格尔木河流域土壤湿度时空变化及其影响因素研究

土壤湿度是表征土壤含水量的一种相对变量,是地下水-地表水-大气水循环系统的核心和纽带。研究土壤湿度的分布特征及其影响因素对干旱地区的生态环境保护具有重要意义。文章基于MODIS数据,应用表观热惯量(ATI)法反演了格尔木河流域土壤湿度时空变化规律并分析其影响因素。为了研究结果的可靠性,利用Mann-Kendall方法进行了趋势检验分析,利用CLDAS数据和野外实测土壤含水量数据对遥感反演结果进行了检验验证,结果表明:2002—2016年格尔木河流域土壤湿度总体呈现上升趋势,并且通过Mann-Kendall检验分析,结果显示2008年发生突变,上升趋势明显。通过对流域不同用地类型的解译,北部盐池平均ATI值最高为0.088;中部及南部大面积裸土平均ATI值最低为0.028;自然植被与耕、林地平均ATI值分别为0.034和0.033。遥感反演土壤湿度结果与CLDAS数据和野外实测土壤含水量数据的相关性分别为0.85和0.59,相关性较高,说明遥感反演结果具有一定的可靠性。与蒸发、植被有良好的响应关系,相关系数分别为0.92和0.79。     

基于中等分辨率遥感数据的柴达木盆地实际蒸散量的计算

在干旱的内陆盆地的水均衡中,蒸散发是主要的排泄方式,准确估算蒸散量是评价可利用水资源量的关键。从区域尺度上研究实际蒸散量对生态环境的保护具有重要的意义。基于表面能量平衡的原理,选取了DEM数据,MODIS数据以及GLDAS数据,以500 m的空间分辨率对柴达木盆地2001-2011年的蒸散量进行了估算,并研究了区域蒸散量的时空分布及其与气象站实测水面蒸发量的关系。结果表明：柴达木盆地的年实际蒸散量有逐年增大的趋势,从2001年的72.73 mm增加为2011年的182.34 mm,2001-2011年最大日均蒸散量介于2.62~3.20 mm。柴达木盆地的蒸发系数为0.14。分析NDVI和与其对应的ET的关系可知NDVI=0.055是柴达木盆地裸土和植被的分界点。虽然仅占据了研究区1.92%的区域,但水体的日均蒸散量最大,为2.31 mm/d。盆地裸土、稀疏灌木、中等覆盖灌木、草场以及农田2010年6-9月的日蒸散量平均值分别为0.24、0.42、1.21、1.12、1.18 mm/d。     

干旱半干旱区土壤含水量反演与验证

基于MODIS遥感影像和表观热惯量法,以新疆为研究区,建立了适用于干旱半干旱区1 m土体的土壤含水量反演模型。模型根据高表观热惯量,高土壤含水量,低表观热惯量,低土壤含水量这一理论,通过日地表温差和宽波段反照率确定土壤含水量的时空变化。假设通过1 m土体的土壤水通量正比于上下底层土壤含水量的差值,利用水平衡方程建立土壤表面和底层土壤含水量关系方程,并利用中国土壤类型特点确定优化模型。通过验证结果表明,壤土和壤质粘土这两类土壤含水量接近真实值,砂土在区域验证中,模拟与实测差值为2.16%,整个模型模拟精度较好,能够准确地从时空上反演干旱半干旱地区1 m土体的土壤水分情况。     

基于地表温度与植被指数特征空间反演地表参数的研究进展

遥感反演的地表温度(Ts)和植被指数(VI)构成的特征空间结合模型分析可以对显热通量、潜热通量及土壤含水量等地表参数进行估算.这种方法比较实用,且不过多地依赖地面观测数据.随着研究的深入,许多学者在Ts/VI特征空间基础上提出了更加丰富的空间变量.基于此,以不同空间变量为标准,分类介绍在Ts/VI特征空间的基础上对地表能量通量及土壤水分等参数的反演.其中包括在Ts/NDVI特征空间基础上提出温度植被干旱指数和条件植被温度指数来监测干旱;利用Ts/albedo特征空间反演蒸发比;用DSTV/VI特征空间反演蒸散量;用地气温差/植被指数特征空间反演蒸散量等.并介绍了Ts/VI特征空间与微波遥感结合反演地表含水量等相关研究的进展情况,最后提出未来研究的发展方向.     

不同尺度的土壤含水量主被动微波联合反演方法研究

土壤含水量是水文、农业和气象等领域的关键参数,而微波遥感是目前监测土壤含水量最有效的手段之一。本文利用主动微波与被动微波数据,结合其他多源遥感数据,运用随机森林算法分别在主动微波数据分辨率尺度和被动微波数据分辨率尺度下完成主被动微波数据的土壤含水量联合反演。首先对被动微波尺度的地表覆盖类型与归一化植被指数(NDVI)参数进行空间分辨率优化,再利用回归ReliefF方法对两种尺度所用的输入变量的重要性进行评估,并对输入变量进行优选,最后对比主被动微波数据土壤含水量联合反演和单独利用主动/被动微波数据进行反演的精度,分析主被动微波联合反演方法的有效性。结果表明：在主动微波尺度,主被动微波联合反演的精度相比单独利用主动微波数据反演的精度有所提升,相关系数r由0.691升至0.744,RMSE由0.084 8 cm³/cm³降至0.079 6 cm³/cm³;在被动微波尺度,主被动微波联合反演的精度反而比单独利用被动微波数据反演的精度更低,相关系数r由0.944变为0.939,RMSE由0.043 5 cm...     

基于MODIS与GLDAS数据的湟水河流域土壤水反演

表观热惯量土壤水反演适用于植被覆盖度较低的区域。利用MODIS数据反演的表观热惯量,联合GLDAS数据反演了湟水河流域2014—2016年土壤水的时空变化,对比分析了土壤水和降水量的关系。结果表明,湟水河流域表层土壤水基本上在17～19 mm范围内波动,其整体变化表现为上升的趋势。流域的东南部表层土壤水含量相对较高,西北部的表层土壤水含量相对较低,降水是引起表层土壤水含量周期性变化的主要原因。     

多源遥感数据反演土壤水分方法

基于ASAR-APP影像数据和光学影像数据,根据水云模型研究了小麦覆盖下地表土壤含水量的反演方法。利用TM和MODIS影像构建的植被生物、物理参数与实测小麦含水量进行回归分析,发现TM影像提取的归一化水分指数(NDWI)反演精度较好,相关系数达到0.87。根据这一关系,结合水云模型并联立裸露地表土壤湿度反演模型,建立了基于多源遥感数据的土壤含水量反演模型和参数统一求解方案。反演结果表明:该方案可得到理想的土壤水分反演精度,并可控制参数估计的误差。反演土壤含水量和准同步实测数据的相关系数为0.9,均方根误差为3.83%。在此基础上,分析了模型参数的敏感性,并制作了研究区土壤缺水量分布图。     

基于表面能量平衡模型的张承地区蒸散发研究

张家口承德地区是京津冀城市群生态安全的重要屏障,针对该地区长时间序列实际蒸散的时空变化研究较少,以张家口承德地区为研究区,基于表面能量平衡模型（SEBS）结合MODIS和GLDAS数据反演了研究区2001年1月—2020年12月逐月的蒸散量,将反演结果与MOD16A2数据在趋势上进行了对比,并用2021年7月的野外实测数据在像元尺度上对其进行验证,利用Sen+MannKendall显著性检验方法对其时空趋势变化进行了分析,用相关性分析研究了其影响因素。结果表明：模型蒸散量反演结果与MOD16A2数据在月尺度上相关性良好,与野外实测数据的相对误差小于15%,具有较高的可靠性;研究区的年蒸散量在20 a间呈现波动上升趋势,最大值为2013年的545 mm,最小值为2002年的348 mm,且承德地区的蒸散量明显高于张家口地区;20 a间研究区75.41%的区域蒸散量基本稳定不变,5.13%的区域蒸散量增加,1.11%的区域蒸散量显著降低,18.35%的区域蒸散量轻微降低;气温、植被对蒸散量的影响具有显著的正相关性,不同土地用地类型下蒸散量由高到低的顺序为：林地>水体>草地>...     

基于遥感的黄河三角洲农作物需水时空分析

以黄河三角洲为研究区域,系统地提出了用多种分辨率遥感影像进行区域蒸散反演,结合气象数据,进行不同时空条件下农作物需水的分析.通过反演地表反照率、地表温度、地表比辐射系数等参数,进一步计算出地表净辐射通量、土壤热通量、显热通量,根据地表能量平衡方程进行了蒸散的遥感反演;利用5个时相的NOAAAVHRR数据和一个时相的TM数据反演了1999年7～9月的蒸散,并利用TM影像反演的蒸散结果,提高了NOAA气象卫星蒸散反演结果的空间分辨率,大大增加了遥感蒸散反演的实用性.利用6个时相的遥感数据反演的蒸散结果及计算的日潜在蒸散数据对1999年7～9月黄河三角洲各灌区农作物的需水总量进行了时空分析.     

格尔木河流域山前平原区蒸散量的分布特征

格尔木河流域干旱少雨,蒸发强烈,为格尔木地区经济发展提供水资源保障。蒸散发是干旱内陆地区地表水及地下水排泄的主要方式,准确估算研究区长时间序列的蒸散量时空分布及其影响因素,对研究区水资源合理开发利用及生态环境保护具有重要意义。传统的蒸散量估算方法难以获取大尺度时空范围参数且估算结果误差较大。文章以格尔木河流域山前平原区为研究区,应用连续序列的MODIS数据及GLDAS气象数据基于SEBS模型估算格尔木河流域山前平原区蒸散量,利用线性回归法及Mann-Kendall显著性检验法分析其连续时间序列内的变化趋势,分析其影响因素。结果表明:研究区蒸散量从2001到2016年总体呈增长趋势,盐沼平原及山前戈壁砾质平原大部分地区蒸散量变化在16年间呈稳定不变状态,盐湖区和绿洲平原呈显著增长趋势。研究区16年间不同地貌蒸散量夏季增减幅度均远大于其他三季,冬季变化幅度最小。     

格尔木河流域植被指数时空分布及其影响因素研究

格尔木河流域气候干旱少雨,生态环境较脆弱,植被动态对其生态环境保护具有重要意义。基于连续序列的MODIS NDVI数据,分析了格尔木河流域植被指数时空分布及其影响因素。结果表明:研究区NDVI平均值总体较小,主要在0.10～0.12间波动,但呈增大趋势。区内植被改善区分布在格尔木市东、西两侧,基本不变区为荒漠地区,植被退化区分布在北部盐湖区。区内裸土的面积逐渐减小,低覆盖率和高覆盖率植被的面积逐渐增加。研究区植被生长与气象、土壤水分和地下水位埋深都有关系。气温与植被指数相关关系较好,相关系数为0.822,而降水对植被的生长也有一定的作用。植被指数与表观热惯量是正相关关系,相关系数为0.979。区内植被的地下水位埋深范围为0～12 m,在水位埋深约为6.5 m的地方,植被长势最好。     

Designing of the perpendicular drought index

In this paper, a simple, effective drought monitoring method is developed using two dimensional spectral space obtained from reflectance of near-infrared (NIR) and Red wavelengths. First, NIR–Red reflectance space is established using atmospheric and geometric corrected ETM+ data, which is manifested by a triangle shape and in which different surface targets possess certain spatial distribution rules. Second, perpendicular drought index (PDI) is developed on the basis of spatial characteristics of moisture distribution in NIR–Red space, as well as the relationships between PDI and soil moisture is examined. Validation work includes: comparison of PDI with in-situ drought index obtained from field measured data in the study area which includes bulk soil moisture content at different soil depths, field moisture capacity and wilting coefficient, etc.; and comparison of PDI with other recognized drought monitoring methods such as LST/NDVI and vegetation temperature condition index (VTCI). It is evident from the results that graph of PDI of field measured plots demonstrates very similar trends with ground truth drought data, LST/NDVI and VTCI. PDI is highly correlated with in-situ drought values calculated from 0 to 20 cm mean soil moisture with correlation coefficients of R ² = 0.49 (r = 0.75). This paper concludes that PDI has a potential in remote estimation of drought phenomenon as a simple, effective drought monitoring index.     

Evaluation of EDI derived from the exponential evapotranspiration model for monitoring China’s surface drought

Drought has become the most severe natural disaster in many provinces of China. In this paper, evaporative drought index (EDI) has been used to monitor China’s surface dryness conditions based on the exponential evapotranspiration (ET) model and Hargreaves equation from JAXA-MODIS Insolation products, GEWEX, NCEP-2 and MODIS NDVI data. The exponential ET model based on the surface net radiation, vegetation index, mean air temperature and diurnal air temperature range (DTaR) has been developed to estimate surface ET of China and has been independently validated using ground-measured data collected from two sites (Arou and Miyun) in China, indicating that the bias varies from −5.96 to 5.02 W/m². The good agreement between daily estimated and ground-measured ET using ground observation data collected from all 22 sites further supports the validity of the exponential ET model for regional ET estimation. Moreover, EDI is closely correlated to the average soil moisture at 0–10 cm soil depth of the Yongning site with coefficient of determination of R ² = 0.52. The spatio-temporal patterns of monthly ET and EDI from April to September of 2004 over China are explored and the result indicates EDI is accordant with the precipitation by comparing the 15-day smoothed EDI with precipitation over six representative sites. The EDI based on the exponential ET model by integrating energy fluxes in response to soil moisture stress has demonstrated its validity for monitoring China’s surface drought events.     

NDVI dynamic changes and their relationship with meteorological factors and soil moisture

Normalized difference vegetation index (NDVI) is an important indicator for measuring vegetation coverage, which is of great significance for evaluating vegetation dynamics and vegetation restoration. It can clearly analyze the suitable growth condition of vegetation by studying the relationship between meteorological factors, soil moisture and NDVI. Based on MODIS/NDVI data, the spatio-temporal characteristics of vegetation coverage in the Weihe River Basin (WRB) were analyzed by the trend analysis method. The relationship of NDVI with meteorological factors and NDVI with soil moisture simulated by the soil and water assessment tool (SWAT) model was analyzed in this paper. The results show that NDVI values gradually change with an increase from north to south in the WRB. The maximum of the average monthly NDVI is 0.702 (August) and the minimum is 0.288 in February from 2000 to 2015. The results of the seven grades of NDVI trend line slope indicate that the improvement area of vegetation coverage accounts for 30.93% of the total basin, and the degradation area and basically unchanged area account for 23% and 42.9%, respectively. The annual mean soil moisture is 19.37% in the WRB. There was a strong correlation between NDVI and precipitation, temperature, evaporation and soil moisture, and the correlation coefficients were 0.78, 0.89, 0.71 and 0.65, respectively. The ranges of the most suitable growth conditions for vegetation are 80–145 mm (precipitation), 13–23 °C (temperature), 94–144 mm (evaporation) and 25–33% (soil moisture), respectively.     

三江源区蒸散量的时空分布特征

三江源地区位于青海南部,是中国三大主要河流长江、黄河和澜沧江的源头汇水区,是中国海拔最高的天然湿地和面积最大的自然保护区。三江源地区生态环境脆弱,评估地下水蒸散量对该地区水循环和水资源量评价有重要作用,对生态环境保护也具有一定意义。基于中等分辨率的MODIS数据,利用表面能量平衡系统对三江源地区2001—2017年的区域蒸散量进行估算,并采用Sen+Mann-Kendall法分析其连续时间序列内的时空变化趋势,讨论其影响因素。结果表明:研究区蒸散量从2001年到2017年总体呈增长趋势;三个源区多年年平均蒸散量值表现为澜沧江源>黄河源>长江源的变化规律;三江源区超过62.62%的地区蒸散量变化呈显著增长趋势,轻微显著增长地区占28.03%,显著减小地区占比极少;蒸散量的变化主要受气候影响,与气温、降水量呈明显正相关关系,其确定系数分别为0.80、0.89;蒸散量与植被指数及土壤湿度也均呈明显正相关关系。     

柴北缘牦牛山组火山岩锆石U Pb年龄及其地质意义

柴北缘牦牛山组磨拉石建造不整合覆盖在前泥盆系之上,记录了该地区早古生代洋盆关闭的时间。对柴北缘牦牛山一带牦牛山组上部火山岩段两个流纹质熔结凝灰岩样品进行锆石U Pb同位素测定,两个样品的岩浆锆石206Pb/238U年龄加权平均值分别为(3965±24) Ma(n=17,MSWD=33)和(3958±12) Ma(n=20,MSWD=11),均被解释为火山岩喷发年龄。结合东昆仑造山带牦牛山组测年结果,认为柴达木盆地周缘牦牛山组火山岩形成时代为晚志留世—晚泥盆世,且东昆仑与柴北缘加里东造山作用结束的时间均为早泥盆世之前,而非传统认为的晚泥盆世。     

柴达木盆地三湖地区第四系沉积相与生物气成藏

柴达木盆地三湖地区第四系蕴藏着巨大的生物气资源,目前已探明加控制天然气储量接近3×1011m3。更新世时期,柴达木盆地的湖相沉积主要分布在三湖(吉乃尔湖、涩聂湖和达布逊湖)地区,自山前至盆地中心依次发育了冲积扇、河流三角洲和湖相沉积,其中湖相沉积分布最为广泛。早更新世湖相沉积开始形成,中更新世湖相沉积扩张并且达到鼎盛,晚更新世湖相沉积开始萎缩并形成盐湖沉积。中、早更新世冰川的出现和青藏高原的崛起使柴达木盆地的古气候变得干旱寒冷,沉积水体温度较低,盐度较高。本区第四纪独特的沉积环境是形成大型生物气藏最重要的地质条件。高盐度的水体环境减缓了有机质的降解速度,长期的低温条件抑制了甲烷菌的活动,避免了沉积有机质在沉积浅埋阶段的过量消耗,推迟了生物产气的高峰期。而三湖地区巨厚的第四系暗色泥岩和频繁发育的砂岩提供了充足的气源条件和构成了良好的生储盖组合。