Using MODIS and AVHRR data to determine regional surface heating field and heat flux distributions over the heterogeneous landscape of the Tibetan Plateau

In this study, a parameterization methodology based on Advanced Very High-Resolution Radiometer (AVHRR), Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), and in situ data is proposed and tested for deriving the regional surface heating field, sensible heat flux, and latent heat flux over a heterogeneous landscape. In this case study, this method is applied to the whole Tibetan Plateau (TP) area. Four sets of AVHRR data and four sets of MODIS data (collected on 17 January 2003, 14 April 2003, 23 July 2003, and 16 October 2003) were used in this study to make comparisons between winter, spring, summer, and autumn values. The satellite-derived results were also validated using the “ground truth” as measured in the stations of CAMP/Tibet (Coordinated Enhanced Observing Period (CEOP) and Asia–Australia Monsoon Project on the Tibetan Plateau). The results show that the surface heating field, sensible heat flux, and latent heat flux in the four seasons across the TP are in close accordance with its land surface status. These parameters range widely due to the strongly contrasting surface features found within the TP region. Also, the estimated surface heating field, sensible heat flux, and latent heat flux all agree with the ground truth data, and usually, the absolute percentage difference between the two sets of data is less than 10 % at the validation stations. The AVHRR results were also in agreement with the MODIS data, with the latter usually displaying a higher level of accuracy. We have thus concluded that the proposed method was successful in retrieving surface heating field, sensible heat flux, and latent heat flux values using AVHRR, MODIS, and in situ data over the heterogeneous land surface of the TP. Shortcomings and possible further improvements in the method are also discussed.     

Estimation of Land Surface Temperature over the Tibetan Plateau Using AVHRR and MODIS Data

Estimation of large-scale land surface temperature from satellite images is of great importance for the study of climate change. This is especially true for the most challenging areas, such as the Tibetan Plateau (TP). In this paper, two split window algorithms (SWAs), one for the NOAA’s Advanced Very High Resolu-tion Radiometer (AVHRR), and the other for the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), were applied to retrieve land surface temperature (LST) over the TP simultaneously. AVHRR and M...     

1998年夏季青藏高原及其邻近地区地面总热源季节变化特征及其与西太平洋副热带地区对流的关系

利用98’TIPEX实验资料、1998年5-8月青藏高原6个自动热量平衡站(AWS)资料、青藏高原常规观测资料、中国300多个站的逐日降水资料、国家卫星中心接收的1998年5-8月OLR和日本GMS的TBB资料,研究了1998年5-8月青藏高原及其邻近地区逐日地面总热源的季节变化特征及其与西太平洋副热带地区对流的关系。结果表明:高原地面总热源与高原雨季开始有密切关系,高原雨季开始以后,高原平均的地面总热源明显减小;高原平均的地面总热源与20—30°N附近的西太平洋副热带地区的TBB有很好的负相关关系,表明高原地面总热源可以通过某种机制影响副热带地区的对流。     

4～10月藏北地区地表植被参数的卫星遥感研究

利用MODIS可见光和近红外1~3波段的卫星资料推算得到“全球能量水循环之亚洲季风青藏高原实验”(GAME/Tibet)实验区4~10月季风前后的地表植被参数的变化情况,并将其与NOAA-14 AVHRR卫星资料分析得到的实验区的植被参数进行了比较。同时分析了不同算法在青藏高原的适用性。     

卫星遥感藏北高原非均匀陆表地表特征参数和植被参数

卫星遥感在研究青藏高原北部地区(藏北高原地区)非均匀陆表地表特征参数和植被参数时有其独到的作用.作者提出了基于NOAA-14 AVHRR资料推算藏北高原地区地表特征参数和植被参数的方案,并把其用于全球能量水循环之亚洲季风青藏高原试验(GAME/Tibet)试验区.同时利用3个景的NOAA-14 AVHRR资料进行了分析研究,得到了一些有关藏北地区非均匀地表的区域地表特征参数(地表反射率、地表温度)和植被参数(INDV、植被覆盖度和叶面指数ILA).     

Interannual Variability of Late-spring Circulation and Diabatic Heating over the Tibetan Plateau Associated with Indian Ocean Forcing

The thermal forcing of the Tibetan Plateau(TP) during boreal spring,which involves surface sensible heating,latent heating released by convection and radiation flux heat,is critical for the seasonal and subseasonal variation of the East Asian summer monsoon.Distinct from the situation in March and April when the TP thermal forcing is modulated by the sea surface temperature anomaly(SSTA) in the North Atlantic,the present study shows that it is altered mainly by the SSTA in the Indian Ocean Basin Mode(IOBM) in May,according to in-situ observations over the TP and MERRA reanalysis data.In the positive phase of the IOBM,a local Hadley circulation is enhanced,with its ascending branch over the southwestern Indian Ocean and a descending one over the southeastern TP,leading to suppressed precipitation and weaker latent heat over the eastern TP.Meanwhile,stronger westerly flow and surface sensible heating emerges over much of the TP,along with slight variations in local net radiation flux due to cancellation between its components.The opposite trends occur in the negative phase of the IOBM.Moreover,the main associated physical processes can be validated by a series of sensitivity experiments based on an atmospheric general circulation model,FAMIL.Therefore,rather than influenced by the remote SSTAs of the northern Atlantic in the early spring,the thermal forcing of the TP is altered by the Indian Ocean SSTA in the late spring on an interannual timescale.     

北京密云地区辐射与能量平衡特征分析

利用北京密云站2007年1,4,8和10月辐射及湍流通量观测资料,分析了农林混合非均匀下垫面晴天、阴天条件下的辐射平衡、反照率及能量平衡特征。结果表明：（1）1,4,8和10月能量平衡闭合度（OLS方法）分别为82%,97%,72%和83%,总体闭合度为76%,数据质量较好;（2）晴天向上长波辐射1,4,8和10月平均...     

基于MODIS白天地温产品的青藏高原海拔依赖型变暖特征分析

基于2001～2018年中分辨率成像光谱仪（MODIS）探测的白天地面温度（简称MODIS 白天地温）资料,与青藏高原（简称高原）122个气象站点观测的最高气温资料,在年尺度上评估了MODIS 白天地温在高原的适用性,研究了高原五个干湿分区下MODIS 白天地温的海拔依赖型变暖特征,得到以下主要结论:（1）MODIS白天地温能够基本再现观测的最高气温的时空以及海拔依赖型变暖特征;（2）高原整体上,MODIS白天地温存在显著的海拔依赖型变暖特征,平均海拔每增加100 m,其趋势增加0.02°C (10a)?1,且受积雪—反照率反馈主导;（3）干湿分区下,海拔依赖型变暖特征在高原表现为偏湿润地区强于偏干旱地区;季风区强于西风区。海拔依赖型特征强弱:半湿润地区＞湿润半湿润地区＞半干旱地区＞湿润地区＞干旱地区。平均海拔每增加100 m,以上区域的地温趋势分别增加0.06,0.03,0.03,0.01,0.01°C (10a)?1。半湿润和湿润半湿润地区年均温在0°C左右,在气候变暖背景下积雪—反照率反馈作用最为强烈,是其海拔依赖型变暖的主导因素;干旱与半干旱地区年均温相对更低,气候变暖程度对积雪影响相对较小,积雪—反照率反馈作用被限制,但仍对上述地区的海拔依赖型变暖起主导作用;而湿润地区的积雪覆盖率的上升可能是由于降雪（固态降水）增加抵消了积雪融化损耗,云辐射、水汽等其他因素主导了其海拔依赖型变暖。     

Diurnal and inter-monthly variation of land surface heat fluxes over the central Tibetan Plateau area

Summary The energy and water cycle over the Tibetan Plateau play an important role in the Asian monsoon system, which in turn is a major component of both the energy and water cycles of the global climate system. Using field observational data observed from the GAME/Tibet (GEWEX (Global Energy and Water cycle Experiment) Asian Monsoon Experiment on the Tibetan Plateau) and the CAMP/Tibet (CEOP (Coordinated Enhanced Observing Period) Asia-Australia Monsoon Project (CAMP) on the Tibetan Plateau), some results on the local surface energy partitioning (diurnal variation, inter-monthly variation and vertical variation etc.) are presented in this study.The study on the regional surface energy partitioning is of paramount importance over heterogeneous landscape of the Tibetan Plateau and it is also one of the main scientific objectives of the GAME/Tibet and the CAMP/Tibet. Therefore, the regional distributions and their inter-monthly variations of surface heat fluxes (net radiation flux, soil heat flux, sensible heat flux and latent heat flux) are also derived by combining NOAA-14/AVHRR data with field observations. The derived results were validated by using the ground truth, and it shows that the derived regional distributions and their inter-monthly variations of land surface heat fluxes are reasonable by using the method proposed in this study. Further improvement of the method and its applying field were also discussed.     

由冬至夏北半球副热带地区大气热源的季节转换特征及其可能机制

本文基于多套卫星观测数据和ERA-Interim再分析资料,分析了由冬至夏北半球副热带地区大气热源的季节转换特征及其原因。结果表明,北半球副热带大陆东部以对流凝结潜热为主的夏季型大气热源首先于4月初在我国南方地区建立,该过程与江南雨季的形成发展联系紧密。2~3月,江南地区的大气热源以感热加热为主,这时降水以大尺度层云降水为主;而在4月初之后,江南地区降水以对流性降水为主,相应地对流凝结潜热成为大气热源的主要成分。动力和热力诊断分析说明,青藏高原南部热力状况的季节变化是导致4月初江南地区降水性质和大气热源首先发生季节转换的重要原因。2~3月,随着太阳辐射逐渐增强,青藏高原地面感热随之加强,此时对流层中部的纬向西风令江南地区的对流层中部暖平流加强,引起上升运动并加强局地大尺度层云降水,令土壤湿度加大,为随后局地对流性降水的快速发展提供了有利条件。之后,青藏高原地面感热在4~5月期间继续加强,这时高原南坡的"感热气泵"令其四周的低空水汽向北辐合,从而加强了江南地区的低空南风,使大量水汽自南海-西太平洋向北输送,令江南地区的对流性降水快速发展,地面感热迅速减小,对流凝结潜热进而成为江南地区大气热源的主要成分。     

地表反照率与高原夏季风爆发关系分析

利用2000～2016年MODIS地表反照率和ECMWF/ERA-Interim再分析资料,选取有代表性的高原季风指数DPMI,统计分析了青藏高原地表反照率与高原季风之间的联系,结果表明:1)11月高原地表反照率大小与次年高原夏季风爆发存在密切关系:11月高原地表反照率偏低(高),次年4月高原夏季风爆发偏早(晚),强度偏强(弱)。2)可能的影响机制为:当前期11月高原地表反照率偏低时,后期高原主体对大气的感热加热信号更强,从而引起4月高原上空近地面层上升运动明显加强,这有利于热量向高空传输,导致对流层加热作用加强,高原上空对流层温度偏高,使得高原季风环流系统加强,最终导致高原季风季节变化相应提前;反之亦然。     

耦合气溶胶气候模式FGOALS-f3-L模拟青藏高原地区气溶胶特性

基于新耦合气溶胶气候模式FGOALS-f3-L模拟分析了2002-2011年青藏高原地区气溶胶时空分布特征.结果表明:青藏高原地区,沙尘,硫酸盐,碳质气溶胶(包括黑碳,有机碳和混合碳)地表质量浓度分别占比为53.6％,32.2％,14.2％;在拉萨站点,模拟的气溶胶地表质量浓度被低估,尤其是黑碳和有机碳气溶胶;模拟的气溶胶光学厚度(AOD)时空分布与卫星观测结果较为一致,均方根误差和偏差分别为0.081和0.036;由于模式中沙尘排放参数化的不确定性,模式对AOD的模拟效果在夏季和秋季优于春季.     

青藏高原地面加热及上空环流场与东侧旱涝预测的关系

应用奇异值分解(SVD)技术研究了青藏高原地面加热场与高原上空100 hPa高度场及其东侧川渝地区夏季降水场的时空联系和旱涝预测的关系.结果表明:地面加热场与高度场的第一模态代表了两场间的主要耦合特征,具有高度的时空相关;前期青藏高原地面加热场通过影响后期高原上空100 hPa高度场,导致未来高原东侧川渝地区夏季降水异常;加热场-高度场-降水场之间的这种非同步关系,反映了川渝地区旱涝灾害的影响因子和物理成因; 前期高原地面加热场与前期100 hPa高度场SVD第一模态的变化,是高原东侧地区未来夏季旱涝异常的预测信号.并由此提出了一种基于SVD技术的旱涝预测思路.     

卫星遥感确定沙特阿拉伯吉达地区非均匀地表区域地表参数和能量通量

对临海沙漠地区非均匀地表区域地表能量通量和蒸发(蒸散)的研究,是一个十分重要但又是一个难点问题。本文提出了1个基于卫星遥感和地面观测的参数化方案,并把其应用于沙特阿拉伯吉达地区,利用1个景的陆地资源卫星Landsat-7E^TM^ 资料进行了分析研究,得到了一些有关临海沙漠地区非均匀地表区域地表特征参数、植被参数和地表能量通量的新概念。最后讨论了所提出的参数化方案的适用范围和需改进之处。     

南亚高压上下高原时间及其与高原季风建立早晚的关系

本文利用1948—2013年NCEP/NCAR逐日再分析资料,定义了南亚高压动态特征指数,讨论了南亚高压上下高原的时间以及与高原季风建立早晚的关系。研究表明,南亚高压北界位置在4月初开始北移,5月迅速北抬,最北可达到55°N,9月开始南撤,西伸脊点在5—10月移动较稳定,5—7月向西移动到青藏高原上空,8—10月向东移动撤离高原,11月—次年4月东西摆动剧烈。南亚高压初上高原大致为6月第3候(33候),而撤离约为10月第4候(58候)。南亚高压移上高原的时间较高原夏季风建立晚73 d左右。南亚高压撤离高原时间较高原冬季风建立约早5 d。高原夏季风的建立和南亚高压初上高原是青藏高原热力作用在不同阶段的结果,反映在了高原的高低层上。     

青藏高原北部的大气加热场特征

利用五道梁1994－1997年的实际观测资料，结合一些经验计算公式计算得到了1994－1997年青藏高原北部地区的大气加热场强度。结果表明，从4年平均情况来看，高原北部地区4－8月大气加热场为热源，10月－2月为冷源，3月和9月为转换时期；就年平均大气加热场强度年际变化来看，1994年和1995年为大气冷源，1996年和1997年则为大气热源；高原北部的大气加热场强度的年际变化主由地面感热输送的年际变化所决定。     

夏季青藏高原加热和北半球环流年际变化的相关分析

利用 195 8～ 1997年NCEP/NCAR再分析数据集中加热率和环流资料 ,采用相关分析和对比分析相结合的方法 ,诊断和分析了夏季青藏高原的非绝热加热与北半球环流系统的年际变化的联系。分析结果表明 :夏季青藏高原的加热强 (弱 )的年份 ,高原及邻近地区的上升运动、下层辐合及上层辐散均增强 (减弱 ) ,使高原加热对周边地区低层暖湿空气的抽吸效应和对高层大气向周边地区的排放作用加强 (减弱 )。从而影响着高原和周边地区的环流以及亚洲季风区大尺度环流系统。而且高原的加热强迫能够激发产生一支沿亚欧大陆东部海岸向东北方向传播的Rossby波列 ,其频散效应可影响到更远的东太平洋以至北美地区的大气环流     

MODIS反演多云地区地表反照率的一种新方法及其反演试验

在参考国内外卫星遥感反演地表反照率方法的基础上，提出了一种反演多云地区地表反照率的新方法，称之为组合反演法。对于受云影响而无法获得足够的晴空观测数据的像素点，在遥感地表分类数据和归一化植被指数（NDVI） 数据的辅助下，在其周围的有限范围内选择与其具有相同BRDF形状的像素点，将它们在观测角度上互为补充的晴空观测数据组合成对同一个BRDF形状的一组多角度观测数据，达到一定数量后直接利用线性的RossThick-LiSparse互易核驱动模型反演二向反射分布函数（BRDF）参数。然后，根据“16天”期间平均的当地正午太阳高度角计算反照率。选择青藏高原地区2004年6～8月间5组“16天”的Terra MODIS数据进行的反演试验表明，该方法不仅具有反演多云地区地表反照率的能力，而且能够更好地反映实际的地表信息，反演结果的精度与美国MOD43产品的精度相当。     

通用陆面模式CLM在东亚不同典型下垫面的验证试验

利用野外观测资料,考察了通用陆面过程模式(CLM)对东亚地区3种典型下垫面(高原稀疏植被下垫面、森林、水田)的模拟能力.验证结果表明,在高原稀疏植被下垫面,CLM模拟的地表气温跟实测较为接近,同时CLM还可以较好地模拟出土壤温度随时间和深度的变化特征,但模式模拟的地面温度的幅值跟观测相比显著偏小;对于能量通量而言,除感热通量外,CLM所模拟出的其它能量通量的变化均与观测实况比较一致.对于淮河流域的森林下垫面,CLM所模拟出陆气间的各能量通量均与实测较为接近,尤以夏季(8月份)的模拟性能最好.对于水田下垫面,CLM模式较好地模拟出了各能量通量的主要变化特征及其季节差异,如水田的净辐射以及潜热通量夏季最大,而感热通量则是秋季最大等.     

青藏高原夏季地面热源的气候特征及其对高原低涡生成的影响

根据NCEP/DOE再分析资料的地面感热通量和潜热通量以及MICAPS天气图资料识别的高原低涡资料集,研究了近30年来青藏高原夏季地面热源和高原低涡生成频数的气候学特征,分析了高原地面加热与低涡生成频数的时间相关性及其物理成因.得到如下认知:夏季高原地面感热通量的气候均值为58 W m-2,近30年地面感热总体呈微弱的减小趋势.其中在1980年代初期和21世纪前10年的大部分时段,地面感热呈增大趋势,而中间时段呈波动式下降.地面感热具有准3年为主的周期振荡,1996年前后是其开始减弱的突变点.高原夏季地面潜热通量的气候均值为62 W m-2,近30年呈波动状变化并伴有增大趋势.地面潜热的周期振荡以准4年为主,地面潜热增大的突变始于2004年前后.夏季高原地面热源的气候均值为120 W m-2,其中地面感热与地面潜热对地面热源的贡献在夏季大致相当.地面热源总体呈幅度不大的减弱趋势,其中1980年代到1990年代末偏强,21世纪前6年明显偏弱,随后又转为偏强.地面热源亦呈准3年为主的周期振荡并在1997年前后发生由强转弱的突变.根据MICAPS天气图资料的识别和统计,近30来夏季高原低涡的生成频数整体呈现一定程度的线性减少趋势,低涡高发期主要集中在1980年代到1990年代中后期.低涡生成频数有准7年为主的周期振荡现象,自1990年代中期开始的低涡生成频数的减少态势在1998年前后发生了突变.夏季高原低涡生成频数与同期高原地面感热呈高度正相关,与地面潜热呈一定程度的负相关,但与同期地面热源仍呈较显著的正相关.因此,在气候尺度上,高原地面热源偏强特别是地面感热偏强的时期,对应高原低涡的多发期.本研究从气候统计的时间相关性角度揭示了高原地面加热作用对催生高原低涡乃至高原对流活动的重要性.