概要
准确估计山地短波辐射将增进我们对气候变化影响的认识，特别是其对山地生态系统的影响。近年来，一些利用卫星数据估计山地短波辐射参量的方法已经被发展，但很少有研究试图了解数字高程模型(digital elevation model, DEM)不确定性对估计的影响。我们的研究在多个空间和时间尺度（30至3000米，瞬时到日均）定量探究了晴空条件下的这种影响。我们将瞬时和日均晴空短波下行辐射(downward shortwave radiation, DSR)和短波净辐射(net shortwave radiation, NSR)估算方法作为代理进行评价。利用站点实测的地形数据与站点观测的短波辐射验证，瞬时DSR和NSR的均方根误差(root mean square error, RMSE)分别为65.9 W/m²和65.1 W/m²，日均值的RMSE分别为21.2 W/m²和22.5 W/m²。基于DEM数据进行估算时，瞬时DSR的不确定性可增加64.0%，日均DSR不确定度可增加46.2%。使用AW3D30和SRTM DEM进行DSR估计并对比，瞬时和日均值的最大差异分别为16.8% (103.6 W/m²) 和 13.0% (25.8W/m²)。短波辐射的估计差异随空间尺度的增加而减小，当升尺度到3000 m时相对差异小于2%。此外，我们对AW3D30 DEM引入随机误差的评估发现，当DEM平均绝对误差约5米时，DEM引起的短波辐射不确定性可能超过算法本身的不确定性。考虑到目前的DEM精度，DEM误差对山地短波辐射估算的影响不容忽视。本研究强调了DEM不确定性对短波辐射估计的潜在影响，这对于利用卫星数据进行山地能量平衡估算和气候变化研究至关重要。
研究方法与结果
本研究借助MODIS大气产品，基于辐射传输模拟、机器学习方法和山地辐射传输过程估算瞬时短波下行辐射，利用拓展的山地反照率直接估算方法反演地表反照率，进而计算得到瞬时短波净辐射。日均短波下行辐射和短波净辐射利用考虑地形的时间拓展方法估算得到。基于地面站点实测的地形数据验证如图1所示，整体精度高，可以服务于后续分析，该验证结果被认为是模型本身的不确定性。
图1 使用实地测量地形数据估计的DSR、NSR和反照率(albedo)与地面站点对比结果。(a) 瞬时DSR，(b) 日均DSR，(c) 瞬时NSR，(d) 日均NSR，和 (e) 反照率。
我们借助AW3D30 DEM和SRTM DEM进行估算和验证，瞬时RMSE相比利用实地测量地形的结果增大40%以上，日均RMSE增大30%以上，图2说明了利用不同地形数据源估算的差异，可以看到，地形为短波辐射日变化曲线带来了明显的偏移，其峰值也有明显改变；利用不同地形数据源估算的瞬时和日均值差异明显。
图2 2020年10月22日，基于实测地形数据和DEM数据估计的短波下行辐射日变化。红色虚线表示当地中午。
利用AW3D30 DEM和SRTM DEM基于影像的对比（图3）发现，DEM差异带来的短波辐射估算差异与当地地形和时间有关：瞬时短波下行辐射估算差异从3.4%到16.8%，日均值从2.3%到13.0%，短波净辐射也有类似的差异。
图3 使用不同DEM数据估算的DSR和NSR结果的比较。(a) 瞬时DSR，(b) 瞬时NSR，(c) 日均DSR，和(d) 日均NSR。 x轴中的a到e表示不同的 Landsat 影像 (PathRow_time): 122031_20170601, 122031_20170921, 122031_20171108, 130041_20130614, 130041_20140124。
为探究不同空间尺度短波辐射估算受DEM不确定性的影响程度，我们将30米的结果升尺度到120米、240米、480米、960米和3000米进行对比（图4）。结果表明，随着尺度上升，DEM导致的结果差异很大程度被抹平，在120米分辨率下，不同DEM带来的估算差异相比30米减小了50%以上，当分辨率达到3000米时，DEM带来的影响低于2%。我们将AW3D30 DEM作为参考真值，对其引入随机误差的实验也证明了以上发现，同时，基于现有DEM的精度评价（绝对误差大于2.5米），当进行高空间分辨率山地短波辐射估算时，DEM误差导致的不确定性不可忽视。
图4 利用AW3D30 DEM和SRTM DEM估算NSR的差异箱线图。(a) 基于两个 DEM 的瞬时 NSR RMSD（均方根差异），(b) 瞬时NSR rRMSD（相对均方根差异），(c) 日均NSR RMSD，以及(d) 日均NSR rRMSD。
研究结论
当下，多种山地短波辐射估算方法已经被发展。本文系统探究了DEM精度对多时空尺度山地短波辐射估算结果的影响，我们发现：
（1） 高空间分辨率瞬时和日均山地短波辐射估算精度均受DEM影响显著，未来需要更高分辨率和更高精度的DEM支撑山地精细短波辐射估算和建模；
（2） DEM不确定性带来的影响随着空间尺度增大而显著减小，高空间分辨率短波辐射可以作为验证粗分辨率短波辐射产品的桥梁。
链接：10.1016/j.agrformet.2022.109222
