陆面水文过程研究进展

本文回顾了近年来中国科学院大气物理研究所在陆面水文过程的观测、模式发展以及陆气相互作用研究等方面所取得的重要研究成果。首先概述了近年来在中国区域所开展的陆气相互作用野外观测试验,通过资料分析揭示了国际上现有陆面模式对干旱／半干旱地区陆气相互作用模拟的偏差,指出典型干旱／半干旱区陆面过程参数修正的必要性;随后重点描述了陆面过程模式中积雪覆盖度和冻土参数化方案的发展,中国区域土壤湿度的时空分布特征及其对区域气候的影响,以及中国区域大尺度水文模式的研制和应用等;最后给出了陆面水文过程研究的趋势和发展方向的展望。     

基于风云三号气象卫星微波亮温资料反演东北地区土壤湿度及其对比分析

土壤湿度在陆面过程中发挥着重要作用,是联系陆地水循环和能量循环的纽带和关键环节。遥感技术可以实时地对土壤湿度进行长期、大区域动态监测,已成为监测土壤湿度的有效手段。本文基于风云三号气象卫星（FY3B）微波亮温资料,利用基于微波能量辐射传输方程的陆面参数反演模型（LPRM）反演了中国东北地区的土壤湿度（FY3B_LPRM）。把反演获得的FY3BLRPM土壤湿度与中国气象局农业气象站土壤湿度观测资料、NCEP和ERA-Interim土壤湿度再分析资料、欧洲空间局多卫星融合ECV（Essential Climate Variable）土壤湿度产品和国家卫星气象中心FY3B官方土壤湿度产品（FY3B_offical）进行了对比分析。结果表明:（1）本文反演的FY3B土壤湿度与农业气象站观测资料有较高的一致性;卫星土壤湿度整体上呈现自西向东逐渐增加的空间变化,与农业气象站观测资料较为一致;在季节变化上,两者高度相关,在大部分地区的相关系数都达到0.7以上。（2）在大兴安岭和东北三省东部等地表相对湿润的地区,FY3B_LPRM土壤湿度与NCEP、ERA-Interim和FY3B_offical土壤湿度呈现较强的负相关;再分析资料和FY3B_offical土壤湿度均无法反映该地区土壤干湿状况的季节性变化,甚至与观测资料呈反位相变化特征。FY3B_LPRM土壤湿度与欧洲空间局研发的多卫星融合ECV土壤湿度产品在绝大多数地区有较好的一致性。本文基于风云三号极轨气象卫星微波亮温反演的土壤湿度资料,可用于干旱监测、数值同化与天气预报、水文水资源等领域。     

土壤质地对中国区域陆面过程模拟的影响

利用陆面过程模式(CLM3.5)和中国区域两种土壤质地数据(分别来自第二次中国土壤调查SNSS和联合国粮食农业组织FAO),研究了土壤质地变化对于模式模拟的陆表水热变量的影响。结果显示,土壤质地对土壤水文学变量的影响远大于对土壤热力学变量的影响,尤其是对于饱和土壤含水量和饱和水力传导率的影响。对于模式的输出,土壤质地影响比较明显的有土壤湿度、总径流和土壤渗透等水文学变量以及地表潜热、地表感热和土壤热通量等热力学变量,而影响相对较小的有地面吸收的太阳辐射和地表反照率。同时,发现基于SNSS模拟的土壤湿度与站点观测值更加接近。因此,本研究认为基于SNSS土壤质地数据可以有效地改进模式模拟结果,建议以后在陆面模式试验中尽可能使用以观测为基础的SNSS土壤质地数据。     

土壤湿度对卫星辐射率资料直接同化的影响

本研究利用WRF模式及其三维变分同化系统实现了对NOAA-16 AMSU-A微波资料的直接同化,针对2010年6月19日江西地区的一次强降水过程开展模拟与同化试验,并利用中国区域土壤湿度同化系统(CLSMDAS—China Land Soil Moisture Data Assimilation System)输出的土壤湿度值替换NCEP(National Centers for Environmental Prediction)资料中的土壤湿度,研究土壤湿度初值对辐射率资料直接同化中观测场与背景场偏差调整的影响。结果表明:采用CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下模拟的亮温值与实际观测值更为接近,经过质量控制和偏差订正后更多的观测资料能够进入到同化系统中,说明改进的土壤湿度初值条件下观测算子的计算值得到正的调整,对低层地表通道的改进效果明显,尤其以50.3 GHz的窗区通道3的结果最为理想;针对此次强降水过程中24 h累积降水分布的模拟结果,CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下同化AMSU-A资料,能够较为准确的把握整个雨带的走向、大雨以上级别降水的落区范围、降水中心落区及强度等。说明准确的土壤湿度初值能够改进卫星辐射率资料的同化结果,进而提高数值模式的模拟预报能力。     

ASCAT土壤湿度数据在新疆干旱监测中的应用

截至目前,欧洲气象卫星组织新一代"Met Op"系列卫星搭载的先进的ASCAT散射仪所观测的土壤湿度数据在我国尚未得到应用。本文拟通过使用NOAA的先进算法处理ASCAT土壤湿度数据,并开发干旱预报系统以用于监测新疆土壤水分来预测其干旱情况。文中首次使用ASCAT土壤湿度数据、前沿人工智能技术在新疆干旱监测中,为干旱监测提供了新的研究思路,开发出新的干旱预报系统对土壤水分等级有一定的预报能力,其中新设计的干旱指数-Met Op卫星反演的土壤湿度距平百分数可以有效提高干旱监测的时间精度,便于更好地开展决策服务。     

青藏高原土壤湿度时空分布特征研究进展

土壤湿度是陆面过程的重要参量,可以通过影响土壤本身的热力性质和水文过程,导致局部大气环流的改变以及区域性短期气候异常。青藏高原作为全球气候变化的敏感区,其地气间的水分与能量交换对亚洲季风和全球大气循环有着极大的影响,且高原地区的土壤水分数据能够为陆-气相互作用和数值模拟等研究提供重要的观测信息和初始输入数据。文中综述了青藏高原土壤湿度观测和研究对气候变化影响的重要性,高原土壤湿度观测站网建设现状,各种土壤湿度替代资料的适用性和评估研究,以及高原土壤湿度时空分布特征对降水的影响与气候变化响应,并提出了今后青藏高原土壤湿度研究着重解决的问题。      

不同陆面过程模式对半干旱区通榆站模拟性能的检验与对比

随着全球气候变化和伴随而来的日益严重的干旱化问题,干旱/半干旱地区的陆气相互作用引起了越来越多的重视。利用国际协同强化观测期(CEOP)观测资料对3个不同的陆面过程模式BATS、LSM和CoLM在半干旱区通榆站进行了模拟检验与对比,考察了不同陆面过程模式对半干旱地区的模拟性能。结果表明,3个模式都可以较好地模拟出半干旱地区地气间的能量通量的季节和日变化,但模拟性能存在较大差异。对于地表温度和出射长波辐射的模拟,BATS表现最优;而对于感热和潜热通量的模拟,CoLM和LSM要好于BATS,其中CoLM的表现最好。各模式的模拟性能随着季节不同存在着很大的差异,夏季的模拟要好于冬季,3个模式都不能很好地模拟冬季该地区的潜热通量,说明对半干旱地区冬季地表过程的刻画还有待进一步提高。     

内蒙古地区下垫面变化对土壤湿度数值模拟的影响

利用第二次全国土壤调查土壤质地数据（SNSS）和中国区域陆地覆盖资料（CLCV）将陆面过程模式CLM3.5（Community Land Model version 3.5）中基于联合国粮食农业组织发展的土壤质地数据（FAO）和MODIS卫星反演的陆地覆盖数据（MODIS）进行了替换,使用中国气象局陆面数据同化系统（CMA Land Data Assimilation System,CLDAS）大气强迫场资料,分别驱动基于同时改进土壤质地和陆地覆盖数据的CLM3.5（CLM-new）、基于只改进陆地覆盖数据的CLM3.5（CLM-clcv）、基于只改进土壤质地数据的CLM3.5（CLM-snss）和基于原始下垫面数据的CLM3.5（CLM-ctl）,对内蒙古地区2011～2013年土壤湿度的时空变化进行模拟试验,研究下垫面改进对CLM3.5模拟土壤湿度的影响。将四组模拟结果与46个土壤水分站点观测数据进行对比分析,结果表明:相对于控制试验,CLM-clcv、CLM-snss和CLM-new都能不同程度地改进土壤湿度模拟,其中CLM-clcv主要在呼伦贝尔改进明显,CLM-snss则在除呼伦贝尔以外的大部地区改进显著,CLM-ctl模拟的土壤湿度在各层上均系统性偏大,而CLM-new模拟土壤湿度最好地反映出内蒙古地区观测的土壤湿度的时空变化特征,显著改善了土壤湿度的模拟,体现在与观测值有着更高的相关系数和更小的平均偏差与均方根误差。     

干旱半干旱区气候变化研究综述

从干旱半干旱区气候的时空变化特征、陆气相互作用的观测试验以及气候变化的动力学机制等几个方面系统总结了近年来国内外干旱半干旱区气候变化的最新研究进展,指出目前干旱半干旱区气候变化研究以特定区域研究为主,缺乏对全球不同区域干旱半干旱区气候变化时空关联的系统性归纳研究,且野外观测试验持续时间较短,这在很大程度上限制了对干旱半干旱区气候变化机理的认识和陆面过程模式的发展。针对这些问题,从资料获取、资料分析及数值模拟3个方面提出未来干旱半干旱区气候变化研究的主要方向。     

AREM模拟云参数与卫星观测的比较研究

数值模式模拟计算云量与卫星观测云量的定义不同, 难以进行定量比较, 从而限制了对云模拟误差的检验和修正.作者介绍了可把数值模式输出云参数转换成ISCCP卫星反演云参数的云模拟器, 并将其试用于AREM区域模式中, 定量分析了模拟云参数和ISCCP反演云参数的差异.结果表明, AREM模式可以再现中国东部冬季云的基本分布特征, 但与观测相比, 四川地区云量模拟偏大20%, 华东地区则偏小20%左右, 云量中心的云顶高度比ISCCP反演值偏低一个高度段, 云光学厚度偏大一个厚度段.模拟与观测云参数的定量比较, 为评估和改进模式性能提供了依据.     

机器学习技术在现代农业气象中的应用

智慧气象和精准农业结合下的现代农业气象工作意味着对包含遥感影像在内的大型农业和气象数据高时效性的分析与处理,机器学习技术是当代自然科学研究和技术发展的主流技术,亦是现代农业气象科研和业务发展的重要工具。该文系统论述了机器学习技术的主要方法及其在现代农业气象中的主要应用方向,比较了不同方法在农业气象不同领域应用的情况,侧重介绍了基于深度学习技术的成果和近年来的最新研究进展。传统浅层机器学习技术中,以支持向量机和人工神经网络应用最为广泛且效果最为理想。近年来,随机森林和梯度提升机等决策树集成方法普遍取得优于核方法的精度,深度学习技术则在某些任务中取得更优于集成学习的精度。未来,有待检验机器学习技术特别是深度学习技术在更多农业气象问题上的适用性和先进性,更好地迎接现代农业气象发展的新挑战与新机遇。     

青藏高原土壤湿度的变化特征及其对中国东部降水影响的研究进展

青藏高原土壤湿度受积雪与冻土的共同影响,能够记忆长时间的陆面干湿过程,是气候变化的重要因子,对随后的中国东部降水有预测意义。由于高原观测站点稀少,土壤湿度观测资料匮乏,致使现有相关研究大多是基于再分析资料、模式资料和卫星遥感资料(统称替代资料)进行的,且所得结论既有差异,也存在不确定性。因此本文首先综述了各种土壤湿度替代资料的适用性对比研究,进而讨论了青藏高原地区土壤湿度的变化特征及其对我国东部气候的影响。现有研究表明:1)资料对比研究指出,现有的各种替代资料对高原土壤湿度存在明显的高估或低估现象,且评估结论受评估指标和插值方法不同的影响。相对而言,SSM/I和风云3B的土壤湿度产品与实际观测资料相关性较好。2)高原土壤湿度具有多时间尺度变化特征和空间非均匀性,在年变化上具有显著的融冻特征,年代际变化趋势和年际特征呈现显著的区域性差异。SSM/I资料表明春季高原主体土壤湿度的年代际变化趋势呈现为增加的特征,与高原的增暖相一致;年际变率存在东、西两个高值区,与其相关的潜热、感热通量能共同激发遥相关波列影响我国长江流域降水;同时高原土壤湿度在垂直方向上具有一致性,在空间分布上具有南部边缘最大、由东南向西北递减的特征。3)前人对高原土壤湿度影响中国东部降水的结论各有不同,其可能原因之一是采用的替代资料及其适用性不同,其二是模式试验中忽略土壤湿度的空间差异性而带来的误差等。相关问题需要进一步深入研究。     

西藏高原土壤水分遥感监测方法研究

土壤水分是植物生长、发育的必要条件,是研究农牧业干旱程度的重要指标,监测土壤水分对农业、旱情、气候等具有重要意义。本研究分析了西藏高原实测土壤湿度与同期MODIS植被供水指数和波段7反射率之间的关系。结果表明,MODIS第7波段单窗算法是较为有效和简便的西藏高原土壤水分监测方法,对高原中部植被生长季基于MODIS波段7的二次多项式监测模型较好,而对整个高原非生长季三次多项式监测模型效果较好,MODIS第7波段同样可以用于高原农田土壤湿度的遥感监测。      

The soil moisture of China in a high resolution climate-vegetation model

1. Introduction The soil moisture plays an important role in in- fluencing the climate change by altering the surface albedo, soil heat capacity and the heat flux between air and land (Ma et al., 2001). Near-surface soil mois- ture controls the partitioni…     

应用先进微波探测器AMSU资料遥感反演春季陆地表层湿度

利用先进微波探测器(AMSU)正演快速微波辐射传输模型,完成了AMSU 窗区通道亮温与地表温湿特征的相关性分析,根据模拟计算结果改进了现有业务上反演地表微波辐射率的统计分析方法,得到适用于我国非冻土积雪覆盖地区地表微波辐射率反演的指数分析模型;进一步通过地表微波辐射传输模型迭代反演得到土壤体积含水量信息.2001年相互匹配的AMSU资料和地面农业气象观测站地表相对湿度观测结果的对比分析表明二者间具有一定的相关性.利用2002年3月和2003年3月的AMSU资料,反演了我国陆地区域地表湿度;连续两年春季地表湿度反演结果的对比分析表明,与2002年春季相比,2003年我国北方沙尘暴发生源区地表湿度反演值普遍偏高,潮湿的下垫面特征与沙尘暴发生频次的减少之间有一定的对应关系.试验结果表明,利用AMSU遥感资料可以获取大范围陆地表层湿度信息,进行区域尺度陆地表层湿度特征的动态分析,为我国沙尘暴监测分析提供陆地表层湿度基础信息.     

Mapping surface soil moisture with microwave radiometers

Summary Water stored in the soil serves as a reservoir for the evapotranspiration (ET) process on land surfaces, therefore knowledge of the soil moisture content is important for partitioning the incoming solar radiation into latent and sensible heat components. There is no remote sensing technique which directly observes the amount of water in this reservoir, however microwave remote sensing at long wavelengths (>10 cm) can give estimates of the moisture stored in the surface 5-cm layer of the soil. This approach is based on the large dielectric contrast between water and dry soil, resulting in emissivity changes from 0.96 for a dry smooth soil to less than 0.6.In this paper, basic relationships between soil moisture and emissivity are described using both theory and observations from various platforms. The ability of the approach to be extended to large regions has been demonstrated in several aircraft mapping experiments, e.g., FIFE, Monsoon 90, Washita 92 and HAPEX Sahel. Some results from Monsoon 90 are presented here. Applications of these soil moisture maps in runoff prediction, rainfall estimation, determining the direct evaporation from the soil surface and serving as a boundary condition for soil profile models are presented.With 10 Figures     

Simulating evapotranspiration in a semi-arid environment

Summary In this work, simulations with the mesoscale meteorological model FOOT3DK for a semi-arid research site in southern morocco are presented. The main aim of this study is to introduce two different ways to improve the soil moisture distribution towards a more realistic pattern. One of them resembles the availability of groundwater resources below the lower boundary of the soil part of the model, the other one resembles irrigation practices in the region. Additionally, we introduce a newly derived land use/land cover data set obtained from analysis of LANDSAT data and compare the simulation results to those obtained with the USGS GLCC data. To evaluate the results with the refinements in soil moisture and land use/land cover, we focus on evapotranspiration, as the quantity which is most tentative to the changes in soil moisture and is an important part of the local hydrological cycle. To evaluate the importance of sub-grid scale surface heterogeneity in soil moisture and land use/land cover, we present simulations with enhanced surface resolution. Simulation results are compared to point measurements at different sites in the research area for validation.The results show, that a deep groundwater table and irrigation of parts of the research area can be represented by the methods we used. Simulated transpiration is overestimated compared to measured values, but this is due to the maximum approach used in this work. Finer tuning of the artificial enhancement of soil moisture with the two methods presented here are expected to lead to realistic distributions of evapotranspiration and related quantities, therewith drastically enhancing simulation accuracy for this site. As uncertainties of soil moisture distribution and restricted representation of soil moisture dynamics in meteorological models is a common problem especially for arid and semi-arid sites, we expect our results to be useful for meteorological simulations in other arid or semi-arid areas as well.     

地表蒸散遥感监测的进展及问题

利用遥感技术监测土壤水分和作物蒸散具有快速、宏观、方便等特点,国内外学者围绕该领域在理论和技术方法上开展了大量研究。本文查阅大量文献,较详细地分析了地表蒸散遥感监测技术方法研究的有关进展和问题,供从事地表蒸散遥感监测的相关工作者参考。分析结果表明,在部分植被覆盖条件下,双层模型的估算精确度明显高于单层模型,但双层模型中引入较多的参数增加了其运算难度,有待进一步研究。     

HEIFE非均匀陆面上区域能量平衡研究

卫星遥感在研究非均匀陆面上地－气间能量和水循环过程时有其独到的作用。本文介绍了一种利用陆地资源卫星ＴＭ资料进行非均匀陆面上区域能量平衡研究的参数化方案。以两个景的ＴＭ资料（１９９１年７月９日,夏季;１９９１年１０月２９日,近冬季）为个例,结合“黑河实验”（ＨＥＩＦＥ）期间的地面观测资料分析研究了实验区非均匀陆面上地表特征参数（地表反射率、标准化差值植被指数和地表温度）及能量平衡各分量（地表净辐射通量、土壤热通量、感热和潜热通量）的区域分布及季节差异,同时将所得的结果与地面观测的“真值”作了比较。结果表明：（１）由于黑河实验区下垫面状况十分复杂,戈壁、沙漠与绿洲交错分布,故在整个实验区内各地表特征参数及能量平衡各分量的分布范围亦比较宽;（２）地表特征参数及能量平衡各分量在实验区的绿洲、戈壁及沙漠上各有其特定的代表值;（３）地表能量平衡各分量的区域平均值在整个实验区内基本平衡;（４）夏季与近冬季的地表特征参数及能量平衡各分量的分布特征存在着显著差异。所得的这些结果与地面观测的“真值”和局地研究的结论基本一致。这些分析对非均匀下垫面中尺度模式陆面过程参数化方案的建立以及模式预报效果的检验都具有不可缺少的重要意义。     

Surface energy, water and carbon cycle in China simulated by the Australian community land surface model (CABLE)

Through an Australia-China climate change bilateral project, we analyzed results of 51-year global offline simulations over China using the Australian community atmosphere biosphere land exchange (CABLE) model, focusing on integrated studies of its surface energy, water and carbon cycle at seasonal, interannual and longer time-scales. In addition to the similar features in surface climatology between the CABLE simulation and those derived from the global land-surface data assimilation system, comparison of surface fluxes at a CEOP reference site in northeast China also suggested that the seasonal cycles of surface evaporation and CO₂ flux are reasonably simulated by the model. We further assessed temporal variations of model soil moisture with the observed variations at a number of locations in China. Observations show a soil moisture recharge–discharge mechanism on a seasonal time scale in central-east China, with soil moisture being recharged during its summer wet season, retained in its winter due to low evaporation demand, and depleted during early spring when the land warms up. Such a seasonal cycle is shown at both 50- and 100-cm soil depths in observations while the model only shows a similar feature in its lower soil layers with its upper layer soil moisture varying tightly with rainfall seasonal cycle. In the analysis of the model carbon cycle, the net primary productivity (NPP) has similar spatial patterns as the ones derived from an ecosystem model with remote sensing. The simulated interannual variations of NPP by CABLE are consistent with the results derived from remote sensing-based and process-based studies over the period of 1981–2000. Nevertheless an upward trend from observations is not presented in the model results. The model shows a downward trend primarily due to the constant CO₂ concentration used in the experiment and a large increase of autotrophic respiration caused by an upward trend in surface temperature forcing data. Furthermore, we have compared river discharge data from the model experiments with observations in the Yangtze and Yellow River basins in China. In the Yangtze River basin, while the observed interannual variability is reasonably captured, the model significantly underestimates its river discharge, which is consist with its overestimation of evaporation in the region. In the Yellow River basin, the magnitudes of the river discharge is similar between modeled and observed but its variations are less skillfully captured as seen in the Yangtze River region.