利用NOAA/AVHRR数据获取地表特征参数的方法研究

地表特征参数的正确与否直接影响到区域陆面蒸散量估算精度,因此在区域非均匀陆面蒸散研究中,地表特征参数的获取方法是一个值得探讨的问题．与传统的方法相比,卫星遥感技术在求取地表特征参数时有其独特的优势．NOAA气象卫星AVHRR资料以其时间分辨率高、覆盖面广、价格低廉等优点广泛应用于非均匀陆面蒸散研究和应用中．本文建立了NOAA／AVHRR计算地表特征参数的参数化模型,选取中国东北松嫩平原西部地区2000年7月8日的AVHRR资料,试算了研究区地表温度、地表发射率、地表反照率、NDVI等主要地表特征参数,并且参照2000年研究区土地利用数据对各参数的空间分布特征及合理性进行了分析。     

应用EOS/MODIS卫星资料反演与估算西北雨养农业区地表能量和蒸散量

应用定西地区的陆面过程野外观测资料和四次EOS_MODIS卫星资料,对典型的西北半干旱雨养农业区的基本地表特征参数进行反演,在此基础上对各能量通量和蒸散量进行估算,进而分别分析其季节和空间变化.结果表明：应用卫星数据估算的各参量的相对误差基本都在20%以内,其空间和时间变化基本反映了当地的实际情况;区域各通量和日蒸散量分布极不均匀,表现为四季相差比较大的单峰型变化特征,冬季最小、其次是秋季、夏春两季最大;与面积较大的中、低植被覆盖度区域相比,小范围的高植被覆盖度区域的地表净辐射、潜热和日蒸散量相对较高,土壤热通量和显热通量相对较低,并且都在春、夏季节表现得更加显著.低、中植被覆盖度区的各能量通量的季节变化不显著的特征反映了半干旱西北雨养农业区土壤的干土层相对比较厚的特征.     

基于遥感的鄱阳湖湖区蒸散特征及环境要素影响

蒸散是湖泊湿地生态系统水循环的重要组成部分,研究湖区地表蒸散量的时空变化对了解鄱阳湖湖区水量平衡关系具有重要意义.本研究基于MODIS数据,应用地面温度-植被指数三角关系法反演2000-2009年鄱阳湖湖区的实际蒸散量,分析湖区蒸散的时空分布特征及主要气象因子对流域蒸散的影响.结果表明:2000-2009年鄱阳湖湖区年蒸散量在685~921 mm之间,平均年蒸散量为797 mm,最大蒸散量出现在2004年.2000-2009年多年平均水体蒸发量为1107 mm,高于湖区植被蒸散量(774 mm).湖区汇水区域中蒸散量占降水的平均比例为55%,是水量平衡的主要支出项,径流系数约为0.45.湖区蒸散主要受辐射和气温的影响,月蒸散量与气温呈显著的指数相关,2007年蒸散量对温度的关系最为敏感.降水量距平与蒸散量距平的关系除2007年呈显著负相关外,其他年份相关性不显著.鄱阳湖湿地蒸散与湖泊水域面积总体呈正相关,但在水文干旱严重的2006年,当水域面积<30%时,蒸散速率随水域面积增加而减小.     

陆面蒸散对气候变化的影响

利用含有较真实的陆面过程的GOALS/LASG陆气耦合模式, 分别进行亚洲/北美洲陆面蒸散的敏感性试验来研究陆地与大气环流的相互作用. 模拟结果表明：模式气候对地表蒸散的变化是极其敏感的. 尤其是亚洲地表蒸散的变化将引起极为显著的气候效应, 若地表无蒸散将使气候在一定程度上变暖变干; 此外, 陆面蒸散的异常还通过季风降水的变化和 β 效应进一步影响副热带高压的形成和变异; 进而造成北半球甚至全球大气环流发生显著变化. 因此, 除了传统观点使人们很重视副热带高压活动对我国东部大陆夏季降水的影响以外, 陆面蒸散的异常通过季风降水的变化也会对副热带高压的活动产生明显影响. 由此, 夏季陆面蒸散及其水汽相变所致的大气内热源的变化是影响天气和气候的一个重要外强迫.     

近30年中国陆地表层干湿状况研究

在论述最大可能蒸散概念和模型的基础上, 根据中国实际状况对其进行辐射项的修正; 利用全国616个气象台站1971~2000年的气象资料, 计算我国各气象台站近30年的年平均和植物生长季(4~10月)的最大可能蒸散和干湿指数, 应用ArcGIS内插方法得到最大可能蒸散和干湿指数的全国分布图. 结果表明, 全国最大可能蒸散年平均400~1500 mm,大部分地区为 600~800 mm, 植物生长季的最大可能蒸散为350~1400 mm, 与年平均相比大体减少200mm. 干湿状况按1.0, 1.5和4.0为界划分为湿润、半湿润、半干旱和干旱类型, 大部分站点生长季的干湿状况比全年平均状况好. 分析和对比干湿指数分布图和降水量与植被分布图, 结果显示较好的一致性. 因此应用修正的Penman-Monteith模型计算最大可能蒸散, 综合考虑水分收支平衡的干湿指数更能准确说明我国陆地表层的实际干湿状况.     

长江流域近50年降水变化及其对干流洪水的影响

根据我国长江流域气象观测站近42年的资料,分析了整个流域年和季节平均面雨量、暴雨日数和暴雨量的变化特征,以及降水对流域径流和洪水的影响.长江流域年和夏季平均面雨量存在明显的年际和年代变化特征,也表现出比较显著的趋势变化特点.大部分测站年平均面雨量呈增加趋势,夏季和冬季平均面雨量的增加趋势尤其明显;秋季平均面雨量呈显著下降趋势.同时,年和夏季暴雨日数和暴雨量也在较大范围内呈显著增加趋势.长江流域的降水对干流平均流量具有重要影响.1973年、1983年和1998年的洪水主要是由明显高于平均的流域面雨量引起的;长江下游平均流量变化趋势也同流域年平均面雨量、夏季平均面雨量变化趋势基本一致,特别是70年代末以来,下游平均流量和流域面雨量的上升趋势更加明显,并同时在1998年达到最高值.长江流域大的丰水年一般对应El Nino年或El Nino次年,表明E1 Nino对长江较大洪水可能具有一定影响.     

塔里木河下游荒漠河岸林蒸散规律及其关键控制机制

干旱区内陆河下游荒漠河岸林带蒸散耗水规律及其控制机制是内陆河流域下游水资源管理的重要科学基础.本研究对塔里木河下游两种典型河岸林群落胡杨群落和柽柳群落的地下水、土壤水和地表蒸散过程进行了连续观测.结果发现河岸林带生长季的蒸散过程季节趋势受到植被物候期的控制,非生长季蒸散微弱;蒸散日过程是大气要素综合影响的结果,与参考蒸散显著线性相关;蒸散的空间格局则受到植被叶面积指数的控制,植被盖度越大,蒸散量越大;地下水是地表蒸散的水分来源,浅层土壤水参与水循环微弱;胡杨和柽柳蒸散过程特征一致,但胡杨耗水能力高于柽柳.进一步分析表明,植物蒸腾是地表蒸散的主体,土壤蒸发占地表蒸散的比例很小;地下水位是控制干旱区荒漠河岸林水循环的关键因素,它通过影响植物生长和植被盖度来影响荒漠河岸林带地表蒸散过程和蒸散量;采用地下水位,而不是土壤含水量定量表达荒漠河岸林水分胁迫过程更为合适.基于揭示的水分运动和蒸散规律,系统描绘了一个表达干旱区内陆河下游河岸林带水循环过程控制机制的概化框架,并描述了一个简单实用,能满足内陆河水资源管理需要的荒漠河岸林需水量估算模型.     

基于卫星遥感资料的中国区域土壤湿度EnKF数据同化

土壤湿度在陆气相互作用过程中扮演着重要的角色,是气候、水文、农业、林业等研究中重要的地球物理参数之一.土壤湿度影响地面蒸散,径流、地表反射率、地表发射率以及地表感热和潜热通量,从而对气候有重要影响,它对大气的影响在全球尺度上仅次于海面温度,在陆地尺度其影响甚至超过海面温度.本文介绍了基于EnKF及陆面过程模型的中国区域陆面土壤湿度同化系统（CLSMDAS,China Land Soil Moisture Data Assimilation System）,以及该系统应用于中国区域陆面土壤湿度同化试验的结果.CLSMDAS包括以下几个部分：1）陆面模式采用美国国家大气研究中心NCAR的陆面过程模型Community Land Model Version3.0（简写为CLM3.0）;2）大气驱动场数据中的降水和地面入射太阳辐射数据来自FY2静止气象卫星每小时产品;3）陆面数据同化方法采用EnKF（Ensemble Kalman Filter）同化方法;4）观测数据包括AMSR-E卫星反演土壤湿度产品以及地面土壤湿度观测资料.利用CLSMDAS对2006年6~9月的土壤湿度同化试验结果的分析表明：陆面模式模拟和同化结果都能比较合理地反映出土壤湿度时空分布,同化的土壤湿度分布与2006年8月重庆、四川发生建国以来最严重的夏伏旱有非常好的对应关系,与发生在9月的湖北东部、广西南部等地的干旱区也有非常好的对应关系.     

基于CMIP5模式鄱阳湖流域未来参考作物蒸散量预估

预测未来气候情境下鄱阳湖流域参考作物蒸散量(Reference crop Evapotranspiration,ET0)的时空分布可为流域水资源的优化管理,为科学应对气候变化对农业生产的影响提供基础数据支撑.利用鄱阳湖流域14个气象站点1961-2014年逐日气象数据,采用Penman-Monteith公式计算出历史ET0;基于同期美国环境中心(NCEP)再分析数据及2006-2100年CMIP5中CNRM-CM5模式在RCP4. 5和RCP8. 5情景下的预测数据,经统计降尺度模型(statistical downscaling model,SDSM)模拟和偏差校正,预测流域未来ET0;通过Mann-Kendall检验、普通克里金插值和空间自相关法分析了流域1961-2100年ET0的时空演变特征.结果表明:NCEP再分析资料与流域ET0建立的逐步回归降尺度模型模拟效果较好,CNRMCM5模式降尺度模拟结果经偏差校正后,精度明显提高,适宜流域未来ET0的预估.鄱阳湖流域在基准期1961-2010年ET0整体上呈减小趋势,空间分布上呈南北高、中间低的特点,表现出明显的空间差异性.RCP4.5、RCP8.5情景下未来3个时期鄱阳湖流域ET0较基准期均呈不同程度的增加趋势,其空间分布整体表现为东高西低、局地略有突出;无论是在基准期或是未来情景下的3个时期,ET0均具有较强的空间自相关性.在RCP8.5情景下,鄱阳湖1961-2100年干旱指数呈现出较为明显的上升趋势,流域的干旱状况随时间加剧,2011-2100年间流域绝大部分地区由湿润区转为半湿润区,干旱指数自南向北递减,赣江流域将是鄱阳湖流域未来干旱风险的重点防范区.     

洞庭湖流域气候变化特征(1961-2003年)

以22个气象站1961-2003年的气象观测数据为基础,对洞庭湖流域的气温、降水和参照蒸散量进行趋势与突变分析．从1970年开始,洞庭湖流域经历了一个缓慢而稳定的增温过程,1990s发生突变进入快速增温时期;尤其是是在春、冬季节,这种突变式的增温特征非常显著;秋季持续而稳定增温,而夏季气温并无明显变化．进入1990s,洞庭湖流域降水有明显增多,尤其是夏季降水突变式增加;与此同时,夏季暴雨频率也突变式增大,但是暴雨强度并无明显变化．1900s迄今,参照蒸散量持续而稳定的减少,夏季减少量尤为显著．全球变暖的区域响应,驱动洞庭湖流域水循环速度加快,夏季降水增多,而蒸发能力减弱,这是1990s洞庭湖流域洪水频发的主要气候因子．     

城市地表潜热通量数值模拟方法研究

近年来,中尺度气象模式中城市建筑物影响的数值模拟方法日趋完善,城市地表潜热通量数值模拟方法是目前城市地气耦合研究面临的瓶颈问题之一.采用北京325 m气象塔140 m高度处的能量平衡观测资料,用陆面-单层城市冠层耦合模式进行了一年连续的离线模拟.根据模式对城市下垫面潜热通量模拟的系统性误差较大的特点,基于观测资料研究了城市下垫面潜热通量的数值模拟方法.采用观测分析与城市陆面模式相结合的方法,求出了城市中绿地的绿洲效应系数、城市不透水下垫面水份有效率的时间变化公式以及人为潜热排放的日变化曲线和四季最大值,可直接应用于城市陆面模式,有效提高了模式的整体模拟性能.该方法对其他城市地区有一定的参考意义.     

百米级气象数值模拟研究进展与展望

21世纪开始,随着天气气候模式和超算机计算能力的发展,加之气象精细化预报服务需求日益增长,气象数值模拟迈入“百米级”发展阶段.本文系统回顾并归纳了近20年来百米级气象数值模式研发和模拟应用两方面的研究进展.重点关注百米级大气模式资料同化和浅积云对流、云微物理、边界层和城市陆面等物理参数化方案的研发进展,以及模式对天气系统、边界层特征、降水、雾和城市化效应的模拟研究.基于百米级模式的研发和应用现状,指出该研究领域的五个重点发展方向,包括有限域高分辨率资料同化方法、云和边界层作用反馈、百米级城市陆面模式、人工智能方法对参数化方案的改进、模式分辨率与计算资源的平衡配置,以期为系统开展百米级气象数值模拟研究与应用提供参考.     

半干旱区关键地表参数的估算及其对地气通量模拟的改进

陆面过程模式中有关土壤水热传输、植被冠层和空气动力学等过程的关键参数的不确定性严重制约着地表-大气相互作用模拟能力的提高.本文利用架设在我国吉林通榆和甘肃榆中典型半干旱区陆-气相互作用野外试验站的观测资料,结合大气边界层理论,利用多种方法系统估算了上述试验站地表空气动力学粗糙度(z0m)以及热传输附加阻尼(?B?1)的量值.结果表明,z0m在半干旱区具有明显的季节变化和年际变化特征,且在植被低矮的下垫面与现行通用的陆面模式中的默认值相差较大;而?B?1的日变化和季节变化特征明显.将修正后的z0m和?B?1参数化方案引入陆面过程模式,发现能够明显改善模式对于半干旱区地表感热通量的模拟能力.这些结果说明有必要进一步结合半干旱区的野外观测试验对陆面模式在该地区的缺省参数设置进行更广泛的评估,而基于外场观测试验和大气边界层理论估算的关键地表参数对于改进陆气相互作用的模拟体现出较大的应用潜力.     

滇池流域水污染特征(1988-2014年)及防治对策

为明确滇池流域水污染特征并提出有针对性的污染控制对策,对流域污染变化规律及其组成和空间分布特征进行分析.研究表明,近二三十年,滇池流域点源污染负荷的产生量和削减量显著增加,入湖量有所削减;城市面源入湖量随建成区面积的扩张而持续上升;农业面源入湖量在1990s出现峰值,随后下降.目前,滇池流域化学需氧量主要来源于城市面源;总氮主要来自污水处理厂尾水;总磷主要来自农业面源和未收集的点源;各控制单元入湖污染负荷已基本演变为以未收集的点源和城市面源为主.针对流域目前存在的问题,应继续坚持点源污染治理,高度重视城市面源污染治理,加强农业面源治理,进一步完善流域截污治污体系,为滇池水质改善创造条件.     

青藏高原单点陆面过程模拟试验

利用青藏铁路北麓河试验2002年6月的大气资料作为陆面模式的强迫场, 研究陆面过程模式(NCAR/LSM)在高原地区的模拟能力. 模拟结果表明, 在观测资料的强迫下, NCAR/LSM能够较好地模拟出地表特征量的变化趋势. 在LSM模式中青藏高原地区的地表植被类型描述与实况存在较大差异, 根据实际地表特征, 我们定义北麓河地区草原植被覆盖度为0.6, 叶冠高度为0.15, 位移高度为0.10. 通过对比试验发现, 修正模式参数后, 模拟的地面气温和地表温度日变化更接近于观测值, 对温度峰值模拟有较好改善. 地面通量模拟也有一定改善. 所以, 修正LSM模式中高原地区的地表及植被描述参数, 可以有效地提高陆面过程模式在青藏高原地区的模拟性能.     

1960年以来气候变化与人类活动对鄱阳湖流域生态径流改变的影响

基于鄱阳湖流域五河水文站1960-2013年逐日径流量和14个国家级气象站的日气象数据,本文利用长短记忆模型框架构建神经网络模型来开展鄱阳湖流域的径流过程模拟,结合生态赤字与生态盈余等生态径流指标,定量分析了鄱阳湖流域的水文变异特征.同时,利用差异化的情景模拟方式,定量区分了人类活动和气候变化对鄱阳湖流域生态径流变化的...     

中国海陆及邻域大地构造格架图编制

20多年来,中国海陆及邻域的地质地球物理调查在不断进步,尤其是海域取得很多新认识,但中国海陆及邻域的大范围编图,尤其是大地构造图,没有随之更新;中国海陆的编图还一直存在海陆不接、海域编图相比陆域落后的问题;亟需编制一幅中国海陆及邻域的大地构造图.1992年编制的"中国海域及邻区地质地球物理系列图"的大地构造图,运用以活动论为内涵的全球构造理论作为指导思想,对中国海区及邻域的大地构造特征做出了较好的诠释.最近,中国海陆地质地球物理系列图编制项目,把1:500万中国海陆及邻域大地构造格架图作为图种之一.在全球构造理论基础上发展而来的块体构造学说,作为本次编图的指导思想,根据其大地构造体系,板块和板块边界作为一级构造单元,块体和结合带(缝合带等)作为二级构造单元,结合系列图中重力图、磁力图、地质图等图件成果,以及最近的其他调查研究资料,完善了对特提斯在南海周边的界线、东海陆架的基底构造属性等认识,在研究区内共划分出了欧亚板块、菲律宾海板块和印度-澳大利亚三大板块,6个板块边界构造单元,30个块体、14个结合带和10个缝合带.     

抚仙湖集水域地表径流入湖水量模拟

采用适用于无资料流域、参数较少的SCS模型计算抚仙湖集水域地表径流量.模型考虑了集水域下垫面条件的空间差异,利用Maplnfo/Arc view软件按照土地利用方式与土壤类型的不同,把集水域划分为若干个水文响应单元,分别计算产流量,较准确地模拟了入湖径流量.通过对梁王河流域和大鲫鱼沟流域实测降雨径流资料的分析与反演,提出了适合该区域的产流计算CN值.在对CN值作坡度修正后再应用到其它无观测数据区域.通过模型计算得到的抚仙湖集水域2005年3月1日-2006年2月28日地表径流量为1.74×108 m3,陆面径流系数为0.395.模型为指导抚仙湖集水域径流观测及入湖污染物负荷的计算提供依据.     

流域蒸散耗水率对气候和下垫面变异响应关系的稳定性研究

气候条件的变异和流域下垫面特征的改变是影响流域蒸散耗水的重要因素。本文聚焦于1900 2008年间全球83个典型流域数据,基于Budyko水热耦合平衡方程,探究100多年间不同条件下流域蒸散耗水率（AET/P）对气候和下垫面特征变异响应关系的稳定性。结果表明：(1)从长时间尺度看,大部分流域蒸散耗水率与气候干燥指数（PET/P）和流域特征参数（n值）变异的响应关系呈现较强的时间稳定性。从短时间尺度而言,半湿润流域内蒸散耗水率对干燥指数的响应系数?（AET/P）/?（PET/P）在20世纪内持续降低。不同气候条件下蒸散耗水率对流域特征参数的响应系数?（AET/P）/?（n）的变化差异显著。分不同下垫面特征来看,低n值（n<2）流域内AET/P对n值的变化更为敏感;(2)气候条件（PET/P）是大多数湿润区内蒸散耗水率的主导因素,在干旱与半干旱流域内,下垫面特征参数（n值）对AET/P贡献最大。在湿润区内,PET/P对AET/P的贡献程度随时间小幅提升;半湿润区内PET/P对AET/P的贡献度呈下降趋势。在低n值（n<2;流域持水能力较弱）流域内,n值对AET/P的贡献更多。在...     

太湖流域营养物质输移模拟评估的初步研究

基于以太湖流域作为研究区,利用分布式机理性模型SWAT,对1995～2002年太湖流域营养物质输移进行了初步的模拟.模拟综合考虑了地形、土壤、气象、土地利用等流域自然特征并结合流域内工业点源排放、农业化肥流失、城镇农村居民生活与牲畜养殖排污等因素作为边界条件.利用2001～2002年流域的水文水质实测资料对模型的有效性进行了验证.结果表明太湖流域入湖的营养负荷,总氮每年在40000t左右,总磷在2000t左右.湖西区是太湖营养物质的主要来源地.非点源(面源)污染是湖泊总氮总磷流域输入的主要形式,其入湖量分别占外源入湖的53％和56％左右.工业点源排放的总氮总磷分别占入湖总量的30％和16％;生活污水以点源和非点源的形式提供了总氮31％和总磷47％的外源输入.农业化肥流失和养殖排污是值得注意的非点源形式的营养来源.此外还表明,SWAT是流域尺度营养物质输移时空演化模拟和趋势评估的一个有效模型.