区域蒸散发遥感估算方法及验证综述

蒸散发是地表水热平衡的重要参量,也是农作物生长状况和产量的重要指标。与传统的蒸散发计算方法相比,遥感技术经济、适用、有效,在非均匀下垫面的区域蒸散发监测上具有明显的优越性。系统回顾了5种常用的区域蒸散发遥感估算方法,包括经验统计模型、与传统方法相结合的遥感模型、地表能量平衡模型、温度—植被指数特征空间模型以及陆面过程与数据同化等,分析了这些模型的最新研究进展及各自的优缺点,并对地表蒸散发的地面验证方法进行了概述。最后简要分析了区域蒸散发遥感估算存在的问题,并展望了其未来发展趋势。多源遥感数据协同反演与非遥感参数遥感化、蒸散发模型改进与多模型集成、陆面过程与遥感数据同化、遥感蒸散发估算及地面验证中的尺度问题与空间代表性问题研究等将会是未来区域蒸散发研究中的重点发展方向。     

大孔径闪烁仪观测数据在陆面模式验证中的应用初探

将大孔径闪烁仪(LAS)观测数据应用在陆面模式验证中对更好地认识和描述陆面过程在气候变化中的作用有着重要意义.以中国北方2个LAS观测站--密云和阿柔为例,分别设定一个公里尺度(1 km2)的研究区域,采用陆面模式SiB2,综合利用站点观测数据、实地调查数据及卫星遥感数据,对陆面过程进行了模拟,并利用LAS和涡动相关仪(EC)观测的显热通量对模拟结果进行了评估,结果表明:SiB2模式能够对阿柔和密云显热通量的总体情况、日变化情况及季节变化情况进行较好的模拟;利用LAS显热通量进行较大尺度模拟验证,能够在很大程度上避免EC能量不闭合及其观测尺度与模式模拟尺度不匹配在验证中所造成的偏差,验证效果更好.     

土壤湿度遥感估算同化研究综述

土壤湿度是影响气候的至关重要的变量之一。利用数据同化方法反演大规模高精度土壤湿度数据是目前土壤水分研究的一个重要方向。结合国内外土壤湿度遥感估算研究现状,总结了土壤水分同化算法主要应用进程,梳理了目前实现土壤水分反演且应用广泛的陆面过程模型,Noah模型、通用陆面过程模型CLM、简单生物圈模型Si B2、北方生产力模拟模型BEPS,介绍了大范围卫星土壤水分数据集,包括陆面同化系统数据集、ASCAT数据集、AMSR-E数据集及SMOS数据集,最后探讨了遥感土壤水分同化过程中存在的问题及发展方向。     

遥感技术在陆面过程研究中的应用进展

探讨了当前陆面过程 (LSP)研究的特点 ,指出遥感在陆面过程研究中的应用以及陆面过程国际合作实验是突出的特点 ,进而对遥感技术的陆面参数获取、地表能量通量的计算以及与 LSP模式的结合研究及进展进行了综述。根据不同特征的地表参数选择光学遥感或微波遥感已成共识 ,而综合利用不同遥感数据获取同一种地表参数也已成为研究热点 ,当前及今后发射的携载多种遥感仪器的众多遥感卫星为此项研究提供了条件 ;遥感与 LSP模式的结合研究是遥感在陆面过程研究中深入应用的一个方面 ,国际陆面过程合作实验是这项研究的重要保证。     

基于TRMM卫星雷达降雨的流域陆面水文过程

利用热带降雨观测计划(TRMM)卫星雷达降雨数据驱动分布式陆面水文模型,研究流域尺度陆面水文过程,评估该数据在水文模拟与预报等研究领域的性能。通过与实测雨量资料比较,验证TRMM卫星雷达降雨数据的质量。分别将TRMM卫星雷达降雨与观测降雨作为耦合模型的气象输入,模拟和研究淮河流域1998~2003年的陆面水文过程时空变化。结果表明,TRMM卫星雷达降雨数据能够很好地描述降雨的时空分布,利用TRMM降雨模拟的结果与利用观测降雨模拟的结果精度相当;模拟流量与实测资料基本吻合。卫星雷达降雨数据在陆面水文过程研究中具有广泛的应用前景。     

利用中国静止气象卫星资料估算黄河源区蒸散发量

以黄河源区为研究区域,选取2009年9月该区域的中国静止气象卫星(FY-2D)观测资料,结合地面气象观测资料,基于能量平衡原理,估算了研究区域的逐时陆面蒸散发量。结果表明:在晴天条件下,利用陆表能量平衡系统模型求出蒸散发量的大小;在阴天条件下,利用FY-2D云顶反照率资料,根据太阳辐射在大气中的衰减过程,得出地表太阳辐射收支,进而求出蒸散发量的大小。卫星遥感估算的逐时蒸散发量与地面观测值相比,平均相对误差15.2%,估算误差在可接受的合理范围内,为实现陆面蒸散发量的业务化奠定了一定的基础。     

利用场地观测计算地表通量

高原地表的感热和潜热通量在亚洲季风系统中有很重要的作用。由于高原地域辽阔，且自然环境较严酷，不利于建立完善的地面观测系统。因此，卫星遥感观测就成为测算高原整体感热和潜热通量的有效工具。地面场地的观测结果作为地表通量的真实值，对于卫星遥感测算是非常重要的。它也为构建陆面—大气模型提供了科学依据，是卫星资料的资料同化系统中的重要组成部分。 计算场地热量通量有几种不同的处理方法。最简单的方法利用有效的观测和试验的参数，可以给出稳定连续的估计。愈精确的Bowen比或者廓线的观测能给出愈精确的信息。综合了湍流测量及辐射测量、土壤热通量的观测结果的估计对陆面—大气相互作用进行了详细的描述，以适应模式的发展。从1998年开始，这些方法联合应用到青藏高原；场地通量观测方面的成果以及目前对其理解将在本文中做一概述。     

饱和水汽压差的卫星遥感研究综述

饱和水汽压差是许多陆表生态和陆面过程模型中非常重要的输入参数之一,精确估算并获取其时空分布特征是生态、农业遥感领域亟待解决的问题之一。在简要回顾饱和水汽压差的应用和传统获取方法的基础上重点介绍遥感估算饱和水汽压差的数据源和估算方法,即统计方法和解析计算法,并对解析计算法所需关键参数的国内外相关研究进展进行概述,探讨目前遥感估算饱和水汽压差存在的不足,并结合目前遥感技术发展现状和此领域研究存在的问题探讨其发展趋势,展望了联合多源遥感数据进行高时空分辨率的饱和水汽压差遥感估算问题。     

青藏高原土壤湿度-气候相互影响研究进展

土壤湿度作为一个具有“记忆性”的重要气候变量,可以通过改变地表的能量和水分交换,进而影响局地乃至全球的大气环流,因此受到全球气候观测系统计划的重视。近年来青藏高原土壤湿度观测网（站）建设发展迅速,为局地陆气相互作用研究提供了可靠的数据支撑。本文从不同的土壤湿度资料在青藏高原的适用性、高原土壤湿度的时空变化特征及其对气候的影响综述了近年来的国内外研究进展。由于土壤湿度在时空上的高度变异性,现有相关研究大多使用再分析资料、陆面数据同化资料和卫星遥感数据来补充观测资料进行青藏高原土壤湿度与气候的相互影响研究。但模式选择、算法和实验方案的不同,导致青藏高原土壤湿度的补充资料适用性不同,使得前人对高原土壤湿度如何影响中国及全球气候得出不同结论,故相关问题需要进一步讨论,并提出了后期青藏高原土壤湿度研究需要解决的关键问题。     

全球尺度水文学:陆地表面过程模拟的进展

全球尺度水文学的研究是正在发展扩大的领域,它吸引了来自气象学、气候学、生态学和水文学等学科的研究人员。本文评述了最近几年美国在这个领域的研究工作及进展。包括五方面内容:大气环流模式中陆地表面水文过程的表述;这些表述对全球水文因子如降水的敏感性分析;具有全球意义的区域气候研究;旨在改进陆面与大气相互作用理论的野外试验;以及应用遥感资料探索地表水文过程的空间变异性。     

陇中黄土高原LAS在非均匀下垫面的观测优势及其在区域陆面模式验证中的初步应用

目前通用的通量观测技术涡动相关仪（EC）在区域陆面模式验证中存在能量不闭合和空间代表性有限的问题,寻求改进EC观测热通量的新技术是提高陆面模式验证效果的关键环节,大孔径闪烁仪（LAS）的出现有效改善了这一现状。基于黄土高原定西站2010年1月和6月的同步综合观测资料以及目前比较有代表性的陆面过程模式CLM的模拟数据,分析研究了LAS对EC观测地表能量不平衡问题的改进以及LAS对EC在区域陆面模式验证中的提高,结果表明：LAS可有效解决EC观测存在的地表能量不平衡问题,提高EC的地表能量闭合度,在非均匀下垫面LAS观测优势突出;利用LAS观测的感热通量进行区域陆面模式的验证,能够很大程度地避免EC能量不闭合和空间尺度不匹配在验证中造成的偏差,LAS观测更适合于大尺度模拟的验证,验证效果更好。     

高寒山区地表温度测算方法研究综述

地表温度直接影响高寒山区冰川、积雪消融,冻土分布、消融和产汇流过程,蒸散发以及植被分布和演替等过程是寒区地表陆面过程、水文过程以及生态—水文过程研究的重要参数。系统总结了高寒山区地表温度的主要影响因素以及不同获取方法。研究结果认为海拔、地形和植被覆盖是影响高寒山区地表温度的主要因素。地面实测、遥感反演和模式估算是目前获取地表温度的主要手段,但在高寒山区三者均具有一定局限性:地面实测局限于实测点,难以反应区域坡面的地表温度;遥感反演受限于物理机制、地面验证和时空分辨率等,难以满足高寒山区地表生态—水文过程研究的高精度需求;模式估算试验点尺度地表温度精度较高,但在区域尺度上精度有所下降。未来的工作应加强高寒山区地表温度观测并提高模式精度,构建和发展普适性的山区任意地形和不同植被覆盖条件下的高精度地表温度计算公式,满足山区相关研究的需求。     

水平和垂直尺度乔、灌、草覆盖度遥感提取研究进展

植被覆盖及其变化是区域生态系统环境变化的重要指示,而植被覆盖度是植物群落覆盖地表状况的一个综合量化指标,是生态模型、碳循环、水循环模型等的重要特征参量。传统的植被覆盖度是指一定尺度下所有植被(乔、灌、草)覆盖的综合反映值,当考虑植被垂直方向的异质性,垂直尺度的乔、灌、草覆盖度提取为定量化准确衡量生态环境、全球气候变化等领域提供更具有生态意义的植被参量。目前,遥感大面积估算水平尺度乔、灌、草覆盖度已有比较成熟和可靠的算法,主要方法有：植被指数法、回归分析法、分类决策树法、神经网络法、像元分解模型法、物理模型反演法等,其估算精度基本能达到应用要求。植被垂直方向的异质性给垂直尺度乔、灌、草覆盖度遥感提取带来较大挑战,垂直尺度上的乔、灌、草覆盖度遥感提取的研究在欧美等国已经有了一定规模的开展,在国内则处于起步阶段。遥感提取垂直尺度乔、灌、草覆盖度的主要手段有：激光雷达（LIDAR）、多角度遥感以及两层结构冠层反射模型反演。综述了水平尺度和垂直尺度上乔、灌、草覆盖度遥感提取的最新进展,比较和分析主要的遥感提取方法、模型和现存的一些问题,并对未来的研究发展趋势进行了展望。     

临近空间重力波强扰动的卫星观测研究进展

重点综述了近年来利用MODIS,AIRS,AMSU,MLS,DNB,COSMIC,HIRDLS以及SOFIE等卫星资料分析和研究大气重力波波动的若干研究进展,并简要概述了相关的地基观测结果以及数值模拟研究,列举了卫星观测与地基观测和数值模式在大气重力波分析中的联合应用结果。总的来说,卫星遥感资料在临近空间环境特性研究中发挥着重要作用,与其他资料联合起来可分析不同波源激发波动的尺度,不稳定条件与波动发生和波动形态的关系,波动在气候过程中的作用,波与波之间的相互作用以及波流相互作用等。     

黄河源区陆面过程观测和模拟研究进展

陆面过程对黄河源区水资源变化有重要的影响,探索黄河源区陆面过程和水分循环特征的关联机理有十分重要的意义.首先简述了黄河源区气候变化背景和陆面过程的基本特征,并详细介绍了近年来在黄河源区开展的一系列陆面过程野外观测试验及相关研究主题和研究进展;进一步给出了在野外试验观测资料分析、卫星遥感、数据同化应用和数值模拟等方面取得...     

陆面过程中植被的描述及其卫星遥感反演——从定性描述向定量描述的发展

植被在陆面参数化方案(Land Surface Parameterizations, LSPs)中的描述经历着从定性描述向定量描述发展的过程.这一方面是由于陆面过程研究的深入,另一方面则得益于地表植被信息获取方式的进步,尤其是卫星遥感技术的发展.对三代LSPs中的植被描述做了简要概述,并介绍了卫星遥感在植被参数反演上的发展和应用情况.其中包括:①定性描述,主要指地表覆盖类型的描述方式;②部分参数定量描述,指SiB2等模式中对LAI等时空变化较大的少数参数由卫星资料直接反演的赋值方式;③植被特征连续分布(VCF)定量描述,一种完全定量的描述方式.     

城市陆面过程与边界层结构研究

通过城市边界层观测、卫星遥感以及城市边界层数值模拟等途径,获取对城市陆面过程特性的认识,研究建立精细城市边界层模式,引入合理城市区陆面过程参数化方案,并进行城市边界层结构影响研究。研究结果表明：①城市下垫面能量平衡过程迥异于自然地表,引入合理的参数化方案是改善数值模拟性能的关键。②高分辨卫星观测信息是认识城市地表参数状况及其变化的有效途径。 ③人为热排放参数化方案的合理引入是准确描述地表能量平衡过程的又一重要课题。需根据实际情况确定人为热排放的引入方案及量值变化。④应从合理描述城市建筑物下垫面对热力输送及大气动力场的影响出发,研究建立了多层城市冠层模式。⑤应建立更完善的多尺度城市边界层模式系统并引入更新的城市效应参数化方案和数据同化处理,以增强并完善城市边界层数值模拟能力。     

数字黑河的思考与实践4:流域观测系统

数字化的流域观测系统是数字流域的重要组成部分.①首先介绍了水循环卫星遥感和地面观测的最新进展,以及航空遥感在流域观测中的重要作用.②介绍了对于流域观测系统的构想.认为流域观测系统应兼顾陆面过程、水文、生态观测的不同空间尺度和时间尺度,监测与控制试验并重,地面与遥感配合,重视采样设计,重视新兴观测手段,与信息系统扣模型高度集成,科学目标导向,模型需求驱动.③黑河流域观测系统由位于流域上中下游不同景观带的野外研究站、综合观测试验以及气象水文业务化观测网络组成,在流域内先后开展了HEIFE实验、金塔试验和黑河综合遥感联合试验.④介绍了对于流域观测系统的进一步构想:增强遥感观测能力是关键,集成遥感、地面观测和模型模拟才能更好地定量估计水循环,流域观测系统应和信息系统、综合模型等共同构成流域科学研究的信息基础设施,更好地为流域科学服务.     

基于GRACE重力卫星的甘肃北山地区地下水储量变化规律研究

作为我国高放废物地质处置预选区之一的甘肃北山地区,其地下水动态规律研究对于安全地地质处置有着重要的意义。重力反演与气候实验卫星(GRACE)数据可从网上免费获取,为分析区域地下水运动规律提供了可能。利用GRACE数据和全球陆面同化系统(GLDAS)数据反演了甘肃北山地区2003—2012年的地下水储量变化。结果表明:2003—2012年间甘肃北山区域地下水储量变化呈约0.26 cm/a下降趋势,且由西向东方向,地下水储量变幅呈减少趋势;区域地下水储量变化与同时期的降雨量关系不大。采用的基于GRACE-GLDAS的反演方法对于缺乏地下水动态监测数据的区域尺度地下水动态变化分析具有较大的应用潜力。     

TRMM降水产品在天山及周边地区的适用性研究

资料稀缺地区的面雨量估算是水文学研究中的热点和难点问题。遥感逐渐成为解决这一问题的重要手段。拟以天山及周边地区为典型区,利用TRMM降水资料,探讨其适用性。利用研究区2000~2010年TRMM数据与区域内21个气象站的站点观测数据进行对比分析,通过不同时间尺度(月、季、年)和空间尺度的差异对比分析表明,在时间尺度上,相关系数均在0.7以上;在空间尺度上,其相对误差大部分在-40%~40%之间;最后对二者进行多项式拟合,确定性系数均在0.7以上,达到了显著相关水平。表明TRMM降水数据在天山山区有很好的适用性。研究结果对干旱区无资料区的水文过程研究具有重要应用价值。