基于风云三号卫星微波资料反演我国地表土壤湿度及其对比

土壤湿度是联系陆地水循环和能量循环的纽带,是地表最重要的水资源,也是一个重要的气象预报因子。基于风云三号卫星微波资料,采用能量辐射传输模型反演了我国逐日地表土壤湿度(FY-3B),并估算了其系统误差;然后,与中国气象局农业气象站观测资料和ERA-Interim、NCEP再分析资料进行了对比分析。研究结果表明,FY-3B土壤湿度呈由西北地区向东北和东南地区逐渐增加的空间分布特征,与农气站观测资料和两套再分析资料基本一致;其系统误差与植被覆盖度密切相关,我国西南部植被茂密的地区系统误差较大。FY-3B土壤湿度的季节性变化与农气站观测资料在全国范围有较好的一致性,总体表现为冬季土壤湿度较高,随着春季气温升高蒸散发增加,土壤湿度逐渐降低;夏天雨季来临,土壤湿度回升。然而,FY-3B土壤湿度与ERA-Interim和NCEP再分析资料在东北部分地区和长江流域以南呈很强的负相关,这主要是由于季节性干湿变化的不一致性所致;这表明,ERA-Interim和NCEP土壤湿度再分析资料在这些地区存在较大的不确定性。     

长江中下游地区1988—2010年遥感土壤湿度的时空变化

利用农业气象站观测资料对长江中下游地区1988-2010年遥感土壤湿度进行了验证,并与NCEP和ERA-Interim土壤湿度做了对比分析。研究表明,ECV遥感土壤湿度冬季平均土壤湿度最高,春季和秋季次之,夏季平均土壤湿度最低;这种季节性干湿变化与农业气象站观测资料一致。但是,NCEP和ERA-Interim土壤湿度再分析资料,则夏季平均土壤湿度高,春季和秋季次之,而冬季平均土壤湿度最低;这种季节性变化与ECV遥感土壤湿度和农业气象站观测资料呈反位相。就年际变化而言,ECV遥感土壤湿度与农业气象站观测资料和两套再分析资料均有较高的一致性,并在春季和秋季最高,尤其是在长江以北地区和长江以南洞庭湖、鄱阳湖两大湖区,相关系数达到0.7~0.9;而夏季一致性最低,相关系数仅为0.4左右。在研究时段,ECV土壤湿度在冬季明显增加,在夏季则有明显下降趋势。     

基于仿真的6.9 GHz通道亮温改进FY-3D MWRI海面温度产品

海洋表面温度SST（Sea Surface Temperature）是全球海洋和气候研究的重要参数之一，卫星被动微波遥感由于能够实现全天候观测而被越来越多的应用到SST研究中。中国的风云三号（FY 3）卫星搭载的微波成像仪（MWRI）缺少对SST更加敏感的7 GHz附近垂直极化通道，本研究将FY 3 MWRI与具有6.9 GHz通道的Aqua AMSR 2进行时空匹配，采用神经网络方法，利用匹配的FY 3 MWRI的通道亮温模拟仿真AMSR 2的69 GHz垂直极化通道亮温（6.9V），通过引入仿真的6.9V来提高FY 3 MWRI SST的反演精度。结果表明：引入仿真的6.9V可以改进FY 3 MWRI SST反演精度，对35°～90°S之间海域的SST改进更加显著，主要由于6.9V对低SST的探测灵敏度更高且在低SST反演时受风速的影响较小导致的。如果FY3后续卫星可以搭载6.9 GHz通道，将可进一步提升低SST特别是两极SST的反演精度。     

四套再分析土壤湿度资料在中国区域的适用性分析

利用国家气象信息中心提供的"中国农业气象土壤水分数据集(1981-2010年)(V1.0)"中150个农业气象站的土壤湿度观测资料,对2001-2010年CFSR、ERA-Interim、NCEP R-1和NCEP R-2四套再分析土壤湿度资料在中国区域的适用性进行了比较与评估。结果表明:(1)从空间分布来看,四套再分析资料都可以正确描述出中国区域土壤湿度的分布特征,但是NCEP R-1对于青藏高原土壤湿度的模拟存在一定的问题;(2)从时间变化来看,CFSR再分析资料能够较好地描述了土壤湿度的时间变化,而NCEP R-2再分析资料表现得较差;(3)从土壤湿度的季节循环看,在表层,CFSR和ERA-Interim再分析资料模拟地比较好,而NCEP R-1和NCEP R-2再分析资料出现了高估现象;而在深层,除NCEP R-1外,其他三种再分析资料都可以较好地模拟出土壤湿度的季节循环。     

河南省非降水云中液态水的卫星微波反演试验研究

云中液态水分布对全球气候和局地天气变化有重要影响, 是判别人工影响天气作业潜力区的重要依据。利用TRMM卫星微波成像仪 (TMI) 85.5 GHz通道垂直极化亮温资料与NCEP再分析资料, 结合VDISORT模式采用逐步逼近方法反演了河南地区地表比辐射率; 再利用TRMM/TMI 85.5 GHz通道垂直极化亮温资料、TRMM/VIRS红外辐射资料及NCEP再分析资料, 结合VDISORT模式采用迭代的方法反演了河南地区云中液态水的垂直积分总含量。与红外卫星云图、TRMM卫星2A12产品及NCEP资料对比分析表明:该研究提出的反演陆地上空非降水云中液态水方法是可行的, 且对云中液态水垂直积分总含量水平分布的反演结果较对比产品结果更好。     

中国近20 a卫星遥感土壤湿度的季节变化及其验证

分析了欧洲空间局最近基于多颗卫星微波资料研发的ECV土壤湿度产品的季节性干湿变化,并与国家气象局提供的站点资料做了对比验证。研究发现:主动与被动遥感土壤湿度的干湿季节变化在中国东部季风区有显著的不一致性。在中国东部季风区,被动遥感土壤湿度的干湿季变化和站点观测一致,均表现出夏季是干季、冬季是湿季的特征;而主动遥感的数据则存在较大的空间差异,华北地区与被动遥感数据较为一致,华南地区则呈现夏季为湿季、冬季为干季的反位相特征。两者的不一致性说明,针对欧洲空间局开发ECV土壤湿度产品的过程,融合主动遥感和被动遥感资料,研制长序列土壤湿度产品的思路在中国东部季风区不可行。     

多种土壤湿度资料在中国地区的对比分析

利用1992—2012年中国区域土壤湿度观测资料对目前使用较为广泛的5套土壤湿度资料(ERA-Interim、NCEP再分析资料、GLDAS同化资料、CPC模式资料和AMSR-E卫星反演资料)的适用性进行检验,分析5套资料对中国区域土壤湿度的时空分布特征和变化趋势的描述能力。结果表明:5套资料都能大体反映暖季中国区域土壤湿度东南湿、西北干,自东南向西北递减的分布格局以及西北干旱区和半干旱区变湿、长江流域部分地方变干的变化趋势,其中CPC资料最接近观测事实,并能较好地表现局地特征;在描述土壤湿度的季节变化和年际变化方面,GLDAS和NCEP资料与观测数据的相关性较好,能较好反映土壤湿度的时间演变特征。进一步利用检验效果较好的GLDAS、NCEP和CPC资料分别对中国区域土壤湿度时间和空间的长期变化趋势分析发现:中国区域标准化年平均土壤湿度在1948—1996年处在相对湿润期,而1996—2012年处在相对干旱期;中国区域年平均土壤湿度的空间变化特征是东部变干、西部变湿,自东北、华北至西南呈现一个干旱化带。     

用NOAA卫星可见光和红外资料估算甘肃省东部农田区土壤湿度

应用NOAA卫星AVHRR通道1、2计算的植被指数和通道4的亮温、农业气象试验站观测的土壤湿度，并结合气象卫星完成的土地覆盖分类等资料，建立了由植被指数和亮温估算甘肃省东部农田区土壤湿度的方程。结果表明，农田土壤湿度与植被指数和亮温间均存在一定相关关系；用植被指数和亮温可以估计土壤湿度情况，并对干旱进行监测。     

长时间序列多源土壤湿度产品在中国地区的比较分析

研究利用实测数据对遥感产品(ECV CCI)、全球陆面同化系统产品(GLDAS/CLM、NOAH2.7、NOAH3.3、VIC、MOSAIC)、再分析资料(ERA-Interim、NCEP/DOE)等不同来源的8套长时间序列土壤湿度产品进行时空比较。结果表明:上述产品均可以模拟出中国不同区域土壤湿度的空间分布;从各产品平均态与实测数据的偏差、均方根误差、相关系数统计结果来看,NOAH模式和ERA-Interim表现最好,MOSAIC和NCEP/DOE与实测相差较大;从区域尺度上来看,所有产品在东北区域表现最好,在华南、西南南区和西北西区较差;ERA-Interim有效的模拟了土壤湿度的年际变化。     

静止气象卫星秸秆焚烧监测灵敏度分析研究

近年来秸秆焚烧状况日趋严重,给生态环境带来了极大的破坏。因为秸秆焚烧具有非常强的季节性、区域性,火点分布零散,发生时间具有随机性的特点,所以要求卫星有着极高的时空分辨率来满足观测要求。风云四号作为我国新一代静止气象卫星于2016年12月发射,具有高时空分辨率的优势,相关研究及应用尚未大范围开展推广,为了推进风云四号卫星数据的应用与分析,此次研究以Himawari-8数据,结合风云三号覆盖黑龙江的过境时间,进行秸秆焚烧面积信息提取及火点监测,并与风三监测结果进行比较,分析Himawari-8的可靠性与稳定性。结果表明:Himawari-8和FY3监测火点信息基本吻合,Himawari-8监测不到FY3监测到的最小火点面积0.02hm^2,亮温在302 K左右,说明Himawari-8在0.02-0.38 hm^2范围以下对秸秆焚烧火点的监测敏感度不够。     

四套土壤湿度再分析数据在中国西北东部—华北—江淮地区的适用性研究

基于1992~2010年全国778个农业气象站土壤湿度观测资料、ERA-Interim、JRA55、NCEP-DOE R2和20CR土壤湿度再分析资料,通过平均差值、相关系数、差值标准差、标准差比四个参数,利用Brunke排名方法和EOF(Empirical Orthogonal Function)分析,对四套土壤湿度再分析资料在中国西北东部—华北—江淮区域的适用性进行了分析。主要结论如下:不同季节的平均偏差空间分布上,JRA55资料同观测数据的平均偏差在±0.08m~3 m~(-3)之间,春、夏季西北东部JRA55土壤湿度偏小,ERA-Interim、NCEP-DOE R2、20CR资料较观测数据偏湿,华北南部、江淮地区平均偏差小于西北东部、华北北部。在年际变化上,各个季节ERA-Interim资料同观测资料最为接近,能稳定地再现西北东部、华北、江淮地区土壤湿度干湿变化趋势,反映出重要的旱涝年。整体而言,四套再分析资料中ERA-Interim资料同观测资料接近,JRA55、NCEP-DOE R2资料次之,20CR资料最差。     

A 10-Yr Global Land Surface Reanalysis Interim Dataset (CRA-Interim/Land): Implementation and Preliminary Evaluation

A land surface reanalysis dataset covering the most recent decades is able to provide temporally consistent initial conditions for weather and climate models, and thus is crucial to verifying/improving numerical weather/climate forecasts/predictions. In this paper, we report the development of a 10-yr China Meteorological Administration (CMA) global Land surface ReAnalysis Interim dataset (CRA-Interim/Land; 2007–2016, 6-h intervals, approximately 34-km horizontal resolution). The dataset was produced and evaluated by using the Global Land Data Assimilation System (GLDAS) and NCEP Climate Forecast System Reanalysis (CFSR) global land surface reanalysis datasets, as well as in situ observations in China. The results show that the global spatial patterns and monthly variations of the CRA-Interim/Land, GLDAS, and CFSR climatology are highly consistent, while the soil moisture and temperature values of the CRA-Interim/Land dataset are in between those of the GLDAS and CFSR datasets. Compared with ground observations in China, CRA-Interim/Land soil moisture is comparable to or better than that of GLDAS and CFSR datasets for the 0-10-cm soil layer and has higher correlations and slightly lower root mean square errors (RMSE) for the 10-40-cm soil layer. However, CRA-Interim/Land shows negative biases in 10-40-cm soil moisture in Northeast China and north of central China. For ground temperature and the soil temperature in different layers, CRA-Interim/Land behaves better than the CFSR, especially in East and central China. CRA-Interim/Land has added value over the land components of CRA-Interim due to the introduction of global precipitation observations and improved soil/vegetation parameters. Therefore, this dataset is potentially a critical supplement to the CRA-Interim. Further evaluation of the CRA-Interim/Land, assimilation of near-surface atmospheric forcing variables, and extension of the current dataset to 40 yr (1979–2018) are in progress.     

Evaluation of AMSR-E——Derived Soil Moisture over Northern China

In this study,the authors evaluated two re-motely sensed surface soil moisture datasets derived from the Advanced Microwave Scanning Radiometer of the Earth Observing System (AMSR-E) over northern China.The soil moisture datasets were derived from algorithms developed by the National Snow and Ice Data Center (NSIDC) and jointly developed by the Vrije Universiteit Amsterdam and NASA Goddard Space Flight Center (VUA-NASA).The NSIDC and VUA-NASA products were compared to in situ soil moisture data from nine enhanced coordinated observation stations.The VUA-NASA dataset presented a strong correlation with top layer in situ soil moisture observations,and the correla-tion coefficients ranged from 0.34 to 0.73 (p0.01).The correlation coefficients decreased as the observed soil layer depth increased.The correlation coefficients be-tween the NSIDC retrievals and the top layer in situ ob-servations were between 0.10 and 0.62 (p0.01).Fur-thermore,VUA-NASA soil moisture variations agreed well with in situ soil moisture dynamics and responded sensitively to precipitation events.In contrast,the NSIDC dataset failed to capture signals of soil moisture dynamics.The analyses demonstrated that the VUA-NASA product was capable of representing soil moisture conditions over northern China.     

中国冬季最低气温观测与再分析资料的比较

运用EOF分解、线性趋势分析、方差分析、小波分析、相关分析等方法,从均值、长期变化、年际和年代际变化特征等方面对NCEP/NCAR(N1T)、NCEP/DOE(N2T)、ERA-Interim(ET)、JRA-25(JT)4种再分析资料集和194站观测资料集中1979—2012年我国冬季最低气温(WTMIN)进行比较。结果表明:(1)ET在再现观测冬季最低气温多年平均时最优;(2)除新疆北部和西南部以及东北北部有降低趋势外,我国大部分地区WTMIN有升高的趋势,N1T对观测温度长期变化趋势再现能力优于其他3种资料;(3)观测WTMIN在中国北方和高原地区年际和年代际变化大于南方地区,四种再分析WTMIN对我国冬季最低气温的年际和年代际变化的再现在不同区域各有所长,总体上以ET为优。(4)再分析资料在再现观测WTMIN年代际时间尺度上的能力相当,以ET最优,尤其是在我国中东部地区和新疆北部地区。N1T和N2T对东北地区观测冬季最低气温年际变化的再现能力较好,ET再现观测WTMIN在1990s之前,2005年之后的3~4 a变化周期特征时能力略优于其他3种资料。     

Influence of soil moisture in eastern China on the East Asian summer monsoon

The sensitivity of the East Asian summer monsoon to soil moisture anomalies over China was investigated based on ensembles of seasonal simulations(March–September) using the NCEP GCM coupled with the Simplified Simple Biosphere Model(NCEP GCM/SSi B). After a control experiment with free-running soil moisture, two ensembles were performed in which the soil moisture over the vast region from the lower and middle reaches of the Yangtze River valley to North China(YRNC) was double and half that in the control, with the maximum less than the field capacity. The simulation results showed significant sensitivity of the East Asian summer monsoon to wet soil in YRNC. The wetter soil was associated with increased surface latent heat flux and reduced surface sensible heat flux. In turn, these changes resulted in a wetter and colder local land surface and reduced land–sea temperature gradients, corresponding to a weakened East Asian monsoon circulation in an anomalous anticyclone over southeastern China, and a strengthened East Asian trough southward over Northeast China. Consequently, less precipitation appeared over southeastern China and North China and more rainfall over Northeast China. The weakened monsoon circulation and strengthened East Asian trough was accompanied by the convergence of abnormal northerly and southerly flow over the Yangtze River valley, resulting in more rainfall in this region.In the drier soil experiments, less precipitation appeared over YRNC. The East Asian monsoon circulation seems to show little sensitivity to dry soil anomalies in NCEP GCM/SSi B.     

雅鲁藏布江流域夏季降水的年际变化及其原因

本文通过多套观测与再分析降水资料的比较,分析了雅鲁藏布江流域夏季降水的特征,从水汽含量与水汽输送的角度检验了雅鲁藏布江水汽通道的特点,研究了流域夏季降水的年际变化及其原因。分析表明:（1）该流域夏季降水大值位于雅鲁藏布江出海口至大峡谷一带,观测中流域平均降水可达5.8 mm d-1。不同资料表现的降水空间分布一致,但再分析降水普遍强于观测,平均为观测的2倍左右。（2）该流域夏季的水汽主要来自印度洋和孟加拉湾的偏南暖湿水汽输送,自孟加拉湾出海口沿布拉马普特拉河上溯至大峡谷,即雅鲁藏布江水汽通道。水汽收支诊断表明,夏季流域南部（即水汽通道所在处）是水汽辐合中心,流域平均的辐合约9.5 mm d-1,主要来自风场辐合与地形坡度的贡献。（3）不同再分析资料表现的流域降水和水汽分布特征总体一致,但量值差异较大。NCEP（美国国家环境预报中心）气候预报系统再分析资料CFSR、日本气象厅再分析资料JRA-25较欧洲中期天气预报中心再分析ERA-Interim资料更适于研究该流域（青藏高原东南部）的水汽特征,因为后者给出的流域降水和水汽偏强。（4）近30年该流域夏季降水无显著趋势,以年际变率为主。年际异常的水汽辐合（约为气候态的35.4%）源自异常西南风导致的局地水汽辐合（纬向、经向辐合分别贡献了16.5%、83.5%）,地形作用很小。流域夏季降水的年际变化是由印度夏季风活动导致的异常水汽输送造成的,其关键系统是印度季风区北部的异常气旋（反气旋）式水汽输送。     

利用多种再分析资料对比分析青藏高原夏季大气水汽含量变化情况

利用ERA-Interim、MERRA和NCEP/NCAR三套再分析资料,分析1979~2014年夏季青藏高原大气水汽含量的时空变化特征,同时对比了各套资料异同点,结果表明:(1) ERA-Interim和MERRA资料均显示出夏季青藏高原大气水汽含量呈现显著的上升趋势,在1994~1995年前后发生明显突变,大气水汽含量由偏低时期向偏高时期转变;而NCEP/NCAR资料并没有出现类似的显著上升趋势和突变年份;ERA-Interim资料与MERRA资料的夏季青藏高原湿池指数之间的相关性明显强于NCEP/NCAR资料与它们任何一个之间的相关性。(2)夏季青藏高原大气水汽含量呈现出自高原东南边缘地区向西北部递减的分布形式。其中,MERRA与ERA-Interim资料显示的水汽含量分布更为相似,而NCEP/NCAR资料反映的水汽含量在高原中部往北递减不明显,湿度中心较为分散。(3)从空间分布上,MERRA与ERA-Interim资料显示青藏高原大部分地区夏季水汽含量均呈显著的增加趋势,而NCEP/NCAR资料仅在高原东北部小部分区域存在显著的增加趋势。(4)从夏季青藏高原大气水汽含量的年际变化特征分析来看,ERA-Interim和MERRA资料相对于NCEP/NCAR资料也更为接近。