基于风云微波数据的中国冬小麦区干旱监测研究

微波数据能有效克服云层影响,实现土壤水分的全天候遥感监测,但仅局限于土壤表层(0~5 cm),无法客观反映耕作层土壤的实际干旱程度。本研究采用区间划分方法,分析逐日风云微波遥感数据(FY-3C/MWRI)反演的表层土壤水分各区间临界值与对应区间基于MODIS数据得到的温度植被干旱指数(TVDI)最大值的关系,建立2015—2016年冬小麦生育期内月尺度的FY-3C/SM-TVDI模型,初步实现冬小麦主要种植区内微波遥感监测10~20 cm深度土层旱情模型。在此基础上,利用2014—2015年数据进行模型验证。结果表明,模型总体构建效果较好,大部分模拟值与真实值差异不显著(P0.05),10月模拟值较真实值显著偏低(P0.05)。     

夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的遥感反演

高光谱遥感技术监测作物含水量是了解作物生长状况的重要技术。为实现夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的快速、精细化、无损监测,本文基于2014年和2015年的6—10月华北夏玉米不同生育期不同灌水量干旱模拟试验数据构建了植被水分指数（W_I,M_SI,G_VMI）、复比指数（W_NV和W_CG）和红边反射率曲线面积（D_area）的夏玉米冠层等效水厚度（E_WTC）和叶片可燃物含水量（F_MC）的反演模型。结果表明:6个指标反演夏玉米三叶期的E_WTC模型均未达到0.05显著性水平,三叶期后各指标反演E_WTC模型均达到0.01的显著性水平,且总体而言模型精度从高到低为抽雄期、拔节期、灌浆期、成熟期和七叶期。6个指标反演七叶期和拔节期的F_MC均达到0.01显著性水平。因此,同一光谱指标反演夏玉米不同生育期叶片和冠层含水量的精度差异较大。光谱指标反演夏玉米叶片和冠层含水量指标的精度与夏玉米生育期有很大关系,进而提出了夏玉米不同生育期含水量反演模型。研究结果可为准确模拟夏玉米不同生育期含水量提供技术支撑。     

东亚和北美地区温度和降水变化特征

温湿变化的年代际特征及区域差异是全球气候变化研究的重要内容之一。利用1901-2014年东英吉利大学气候研究中心(CRU)TS3.20月地表温度和降水资料分析了东亚和北美地区温度和降水变化的季节性和区域特征,并利用1979-2015年欧洲中心天气预报中心(ECMWF)ERA-Interim日最高/最低温和降水资料进一步分析了东亚和北美地区受极端天气影响的区域所占比例的年际变化。结果发现,近110多年来东亚地区[0.134℃·(10a)~(-1)]的增温趋势高于北美地区[0.102℃·(10a)~(-1)],东亚干旱半干旱区的增温趋势低于东亚地区,而北美干旱半干旱区的增温趋势高于北美地区。季节性特征表现为在冷季增温明显,东亚地区冷季增温约是暖季的2.9倍,北美地区为1.3倍。季节性增温存在明显的纬度差异,在东亚和北美高纬度地区(45°N以北)冷季温度的增长速率通常比暖季大。东亚和北美的降水增加趋势均高于北半球,暖季降水增加明显并且主要发生在东亚和北美高纬度地区(45°N以北)。东亚和北美的干旱半干旱区的降水没有明显增加趋势,分别为0.04 mm·(10a)~(-1)和0.07 mm·(10a)~(-1)。东亚和北美地区及东亚和北美的干旱半干旱区受极端高温影响的面积有增加趋势,受极端低温影响的面积没有明显变化,受极端降水影响的面积有减少趋势。北美和东亚地区以及北美和东亚干旱半干旱区的月平均温度对PDO(Pacific Decadal Oscillation)的响应比ENSO(El Nino Southern Oscillation)明显,月平均降水对ENSO的响应比PDO明显。     

基于TVDI的西藏“一江两河”地区干旱监测研究

利用MODIS合成产品数据集MOD11A2和MOD13A2获取的归一化植被指数(NDVI)和陆地表面温度(LST)来构建Ts-NDVI特征空间。依据特征空间设计的温度植被干旱指数(TVDI)作为干旱监测指标,对2000~2011年夏季"一江两河"地区旱情进行监测分析,并利用研究区气象站地面温度数据进行相关度分析。结果表明:2000~2011年夏季"一江两河"地区重旱区主要分布在南部和沿江河谷一带,北部干旱程度较轻,大部分地区TVDI≥0.6,处于干旱区域;近12年TVDI值变化趋势为下降,年际变化显著;TVDI空间分布特征与降水空间分布非常一致,与传统气候干旱监测结果总体上表现一致;实测地表温度与TVDI两者具有较好的线性正相关性。由此可见,温度植被干旱指数(TVDI)作为高原地区大范围干旱监测反演模型具有一定的科学性和参考性。     

干旱半干旱区土壤湿度数值模拟研究进展

总结和回顾了干旱半干旱地区土壤湿度研究在区域气候变化研究过程中的重要性,详尽描述了干旱半干旱区土壤湿度数值模拟的研究现状。在过去几十年里,大型地面观测试验计划的开展、卫星遥感监测能力的加强促进了干旱半干旱地区陆面模式模拟土壤湿度能力的提高,推动了干旱半干旱地区土壤湿度数值模拟的研究进程。尤其是干旱半干旱地区气候观测站的建立,积累了长期宝贵的连续性观测数据,增强了检验卫星反演方法的能力,促进了陆面模式的参数化改进。近年来随着气象学、生态学以及水文学、土壤学等学科之间交叉合作的加强,气候变化背景下土壤湿度对碳、氮循环的影响研究得到越来越多的重视,尤其在干旱半干旱地区,局地碳通量和水分供应存在密切联系。因此,未来半干旱地区土壤湿度的研究不仅要开展观测计划,积累长期连续的高质量数据,改进卫星反演能力和模式参数化方案,而且要进一步深化和加强学科交叉内容的研究,分析气候变化背景下土壤湿度在生态学、水文学、土壤学等学科的变化形式和特点,多角度、多方向地开展和改进干旱半干旱地区土壤湿度的数值模拟研究。     

利用地基微波辐射计资料反演0-10km大气温湿廓线试验研究

实测与模拟的微波辐射计亮温存在偏差,导致基于BP神经网络模型的大气温湿廓线反演精度的降低。研究了一种基于资料订正后的BP神经网络反演大气温湿廓线的方法。首先,基于2014年6月南京江宁探空资料,利用MonoRTM模式,模拟中心频率在22.2GHz~58.8GHz范围内22通道亮温;对比模拟和实测南京站微波辐射计资料,建立实测微波辐射计资料订正模型。然后,以南京地区2011-2013年探空资料为输入,模拟22通道亮温数据,并基于模拟的22通道亮温数据和当地探空资料,利用BP神经网络算法,建立大气温度、水汽密度、相对湿度廓线反演模型。最后,利用构建的订正模型,对2014年7月试验获取的微波辐射计资料进行订正,并将订正后的微波辐射计资料输入BP神经网络反演模型,反演0-10km高度58层的大气温度、水汽密度和相对湿度,对比实际探空资料以及微波辐射计二级产品,评估分析反演效果。实验结果表明：所建的反演模型提高了大气温湿廓线反演精度,大气温度、水汽密度和相对湿度均方根误差范围分别为1.0~2.0K、0.20 ~1.93g/m3和2.5%~18.6%。     

5种光合有效辐射表性能测试

为认识和提高光合有效辐射 (波长为400~700 nm) 的测量精度,对国内外5种常用的光合有效辐射表的灵敏度、余弦响应、非线性、温度依赖性、光谱响应等性能进行了测试和分析。结果表明: 5种光合有效辐射表 (简称光合表) 的非线性误差均在1%以内; 3种光合表 (PAR LITE,LI-190和FS-PR) 的余弦误差均小于10%,温度系数均小于0.3%/℃,2种光合表 (TRT-5和HSC-FPH-1) 的余弦误差明显偏大,温度系数小于0.5%/℃。2种光合表 (PAR LITE和LI-190) 的光谱响应曲线接近于理想光谱,而其余3种光合表与理想光谱曲线偏离较大。在自然光下的一致性比对测量结果显示,5种光合表测量的辐射量与标准值的误差均在5%以内,但综合评价后认为,3种光合表 (PAR LITE,LI-190和FS-PR) 的性能明显优于其他2种光合表 (TRT-5和HSC-FPH-1)。该结果可为气象观测业务选型提供参考。     

利用地基微波辐射计反演兰州地区液态云水路径和可降水量的初步研究

液态云水路径 (liquid water path, LWP) 和可降水量 (precipitable water vapor, PWV) 是描述天气和气候的两个重要物理量。目前, 针对液态云水路径和可降水量的直接观测较少, 特别是在我国干旱半干旱黄土高原地区, 至今没有获得系统的观测值。本文利用兰州大学半干旱气候与环境监测站 (SACOL) 近两年的微波辐射仪观测资料, 分析了黄土高原半干旱区液态云水路径和可降水量的变化特征。首先引入Liljegren et al.(2001) 的反演方法并加以改进, 计算得到适合黄土高原地区的反演参数, 利用改进后的反演方法计算近两年的液态云水路径和可降水量。分析结果显示, 与TP/WVP-3000型12通道微波辐射计的直接输出结果相比, 本文反演结果与实际情况更加吻合。在SACOL代表的黄土高原地区, 95%的云水路径值都在150 g/m2以下, 95%的可降水量值都在3 cm以下。由于SACOL的降水受亚洲季风的影响, 液态云水路径日均值冬季最小, 秋季最大, 其日变化规律显示半干旱区液态云水路径大体上呈双峰分布, 峰值主要出现在日出和日落时分。卫星反演资料的年变化趋势与地基反演结果比较吻合。因此, 运用卫星反演的液态云水路径来分析我国西北地区的空中云水资源是一种比较可信的手段。     

附加相位延迟到弯曲角反演过程中的误差传递模型

为了研究全球卫星导航定位系统无线电掩星探测中的误差传递过程,文中讨论了掩星探测中附加相位延迟到弯曲角的反演过程中,附加相位延迟随机误差对反演弯曲角误差的影响。在对全球卫星导航定位系统和低轨道卫星进行精密定轨的情况下,忽略轨道误差对反演结果的影响,将轨道参数视为常数,考虑附加相位延迟△L存在随机误差δ△L时对反演弯曲角α带来的弯曲角误差δα。利用EGOPS仿真软件,采用数值模拟的方法模拟了无电离层影响的大气附加相位延迟数据,利用CHAMP真实轨道数据,MSIS-90大气模型和全三维射线追踪器进行前向建模,从中选取了一个掩星事件对误差传递模型进行了验证。结果表明:附加相位延迟的变化会给弯曲角的反演带来相应的误差:当随机误差为5 cm左右时,反演的弯曲角误差在±0.2 mrad范围内;当随机误差为1 cm左右时,反演的弯曲角误差在±4μrad范围内;当随机误差为1 mm左右时,反演的弯曲角误差在±40μrad范围内。最后从模拟的掩星事件中随机抽取了20个掩星事件进行统计分析,给出了20个掩星事件存在1 cm附加相位延迟测量误差引起弯曲角误差的均值误差,其误差特性虽略大于个例研究结果,但与模型完全吻合,反演的弯曲角误差也在±40μrad范围内,进一步验证了模型的准确性。     

不同播期冬小麦叶面积指数高光谱遥感监测模型

叶面积指数(Leaf area index,LAI)与植物的光合能力密切相关,是评价作物长势和预测产量的重要农学参数,利用高光谱遥感能够实现农作物LAI快速无损监测。为了建立不同播期条件下冬小麦LAI反演的最佳高光谱监测模型,提高冬小麦LAI估算模型精度,将地面实测冬小麦LAI数据和冠层高光谱数据相结合,对4个播期及4个播期组合模拟的混合播期数据进行分析,选取8种植被指数,通过相关分析、回归分析等统计方法,构建不同播期冬小麦叶面积指数监测模型。结果表明,在4个播期处理和由一个所有播期组合下(即混合播期)建立的LAI光谱监测模型中,播期1和播期4分别以EVI2和mNDVI拟合效果较好,播期2、播期3及混合播期均与NDGI拟合效果最好。不同播期及混合播期的拟合方程决定系数(R~2)分别为0.803,0.823,0.907,0.819和0.798;通过试验田实测LAI与反演LAI数据进行拟合模型验证,均方根误差分别为0.81,0.78,0.63,0.82,0.91。通过分析可知,不同播期的分期监测模型比混合播期统一监测模型的拟合效果更好,精度更高。因此,播期1、播期2、播期3、播期4分别选用植被指数EVI2、NDGI、NDGI、mNDVI建立冬小麦LAI反演模型。该结果可为实现不同播期下冬小麦长势精确监测提供理论依据和技术支撑。     

CO_2浓度升高对半干旱区春小麦生长发育及产量影响的试验研究

利用典型半干旱区定西试验基地的开顶式气室(Open-Top Chamber,OTC)研究平台,以春小麦"定西24号"为供试品种,设置对照(370μmol·mol~(-1))和增加90μmol·mol~(-1)(460μmol·mol~(-1))、180μmol·mol~(-1)(550μmol·mol~(-1))3个CO_2浓度梯度,研究大气CO_2浓度升高对半干旱区春小麦生长发育、产量及产量构成因素的影响。结果表明:CO_2浓度升高使春小麦冠层空气温度和相对湿度增加,10 cm深处的土壤环境温度降低,春小麦根际浅层的土壤湿度增加;CO_2浓度增高,春小麦发育加快,生育期相应提前,全生育期缩短2~4 d;CO_2浓度升高对春小麦株高、叶面积指数和叶绿素含量有明显促进作用。其中,株高和叶面积指数在开花期增幅最大,叶绿素含量在灌浆后期到乳熟期增加更为显著;随着CO_2浓度升高,穗长、穗重、小穗数、穗粒数、穗粒重、千粒重、产量均呈增加趋势,而无效小穗数、不孕率以及收获指数则呈下降趋势,在460μmol·mol~(-1)和550μmol·mol~(-1)浓度下,籽粒产量分别比对照提高8.88%和19.93%。     

空气动力学阻抗算法在半干旱区的应用比较和遥感反演

结合2005年中国西北半干旱区定西试验站的观测资料,使用9种空气动力学方法,估算了阻抗和感热通量,并与涡动相关阻抗结果进行了对比,分析了5～9月涡度相关测得阻抗的平均日变化特征,结果表明:(1)由于西北干旱、半干旱区和黄土高原的稀疏植被地区在植物生长季节内存在温度高、降水少、空气干燥等特点,热量和水汽输送具有特殊性;Choudh-1、Verma-R空气动力学阻抗方法对热量和动量传输的粗糙度长度、热量和动量及水汽输送的修正函数描述得较好,空气动力学阻抗估算精度较好,由此获得的感热效果也较好,较适用于该地区。(2)风速对阻抗起主要作用;植被覆盖度增加和植被密度增大的同时也增加了热量和水汽传输的粗糙度,有助于空气动力学阻抗降低。(3)采用Choudh-1方法和遥感资料反演的阻抗效果较好。     

WOFOST模型对河南省冬小麦模拟的适用性分析

为进一步研究WOFOST模型在河南省冬麦区的适用性,以河南省30个农业气象观测站1991—2014年冬小麦观测资料、历史气象资料和土壤资料为依据,对WOFOST模型进行逐站调参和验证,分别建立了30个站的冬小麦模型参数。其中1991—2010年为模型调参年份,2011—2014年为模型验证年份。各站开花期和成熟期调参模拟的归一化均方根误差NRMSE分别小于5%和3%,验证误差分别为3.7%和2.9%。除潢川和固始外,模型对其余各站产量模拟的归一化均方根误差NRMSE全省各站均小于20.0%,验证误差全省平均为15.2%,大部分站点观测值和模拟值相关系数r通过了显著检验。利用调参后的模型模拟2011—2014年冬小麦生长动态变化可知,模拟地上部总干物重与实测单株干物重、模拟LAI与单株叶面积有较一致的变化趋势,拟合度较高。因此,WOFOST模型对河南省冬小麦主要发育阶段、产量及干物质积累模拟能力较强,具有良好的应用前景。     

基于水面实测光谱的太湖蓝藻卫星遥感研究

水体叶绿素a含量和蓝藻密度是评价水质污染的主要参数,对监测水体蓝藻水华有重要意义。该文利用2008年11月10日和11日太湖水面实测光谱及FY-3A/MERSI,AQUA/MODIS卫星的波段响应函数,计算了卫星波段的水体表面等效反射率。水体实测光谱显示蓝藻污染提高了近红外波段的遥感反射率,在蓝光波段和绿光波段有明显的吸收谷和反射峰。根据这一原理,该文建立了近红外和红光波段的比值指数RI模型,成功反演了太湖水体叶绿素a含量(均方根误差分别为0.0174 mg·L~(-1)和0.0188 mg·L~(-1))和蓝藻密度(均方根误差分别为247.21×10~6L~(-1)和275.64×10~6L~(-1))。这一结果为分析太湖水面光学特性、水质污染状况提供了重要依据。     

利用太阳辐射计940nm通道反演大气柱水汽总量

利用太阳辐射计CE318近红外940nm水汽吸收通道和临近窗区道反演大气柱水汽总量，由于大气在940nm附近有水汽吸收。该通道不能采用通常Langley法处理，而采用改进的Langley法。利用MODTRAN3．7模式模拟出太阳辐射940nm通道透过率与水汽量关系常数，考虑了通道的光谱响应函数和不同大气模式的影响，模拟结果表明穿通道（小于10nm)上述关系常数受大气模式影响不大。总消光剔除气溶胶和分子散射，就得出水汽的透过率，从透过率反演水汽量。处理了敦煌和青海湖辐射校正场1999年7月场大气特征测量兼FY－1C辐射定标期间的数据，反演的平均水汽量与探空水汽积分比较，差异在12％以内。还计算出一天中不同时刻的水汽量，给出了同步观测6天卫星过顶前后15min平均水汽量，该水汽量用于FY－1C卫星遥感器辐射定标时辐射传输模式输入参数。结果表明太阳辐射计是一种便携有效测量水汽量仪器。     

干旱气象科学研究——“我国北方干旱致灾过程及机理”项目概述与主要进展

干旱灾害是影响社会经济发展、农业生产和生态文明建设的重要自然因素,随着气候变暖,极端干旱事件发生频率和强度均呈增加趋势,影响不断加重。"干旱气象科学研究"是由中国气象局等国家部委组织的三大气象科学试验研究计划之一,是继"第三次青藏高原大气科学试验"实施后,于2015年以行业科研重大专项项目形式批准立项的又一重大科学研究计划。本文简要介绍了本项目的基本架构以及在外场观测试验和科学研究方面所取得的重点研究成果,展望了干旱气象科学研究趋势及可能取得的主要突破。项目以提升我国干旱防灾减灾能力、保障粮食与生态安全为科技支撑目标,以发展干旱基础理论为科学研究目标,以提高干旱监测预测预警及影响评估技术水平为业务应用目标,以我国北方地区为重点研究区域,开展跨学科、综合性、系统性的干旱气象科学试验和科学研究。实施以来,已在西北至华北的干旱半干旱区建立"V"型的干旱致灾过程及其陆—气相互作用观测试验站网布局,并开展系统性观测试验。科学研究方面也取得重要成果。研究发现,自我防御机制有助于我国北方草地主要优势种和建群种——贝加尔针茅适应未来气候变化。气候变化使中国骤发性干旱显著增加,尤其在湿润和半湿润地区可能性更大,且在未来几十年有可能持续下去,这对中国农业和水资源持续利用造成严重影响。另外,复杂下垫面地区的地—气交换研究方法得到有效改进;干旱半干旱区域的模式系统发展取得进展;发现春小麦、春玉米对干旱胁迫的响应特征,构建了玉米冠层含水量的普适性高光谱遥感估算方法等。     

SWAT模型在黄河河万区间入库径流模拟中的应用

以黄河万家寨水库流域河口镇至万家寨坝址区间(下称河万区间)为研究区域,利用GIS/RS技术获取了该流域水循环空间分布信息,构建了黄河河万区间流域的SWAT模型,采用输入模块、水文单元和河网汇流对入库径流进行了模拟运算,并根据头道拐和万家寨水文站的实测月径流量资料,对2000—2009年万家寨水库的入库月径流量进行了系统的模拟、敏感性分析和参数率定,并用2000—2006年数据进行了模型校正和用2007—2009年数据进行了模型验证,同时对运行结果做了误差分析、降雨—径流关系分析及水量平衡分析。结果表明,SWAT模型基本上能反映河万区间的月径流水文过程,具有一定的适用性,为进一步预测降雨径流提供了技术支撑。     

一种利用天空辐射计反演大气总水汽量的算法研究

传统计算大气总水汽量是利用改进的Langley方法,通过准确测定传感器的光谱响应函数结合辐射传输方程模拟大气中水汽透射比并反演总水汽量。而本文提出了一种根据天空辐射计940 nm通道的太阳直接辐射资料反演晴空条件下大气柱总水汽量的算法,该算法直接根据天空辐射计的观测数据估算了描述大气中水汽透射比的参数(a和b),而不依赖于光谱响应函数的精确测量;反演得到的a和b值包含了观测站温度、气压和湿度垂直廓线的季节变化等信息,不受模式模拟误差的影响。利用2009年3-8月兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)天空辐射计资料,用该算法获得了观测时期内大气总水汽量,然后利用同期探空资料反演的水汽量验证天空辐射计反演和微波辐射仪观测的水汽量。结果表明,这两种方法得到的水汽总量都是可靠的。天空辐射计与微波辐射仪、CE318型太阳光度计的反演水汽量表现出较好的一致性,拟合斜率值分别为1.03和1.64,相关系数均0.95,相对误差在2.1%~11.3%范围内。该算法可广泛应用于东亚地区天空辐射计网(SKYNET)对总水汽量的反演。     

气候变化背景下干旱区暴雨强度公式误差控制技术研究

频繁的极端降水事件使暴雨强度公式编制过程中的误差控制变得越来越困难。利用宁夏银川国家气象站1961—2016年分钟降水资料,采用指数、耿贝尔、P-III等概率模型进行雨强-重现期的曲线拟合和最小二乘法、高斯牛顿法进行暴雨强度公式参数推求,编制银川市暴雨强度公式,探讨干旱区暴雨强度公式的误差控制和优化策略。结果表明:(1)干旱区强降水样本少、变率大,针对编制暴雨强度公式过程中曲线拟合和参数求解这两个重要步骤过程中误差难以控制的缺陷,设计了一种新的误差控制策略,将误差的两步控制改变为综合控制,从而可使公式推算过程的误差达到最小。(2)银川夏半年平均气温从20世纪90年代中后期开始明显升高,短历时(尤其是30~180 min)降水强度为一致增强趋势,且变率加大。(3)优选耿贝尔曲线拟合结合高斯牛顿法求解公式参数,作为银川市暴雨强度总(分)公式的组合计算方案,较好地编制了银川市新一代暴雨强度公式,为干旱区暴雨强度公式的编制提供了可供参考的思路。     

基于EC观测估算最小冠层阻力分布及其在潜热通量插补中的应用

准确估计水热通量对于认识和理解地气交换与水循环变化过程具有重要意义。利用Penman-Monteith（P-M）模型计算季节尺度水热通量变化的不确定性很大程度上依赖于与冠层变化相关的最小冠层阻力参数,但模型中通常将其设为定值。为此,本文基于多年通量观测采用分段与整体相结合的迭代算法拟合出最小冠层阻力的季节分布。以湖南省宁乡通量观测站为例,针对2012~2015年观测拟合计算最小冠层阻力的季节分布曲线,并利用2016年通量数据进行独立数据验证。结果表明:最小冠层阻力曲线具有鲜明夏低冬高的季节变化特征;利用拟合的具有季节分布的最小冠层阻力改进潜热通量计算,独立数据验证表明其该方法的合理性;相比于原阻力方案得出的潜热模拟结果,其在相关系数、均方根误差和一致性指数都有改进;此外,将该估计方法应用于水热通量的数据插补,较常规统计插补方法,其插补稳定性不随连续缺失数据的增加而降低,而且还能通过模型的微分误差分析量化由于数据输入带来的插补不确定性,在保持通量数据完整性的同时也为数据应用场景提供科学依据。