灌区蒸散发遥感反演及其时空变化特征分析——以漳河灌区为例

准确反演区域尺度的蒸散发对于水资源循环、气候变化、科学灌溉及干旱与洪涝监测等方面的研究具有重要的科学意义,本文以漳河灌区为典型案例,构建了遥感蒸散发的SEBS模型,验证了其精度,分析了其时空规律。结果表明：①2009—2018年钟祥、荆门、团林站点的（蒸散发） ET观测值与模拟值的平均相关系数分别为0.86、0.84和0.83,RMSE平均值分别为0.61、0.67和0.62 mm/d。年际间的ET观测值与模拟值变化幅度均小于10%,相关系数范围为0.7～0.9,RMSE范围为0.4～0.8 mm/d,标准差比率范围为0.8～1.5。②研究区2009—2018年ET的平均值为427.34 mm,整体呈上升趋势。③年尺度、季尺度和月尺度ET与气温和降水在时间序列上均有较好的一致性。多时间尺度ET均呈东北和西南部高、西部低的空间分布特征。研究结果能够较好地呈现ET的高时空异质特征和年际间空间差异,本文将为漳河灌区水资源开发管理和科学灌溉提供科学依据。     

基于涡动相关通量观测的农田蒸散发产品精度验证

高精度的农田蒸散发(ET)对于田间尺度精准的水分平衡量化和水分亏缺研究具有重要意义，对农业精准灌溉和农田水分利用效率提高具有实用价值。本研究利用全球共计28个农田站点的涡动相关系统(EC)通量观测数据，对500 m空间分辨率8 d时间分辨率的MOD16和PML-V2两种遥感蒸散发产品，进行了对比分析与精度评估。评估结果表明，PML-V2 ET产品与EC观测ET相比，均方根误差(RMSE)变化范围为3.3—22.4 mm/8 d，平均偏差(bias)变化范围为-15.98—13.27 mm/8 d;MOD16 ET产品与EC观测ET相比，RMSE变化范围为3.81—21.47 mm/8 d,bias变化范围为-16.42—15.05 mm/8 d。整体而言，两种产品精度相当，MOD16产品低估8 d ET(bias:-2.31 mm/8 d,R²:0.452,RMSE:8.82 mm/8 d),PML-V2产品略高估8 d ET (bias:0.51 mm/8 d,R²:0.455,RMSE:8.81 mm/8 d);PML-V2产品在18个站...     

三温模型与MODIS影像反演蒸散发

提出三温模型结合MODIS数据反演区域蒸散发的方法,在内蒙古草原开展案例研究,以2008年植被生长季(7—10月)的波文比系统观测数据为标准,对该方法进行检验。结果表明:三温模型反演的蒸散发量,平均值、最大、最小值分别为4.58mm/d、9.03mm/d、1.28mm/d;蒸散发反演结果在空间上分布较均匀,与草原的均一性相吻合,在时间上蒸散发的数值先逐渐增大,8月后逐渐减小,与观测结果相一致;三温模型反演的蒸散发量与观测值之间的最小、最大绝对误差分别为0.11mm/d、1.64mm/d,平均绝对误差为0.58mm/d、平均相对误差为17.10%。三温模型在1km空间尺度的反演精度较理想。     

基于Penman-Monteith Leuning模型的遥感蒸散发估算——以四川省马尔康县为例

蒸散发作为地表水分消耗和参与水文生态循环的重要参数,是生态应用研究的重点.尤其对于植被恢复和水资源管理的领域而言,区域蒸散发估算的准确性十分重要.本文以野外实测(气象和蒸散发)数据为基础,利用实测数据对遥感PML模型进行参数优化,基于Landsat-8遥感影像数据对四川省马尔康县蒸散发进行估算.研究结果表明:马尔康县模型模拟蒸散发与实测蒸散发拟合程度较好,PML模型优化的土壤湿度系数为1,气孔导度为0.0165 m/s,模型验证系数RMSE为0.15 mm/d.研究区域内不同土地利用类型的蒸散发差异较大.马尔康县日平均蒸散发为1.05 mm/d,马尔康县区域蒸散发呈现空间异质性,并受到地形、气象以及土地利用类型等因子的影响.     

基于多源卫星测高数据的青海湖水位变化研究

针对单颗卫星空间、时间分辨率受限及湖泊边界复杂地形条件引起湖泊监测精度较低的问题，提出结合多源卫星测高数据监测水位变化并建立边界缓冲区筛选数据的方法。以青海湖为研究对象，基于ERS-1/2、Envisat、Cryosat-2测高数据，构建了1995—2021年近26 a的水位时间序列，结合Grace卫星数据分析湖泊水位、面积、水储量与气候因素间的关系。结果表明：青海湖水位以2004年为节点呈现先下降后上升的变化，整体上升2.97 m,增长量为0.114 m/a,季节性变化明显，与降水量、径流量和蒸散发量相关系数分别为0.295、0.66、-0.24;湖泊面积与水位变化趋势一致，增长量为9.66 km²/a, 2001—2020年等效水柱高增长量为1.68 mm/a,与水文站及其他湖泊库水位序列相关系数均在0.9以上，具有良好基一致性。     

遥感土壤水分对蒸散发估算的影响

地表实际蒸散发是联系陆表水循环、能量平衡和碳收支等物理过程的重要生态水文变量,同时也是目前水循环研究中的薄弱点,定量化土壤水分对蒸散发的胁迫作用是估算地表蒸散发的一个关键过程和难点。本研究基于2018年9月闪电河流域水循环与能量平衡遥感综合试验星—机—地联合观测数据,采用机载观测和卫星遥感反演土壤水分输入到ETMonitor模型估算地表实际蒸散发,在时间和空间两个维度上评估不同土壤水分产品对蒸散发估算的影响。从时间变化上来说,与地面观测蒸散发时间序列相比,基于ESA CCI (European SpaceAgency Climate Change Initiative)融合土壤水分产品、SMAP (Soil Moisture Active and Passive)土壤水分产品和国产风云三号气象卫星(FY-3C)土壤水分产品估算的蒸散发最接近地面站点观测蒸散发,而基于ASCAT (TheAdvanced Scatterometer)和SMOS (Soil Moisture Ocean Salinity)土壤水分估算蒸散发分别明显的高于和低于地面观测蒸散发。从空间分布上来说,利用卫星反演土壤水分估算的蒸散发与基于机载观测土壤水分估算蒸散发具有一致的空间分布,能较好地反映该区域地表蒸散的空间分布格局,其中基于SMAP和SMOS土壤水分估算蒸散发与基于机载观测土壤水分估算蒸散发空间一致性最好。本研究评估遥感反演土壤水分对蒸散发影响,对区域及全球遥感蒸散发估算和土壤水分产品评估具有一定的指导意义。     

遥感蒸散发模型研究进展

蒸散发是水圈、大气圈和生物圈水分和能量交换的主要过程,也是水循环中最重要的分量之一.遥感技术的应用使得区域尺度的蒸散发估算成为可能,由此涌现出许多旨在精确反演不同时空尺度蒸散发及地表通量的模型,以更好地服务于相关领域的研究和应用.根据模型建构思想和方法的不同,从基于能量平衡的单层和多层模型、基于能量平衡的彭曼类模型以及遥感经验模型3个方面入手,系统回顾国内外遥感蒸散发模型的算法,详细评述了目前应用较为广泛的SEBAL, SEBS, TSEB模型的原理和优劣,分析了蒸散发反演存在的时间拓展及不确定性、时空分辨率及尺度效应、模型选择及适用性判别、平流影响和精度检验5个问题.指出今后应加强陆面过程和地-气系统作用机制、模型输入参数精度、精度检验和尺度效应及误差传递规律等方面的研究.     

数据驱动的蒸散发遥感反演方法及产品研究进展

蒸散发是水圈、大气圈和生物圈中水分循环和能量交换的纽带。在全球尺度上,蒸散发约占陆地降水总量的60%;作为其能量表达形式,潜热通量约占地表净辐射的80%。随着通量观测技术的发展,全球长期持续的观测数据得以获取和共享,近年来基于数据驱动的蒸散发遥感反演方法取得了较好的研究进展。本文针对数据驱动的蒸散发遥感反演方法和产品,从经验回归、机器学习和数据融合3个方面展开,对现有的研究进展进行了梳理、归纳和总结,并从驱动数据、反演方法、已有产品等方面指出目前仍存在的问题和不足。未来仍需开展数据驱动的高时空分辨率的蒸散发遥感反演方法的研究,有效考虑地表温度和土壤水分等可以指示地表蒸散发短期变化的重要信息,同时加强基于过程驱动的物理模型与数据驱动的模型的结合,使两类模型能互为补充、各自发挥所长,共同推动蒸散发遥感反演研究水平的进步。     

基于北斗PWV的暴雨时空变化特征分析

利用49个山东省连续运行参考站(SDCORS) 2020年的北斗观测数据,使用GAMIT软件进行了大气水汽反演,得到了全年逐小时的大气可降水量(PWV)序列. 将反演得到的PWV与探空气象站观测的PWV对比,平均偏差为2.4 mm,均方根误差(RMSE)为3.4 mm,相关系数达到0.98,结果表明反演结果的精度符合气象研究需求. 分别从单连续运行参考站(CORS)和全省范围对PWV在暴雨过程中的变化进行了分析,发现PWV在暴雨产生前5~12 h开始上升,至暴雨产生时刻,PWV最大值普遍达到60 mm以上,平均变化率达到1~3 mm/h,越临近暴雨产生,PWV变化幅度越大,降水结束后,PWV会迅速下降. PWV的变化与暴雨的产生具有高度相关性,PWV在暴雨产生前后的剧烈变化,可用于暴雨预警研究,对于生产生活活动具有重要现实指导意义.      

近40年(1982年—2018年)中国草原区干湿变化趋势分析EI北大核心CSCD

在全球变暖影响下,由降水、气温等气象要素所主导的干湿条件在全球或区域上均发生了明显变化,中国草原区对气候变化敏感、具有明显的生态脆弱性特征,因此研究中国草原区的干湿变化趋势非常重要。本研究基于干旱指数分析了1982年—2018年中国草原区的干湿程度时空变化趋势。结果表明,1982年—2018年中国草原区的干旱指数呈不显著上升趋势。2005年前后两个时期中国草原区表现出显著的趋势差异,1982年—2005年中国草原区干旱指数呈下降趋势,即干旱程度增加,而2006年—2018年呈增加趋势,该时段湿润化明显。2006年之后的中国草原区湿润化趋势源于该地区降水持续增多,而增温停滞导致潜在蒸散发不再升高。分区域来看,1982年—2005年内蒙古草原区干旱指数呈下降趋势,2006年—2018年呈上升趋势;西北草原区在1982年—2005年和2006年—2018年两个时间段干旱指数均呈上升趋势;青藏草原区在1982年—1994年干旱指数呈下降趋势,1995年—2018年呈上升趋势。     

近30年西藏雪深时空变化及其对气候变化的响应

积雪深度是表征积雪特征的重要参数,也是气候变化区域响应敏感因素。利用1979—2010年逐日雪深被动微波遥感数据以及同期气象资料,对西藏雪深时空变化特征及其与气候因子的响应关系进行了分析。结果表明:32 a来,西藏雪深呈显著增加趋势,气候倾向率为0.26 cm/10 a;1999年以后,雪深则表现为下降趋势,气候倾向率为-0.35 cm/10 a。四季平均雪深中,春季雪深的变化对年平均贡献最大,二者相关系数高达0.88。高原雪深异常偏多年份主要在20世纪90年代,但并未发生气候突变。周期分析表明,西藏雪深存在准6~7 a振荡的显著周期。西藏雪深呈四周山地雪深大,中部腹地雪深小的空间格局,且受海拔影响有明显的陡坎效应,绝大部分地区雪深变化趋势倾向率在-0.08~0.08 cm/a,百分比达到74.6%;逐像元回归分析表明,雪深呈增加趋势的像元数占全区像元总数的76.9%,有减少趋势的仅占23.1%。西藏雪深与气温、降水、风速和日照时数存在明显的统计和空间相关性,整体表现为雪深与气温、风速、日照时数呈负相关,而与降水呈正相关。多元回归分析表明,春秋季雪深模拟值与实测值的相关系数均达0.6以上,通过了0.01的显著性检验;夏冬季雪深回归模型的复相关系数只有0.4~0.5,且未通过0.05显著性检验。     

遥感监测蒸散发对黄土高原旱区城镇化的响应

下垫面的变化对地表蒸散发有重要影响.根据遥感监测黄土高原地区2010-2015年历年逐日气温资料,采用FAO-56推荐的Penman-Monteith公式计算逐日ET,进而研究了旱区4种土地利用类型的城镇化对ET值的影响特征.结果表明:①旱地城镇化后,日均ET值呈上升趋势,水田、农村居民点、低覆盖度草地城镇化后的ET值均呈下降趋势;②在城镇化发展过程中,ET变化幅度最大的为农村居民点,最小的为水田;③原土地利用类型的植被覆盖度是影响城镇化过程中ET变化率的重要因素.     

VIIRS高分辨率地表反射率关系库支持下的气溶胶光学厚度反演

通过遥感技术反演气溶胶光学厚度AOD对于全面、动态监测大气污染时空变化具有重要意义.可见光红外成像辐射仪VIIRS作为MODIS的后继传感器,可在全球范围内实现对气溶胶的连续时空监测.针对复杂的地表类型,通过构建基于像素的动态地表反射率关系库,能实现陆地AOD高分辨率反演.利用全球气溶胶自动观测网站AERONET地基站点观测结果对反演结果对比验证,发现二者具有显著的相关性,相关系数达到0.849,RMSE为0.184,优于官方产品的0.197;通过与2018-04-20真彩图比对,反演结果较官方产品更符合实际气溶胶分布趋势.该算法在陆地AOD反演上具有良好的性能,为进一步研究利用Suomi-NPP VIIRS数据反演大气颗粒物质量浓度提供了重要数据源.     

联合GRACE重力卫星与实测资料估计西辽河流域蒸散发量

西辽河流域是中国气候变化最敏感的区域之一,2000年以来,该区域水资源短缺日趋严重。基于水量平衡方程,联合重力卫星、降水资料和径流资料估计了西辽河流域的实际蒸散发量,并与遥感蒸散发产品和水文模式的蒸散发结果进行了对比分析。结果表明,在2005—2011年的干旱期,该流域平均年累计蒸散发量比同时期年降水量高了9.8 mm,多出的蒸散发主要来自于地下水亏损的贡献(约6.8 mm/a)。基于卫星重力的水量平衡方法可以有效估计干旱期由于地下水亏损导致的蒸散发增加。遥感蒸散发产品均明显低估了西辽河流域的实际蒸散发,而GLDAS-2.1 Noah模式明显高估了该区域的蒸散发量。基于卫星重力可以估计西辽河流域的蒸散发,并可用于评估不同的蒸散发产品。     

基于遥感技术的祖厉河流域LUCC与蒸散发研究

本文以陇中黄土高原的祖厉河流域为研究区,基于Landsat系列遥感影像,利用主成分变换方法,与地面温度和植被指数相结合,进行土地利用/土地覆盖提取研究,在此基础上,探讨祖厉河流域土地利用/土地覆盖变化(LUCC)及其驱动因素。利用基于TM影像的SEBAL(Surface Energy Balance Algorithm for Land)模型,从祖厉河流域三期影像提取了区域蒸散发通量。首先进行了NDVI、比辐射率和地面温度等地表参数的计算,然后反演了地表的净辐射、土壤热通量和感热通量,根据能量守恒最终获得日蒸散发量。结合气象观测数据反演作物系数,最后计算月蒸散发量。对同期的土地利用/土地覆盖数据和陆面蒸散发量进行对比分析,探讨了土地利用类型的变化对流域内能量和水分时空分异的影响。     

基于PIE-Engine云平台的2018—2022年辽宁省植被覆盖度时空演变及影响因素

基于PIE-Engine(航天宏图)云平台,对2018—2022年辽宁省哨兵2A(Sentinel-2A)地表反射率数据进行处理,计算得到归一化植被指数NDVI,在此基础上利用像元二分模型计算植被覆盖度FVC,对计算得到的FVC结果运用趋势分析、偏相关分析等方法分析了辽宁省FVC时空演变情况及其影响因素。研究表明：1)2018—2022近5年辽宁省植被覆盖度FVC均值整体上呈波动上升趋势,植被覆盖度FVC均值由71.5%增至73.2%,其增长速率为2.3%。2)植被覆盖度FVC在空间上由西北向东北呈现逐渐递增的趋势,相比于退化地区的植被覆盖度提高的幅度大。植被覆盖度改善的区域明显大于退化区域,表明辽宁省植被覆盖情况得到恢复。3)相比较而言,高程和坡度是影响植被覆盖度FVC值的显著因子,FVC值随高程呈“下降—上升—下降”的变化趋势,同时FVC值随坡度的增加呈逐渐增加的趋势;4)FVC受气候的影响因素较大,3个气候因子与FVC有较强的相关性,年平均气温对FVC变化影响最大。     

遥感估算地表蒸散发真实性检验研究进展

地表蒸散发是连接土壤—植被—大气连续体的纽带，结合遥感技术估算地表蒸散发已成为获取区域乃至全球尺度时空连续地表蒸散发量的有效手段。由于遥感估算地表蒸散发容易受到地表空间异质性和近地层气象条件复杂性的影响，在模型机理与变量参数化方案、输入数据和时间尺度扩展等方面存在不确定性，影响了其准确度的提高和应用范围的拓展，因此需要开展真实性检验。本文综述了当前遥感估算地表蒸散发(包括植被蒸腾和土壤蒸发)真实性检验研究的相关成果，重点归纳并总结了应用于遥感估算地表蒸散发真实性检验的直接检验法和间接检法的主要原理、适用性和优缺点，在此基础上阐述了当前遥感估算地表蒸散发真实性检验研究所面临的挑战。分析表明：由于地表空间异质性的普遍存在，遥感估算地表蒸散发真实性检验研究在理论和方法方面还受到诸多挑战，今后应打破地表蒸散发遥感产品真实性检验局限在均匀地表的传统思路，发展非均匀地表遥感估算地表蒸散发真实性检验的理论框架，包括地表水热状况空间异质性的度量、非均匀地表验证场的优化布设、非均匀下垫面地表蒸散发的多尺度观测试验、卫星像元/区域尺度地表蒸散发相对真值的获取、验证过程中的不确定性分析以及遥感估算地表蒸散发的实证研究等，并构建一个多源、多尺度、多方法、多层次的真实性检验技术流程，以期把遥感估算地表蒸散发真实性检验作为突破口，提升相应遥感产品的应用水平，推动定量遥感科学的发展。     

基于HJ-1B数据和SEBAL模型的陆面蒸散发遥感估算

利用HJ-1B卫星数据和SEBAL模型,进行了淮河上游段的陆面蒸散发(ET)遥感估算。选取2010年4期少云的HJ-1B卫星影像,首先对ET估算中需要的中间变量——地表温度、地表反照率进行了反演,反演结果与MODIS产品结果基本一致;在此基础上,结合部分地面气象观测数据,基于SEBAL模型进行ET估算,并利用水文站点的实测蒸发皿数据对估算的日蒸散发结果进行验证,相对误差在10%之内。将ET估算值与土地利用覆盖类型、地形因子对比分析发现,不同土地覆盖类型的ET量不同,ET空间变异性与地形特征有一定关联。     

利用GRACE与Sentinel-1反演地下水变化与地表沉降研究

针对地表沉降与地下水变化之间的关系研究,助力资源开发与灾害防治之间突出矛盾的解决。该文利用GRACE/GRACE-FO卫星观测数据反演京津冀地区的地下水变化情况,利用Sentinel-1卫星观测结果,通过小基线集干涉测量技术(SBAS-InSAR)计算该区域的地面沉降速率,在地下水变化分析的基础上研究地下水变化与降雨的相关关系,并进而得到地表沉降与地下水变化的相关关系。结果表明,2003—2020年京津冀地区地下水储量呈减少趋势,变化速率达到-11.4 mm/a,降雨量年际变化较大,对地下水储量亏损存在影响;京津冀地区中,北京市地表形变相较于地下水变化滞后时间约为3个月,地下水变化与地表形变存在较高的相关性,二者相关系数达到0.758。     

基于北斗三号的大气水汽探测性能初步分析

对我国刚布署完成的北斗三号卫星导航系统（BDS-3）的大气水汽探测性能作初步分析可更好地发挥BDS-3的气象探测潜能. 采用全球不同位置的台站进行几种手段的对比,探测结果具有代表性和说服力. 研究结果表明:将BDS-3/PWV（大气可降水量）与GPS/PWV对比,平均偏差（BIAS）优于1.0 mm,均方根误差（RMSE）优于2.0 mm,相关系数均在94%以上;BDS-3/PWV与GPS/PWV求差取绝对值后的平均值（MEAN）为1.1 mm,比北斗二号（BDS-2）降低了71%;BDS-3/PWV与GPS/PWV的RMSE为1.4 mm,比BDS-2降低了63%. 将BDS-3/PWV与ERA5/PWV对比, BIAS优于2.9 mm,RMSE优于2.8 mm,相关系数均在92%以上,BDS-3/PWV与ERA5/PWV的MEAN为2.1 mm,比BDS-2降低了48%;BDS-3/PWV与ERA5/PWV的RMSE为1.6 mm,比BDS-2降低了57%. BDS-3探测水汽性能明显优于BDS-2;BDS-3水汽探测结果与GPS、ERA5再分析资料有很好的一致性.