展，遥感卫星具有较高的空间、时间分辨率，并且空间连续性强。特别，对于地面不好观测或观测不到的地方，可以利用卫星进行探测。因此，将遥感数据引入日照时数遥感估算的模型具有一定的意义。

本文以东北三省2010年为例，利用MODIS云量产品、基础地理数据、气象站地面观测云量资料。首先利用比值订正的方法，基于气象站地面观测的云量资料，将MODIS月尺度云量产品进行订正，并分析订正前后云量变化趋势。其次分析地面气象站观测的云量资料与日照时数资料的相关性，最后利用地面观测的云量资料与日照时数资料进行建模，将已经订正好的MODIS云量产品带入到模型中，得到日照时数遥感估算影像空间分布图。所得到的照时数遥感估算影像空间分布图避免由于站点设置等无法克服的问题所带来的影响，在空间分布方面有很好的空间连续性。最终得到的日照时数遥感估算影像数据可以作为估算太阳辐射的重要参数，所研究的日照时数空间分布规律可作为基础数据供农林、气象、水文和太阳能工程等领域使用,具有一定的推广应用价值。

1.2 国内外研究进展

因为受到计算研究方法、地形数据等这些因素的限制，日照时数的计算多为针对单一的倾斜表面进行的。但是现在随着空间信息技术的发展，特别是地理信息科学（GIS）、遥感技术（RS）、全球定位系统（GPS）的发展，数字高程模型（DEM）的应用，都为日照时数的计算和研究提供了新的方法和手段。

在国内，刘瑞霞^[6]等人研究发现遥感探测到的云量与气象站地面观测到的云量总是会存在一定的偏差。陈勇航^[7]等人研究发现空间分辨率较大的遥感卫星资料NOAA 和 ISCCP，不能达到不同地域条件下对云量变化规律进行研究的要求。邱新法^[8]等人研究发现MODIS所搭载的TERRA和AQUA两颗卫星空间分辨率适度，可用于在不同地域下进行云量变化规律的研究，并将云量变化规律的研究与日照考虑在一起进行了进一步的研究。陈华^[9]、袁淑杰^[10]、孙娴^[11]等利用气象站日照百分率观测资料针对某一研究区的实际日照时数进行了计算。曹芸^[12]等人充分利用数字高程模型、GIS、RS等技术和MODIS遥感卫星，充分考虑了地面因素和天空因素，建立了日照时数3S集成模型，对我国实际日照时数的空间化进行了模拟。以李新^[13]、曾燕^[14]等为代表分别利用DEM数据修正日照时数计算公式、建立了起伏地形下日照时数分布式模型、引入地球曲率修正因子等方法对山地的日照时数进行研究。

在国外，Kotarba^[15]发现是由于传感器自身探测元件、探测方式和空间分辨率等因素导致了遥感探测到的云量与气象站地面观测到的云量总是会存在一定的偏差。Dozier等^[16]首先提出通过数字高程模型来对太阳辐射进行模拟的方法，而且还提出了相关地形参数的快速算法。此后， Dubabyau^[17]、Hetric^[18]和Kumar^[19]等为代表的学者都利用GIS的手段对山地的日照时数进行研究。

1.3 研究内容

本文主要内容有以下几个方面：

（1）由于获取得到的MODIS遥感影像存在反演误差，因此需要基于气象站点地面观测得到的云量数据，通过研读以往的研究可知，比值订正方法比较与差值订正、差值混合订正、比值混合订正是最优的订正方法，所以利用比值订正方法对获取得到的2010年东北三省MODIS云量产品进行订正。

（2）将气象站地面观测的云量资料与气象站地面观测的日照时数资料进行相关性分析，得到云量和日照时数有较好的线性关系。利用地面观测云量资料与日照时数资料进行建模，并以此为基础引入订正后的MODIS月尺度云量，获得东北三省遥感集成的日照时数空间分布。

本文研究路线图：

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