我国黄土高原地区陆面能量的空间分布规律及其与气候环境的关系

我国黄土高原地区地处夏季风边缘,分布在气候和生态过渡带,气候环境的空间差异很大,对陆面能量的空间分布格局影响非常显著.然而,由于受该地区陆面过程观测站点较少的局限,对整个黄土高原区域陆面能量的空间分布规律及其影响机制的认识十分有限.在对CLM模式模拟的陆面能量平衡分量资料进行试验验证的基础上,利用CLM模式模拟的近30年黄土高原地区陆面能量平衡分量资料,分析了该地区近30年平均陆面能量平衡分量的空间变化特征以及与最干燥年和最湿润年的差异,研究了陆面能量平衡分量空间分布与经、纬度和海拔高度等地理因素及降水和气温等气候因子之间的关系.发现,黄土高原地区陆面能量平衡分量空间差异非常显著,地表净辐射和感热通量由南至北增加,潜热通量和土壤热通量从东南向西北减少;空间最干格点和最湿格点之间的地表感热、潜热和土壤热通量几乎相差1倍左右,地表能量分配由最干格点的感热通量主导转变为最湿格点的感热和潜热平分秋色;年际干湿波动对地表能量平衡分量的影响也相当显著,对感热和潜热通量的改变幅度最大接近30%.而且,经纬度和海拔高度等地理因素及温度和降水等气候要素均与陆面能量平衡分量空间分布有一定的相关性,但地表净辐射与海拔高度和纬度的关系更密切,感热通量与降水和纬度的关系更密切,而潜热和土壤热通量只与降水的关系比较密切.     

复杂下垫面地表土壤热通量算法改进:以黑河流域为例

地表土壤热通量是地表能量平衡的重要组成部分,对地表蒸散发的估算至关重要.利用土壤温湿度廓线观测资料基于热扩散方程计算地表土壤热通量,并通过冻土融化前后土壤液态水含量变化估算土壤含冰量,分析了土壤含冰量对土壤热通量的影响,旨在分析黑河流域典型下垫面(高山草地、农田和森林)地表土壤热通量的时空变化特征.研究结果表明:(1)黑河流域不同下垫面的地表土壤热通量有明显的日变化差异,日最大值时刻提前净辐射通量几分钟至几小时不等,这与土壤质地、湿度、热属性和植被覆盖度有关;(2)净辐射通量有显著的季节变化,一般夏季达最大值,冬季最小,地表土壤热通量也有明显的季节变化,但并不总是与净辐射通量变化保持一致,春季达最大值,夏季由于植被覆盖的原因反而降低;(3)地表土壤热通量占净辐射通量的比例因季节及下垫面不同而有差异,1月份月平均比值分别为:阿柔25.6%、盈科22.9%和关滩4.3%,7月份月平均比值分别为:阿柔2.3%、盈科1.6%和关滩0.3%;(4)冬季考虑了冰的热容量使得土壤热容量增加,土壤热存储增加,从而由热扩散方程计算的地表土壤热通量增加,使得能量平衡闭合率提高了4.3%.     

基于遥感信息的水平平流通量观测影响校正模型研究

能量平衡原理是遥感反演地表通量,波文比法计算地表通量的基础.但大量的观测数据表明,多数情况下,非均匀地表的地表能量是不闭合的,一方面是由于观测仪器的误差及各参量观测尺度差异造成的,更重要的则是由地表不均质性引起的水平平流效应导致的.因此,定量的估算水平平流效应对地表能量平衡的影响具有很重要的意义.以地表可供能量差、水分状况差异、风速和垂直空气温度梯度四个参数为基础,本文提出了一个基于遥感信息的水平平流通量观测影响纠正模型,其中引入了像元尺度与风浪区长度的关系.文章通过模拟计算,分析了模型中各参数对平流估算结果的影响,同时分析了水平平流的尺度效应问题.进一步,在地表实验数据的支撑下,给出了在农田下垫面情况下模型的验证结果.结果表明模型估算的能量变化率与实测的能量变化率有较好的相关性,经过纠正后的能量闭合状况有很好的改善.     

7种气象干旱指数的中国区域适应性

作为干旱问题的基础,干旱指数的确定一直是干旱研究的难点之一,至今尚没有统一的干旱指数能适用于广泛的干旱研究,因此研究干旱指数的区域适用性具有重要的科学意义.本文使用Gravity Recovery And Climate Experiment(GRACE)反演的陆地水储量、观测的土壤湿度和径流数据,评估了Palmer干旱指数(PDSI)、基于中国台站观测数据的修正PDSI(PDSI CN)、自矫正PDSI(scPDSI)、地表湿润指数(SWI)、标准化降水指数(SPI)、标准化降水蒸散发指数(SPEI)和气象观测数据驱动的陆面数值模式模拟的土壤湿度(CLM3.5/ObsFC)共7种干旱指数在中国的区域适用性.结果表明:scPDSI在中国地区的适用性最优,但其数值范围明显小于PDSI和PDSI_CN,需要制定新的旱涝等级分级标准.由于经验参数的代表性差,PDSI和PDSI CN在中国干旱区和湿润区的应用会存在一定的问题.SPI和SPEI在湿润地区的适用性较好,而在干旱半干旱地区的适用性较差.这是因为在干旱半干旱地区,SPI没有考虑气温异常的影响,因此结果偏湿;当采用Thomthwaite方法计算潜在蒸散时,SPEI会高估气温变化的影响,因此结果偏干.2000年之前,CLM3.5/ObsFC在中国区域的适用性较好,但2000年之后在干旱半干旱地区的适用性较差.在检测年尺度的干湿变化上,SWI与其他干旱指数表现出基本一致的年际与年代际演变特征.对于中国区域干湿变化的长期趋势,7种干旱指数的检测结果一致,均显示出明显的阶段性变化特征.但在量值上,不同干旱指数的检测结果存在明显的差异.这种差异既与指数自身的定义有关,也有气候变化有关.     

以微分热惯量为基础的地表蒸发全遥感信息模型及在甘肃沙坡头地区的验证

首先综合回顾了目前采用的地表通量遥感方法和途径.分析了现有遥感思路中不能摆脱非遥感参数的现实和困扰. 在实践的基础上, 建立了以微分热惯量为基础的地表蒸发全遥感信息模型. 其思路的关键是以微分热惯量提取土壤水分可供率而独立于土壤质地、类型等局地参数; 以土壤水分可供率推算波文比而摆脱气温、风速等非遥感参数. 并以净辐射通量和表观热惯量对土壤热通量进行参数化. 实现了以全遥感信息反演裸地蒸发(潜热通量)的目标. 应用接近最高和最低地表温度出现时刻的两幅NOAA- AVHRR 5个波段的影像图和地面同步观测数据, 作出了我国西北沙坡头地区的土壤蒸发的区域分布影像图. 同时以同步观测的地表蒸发值对影像图对应点的输出值进行了对比, 验证了本思路和模型的可行性, 并且讨论了本模型扩展到浓密植被区所能造成的误差和进一步改进途径.     

遥感热惯量反演表层土壤水的方法研究

提出了一种新的遥感热惯量模型, 并用其来反演表层土壤水. 此遥感热惯量模型只涉及到地表最高温度, 不需要求算地表温差值; 同时模型考虑到植被因素对土壤热惯量的影响, 在植被覆盖区使用了双层模型中的土壤热平衡方程, 使热惯量模型的应用范围由裸土和植被覆盖较少的区域扩展到植被覆盖较多的地区; 此外, 将地表显热通量和地表潜热通量引入到热惯量模型中, 提高了对表层土壤水的反演精度. 通过此热惯量模型反演了内蒙中西部西蒙地区的表层土壤水, 并与表观热惯量反演的土壤水进行了对比, 结果表明了此方法的优越性.     

中国东北半干旱区能量水分循环的同化模拟

使用地球观测系统的中分辨率成像光谱仪（EOS．MODIS）提供的归一化植被指数（NDVI）产品估算植被覆盖度和航天飞机雷达地形测绘任务（SRTM）制成的数字高程模型（DEM）数据遥感产品替换WRF模式默认的植被覆盖度和地形高度,并且利用WRF模式及其先进的三维变分同化系统（WRF．3DVar）循环同化东北半干旱区自动气象站近地面气象要素,对东北半干旱区的温度场、湿度场、风场和能量场的结构及其日变化特征进行了较为细致的模拟研究．通过4组数值模拟试验分别探讨了同化气象要素与改变模式地表参数引起的不同下垫面潜热、感热的分配关系和降水、土壤湿度变化弓f起的地表能量通量模拟效果,并利用通榆站、奈曼站、锦州站、和密云站2009年6-8月的通量观测资料与模拟结果对比检验．结果表明,WRF模式能够较好地模拟出东北半干旱区夏季的近地面温度、风向、净辐射、感热和潜热等要素的变化特征及日变化规律．同化试验（Case2）模拟的近地面气温、相对湿度、风速相比控制性试验（Case1）有所改善;陆面参数试验（Case3）和集合试验（Case4）改善了感热和地表热通量的模拟．WRF模式能较好地模拟出下垫面土壤湿度随时间变化的规律,集合试验（Case4）土壤湿度模拟结果与4个通量站观测值相比无太大差别,但降水的模拟有待改善．本研究利用卫星遥感资料改善模式下垫面陆面参数,利用气象资料同化改善近地面大气要素模拟精度,这是将各种不同空间和时间尺度的多源数据与数值模拟融合的有益尝试．此研究生成的东北地区资料同化数据集可用于气候变化、干旱监测等方面,对深入了解半干旱区气候的形成和维持机理具有重要的意义．     

黄土高原冬季湍流相干结构在地表能量平衡中的作用

地表能量不平衡问题是近40年一直困扰微气象学界的重要难题.本文利用黄土高原定西干旱气象与生态环境试验站的相关数据,通过将湍流分解为相干结构部分和非相干结构部分,在涡动相关法中引入相干结构(Coherent structure,简称为CS)的贡献,探讨了CS在地表能量平衡中的作用.研究发现：(1)CS出现频次高,间歇性显著,在30 min平均时间中出现的数目为38个,出现时间与未出现时间分别占40%和60%左右;(2)CS对通量影响显著,引入CS贡献后,白天垂直动量通量、感热、潜热和湍流通量(感热与潜热之和)等4个通量计算的准确性均获得显著提高,分别提高达26%(0.01 m²·s^-2)、24%(25.33 W·m^-2)、31%(6.23 W·m^-2)和30%(31.66 W·m^-2).而不考虑CS的传统方法对这4个通量低估达19%、22%、21%和23%;(3)CS对4个通量的贡献分别为36%、41%、33%和50%;(4)传统方法得到的地表能量平衡闭合率EBR只有0.76、能...     

基于双温度差分双源模型的遥感方法反演四川汶川地区的潜热通量

研究表明,在很多地震前都出现了潜热通量异常。文中基于Modis遥感数据,结合研究区(四川省汶川地区)的高光谱数据及地面观测的气象数据,利用一种简化的双层模型(双温度差分双源模型)反演显热通量,并通过地表能量平衡方程计算研究区的潜热通量。还探讨了该模型的特点,并对龙门山断裂带通过地区进行了潜热通量的遥感反演,发现在2008年5月12日汶川MS8.0地震前48h内,研究区内的震中地区、龙门山断裂周边地区潜热通量值出现了明显的高值,5月12日中午12时7分沿龙门山断裂带潜热通量值达到300～400W/m2,可能是汶川8.0级地震前的异常反应     

沙漠陆面过程参数化与模拟

沙漠地区植被稀疏、干旱少雨,其陆面物理过程具有与全球其它地区显著不同的特点.本文利用巴丹吉林沙漠观测资料,分析和计算了地表反照率、比辐射率、粗糙度和土壤热容量、热传导系数等关键陆面过程参数,建立了适合于沙漠地区的陆面过程模式DLSM (Desert Land Surface Model),并与NOAH陆面过程模式的模拟结果和观测资料进行了比较.结果表明:巴丹吉林沙漠地表反照率为0.273,比辐射率为0.950,地表粗糙度为1.55×10^-3 m,土壤热容量和热扩散系数分别为1.08×10⁶ J·m^-3·K^-1和3.34×10^-7 m²·s.辐射传输、感热输送和土壤热传导过程是影响沙漠地区地表能量平衡的主要物理过程.通过对这三种过程的准确模拟检验,DLSM能够较准确地模拟巴丹吉林沙漠地气能量交换特征;短波辐射、长波辐射和感热通量的模拟结果与观测值间的标准差分别为7.98,6.14,33.9 W·m^-2,与NOAH陆面过程模式的7.98,7.72,46.6 W·m^-2的结果接近.地表反照率是沙漠地区最重要的陆面过程参数,地表反照率增大5%,向上短波辐射通量随之增加5%,感热通量则减小2.8%.本文研究结果对丰富陆面过程参数化方案,改进全球陆面过程模式、气候模式具有参考意义.     

A remote sensing model for monitoring soil evaporation based on differential thermal inertia and its validation

To develop geosciences quantification and multi-dimensional researches will be an inevitable trend in the 21st century. The interaction between the land surface and the atmosphere not only serves as an important component in geosciences quantification, bu…     

陇东黄土高原下垫面不均匀性指标的建立及其对大孔径闪烁仪(LAS)观测感热通量的影响

目前定量研究下垫面不均匀性对大孔径闪烁仪(LAS)、涡动相关仪(ECS)观测感热通量差异的影响还比较少.本文利用黄土高原庆阳观测站2012年6、7月典型晴天两主风向范围E-SE和SW-W的陆面过程数据,在建立了下垫面不均匀性定量化指标的基础上,分析了下垫面不均匀性与地表温度变率的关系及其对LAS、ECS观测感热通量差异的影响.结果表明:庆阳站下垫面不均匀性大小η和地表温度变率г具有很好的相关性,相关系数达到0.566以上,证明了新建立指标的合理性.下垫面不均匀性大小η和LAS、ECS观测的感热通量差异HLAS-HECS具有很好的一致性,相关系数达到0.634.下垫面不均匀性对LAS和ECS的感热通量差异影响显著,下垫面越不均匀LAS和ECS测量的感热通量差异越大.对两主风向分别进行分析,在E-SE风向范围η和HLAS-HECS的相关系数为0.430,HLAS和HEC拟合的线性趋势系数为1.279,在SW-W风向范围η和HLAS-HECS的相关系数为0.680,HLAS和HEC拟合的线性趋势系数为1.297.下垫面不均匀性的影响程度越大,LAS和ECS观测的感热通量差异越大.     

中国大陆地震低活动异常及其在中期预测中的效能研究

在对中国大陆地震活动的分析研究中发现, 在某些大地震发生前的一、 两年中, 中国大陆往往出现地震活动显著平静的低活动异常。 本文应用最近100 a(1918—2017年)间5级以上地震资料, 分析地震低活动异常与未来一、 两年中国大陆地震活动的关系。 从M≥5.0地震的年频度、 年度最大地震震级、 6级以上地震的平静等方面建立了地震低活动异常的判据指标, 并从概率增益指数β、 预测效能比α、 地震预测R值评分等方面对地震低活动异常与未来大震关系作了多参数检验。 初步研究结果显示, 地震低活动异常与未来一、 两年中国大陆地震活动有一定的关系, 主要表现为其与8级左右(M≥7.8)巨大地震具有一定的相关性, 但其关联度较低, 概率增益指数β与预测效能比α为3左右, R值评分为0.2左右。 对于M＜7.5的地震, 地震低活动异常未显示, 其概率增益β, R值评分接近于0, 似呈现为近于随机关系。 M7.5是开始显示地震低活动异常与其有一定相关性的转折点。     

Discussion and reassessment of the method used for accepting or rejecting data observed by a Bowen ratio system

The Bowen ratio energy balance method often produces extremely inaccurate magnitudes of the flux due to resolution limits of the instruments. We analysed the criteria used for rejecting inaccurate data observed using a Bowen ratio system and the resolution limit of the sensors to analytically determine the reliable values of the Bowen ratio (β) and the latent and sensible heat fluxes. The formula used to calculate the error limit of the Bowen ratio (β) was corrected based on the theory of error analysis. An example was proposed for the common case with 0.2 °C resolution limit of temperature measurement and 0.08 kP_a resolution limit of water vapour pressure measurement, to show the steps of accepting or rejecting data observed by a Bowen ratio system. The acceptance or rejection of data observed by a Bowen ratio system is a dynamic process, which should be performed based on the excluded interval of the Bowen ratio and the qualitative relationships among the data observed by a Bowen ratio system. The excluded interval of the Bowen ratio can be structured based on the accuracy of the sensors used. Data are excluded first if they do not satisfy the qualitative relationships between the vapour pressure difference, the temperature difference, Bowen ratio, and the available energy, whereas the data in the rejection region range of the Bowen ratio are excluded second. It is necessary to improve the accuracy of the temperature and humidity probes to improve the acceptance rate for data collected using the Bowen ratio system, apart from improving the observed precision of available energy. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

赤道电离异常特征参量地方时梯度的日变化特征——Swarm卫星观测

Swarm A/C卫星在460 km左右高度伴飞,地方时差异5.6 min,为赤道电离异常(Equatorial Ionization Anomaly,EIA)研究提供了一个绝好的观测机会.本文利用Swarm A/C卫星2014—2017年期间的电子密度观测数据,研究了地磁活动相对平静期EIA特征参量地方时梯度的日变化特征.分析发现:(1)EIA驼峰强度和位置的地方时梯度,ΔNe和Δβ,在正午前随地方时线性减小,午后达到极小值;傍晚前后,二者先增大后减小.该日变化特征在各季节具有普适性.(2)ΔNe和Δβ的日变化表现出紧密的相关性,且在白天和日落后两个时段内遵从明显不同的线性关系.(3)ΔNe和Δβ对赤道等离子体抬升通量地方时梯度,Δflux,的响应非常迅速,滞后时间约为1 h.     

Evaluation of multi-sensor satellite data for monitoring different drought impacts

Drought is a natural disaster that significantly affects human life; therefore, precise monitoring and prediction is necessary to minimize drought damage. Conventional drought monitoring is based predominantly on ground observation stations; however, satellite imagery can be used to overcome the disadvantages of existing monitoring methods and has the advantage of monitoring wide areas. In this research, we assess the applicability of drought monitoring based on satellite imagery, focusing on historic droughts in 2001 and 2014, which caused major agricultural and hydrological issues in South Korea. To assess the applicability and accuracy of the drought index, drought impact areas in the study years were investigated, and spatiotemporal comparative analyses between the calculated drought index and previously affected areas were conducted. For drought monitoring based on satellite imagery, we used hydro-meteorological factors such as precipitation, land surface temperature, vegetation, and evapotranspiration, and applied remote sensing data from various sensors. We verified the effectiveness of using precipitation data for meteorological drought monitoring, vegetation and land surface temperature data for agricultural drought monitoring, and evapotranspiration data for hydrological drought monitoring. Moreover, we confirmed that the Standard Precipitation Index (SPI) can be indirectly applied to agricultural or hydrological drought monitoring by determining the temporal correlation between SPI, calculated for various time scales, and satellite-based drought indices.     

高宽比对剪切型配筋砌块砌体剪力墙耗能能力的影响

为了研究高宽比对配筋砌块砌体剪力墙耗能能力的影响,确定墙体的耗能参数。利用6片高宽比H/h为1.57、1.14和0.71的足尺全灌芯配筋砌块砌体剪力墙拟静力试验,通过计算墙体的耗散能（累积和单圈）、等效粘滞阻尼比ζ_eq、能量耗散系数ψ和功比指数I_w四个参数,来分析发生剪切型破坏模式墙体的耗能能力。研究结果表明:H/h对墙体的耗能能力影响较大,随着墙体变形的增大,H/h越小墙体的耗散能增长越迅速,墙体的延性越差;当H/h=1.14时,能量耗散系数ψ较低,等效粘滞阻尼比ζ_eq较小,约为7%~10%,墙体的耗能能力较差;当H/h=0.71时,ψ较高,ζ_eq较大,约为14%~15%,墙体的耗能能力较好;随着位移的增大,功比指数I_w逐渐增大,当位移较小时I_w几乎呈线性增长,当位移较大时I_w呈非线性增长,H/h=1.14墙体的I_w增长相对缓慢。可见:对于发生剪切型破坏模式的配筋砌块砌体剪力墙,H/h接近1时耗能能力较差,在工程中尽量避免采用。     

Comparison of three remote sensing based models for the estimation of latent heat flux over India

The aim of this work is to compare three remote sensing based models: two contextual and one physically-based single-pixel model for the estimation of daytime integrated latent heat flux without the use of any ground measurements over Indian ecosystems. Satellite datasets from the MODIS sensors aboard the Terra and the Aqua satellites were used. The latent heat flux estimated from the remote sensing models was compared with that estimated from Bowen ratio energy balance towers at five sites in India. The root mean square error (RMSE) of the latent heat flux estimated from the contextual and the physically-based models was found to be in the order of 40 and 70 W m^?2, respectively. The relatively inferior performance of the more complex physically-based model in comparison with the contextual models was found to be largely due to inaccurate parameterizations estimated only from remote sensing datasets without any ground data.     

Evapotranspiration from the margin and moist playa of a closed desert valley

Two long term microclimate measurement stations with Bowen ratio capability have been used to study water cycling in a closed desert basin. Microclimate variables including the temperature and vapor pressure gradients were monitored continuously and were used to estimate the Bowen ratio, sensible and latent heat fluxes during 1986 and 1987. Despite having a water table that varied between the surface and 30 cm below the surface, the playa had little evaporation except after rainfall events. The very high osmotic pressure of the soil and salt crust caused most of the absorbed radiation to be partitioned to sensible heat. In contrast, along the margin the thin grass and brush cover transpired water freely, with the latent heat flux exceeding 60% of available energy for much of the season. The higher air temperatures above the playa raised potential evapotranspiration (ET) significantly higher than along the margin throughout the summer. The annual average actual ET of the playa was only 36% of the margin. During the drier summer period (May–October), this ratio decreased to < 28%. Immediately after a rainfall event, evaporation rates of the two sites were similar, but the playa rate was quickly reduced as the osmotic potential increased. During this study, the playa lost < 229 mm of subsurface water to evaporation annually, while > 638 mm were lost from the margin groundwater supply.

The 24-h solar and net radiation correlations were 0.80 and 0.94 for the playa and margin, respectively. The lower correlation for the playa resulted from the wide variation of albedo with surface moisture changes. The annual average albedo values for the playa and margin were 0.64 and 0.46, respectively.     

基于FAI方法的洱海蓝藻水华遥感监测

利用1999 2014年Landsat卫星遥感影像数据,采用浮游藻类指数(FAI)方法识别、提取洱海蓝藻水华信息,进而获取蓝藻水华时空分布数据,为进一步分析洱海蓝藻水华发生规律及监测预警提供参考.结果表明:1999 2014年洱海夏、秋季多次发生蓝藻水华,以小型水华为主(水华面积在10 km~2以内),大型水华现象主要发生在2003、2006、2013年,其中2006年水华面积最大,达到42 km~2.除近岸湖湾区域容易产生蓝藻堆积外,洱海蓝藻大型水华主要发生在洱海北部和中部区域,南部发生频次较少.近岸区域蓝藻堆积从春季开始,中心水域水华发生在夏末和秋季(8 11月),其中大型水华集中发生在10月左右.