全球1公里分辨率日尺度地表长波辐射产品（2000-2023）：基于MODIS数据的创新性估算与验证

针对全球高分辨率地表长波辐射（SLWR）数据缺失的难题，北京师范大学团队利用MODIS卫星数据开发了1公里分辨率日尺度产品（2000-2023）。通过混合算法估算晴空瞬时SLUR（地表长波上行辐射）和SLDR（地表长波下行辐射），结合云底温度模型（CBT-SLCM）处理多云条件，整合ERA5再分析数据实现时间扩展。验证显示日尺度SLUR和SLDR的RMSE分别小于18 W/m2和25 W/m2，精度媲美CERES-SYN，为水文、生态及气候模型提供关键数据支撑。

　　

地表长波辐射（Surface Longwave Radiation, SLWR）是地表辐射收支（Surface Radiation Budget, SRB）的核心组成部分，直接影响陆地表面过程模型、水循环和气候变化研究。然而，长期以来，科学界面临一个尴尬的现实：尽管SLWR数据对理解地球系统至关重要，但全球范围内可公开获取的长期、高分辨率（1公里）日尺度SLWR产品却始终空白。现有数据如ISCCP-FD、CERES-SYN等空间分辨率粗糙（约1°），难以满足高精度地表模型的需求。这种数据缺口严重制约了区域气候监测、生态水文过程模拟等研究的深入开展。

面对这一挑战，北京师范大学的研究团队在《Scientific Data》发表了突破性成果。他们利用2000-2023年的MODIS卫星数据，首次构建了全球1公里分辨率日尺度地表长波辐射产品（ELITE SLWR），包含地表长波上行辐射（SLUR）和下行辐射（SLDR）。这项研究不仅填补了高分辨率SLWR数据的空白，更通过创新的算法设计实现了与CERES-SYN相当的精度（SLUR RMSE<18 W/m²，SLDR RMSE≈25 W/m²），为精细化的地表能量平衡研究提供了里程碑式的数据集。

研究团队采用多技术融合的方法体系：针对晴空条件，开发混合算法利用MODIS通道29/31/32的TOA辐射估算瞬时SLUR（式2），并结合近地表水汽数据推算SLDR（式3）；针对多云条件，首创基于云底温度（Cloud Base Temperature, CBT）的单层云模型（SLCM）（式4）估算SLDR，同时利用ELITE宽带发射率（Broadband Emissivity, BBE）产品计算SLUR。通过整合ERA5再分析数据的昼夜变化信息，采用线性正弦插值法（式5-7）将瞬时数据扩展为日尺度产品。验证数据涵盖全球369个站点（来自AmeriFlux、BSRN等9大通量网络），确保结果的普适性。

研究结果展现出四大创新发现：

1. 算法性能验证：瞬时SLDR和SLUR的RMSE分别为29.92 W/m²和18.77 W/m²（图3），日尺度产品精度进一步提升（SLDR RMSE=25.31 W/m²，SLUR RMSE=17.77 W/m²，图4）。
2. 地表类型适应性：在落叶针叶林等均质下垫面表现最佳（SLUR RMSE=12.27 W/m²，R²=0.98），而城市建筑区等异质区域误差较大（图6-7），揭示了地表异质性对反演精度的关键影响。
3. 气候带差异：热带气候（Am型）误差最小（SLDR RMSE=15.99 W/m²），极地气候（Ef型）受温度波动影响误差增大（SLDR RMSE=25.21 W/m²，表5），为区域化应用提供精度参考。
4. 跨产品对比：与CERES-SYN相比，ELITE产品在永久冰雪等特殊下垫面的稳定性更优（SLUR偏差降低50%以上，图8-10），凸显1公里分辨率的空间优势。

这项研究的科学价值体现在三个维度：方法学上，首创CBT-SLCM模型和时空扩展算法，突破多云条件下高精度反演的技术瓶颈；数据产品上，首次实现2000-2023年全球1公里日尺度SLWR的连续覆盖，数据量达6.4TB（Zenodo存储号13733656/13733811）；应用层面上，产品已整合至ELITE套件（elite.bnu.edu.cn），可直接驱动高分辨率陆面模型，助力"双碳"目标下的能量平衡研究。正如通讯作者Jie Cheng（程杰）强调的，该数据集将显著提升对地表辐射强迫时空异质性的认知，为IPCC评估报告提供新的观测约束。未来团队计划融合新一代静止卫星数据，进一步优化极区冬季的数据连续性。