考虑干旱水分胁迫的地表通量遥感估算

为提高地表能量平衡系统（SEBS）模型在干旱水分胁迫条件下估算地表通量的精度,引入归一化植被水分指数（NDWI）作为干旱水分胁迫信息,以线性、指数、S曲线3种不同形式结合到SEBS模型的kB-1系数中,使得kB-1随着水分胁迫的增加而减小,从而提高SEBS模型估算地表通量的精度。以黑河流域盈科绿洲为研究区域,选取2008—2009年的气象和通量观测数据对模型进行标定和验证。研究结果表明:存在干旱水分胁迫时,与原始SEBS模型相比,考虑干旱水分胁迫信息的SEBS模型能够更为准确地估算地表通量。这种方案能够较为有效地改善原始SEBS模型低估感热通量高估潜热通量的现象,将感热通量的偏差减小35 W/m2,潜热通量的偏差减小25 W/m2。     

考虑干旱水分胁迫的地表通量遥感估算

为提高地表能量平衡系统(SEBS)模型在干旱水分胁迫条件下估算地表通量的精度,引入归一化植被水分指数(NDWI)作为干旱水分胁迫信息,以线性、指数、S曲线3种不同形式结合到SEBS模型的kB-1系数中,使得kB-1随着水分胁迫的增加而减小,从而提高SEBS模型估算地表通量的精度。以黑河流域盈科绿洲为研究区域,选取2008—2009年的气象和通量观测数据对模型进行标定和验证。研究结果表明:存在干旱水分胁迫时,与原始SEBS模型相比,考虑干旱水分胁迫信息的SEBS模型能够更为准确地估算地表通量。这种方案能够较为有效地改善原始SEBS模型低估感热通量高估潜热通量的现象,将感热通量的偏差减小35 W/m2,潜热通量的偏差减小25 W/m2。     

黑河流域山前绿洲水量转化模拟研究

利用数字高程数据、遥感解译成果、地下水和水文气象资料,建立了一个基于GIS网格的黑河中游山前绿洲地区分布式水文模型.模拟结果表明,黑河流域中游山前绿洲地带的降水几乎完全消耗于蒸散发,且大约70%的山区地表径流补给也消耗于蒸散发.蒸散发以中游森林为最多,草本植被蒸散发同植被覆盖度呈正比.天然植被覆盖度同降水量的多少呈正比,在当地气候条件下,降水是天然荒漠植被类型和分布的控制因子.     

基于涡动相关仪验证的SEBS模型对黑河中游地表蒸散发的估算研究

在我国西北干旱和半干旱地区, 农业收获主要依靠灌溉保证, 灌溉绿洲的蒸散发(ET)是当地水资源的主要消耗. 通过遥感估算区域灌溉绿洲的ET对于地区合理利用水资源极其重要, 利用MODIS/Terra 影像, 基于物理过程的地表能量平衡模型(SEBS), 结合WRF模式输出的气候驱动数据和地面观测数据来估算黑河中游地区的地表通量和日蒸散发(ET_daily). 估算的ET用不同下垫面的涡动相关仪观测数据进行验证, 结果显示: SEBS模型估算的不同下垫面的ET_daily具有很好的拟合效果(R²=0.96, P<0.001), 在灌溉绿洲估算的ET_daily比实测值偏高, 说明干旱、半干旱地区灌溉绿洲土壤水分胁迫是影响ET的主要因素. 模型估算绿洲作物生长期间的ET_daily和实测的ET_daily平均相对误差为12.5%, 精度在观测的能量不闭合误差以内且精度比戈壁和沙漠地区高.     

夏季黑河流域蒸散发量卫星遥感估算研究

依据空气动力学方法和蒸散发量时间尺度扩展方案,利用MODIS资料和气象资料,计算中国西北内陆河黑河流域复杂地形下,2004年夏季7月蒸散发量空间分布及总量。利用Landsat-5TM资料对比分析发现,估算地表水热传输过程时,采用高分辨率遥感资料的估算结果受下垫面非均匀性影响程度,明显小于采用中分辨率资料。通过"金塔实验"湍流观测资料验证表明,利用高分辨率资料估算日蒸散发量的相对误差在10%以内。对月蒸散发量计算分析表明,黑河流域海拔2000m以上祁连山区,7月平均蒸散发量是海拔2000m以下山前地区的2.2倍,而山前平原区绿洲(NDVI>0.10区域)平均蒸散发量又是荒漠戈壁地区的12.3倍。因此,流域中下游绿洲地区特别是农业灌溉区是夏季主要水资源消耗区。     

玛纳斯河流域山前平原区蒸散发时空异质性分析

玛纳斯河流域气候干燥、蒸发强烈,准确估算蒸散发量对地下水资源评价及生态环境保护具有重要指导意义。以往蒸散发研究空间分辨率较低,已不能满足各水文地质分区景观格局演变引起的蒸散发细部变化研究,针对以往不足,文章基于SEBAL模型利用Landsat系列影像估算了近30年来玛纳斯河流域山前平原区蒸散发,并进一步探讨不同水文地质分区蒸散发时空分布特征及影响因素。结果表明,蒸散量空间分布按照水文地质分区呈现明显带状性,各水文地质分区日蒸散总量表现为戈壁带<荒漠带<绿洲带,时间尺度上全区蒸散总量呈上升趋势,且增大幅度逐渐变缓,各分区呈现绿洲带蒸散总量递增、戈壁带及荒漠带蒸散总量先减小后增大,各分区蒸散总量变化趋势是由各分区主地物类型蒸散量变化控制;通过对影响因素的分析可知日蒸散发量随气温的升高而升高,各地物日均蒸散发量与全区平均气温变化趋势一致;归一化植被指数与日蒸散发量在戈壁带与绿洲带呈现较好的正相关关系;地下水位埋深与日蒸散发量在绿洲带呈负相关,当地下水位埋深大于5. 5 m时,日蒸散发量趋于稳定。     

基于水文模型的蒸散发数据同化实验研究

流域蒸散发定量估算一直是水科学领域的研究前沿,水文模型和遥感反演是当前估算区域蒸散发的常用手段。研究通过数据同化,集成水文模型和遥感模型的优势,耦合遥感蒸散发到水文模型中以实现多源数据下的蒸散发数据同化。选择北京市沙河流域为研究区,分布式时变增益水文模型作为模型算子,基于集合卡尔曼滤波同化算法,利用双层遥感模型模拟的蒸散发同化水文模型,并基于地面通量站观测的日蒸散发进行验证。结果表明,同化结果与观测数据相比平均绝对百分比误差较同化前减少,精度进一步提升,且当遥感观测输入频繁时精度改善明显。研究证明基于水文模型的蒸散发数据同化系统,是一种可实现输出精度更高和时序连续的区域蒸散发的新型模式。该成果将进一步丰富创新蒸散发估算的学科内容,为准确理解区域水循环规律提供科学依据。     

黑河流域不同下垫面水热通量特征分析

"黑河流域遥感—地面观测同步试验"在黑河上中游地区不同下垫面上建立了多个自动气象站和涡动相关仪及大孔径闪烁仪通量观测站。选取草地、森林及农田3种下垫面的观测资料,分析了水、热和CO2通量特征。结果表明:黑河流域内不同下垫面能量收支各分量(净辐射、感热、潜热和土壤热通量等)有明显的日变化特征;各通量观测站观测结果如季节变化趋势等差异明显,反映了不同下垫面地气交换特征的不同。黑河上游阿柔冻融观测站和中游临泽草地站两套大孔径闪烁仪(LAS)的观测与涡动相关仪有关结果有较好的对应关系。结合浅层土壤热储存量的计算等分析了地表能量平衡的闭合情况。LAS观测的感热通量一般大于涡动相关仪的测量值;两者的差异主要由下垫面的非均一性、通量贡献源区大小不同以及影响大气湍流通量观测的涡旋尺度不同等原因引起。     

基于LPJ模型的制种玉米碳水通量模拟研究

Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model(LPJ)模型是由Lund University,Pots-dam Climate Research Centre和Max-Planck-Institute for Biogeochemistry,Jena联合开发的植被动态模型,该模型以气候、土壤质地和CO2数据作为输入模拟植被与环境的碳水交换过程。为了利用高时间分辨率的输入数据,对模型的代码进行了改写。张掖绿洲盈科站位于干旱区绿洲典型的农田生态系统。应用其观测资料作为LPJ的输入,模拟了张掖绿洲制种玉米的碳水通量,并用涡动观测到的潜热和CO2通量验证蒸散发和NEE的模拟结果。结果表明LPJ模型能够较好地模拟制种玉米与环境之间的碳水交换,蒸散发(ET)的模拟值与观测值的R2为0.8;NEE的模拟值与观测值的R2为0.79。     

基于地表水循环遥感观测的黑河流域水平衡分析

流域内水循环各环节的水量及其时空分布是不断变化的,掌握流域水循环与水平衡状况是进行流域水资源合理开发利用的重要基础。以2000—2019年黑河流域水文显著变化期为研究时段,综合应用TRMM与GPM卫星观测的降水量、遥感估算的蒸散发量等数据并结合气象站点、水文站点等观测数据,对流域降水、蒸散发与径流等水循环要素的水平衡进行了分析。结果表明:祁连山区是主要产流区,向中游年均下泄水量约为45.11×108 m3。其中,消耗于中游的年均量约为29.92×108 m3,约占66%;补充下游的年均量约为15.19×108 m3,约占34%。民乐—张掖盆地是黑河中游水资源消耗的主要区域,年均消耗的上游来水和当地降水量达43.97×108 m3,约占中游消耗量的75%;中游农田蒸散发年均消耗水量约20.3×108 m3,占总消耗量的35%;上游区降水量增加是黑河干流出山口径流量增加的主因,对径流量增加的贡献率为96%,导致年均径流增加0.35×108 m3,潜在蒸散发对径流增加几乎没有贡献。根据目前黑河干流上游径流量变化与中游水资源消耗现状,如果未来水文周期变化导致上游径流减少,中下游用水矛盾凸显的风险较大。地表水循环遥感观测可作为流域水平衡分析的方法之一,分析流域地表水水资源的空间分布状况、揭示水资源变化趋势与原因,支撑水资源合理配置,陆面实际蒸散发是水平衡分析不确定性的主要来源,准确估测不同类型下垫面实际蒸散发量是提升分析可靠性的关键。基于互补相关的陆面实际蒸散发估算方法相对简单,但其中用于计算湿环境蒸散发量的Priestley-Taylor公式中乘性经验系数受地形影响空间变异很大,区域上采用统一数值会对结果造成不可忽视的影响。     

应用MODIS数据推估区域地表蒸散

通过"热增强"方法,充分利用MODIS数据的时间分辨率和空间分辨率的优势,基于对SEBAL模型改进的基础上,反演并验证了山东省的地表蒸散。结果表明,蒸散反演结果与实测值具有很好的一致性,日平均相对误差约为-11.34%。同时分析了研究区2005年和2006年不同土地利用/覆盖类型下蒸散的逐月变化规律,发现水域的月平均蒸散量最大,其次为水田,林地、旱田和草地基本相当,人工用地的月平均蒸散量最小。     

宁夏沿黄经济区蒸散量变化特征及水均衡方法验证

在干旱的内陆地区,蒸散是地表水和地下水主要的排泄方式之一,准确估算地表蒸散量为干旱区水资源合理开发利用、生态环境保护提供理论依据。基于MODIS遥感数据,应用SEBS模型估算了宁夏沿黄经济区2001—2014年的区域蒸散量,分析了其影响因素,并应用水均衡原理对蒸散量计算结果的可靠性进行了验证。结果表明:沿黄经济区的年蒸散量在2001—2014年间总体上是逐渐增加的,从2001年的434.27 mm增加为2014年的517.82 mm;研究区主要的蒸散量为耕地蒸散量,农业占据了全区近2/3的耗水量;SEBS模型与水均衡原理计算的蒸散量结果吻合度较高,很好地验证了SEBS模型计算区域地表蒸散量的可靠性。     

Simulation Experiments of Land Surface Physical Processes and Ecological Effect over Different Underlying Surface

Based on the existing Land Surface Physical Process Models(Deardorff, Dickinson, LIU, Noilhan, Seller, ZHAO), a Comprehensive Land Surface Physical Process Model (CLSPPM) is developed by considering the different physical processes of the earth‘s surface-vegetation-atmosphere system more completely. Compared with SiB and BATS, which are famous for their detailed parameterizations of physical variables, this simplified model is more convenient and saves much more computation time. Though simple, the feas...     

黑河中游间作灌溉农田的能量平衡

利用布设在黑河流域中游的张掖绿洲区的一套自动气象观测系统在2004年作物生长期内的完整资料,分析了黑河中游春小麦和玉米间作农田生态系统的辐射收支,在此基础上选用波文比能量平衡法(BREB)进行了能量平衡计算.结果表明:间作作物-土壤系统截获的太阳短波辐射占太阳总辐射的比例从生长初期的0.81持续增加到生长末期的0.86;净辐射在生长初期较小,生长中期第一阶段增幅大,至第二阶段达到最大,生长末期降低;净辐射占太阳总辐射的比例与净辐射的变化相似.能量平衡中,净辐射的消耗以潜热为主,占70%左右,感热能量占20%,土壤热通量占净辐射总值的10%.不同生长阶段的能量平衡差异较大,能量平衡在不同生长阶段呈现出不同的日变化特征.     

The changes of vegetation cover in Ejina Oasis based on water resources redistribution in Heihe River

The Ejina Oasis (EO), located in arid northwest China, is a typical arid area in the world. The ecosystem in the oasis has become worse since the 1990s. However, it began to improve after the Chinese government took the mandatory measure to redistribute the water in Heihe in 2000. To understand this change, the remote sensing images in 1990, 2000 and 2006 were selected, and exertion related Land Use/Cover Change (LUCC) model was employed. Results showed that: (1) non-vegetation cover was the main body of the vegetation cover in oasis, showing a trend of increase at the beginning and diminution later, while low, medium and high vegetation cover was the other way around; (2) the area of low, medium and high vegetation cover in 2006 was less than that in 1990; the status and trend index P _t of oasis vegetation cover was 0.62 in 1990–2000, which means that the oasis ecosystem of Ejina was getting worse and was under an unbalanced status; P _t was 0.27 in 2000–2006 indicating that the oasis ecosystem was restored obviously and the whole system tended to be balanced; (3) all of these changes should be attributed to the water resources redistribution in Heihe River, which played a leading role, as well as the measures and relevant policies taken by the local government, which promoted the rapid recovery of the medium and high vegetation.     

基于SEBS模型和Landsat 8数据的黑河下游蒸散发时空特性分析

对黑河下游地区蒸散发量的估算及其时空特性的研究,有助于进一步了解流域水循环,合理利用水资源,防止生态环境进一步恶化。利用SEBS模型估算了黑河下游额济纳绿洲2014年15天的日蒸散量,将SEBS估算的日蒸散与不同下垫面5个站点的EC实测值进行对比,其均方根误差和确定性系数分别为1.2 mm、0.85（5个站点）,0.5 mm、0.96（2个站点）,表明SEBS模型的结果是合理的,可以适用于黑河下游额济纳绿洲地区的地表蒸散量的估算。同时分析了黑河下游蒸散发的时空变化规律,结果表明,黑河下游额济纳绿洲地区,蒸散发在时间上存在明显的季节变化规律：夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季;空间上呈现明显的沿河分布的趋势。不同土地覆被类型蒸散发有相似的季节变化特征,但其季节变化幅度并不相同,规律为：水体 > 耕地 > 灌丛地 > 草地 > 裸土地 > 沙地。     

Estimation of surface soil water content from surface temperatures in dust source regions of Mongolia and China

Surface conditions, such as surface roughness and soil moisture, control wind erosion and dust emission in northeast Asia. Data on spatial and temporal changes of surface soil water content are needed for dust-modeling systems used to predict dust events with the aim of preventing damage from them. A modified temperature-vegetation dryness index (MTVDI) was tested to see if it could reproduce surface soil water contents measured during the dust event season in Bayan Unjuul, Mongolia, and Shenmu, China. MTVDI was calculated from land surface temperature and aerodynamic minimum and maximum surface temperatures estimated from meteorological data. The standard deviation of the error of estimations of soil water content from MTVDI was ±1.5% in Bayan Unjuul when soil water content was lower than 4%. This compares favorably with the observational error of ±1% of the soil moisture sensors used.     

评估两类模式对陆面状态的模拟和估算

针对夏季土壤变干过程,利用观测系统模拟试验,比较离线的陆面模式(LSM)和耦合大气边界层的陆面模式(SCM)对土壤温度、湿度和地表热通量等陆面状态的模拟,然后借助数据同化方法,评估2类模式对陆面状态的估算能力.结果显示:2类模式除对地表长波辐射和感热通量的模拟差别较大外,对其余量则较小;只同化表层土壤湿度观测时,LSM对土壤湿度和感热通量的估算好于SCM,对土壤温度的估算则相反,而对潜热通量估算的差距很小;同时同化表层土壤温度、湿度观测会使地表热通量的估算差距增大;最后对2类模式不同表现的可能原因进行分析讨论.上述数值模拟和同化结果:当用某一类模式的模拟结果或同化产品为另一类不同模式提供初边界条件时必须注意它们之间的差异,避免出现输入量引起的模式状态量间的动力不协调现象.