Estimation of regional evapotranspiration over Northwest China using remote sensing

It is a very complicated problem to estimate evapotranspiration (ET) over a large area of land surface. In this paper, the evapotranspiration estimation models for dense vegetation and bare soil are presented, based on the information of parameters like vegetation cover-degree and surface albedo. Combined with vegetation cover-degree data, a model for regional evapotranspiration estimation over the heterogeneous landscape is derived. Through a case study using remote sensing data over Northwest China, the accuracy of the model for regional evapotranspiration estimation is checked. The result shows that the accuracy of the model is satisfactory. The features of evapotranspiration over Northwest China are also discussed with the application of the model.     

中国西北地区蒸发散量计算的遥感研究

自然陆面区域蒸发散的教育处是一个复杂的问题，在利用遥感资料求取地表特征参数的基础上，首先建立了2种极端条件下（裸露地表和全植被覆盖）的裸土蒸发和全植被覆盖蒸散计算模型，然后结合植被覆盖度给出非均匀陆面条件下的区域蒸发散计算方法，实测资料验算表明该模型具有较高的计算精度，最后利用该模型对我国西北5省区的蒸发散量进行了计算，并对该研究区蒸发散的特点进行了分析。     

近14a新疆南疆绿洲地区地表蒸散与干旱的时空变化特征研究

利用2001—2014年MOD16蒸散产品数据、MOD13植被[WTBX]NDVI[WTBZ]数据以及常规气象资料,基于植被指数、地表净辐射、气温优化改进混合型线性双源遥感蒸散模型,拟合地表蒸散分析实际蒸散（ET）、潜在蒸散（PET）时空动态变化特征,结合气象站实测蒸发皿数据验证MOD16数据在绿洲地区的适用性。进一步定义蒸散干旱指数（EDI）并计算△EDI进行研究区干旱特征分析,为大面积特殊地形蒸散估算研究和干旱监测提供一定依据。结果表明：（1） MOD16产品数据与研究区实测蒸发皿数据的相关性很好,通过0.01显著性检验,基于MOD16数据估算南疆绿洲地区蒸散量检验可行。（2） 2001—2014年均蒸散量总体变化不大,四季差异明显,ET与PET空间变化趋势相反;ET、PET年均差值较大,绿洲地区地表缺水情况严重。（3） EDI指数绿洲地区年均值总体偏大,△EDI对旱情的反映和干旱程度的判断比较可靠。     

中国西北气候干湿变化研究进展

西北地区对全球气候变化十分敏感,研究分析该地区干湿变化特征,对区域发展至关重要.本文从气象(降水、温度、蒸发)、水文(地表水、土壤湿度、陆地水储量)和植被等角度综述了近50年西北地区干湿变化特征.结果 表明:西北整体气温升高,降水增加,呈暖湿化.但考虑陆面因素作用的分析表明该地区呈现东西部分化的格局.考虑蒸发因素的结果...     

作物需水量研究进展的回顾与展望

国内外有关作物需水研究的进展情况和相关估算方法,包括研究内容、定量估算方法和数学预测方法,通过其分析论述了各方法的主要原理、特点及局限性,并指出了日前作物需水研究领域存在的主要问题是在非均一下垫面条件下,植被与环境以及植被间的相互作用要比均一下垫面复杂得多。目前的计算模式存在着许多假设,普适性不够,难以推广应用,今后需进一步研究的课题与采取的研究思路主要是改进蒸散计算方法。最后简要介绍了一种利用遥感蒸散模型率定通用陆面模式CoLM来估算区域陆面蒸散量以及陆地耗水量的思路。     

GEOMORPHOLOGICAL CHARACTERISTICS AND REGIONAL DIFFERENTIATION OF LANDSCAPE OF NORTH SHAANXI

I.TectonicBasisNoIthShaaim,lytl1gbforco135'll'Nand39u34'Nfl-o111lo7"28'EtollI"I5'E,ll1dudesYan'anandYLIlinprefedures.n1elmpOnisIocatedol1h1eErdosSN1dine,aSubdivisionofNoIthChinaShieldl3].n1esps1clineisa1ci1cledbydapal1dgrffitfaLilts.Nogreatfaultsandreicso…     

2000—2020年中国西北地区区域性沙尘暴特征及成因北大核心CSCD

利用地面观测资料分析了2000—2020年中国西北地区区域性沙尘暴特征,同时基于气候动力因子、温度、降水和NDVI资料,研究西北地区区域性沙尘暴成因。结果表明:2000—2020年西北地区区域性沙尘暴年总日数呈波动下降趋势,且存在两个高(低)频期。春季是区域性沙尘暴高发季,其中4月总日数最高,达47 d;相较于上旬和中旬,春季各月下旬更易出现区域性沙尘暴。新疆南部的塔里木盆地、内蒙古中西部和甘肃河西是西北地区区域性沙尘暴高发区,总日数均在10 d以上,其余大部分地方总日数均小于8 d。北半球极涡面积指数、强度指数及亚洲区极涡强度指数均与区域性沙尘暴日数显著正相关,北半球极涡从扩张期到收缩期转变及其强度的减弱,是西北地区区域性沙尘暴减少的重要气候动力因素。西北地区年(春季)降水量和平均NDVI均与区域性沙尘暴日数显著负相关,近21年西北地区大部分地方气候趋于暖湿化,植被覆盖整体以改善为主要趋势,此种转变有利于沙化面积收缩,减少非输入性沙尘暴的发生。     

卫星遥感结合地面观测资料对中国西北干旱区地面感热通量的估算

 利用黑河地区地-气相互作用野外观测试验研究(HEIFE)的地面观测资料,采用空气动力学方法,计算了干旱区内不同下垫面的地表热力输送系数CH值,结合由NOAA系列卫星遥感得到的反映地表植被特征的归一化差值植被指数(NDVI)资料,经拟合得到了针对不同下垫面的区域CH-NDVI参数化关系式,并对此关系式进行了合理性检验,最后,计算得到中国西北干旱区1982—2001年地面感热序列。中国西北干旱区地面感热通量的计算值与ERA-40再分析资料对比分析发现,两者在量级、地面感热分布形势和年际变化趋势等方面均较一致。目前对于区域尺度来说,在缺乏用其他方法获得较准确的区域地表热力输送系数的情况下,利用卫星遥感资料估算区域地表热力输送系数CH是较为可靠的方法。     

中国西北干旱内陆河流域分布式出山径流模型

In order to predict the futuristic runoff under global warming, and to approach to the effects of vegetation on the ecological environment of the inland river mountainous watershed of Northwest China, the authors use the routine hydrometric data to create a distributed monthly model with some conceptual parameters, coupled with GIS and RS tools and data. The model takes sub-basin as the minimal confluent unit, divides the main soils of the basin into 3 layers, and identifies the vegetation types as forest and pasture. The data used in the model are precipitation, air temperature, runoff, soil weight water content, soil depth, soil bulk density, soil porosity, land cover,etc. The model holds that if the water amount is greater than the water content capacity, there will be surface runoff. The actual evaporation is proportional to the product of the potential evaporation and soil volume water content. The studied basin is Heihe mainstream mountainous basin, with a drainage area of 10,009 km^2. The data used in this simulation are from Jan. 1980 to Dec. 1995, and the first 10 years‘ data are used to simulate, while the last 5 years‘ data are used to calibrate. For the simulation process, the Nash-Sutcliffe Equation, Balance Error and Explained Variance is 0.8681,5.4008 and 0.8718 respectively, while for the calibration process, 0.8799, -0.5974 and 0.8800 respectively. The model results show that the futuristic runoff of Heihe river basin will increase a little. The snowmelt, glacier meltwater and the evaportranspiration will increase. The air temperature increment will make the permanent snow and glacier area diminish, and the snowline will rise. The vegetation, especially the forest in Heihe mountainous watershed, could lead to the evapoWanspimtion decrease of the watershed, adjust the runoff orocess, and increase the soil water content.     

A distributed runoff model for inland mountainous river basin of Northwest China

In order to predict the futuristic runoff under global warming, and to approach to the effects of vegetation on the ecological environment of the inland river mountainous watershed of Northwest China, the authors use the routine hydrometric data to create a distributed monthly model with some conceptual parameters, coupled with GIS and RS tools and data. The model takes sub-basin as the minimal confluent unit, divides the main soils of the basin into 3 layers, and identifies the vegetation types as forest and pasture. The data used in the model are precipitation, air temperature, runoff, soil weight water content, soil depth, soil bulk density, soil porosity, land cover, etc. The model holds that if the water amount is greater than the water content capacity, there will be surface runoff. The actual evaporation is proportional to the product of the potential evaporation and soil volume water content. The studied basin is Heihe mainstream mountainous basin, with a drainage area of 10,009 km2. The data used in this simulation are from Jan. 1980 to Dec. 1995, and the first 10 years' data are used to simulate, while the last 5 years' data are used to calibrate. For the simulation process, the Nash-Sutcliffe Equation, Balance Error and Explained Variance is 0.8681, 5.4008 and 0.8718 respectively, while for the calibration process, 0.8799, -0.5974 and 0.8800 respectively. The model results show that the futuristic runoff of Heihe river basin will increase a little. The snowmelt, glacier meltwater and the evaportranspiration will increase. The air temperature increment will make the permanent snow and glacier area diminish, and the snowline will rise. The vegetation, especially the forest in Heihe mountainous watershed, could lead to the evapotranspiration decrease of the watershed, adjust the runoff process, and increase the soil water content.     

1999—2010年中国西北地区植被覆盖对气候变化和人类活动的响应

中国西北地区气候干旱,频繁出现沙尘天气,属于生态脆弱区域,而植被变化是生态系统对气候变化响应的指示器,研究其变化对改善西北生态环境具有重要意义.本文利用1999—2010年归一化植被指数(NDVI)以及气象数据研究中国西北地区植被覆盖时空变化,以Sen趋势度结合Mann-Kendall检验、相关和偏相关分析以及残差法分析人类活动和气候变化对植被覆盖变化的影响.结果表明:西北地区植被覆盖整体呈增加趋势,但在局部地区气候干旱少雨和人类活动抑制植被生长.植被变化强度空间差异是人类活动和气候要素共同作用的结果:气温高,降水少,大部分地区植被覆盖与气候要素相关显著,并且植被变化对气温和降水的响应存在一定滞后时间;蒸发量大于降水量,人类引水灌溉弥补降水不足,使得农业植被呈增长趋势.新疆北部地区植被覆盖呈下降趋势,原因是气候干旱、沙漠化严重会抑制植被生长,人类活动频繁、城市扩建同样会破坏植被生长.     

基于ETM+与MODIS数据融合的伊洛河流域地表蒸散估算

MODIS数据时间分辨率较高,在对地能量和水分变化监测应用中具有不可比拟的优势。但其空间分辨率较低,混合象元效应显著,尤其在地表土地利用类型复杂和空间异质性较大时,会带来较大的误差。而ETM+数据具备较高的空间分辨率,但其单一的热红外波段导致反演的地表温度精度不高,且时间分辨率低,因而限制了在地表蒸散监测中的应用。本文探讨了将TM/ETM+与MODIS数据相融合估算区域地表蒸散的一种多尺度遥感方法,利用TM/ETM+计算得到的植被指数,基于空间增强方法将MODIS反演的地表温度尺度提高到30 m,并结合SEBS模型对伊洛河流域的地表蒸散进行了估算。验证与分析的结果表明,估算精度得到提高,研究区当日蒸散量在0～5.32 mm/d之间,空间分布具有明显的地域性差异,区域分布不均衡。     

基于NOAA NDVI 的中国植被绿度始期变化

在对1982-1999 年NOAA/AVHRR NDVI 数据集进行缺失处理、平滑处理以及残存误差订正的基础上,利 用基于NDVI 累积频率曲线的Logistic 拟合模型计算生成了各年份全国植被绿度始期数据, 统计了所有气候植被 类型和生物气候区的平均绿度始期,并对不同空间类型植被绿度始期的年际变化趋势与显著性程度、时空变化特 征等做了统计分析。结果表明：①全国大部分地区植被绿度始期呈提前趋势,其中华北平原、贵州东北部、湖南中南 部山地丘陵区、广东西部地区以及内蒙古高原东部典型草原区等明显提前。②植被绿度始期年际波动程度高于10 天的地区主要分布在农业植被区、常绿植被区和草原区,其中河套平原、关中盆地、河南中东部、川西盆地、广东、藏 东南边缘地带以及台湾部分地区超过15 天。③除温带荒漠以外,其它所有植被类型绿度始期均为提前趋势。④从 各生物气候区空间变化来看,随着年积温降低和干旱指数增大,植被绿度始期大致呈推迟趋势;从年际变化来看, 华南、华东、华中、华北、内蒙、东北和青藏区植被绿度始期提前,陕晋和西北区植被绿度始期推迟。⑤受1982～1983 年厄尔尼诺事件影响,各空间类型植被绿度始期分别表现为推迟和提前趋势。     

西北地区降水对陆面特征敏感性的数值试验

本文是一个用大气环境模式研究中国西北地区陆面特征改变之后影响其降水的数值试验，模式中假定西北地区的植被完全被裸陆代替，对６、７、８月进行数值积分，以便检查夏季大气环流对陆面特征的响应，数值试验的结论是：陆面反照率升高后，与之相伴随的是降水率下降，并且大气的下沉运动控制了该地区。     

中国西北地区夏季降水分区客观预报

本文在降水分区的基础上,对西北地区夏季降水进行预报。利用2007—2010年的6—8月T639资料和相应时段的实况资料,通过概率回归降水等级方案进行建模,对2011年6—8月进行了试报。结果表明:与单站建模预报相比,分区建模降水预报TS评分在各时效、各量级上均有提高,并且在空报和漏报上有较大减少,特别是中雨预报改善明显。分区建模比单站建模所选因子更丰富,利用了模式产品的有用信息,因此预报效果更好。分区建模降水预报与模式直接输出降水预报的对比分析表明:分区建模的降水预报效果优于模式直接输出降水预报,尤其小雨预报效果显著,中雨和大雨36 h和60 h预报的空报现象明显减少。     

一种基于植被指数-地表温度特征空间的蒸散指数

利用遥感获取的植被指数和地表温度信息,进行地表能量和水分平衡过程研究是目前陆表过程研究的前沿。根据地表能量和水分平衡原理,对地表温度(Ts)、植被指数(VI),地表蒸散发(ET)之间的空间关系进行了分析,并基于假设条件,构建了温度植被蒸散指数(TVETI)。为验证TVETI表征地表蒸散的能力,利用环境卫星数据和SEBAL模型,对SEBAL模型中各能量通量构建的蒸散指数与TVETI进行线性回归分析,从2012年4~9月6个不同日期的确定性系数分别为:0.838、0.935、0.912、0.921、0.926、0.825, TVETI能很好的表征地表蒸散能力。通过对SEBAL模型估算的ET和TVETI估算的ET进行交叉验证发现,两者大小一致性显著, TVETI可以实现区域尺度地表蒸散发的快速估算。     

冠层表面阻力与环境因子关系模型及其在蒸散估算中的应用

建立了一个华北平原冬小麦群体冠层表面阻力与环境因子关系的模型。根据该地区冬小麦生态系统的一组波文比-能量平衡观测资料,用非线性最优化方法模拟冠层表面阻力与太阳辐射、气温、空气饱和差和土壤含水量等环境因子的关系,得到模型四个参数的拟合值。用另外两组观测资料验证该模型的预测能力。结果表明,该模型能较好地模拟表面阻力,拟合度分别为0.93和0.67.将该模型应用到Penman-Monteith蒸散公式,发现蒸散的模拟值与实测值的拟合度达0.9以上,相对偏差小于5%.通过比较发现,该模型对蒸散的预测精度高于空气动力学方法。     

基于MODIS数据的无定河流域蒸散模拟

利用黄土高原无定河流域水文气象资料、MODIS数据及GIS背景信息,应用分布式生态水文模型（VIP模型）,按250m空间分辨率模拟了该流域水量平衡各分量的时空分布。结果表明:2000²003年无定河流域年蒸散量分别为300 mm、397 mm、460 mm和443 mm;流域蒸散有明显的由南向北,由东到西的梯度递减特征,降水量和地表植被覆盖度的差异是其空间变异的主要因素;蒸腾与蒸发空间分异显著,但两者的变化相互补偿,降低了蒸散的空间变异性。整个流域平均而言,不同植被类型间的年蒸散总量差异不明显。白家川等9个子流域年蒸散量的模拟结果与水量平衡法估计结果具有较好的一致性。     

2003—2017年植被变化对全球陆面蒸散发的影响

蒸散发是陆面水循环的关键环节和过程,是研究水循环对人类活动和气候变化响应的关键要素。过去十几年,全球下垫面的植被变化剧烈,但如何影响全球陆面蒸散发仍未得到清晰的揭示。本文采用500 m分辨率MODIS数据驱动PML-V2模型,定量解析了2003—2017年植被变化对全球陆面蒸散发的影响。结果显示：在全球尺度上,植被变绿使得全球蒸散发呈现显著的增加趋势,使陆地水循环加快;区域尺度上,植被变化对蒸散发的影响则存在明显的地带性和非地带性特征,如在北美洲中北部、欧洲、中国东部、非洲南部和澳大利亚东北部等地区,蒸散发总量的增加主要是由植被蒸腾增加而引起的。分析不同植被功能类型区的贡献显示,下垫面变化对灌木和耕地影响尤为明显,并在2012年以后呈现增强趋势;这2个植被类型区的全球年总蒸散发累积增加量为0.41×10³ km³ a^-1,约为黄河流域多年平均径流量的8倍。该研究结果有助于进一步加强关于下垫面变化对陆地水循环的影响及其可能带来的局部气候变化的认识。     

New progress of research on water cycle in atmosphere in China

New progresses are introduced briefly about the water cycle study on atmosphere of China made in recent years. The introduction includes eight aspects as follows: 1) precipitation characteristics, 2) stability of climatic system, 3) precipitation sensitive region, 4) regional evaporation and evapotranspiration, 5) water surface evaporation, 6) vegetation transpiration, 7) cloud physics, and 8) vapor source.