《Remote Sensing of Environment》：A global system for monitoring radiative transfer and directional temperatures over heterogeneous surfaces
编辑推荐：
•LST模拟包含植被结构。•亚像元温度得到物理上的解析。•卫星方向温度被高效模拟。•基于物理的thermal空间降尺度。引言地表温度（LST）是地球系统科学中的基本状态变量，控制着地表-大气间水和能量的耦合交换（Li等，2023a；Liu等，2019）。遥感和反演算法的进步产
- •
LST模拟包含植被结构。
- •
亚像元温度得到物理上的解析。
- •
卫星方向温度被高效模拟。
- •
基于物理的thermal空间降尺度。
引言
地表温度（LST）是地球系统科学中的基本状态变量，控制着地表-大气间水和能量的耦合交换（Li等，2023a；Liu等，2019）。遥感和反演算法的进步产生了具有不同时空分辨率和观测几何构型的众多热红外（TIR）LST产品，包括MODIS（Hulley等，2018）、Landsat（Malakar等，2018）、ASTER（Abrams等，2015）和风云系列（Dong等，2023；Li等，2023b）。虽然这些产品在城市规划（Coutts等，2016；Wellmann等，2020）、植被监测（Julien和Sobrino，2009；Xian等，2022）、干旱评估（Hu等，2020a；Wei等，2020）和森林火灾预警（Chen等，2024；Huot等，2022）中得到广泛应用，但它们的协同应用通常因产品间不一致性而受到阻碍。由于陆地表面的结构异质性，卫星过境时间、观测尺度和观测几何的变化均会导致传感器接收到的热辐射差异，从而产生具有不同物理属性的温度反演结果。缺乏严格的物理约束，这些差异仍然是多源LST数据集比较和融合的严峻挑战（Cao等，2021；Li等，2023c）。
现有方法通过分别处理来解决这一不一致性，包括用于时间归一化的昼夜温度周期（DTC）模型（Duan等，2012；Hu等，2020b）、用于角度校正的内核驱动模型（Cao等，2021；Ran等，2022）以及用于分辨率对齐的空间缩放方法（Li等，2023a；Wu等，2021）。虽然这些参数化或半经验方法促进了多源数据融合，但它们通常将时间、空间和角度变化视为解耦因素，而非内在耦合过程。这种碎片化处理削弱了理论稳健性，并阻碍了对误差传播的严格量化。实现LST产品一致性的综合解决方案需要整合严格的物理约束。这些约束的理论基础在于热辐射传输建模（RTM）与地表能量平衡（SEB）方法之间的协同作用，后者可以从机制上将方向亮温与地表的热力学状态联系起来。
RT-EB框架已取得进展，但仍存在一个关键的权衡。一方面，一维（1D）模型如CUPID（Huang等，2008）和SCOPE（Van Der Tol等，2009；Yang等，2021），虽然计算高效且被广泛使用，但通常将植被冠层简化为水平均质的浑浊介质。这种简化导致忽视了枝叶聚集效应、离散树冠几何形状和树冠间空隙。结构异质的冠层会在受光/遮荫植被和受光/遮荫土壤组分之间产生明显的温度对比；随着观测角度的变化，几何遮挡会改变这些热力学上不同的组分可见比例，这是自然景观上方向热各向异性的主导驱动因素。1D模型无法捕获这一机制，这限制了其准确模拟复杂森林环境中固有的方向热各向异性的能力。另一方面，三维（3D）精细尺度模拟，如DART（Gastellu-Etchegorry等，2015；Guillevic等，2003）、TRGM（Liu等，2007）以及最近开发的Hi-Stream模型（Fan等，2025），可以通过显式模拟光子与详细几何结构的相互作用来准确描绘异质场景中的辐射传输。然而，这些模型对于区域至全球尺度的模拟在计算上难以承受。因此，迫切需要开发一种既能调和1D模型的计算效率又能具备3D模拟的结构保真度的模型，以支持全球尺度应用。
为弥合这些差距，本研究提出了STREAM，一种面向大规模异质陆地表面的新型热红外遥感模型。STREAM旨在为系统解决全球LST产品中耦合的"时间-空间-角度"问题提供基于物理的参考基准。通过采用ERA5再分析数据作为气象驱动因子，我们将模型与FLUXNET的实地观测以及Sentinel-3 SLSTR的LST产品进行验证。此外，STREAM的性能与广泛使用的SCOPE模型进行了基准比较，以展示其在处理结构异质性方面的优越性。本研究的组织结构如下：第2节介绍方法；第3节描述研究区和数据集；第4节讨论STREAM模型的验证结果；第5节提供讨论和模型局限性，并在第6节得出结论。
章节摘要
模型描述
STREAM是一个过程驱动的综合框架，旨在全球尺度上模拟异质景观中的地表组分量温（LSCT）和方向热红外观测。LSCT定义为四个不同亚像元组分（受光/遮荫植被和土壤）的真实热力学温度，而方向亮温（DBT）是指在特定观测几何下传感器感知到的辐射温度。偏离传统
研究区
为评估STREAM在不同空间机制和异质地表上模拟LST的性能，实施了多尺度验证策略。在全球尺度上，模拟采用来自ERA5再分析产品的叶面积指数（LAI）在25 km分辨率下进行。相反，区域尺度评估选择了黄淮海平原进行中等分辨率（1 km）评估，采用MuSyQ LAI产品作为植被结构输入。
作为
地表组分量温度结果
模拟的组分量温度最初以每小时间隔生成。随后，进行时间平均以得出2019年的月均值，表征不同季节中组分量级热动力学的全球时空分布（图3）。一次完整的全球模拟（25 km分辨率，每小时时间分辨率，一年）在配备两颗AMD Epyc 9654处理器（2.4 GHz基础频率）的工作站上大约需要7.6小时的墙上时钟运行时间
对精细尺度影像的影响
LST的空间尺度效应对其模拟、反演和验证具有深刻影响。如第3节所述，STREAM模拟的空间分辨率主要取决于植被结构参数LAI的分辨率。先前的评估已证实STREAM在中等至粗分辨率（通常为1 km至25 km）下的准确性和可靠性。为评估模型在更精细空间尺度上的性能，本研究采用了
结论
为解决全球尺度热辐射传输建模中模拟精度与计算效率之间的权衡，本研究开发了STREAM——一种耦合辐射传输和地表能量平衡过程并显式考虑植被结构特征的基于过程的LST模拟模型。STREAM将四组分量几何光学辐射传输框架与耦合地表能量平衡相结合用于全球应用。该模型
作者贡献声明
钟首义：撰写——初稿，数据整理，概念化。边准建：撰写——初稿，数据整理，概念化。Roujean Jean-Louis：撰写——审阅与编辑。刘强：撰写——审阅与编辑。程娟：撰写——审阅与编辑。杜永明：撰写——审阅与编辑。李华：撰写——审阅与编辑。文建光：撰写——审阅与编辑。肖青：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。
致谢
本工作部分得到国家自然科学基金[项目编号 42271362, 42130111, 42471365]资助，部分得到中国科学院空天信息创新研究院"未来之星"人才计划[2022KTYWLZX02]资助，以及北京市新星计划[20240484618]资助。
钟首义|边准建|Roujean Jean-Louis|刘强|程娟|杜永明|李华|文建光|肖青
