近地表气温作为下垫面辐射交换和热量平衡的综合反映,它控制着大部分陆地表面过程(如光合作用、呼吸作用及陆地表面蒸散过程等),是地球系统能量循环、水循环和碳循环的关键参数,也是陆面数据同化系统中模型主要输入参数之一,在区域天气和气候中扮演着重要的角色。此外,近地表气温异常可导致干旱、低温冷冻害、高温热害以及森林火灾等农林业气象灾害,同时也影响农作物、病虫害和流行病菌的衍生和传播,进而对粮食及公共卫生安全构成威胁。因此,如何更加确切的掌握近地表气温的连续时空分布,对理解生态、水文、气候、农业以及陆地生物活动具有重要意义,同时也是理解陆面过程和认识全球气候变化等研究的需要。相较于常规气象站点观测,利用遥感技术为区域近地表气温获取提供了一个新的重要手段。当前基于遥感的近地表气温估算方法主要有三种:(1)直接从遥感反演的地表温度(Land Surface Temperature,LST)与近地表气温的局地统计关系来推算,如经验法、人工神经网络法、大气廓线法;(2)依据 NDVI(Normalized Difference Vegetation Index,归一化差值植被指数)与LST的特征空间关系和浓密植被LST与近地表气温相等的假定来推算,如温度植被指数(Temperature-VegetationIndex,TVX)法;(3)基于地表能量平衡方程来推算。但这些估算方法都未能根据地表热辐射传输方程直接反演近地表气温,热红外遥感数据或以亮度温度、或以地表温度间接参与现有算法反演近地表气温,算法缺乏辐射传输过程机理特性,因此,开展热红外遥感数据直接反演近地表气温算法研究具有积极的意义和价值。本文以地表热辐射传输方程为算法基础,构建了用于近地表气温反演的三通道算法、两通道算法以及两算法的算法外延法。并针对MODIS传感器,分析了算法构建的最优通道选取,给出了算法中所涉及的所有相关参数(包括地表比辐射率εi、大气透过率τi、温度参数Li和亮度温度Ti(i=29,31,32))的估计方法,并对算法中大气透过率和地表比辐射率两因素进行了算法敏感性分析。最后,选用了美国南部大平原(SouthernGreatPlains,SGP)作为试验区,研究时相为2006年1月份和7月份,对构建的近地表气温反演算法进行MODIS/Terra数据反演(算法应用),并与地面观测数据相比拟,评价了反演算法的精度和分析了反演算法的性能表现。本文的主要结论如下:(1)基于地表热红外辐射传输方程,利用泰勒展开式和大气平均作用温度与近地表气温间的函数关系将地表热辐射传输方程中各组分与近地表气温T0关联起来,再依据热辐射传输方程中未知数的个数,选用对等数量的热红外波段数即可构建近地表气温反演的三通道算法和两通道算法,两算法为近地表气温反演提供了新的手段。本质上,两算法思想一致,两算法最大的区别在于两通道算法利用53°天顶角观测条件下的大气上行热辐射来近似替代大气下行辐射,实现了对方程中未知数的降维,从而将三通道算法降为两通道算法。三通道算法和两通道算法仅需地表比辐射率和大气透过率两因素来进行近地表气温反演。(2)在地表温度已知情况下,对三通道算法和两通道算法做进一步改进,发展出了近地表气温反演的三通道算法外延法和两通道算法外延法,此两算法实为两通道算法和单通道算法。相较于三通道算法和两通道算法,三通道算法外延法和两通道算法外延法揭示了地表温度和近地表气温之间的函数关系,为两者间的关系研究提供了一种新的手段。三通道算法外延法和两通道算法外延法也仅需地表比辐射率和大气透过率两因素来进行近地表气温反演,其地表温度可由两因素劈窗算法和普适性单窗算法反演获得。(3)MODIS热红外波段大气透过率估计需考虑大气水分含量和观测天顶角间的协同作用,利用二元四次多项式可准确刻画三者之间的函数关系,其拟合效果十分理想(R2均大于 0.9996、RMSE均小于 0.005)。(4)三通道算法、三通道算法外延法、两通道算法和两通道算法外延法四算法均对大气透过率因素敏感,而对地表比辐射率因素相对不太敏感。0.005的大气透过率误差对三通道算法产生2℃以上误差、对三通道算法外延法产生2.5℃以上误差、对两通道算法产生1℃以上误差、对两通道算法外延法产生3℃以上误差;而0.005的地表比辐射率估计误差对三通道算法产生1.5℃以下误差、对三通道算法外延法产生0.6℃以下误差、对两通道算法产生0.3℃以下误差、对两通道算法外延法产生0.2℃以下误差。(5)针对MODIS/Terra数据,在三通道算法、三通道算法外延法、两通道算法和两通道算法外延法四算法反演性能表现中,以两通道算法外延法反演精度最高、算法最稳定,其R、BIAS、M4E和RMSE分别为 0.9594、-1.06℃、2.61℃和 3.51℃,这也揭示了 MODIS/Terra 31波段最适宜近地表气温反演(与实测近地表气温比对的斜率为0.9812、截距为4.544);而三通道算法、三通道算法外延法和两通道算法的反演精度却不够理想,三算法的R、BIAS、MAE和RMSE分别为 0.5521、-1.88℃、7.33℃和 7.94℃,0.4811、0.22℃、7.90℃和 7.32℃,0.2251、0.91℃、9.13℃和8.86℃,且三算法对大气季相特征很敏感,致使此三算法在7月份(夏季)和1月份(冬季)分别表现为系统低估和高估特征。(6)基于MOD07最贴近地表气压层的大气廓线温度,利用温度垂直递减率下推法反演近地表气温存在系统性低估,其算法性能的R、BIAS、MAE和RMSE分别为0.9786、-4.15℃、4.49℃和2.01℃,算法表现出对大气季相特征较敏感,算法在7月份(夏季)低估的强度要明显高于1月份(冬季)的低估强度,即7月份(夏季)和1月份(冬季)的BIAS分别为-5.93℃和-1.38℃,但算法偏离1:1直线的季相强度却相反,即与实测近地表气温比对的斜率在7月份(夏季)和1月份(冬季)分别为0.5558和0.6228。本文的创新点主要在于基于地表热辐射传输方程构建了可直接反演地表气温的三通道算法、两通道算法以及两算法的算法外延法,四算法只需地表比辐射率和大气透过率两因素来进行近地表气温遥感定量反演。相对于三通道算法,三通道算法外延法、两通道算法和两通道算法外延法更有着一定的优势,它能使更多的卫星热红外遥感数据(热红外波段小于3的传感器,如 AVHRR/NOAA、AATSR/ENVISAT、TIRS/Landsat8、VIRR/FY-3、IRS/HJ-1B等,详见附录3)被有效充分利用且其算法反演精度也较高,尤其是两通道算法外延法反演精度高且算法性能表现稳定。