中文摘要：

为进一步深入理解地表热辐射方向性机理，提高地表温度反演精度，服务于全球气候变化监测，本项目在前期基金项目研究基础上，继续开展热辐射方向性建模和过程模式研究。项目将借鉴图形学的纹理概念，在保持精度的前提下，简化自主研发的三维辐射传输模型HRAD的运算。进一步以三维植被辐射传输模型为基础，联合三维土壤-植被-大气模式和植被生长模式，实现复杂像元内部的四维热辐射传输模拟和验证；通过模拟和观测，了解和掌握热辐射方向性存在的时间变化和空间变异规律，寻找最佳观测角度和观测时间，探索方向辐射的纠正和预报方法。

结论摘要：

为进一步理清地表热辐射方向性机理，突破现有的时空局限，实现四维的热辐射传输模拟，推进热辐射方向性研究的实用化，项目在原计划的技术路线基础上，逐步推进，解决了四维模型的耦合模拟问题和野外观测问题，并尽可能地回答了热辐射方向性模拟和预测中的几个关键问题。以北京和河北的野外测量数据，支持完成了三维小气候模式ENVI-met模型的标定、敏感性分析和验证。结果表明，ENVI-met能有效模拟地表组分温度的三维空间分布规律(R2=0.91， RMSE=2.1 K)及其日变化特征，是进行热辐射方向性预测预报的有力工具。但是，项目也发现ENVI-met有几点局限性，包括运行效率低、气象数据不能灵活自定义、模拟温差偏低等。主要原因是免费的ENVI-met版本功能限制。提出并建立了一个新的基于孔隙面元的辐射度模型RAPID，可以快速模拟植被的光学辐射传输，并扩展到热红外波段。该模型在极大降低数据量的条件下，保持了三维模型的特色和精度。将ENVI-met组分温度三维空间分布数据转化为有限高度层的二维网格数据结构，并在RAPID模型中增加读取该数据结构的接口，实现了两个模型的对接，完成了组分温度到方向亮度温度的尺度转换。该耦合模型可以有效模拟高分辨率地表温度图像和方向亮度温度（R2>0.88，RMSE<2.4K）。提出了基于全球数值预报产品NCEP、光学图像和激光雷达lidar数据的热辐射方向性的预测方法。NCEP提供气象和环境参数，光学图像提供分类信息，激光雷达提供三维结构参数，输入到ENVI-met-RAPID模型即可实现全球热辐射方向性模拟预测。提出了基于地基平臂定轨塔吊平台，利用红外热像仪和广角镜头，进行森林热辐射方向性的观测技术。该技术在河北怀来试验场得到了验证。观测试验表明，基于移动的多幅广角热图像，可以有效提取组分温度信息（光照树冠、阴影树冠、光照土壤、阴影土壤）和方向亮温信息。但是，观测时间偏长，地表植被分布异质性较强时，效果较差。研究发现，在高大森林植被中，0度和55度亮度温度差值多数小于0，并且存在明显日变化与季节变化规律，夏季的热辐射方向性日变化有明显峰值，而其他三个季节的线性趋势则更为明显。这些规律仍需要验证。研究提出的耦合模拟模型及其预测方法，理论上可以提供全球陆地任意植被地区的热辐射方向性估计值，为纠正热红外遥感图像的方向性提供重要的先验知识。