2008年7—9月中国北方不同下垫面晴空陆面过程特征差异

采用2008年7—9月观测的中国干旱/半干旱区实验观测协同与集成研究资料,选取了9个下垫面(包括裸地、草地、森林和农田),分析了中国北方不同下垫面以及不同地区同类下垫面的晴空陆面辐射平衡和热量平衡日变化特征差异。结果表明,不同下垫面以及不同地区同类下垫面的地表辐射和能量过程特征差异明显,而这种差异主要源于下垫面的光学特性、水热特性以及局地陆-气系统中可利用水分的不同。在辐射平衡的比较方面,荒漠沙地发射的长波辐射最大,高寒森林的长波辐射最低,农田下垫面发射的长波辐射总体低于草地;荒漠沙地、草地、农田和高寒森林的反射率依次减弱;荒漠沙地、草地、农田、森林下垫面的净辐射依次增大。在能量平衡方面,荒漠区沙地可利用能量大部分(约80%)用于加热大气,约20%消耗于蒸发和加热土壤;草地下垫面可利用能量中用于加热大气的能量比蒸发水分消耗的能量高,但高寒草甸例外;农田下垫面可利用能量的大部分消耗于蒸发,消耗于加热大气的能量不到20%。水含量越高,潜热通量越大,能量闭合率越低,能量过程也更复杂。     

青藏高原不同地表反射率对比试验

通过对2009年7月在高原主体上利用ASD公司的野外光谱仪FieldSpec3采集到的不同地表光谱曲线的分析,结果表明:不同的下垫面具有非常典型的地物反射光谱曲线,沙化地的反射曲线相对平滑,在350~1800nm区间除去在700nm和1400nm有两个吸收谷以外,其他地方都呈反射状态,沙化地根据地表状况不同表现出不同幅值的反射率;油菜地的反射特征为从350nm开始吸收,在550nm出现一个反射峰后开始反射,到700nm附近出现一个吸收谷,反射率开始急剧上升,到740nm上升到最大,反射率维持在一个高位值上变化,一直到930nm附近出现一个反射谷,在1130nm附近,反射率开始呈下降的趋势;草地的反射曲线兼具绿色植物和沙化地的特征。      

PROSAIL模型在半干旱区春小麦不同干旱胁迫条件下的适用性分析

监测半干旱区作物的旱情对合理灌溉有重要意义。本文以黄土高原半干旱雨养农业区春小麦为研究对象,以模型模拟光谱对输入参数的响应、模型输入参数与干旱程度的关系以及不同旱情下光谱模拟精度为切入点,探讨基于PROSAIL模型反演参数指征春小麦旱情的可行性。结果表明:春小麦冠层光谱对于PROSAIL模型主要输入参数具有不同的光谱响应区间,其中叶绿素含量Cab的光谱响应区间为476~730 nm,叶面积指数LAI的主要响应区间为400~750 nm、800~1 000 nm和1 330~2 500 nm,等效水厚度EWT的响应区间在1 874~1 891 nm,干物质含量LMA的主要响应区间在2 331~2 356 nm。PROSAIL模型的输入参数与干旱程度有显著相关性。模型模拟的半干旱区春小麦冠层光谱的误差在1 400 nm前后差异显著,在1 400 nm之前模拟误差为11.5%,1 400 nm之后模拟误差为69%,总体误差约30%。模型对于等效水厚度和干物质含量的解释不够充分是导致模拟误差的主要原因之一。以PROSAIL模型反演参数监测黄土高原半干旱区春小麦旱情值得商榷。     

基于水面实测光谱的太湖蓝藻卫星遥感研究

水体叶绿素a含量和蓝藻密度是评价水质污染的主要参数,对监测水体蓝藻水华有重要意义。该文利用2008年11月10日和11日太湖水面实测光谱及FY-3A/MERSI,AQUA/MODIS卫星的波段响应函数,计算了卫星波段的水体表面等效反射率。水体实测光谱显示蓝藻污染提高了近红外波段的遥感反射率,在蓝光波段和绿光波段有明显的吸收谷和反射峰。根据这一原理,该文建立了近红外和红光波段的比值指数RI模型,成功反演了太湖水体叶绿素a含量(均方根误差分别为0.0174 mg·L~(-1)和0.0188 mg·L~(-1))和蓝藻密度(均方根误差分别为247.21×10~6L~(-1)和275.64×10~6L~(-1))。这一结果为分析太湖水面光学特性、水质污染状况提供了重要依据。     

FY-4A/AGRI传感器波段平均太阳辐照度计算及不确定性分析

传感器大气顶层波段平均太阳辐照度(Band-Averaged Extraterrestrial Solar Irradiance,BAESI)是表观反射率和星上辐亮度之间转换的重要因子,为了针对FY-4A/AGRI有关通道较为准确地计算这一数值,分别以韩国COMS/GOCI、美国GEOS-16/ABI、日本Himawari-8/9/AHI传感器为例,利用国际上常用的6条太阳光谱曲线与传感器光谱响应函数参与计算BAESI,并与各传感器BAESI标准值进行比较。结果表明,Kurucz计算结果平均绝对误差与均方根误差均最小,是最理想的太阳光谱曲线,此外,Kurucz计算值与各传感器各波段BAESI标准值的最大偏差均小于4.5%,最大偏差百分比及对应波段分别为-2.39%(GOCI-band3)、1.49%(ABI-band6)、4.28%(AHI-08-band6)、4.42%(AHI-09-band6)。因此选择Kurucz太阳光谱曲线参与计算FY-4A/AGRI传感器各波段BAESI值,给出相应结果,并分析了计算值的不确定性,解决了将表观反射率转换为辐射亮度的困难。     

黑河流域气温和降水再分析数据的不确定性评估

评价区域再分析数据的精度和不确定性对于陆面过程模拟和气候变化分析有重要意义。以黑河流域为研究区,基于站点观测数据对中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集(CMFD)、黑河流域2000—2015年大气驱动数据集(WRFOUT)及黑河流域3 km 6 h时空分辨率模拟气象强迫数据(SFD)在不同下垫面条件下气温和降水的模拟精度进行评价,并通过广义三角帽法(TCH)评价3套数据集的不确定性。结果表明:(1)对于气温数据,WRFOUT数据集在草地、灌丛地、荒漠裸地及湿地下垫面精度较高,而CMFD数据集在农田下垫面精度相对较高,5种下垫面中,3套再分析数据的气温产品在灌丛地精度最高;对于降水数据,CMFD数据集在5种下垫面精度均较高,SFD数据集在草地、灌丛地和荒漠裸地,WRFOUT数据集在草地、农田和湿地表现出高估。(2) CMFD与WRFOUT数据集中气温数据的不确定性相对较低,而SFD数据集中气温数据的不确定性相对较大; 3套数据集中降水数据均表现出相对较高的不确定性,且区域差异明显,地表植被类型复杂和海拔差异较大的地区数据不确定性较高。     

基于TM卫星影像获取北京市水体密度指数与植被覆盖指数的方法

以北京市为研究区域,分析了该区域的TM(Thematic Mapper;专题制图仪)卫星影像特征,探讨了水域、农田、林地、草地、城市用地以及云和云影在TM的7个波段上的光谱可分性,提出了NDCI(Normalized Difference Cloud Index;归一化云指数),分析建立了基于NDCI、NDVI(Normalized Difference Vegetation Index;归一化植被指数)、NDBI(Normalized Difference Built-up Index;归一化建筑指数)、MNDWI(Modified Normalized Difference Water Index;改进型归一化水体指数)和坡度数据的简单决策树模型,对研究区的几类主要地物、云和云影的信息进行了提取,并对结果进行了精度评价.在GIS支持下计算了水域、林地、草地和农田的面积,计算了北京市2005年第3季度的水体密度指数和植被覆盖指数.结果表明:该方法的总体提取效果较好,在分类过程中阈值的选取简单、有效,分类结果能够满足计算水体密度指数和植被覆盖指数的要求,从而将遥感技术运用到生态质量气象评价中去,并取得了较为满意的结果.     

基于MODIS数据的一种土壤水分遥感监测方法研究

根据MODIS数据特点及水的光谱吸收特性,研究了MODIS第6、7、31波段数据与表层土壤水分含量之间的关系,并基于分析结果,选择6波段反射率和31波段亮温,建立了吉林省中西部10cm土壤含水量的双变量反演模型。经检验,模型可以应用于大范围的表层土壤水分监测,使用条件为裸土或植被覆盖较低土地。所建模型仅需一次白天过境的MODIS卫星晴空资料,即可完成对土壤表层水分含量的监测,弥补了土壤热惯量方法对遥感资料要求相对苛刻的缺陷。     

使用气象目标物验证珠海〖CDF*2〗澳门双偏振雷达的差分反射率标定

为了寻求适合珠海-澳门双偏振雷达的差分反射率标定方法,提升其探测的准确性和稳定性,对珠澳雷达的太阳法和垂直指向法的标定结果进行了分析对比。对比表明两个标定方法确定的系统偏差之间存在较大的差异。为了确定真实的系统偏差,基于业务运行的体积扫描数据,在初始差分相移订正的基础上,用差分相移、反射率、信噪比和相关系数作为筛选条件,筛选了适合作为标定参照物的小雨和干雪,对珠澳雷达的标定结果进行了验证并分析了标定误差的成因。结果表明以小雨和干雪作为目标物得到的差分反射率系统偏差和太阳扫描法得到的结果非常一致,且在超过两个月时间内表现较为稳定,可以用于对雷达系统的差分反射率偏差进行长期的在线监控。垂直指向法标定的结果存在明显偏差。与英国Thurnham C波段雷达以及南京大学C波段雷达的垂直入射标定数据的横向对比和分析表明,珠澳雷达的垂直指向法标定受到位于天线罩顶部的航空障碍灯和维护窗的影响,使得标定结果出现偏差。     

使用气象目标物验证珠海-澳门双偏振雷达的差分反射率标定

为了寻求适合珠海-澳门双偏振雷达的差分反射率标定方法,提升其探测的准确性和稳定性,对珠澳雷达的太阳法和垂直指向法的标定结果进行了分析对比。对比表明两个标定方法确定的系统偏差之间存在较大的差异。为了确定真实的系统偏差,基于业务运行的体积扫描数据,在初始差分相移订正的基础上,用差分相移、反射率、信噪比和相关系数作为筛选条件,筛选了适合作为标定参照物的小雨和干雪,对珠澳雷达的标定结果进行了验证并分析了标定误差的成因。结果表明以小雨和干雪作为目标物得到的差分反射率系统偏差和太阳扫描法得到的结果非常一致,且在超过两个月时间内表现较为稳定,可以用于对雷达系统的差分反射率偏差进行长期的在线监控。垂直指向法标定的结果存在明显偏差。与英国Thurnham C波段雷达以及南京大学C波段雷达的垂直入射标定数据的横向对比和分析表明,珠澳雷达的垂直指向法标定受到位于天线罩顶部的航空障碍灯和维护窗的影响,使得标定结果出现偏差。     

CLM4.5在西北农牧交错带盐池站的模拟性能评估

农牧交错带具有草地、裸地、农田大面积相互镶嵌的独特下垫面,其地表水热过程变化复杂,亟需深入研究。利用宁夏盐池站2017年实际观测资料,对陆面过程模式CLM4.5的模拟性能进行检验。结果表明,在复杂下垫面下,CLM4.5仍能较好地模拟出草地的地面反射辐射、地面长波辐射和净辐射以及0~10 cm土壤含水量和温度的变化特征,但模拟值与观测值还存在一定偏差。CLM4.5能模拟出辐射通量的日变化特征,除5月外,地面反射辐射模拟值与观测值之间的偏差较小。地面长波辐射模拟值白天偏高,净辐射观测值与模拟值的相关系数为0.99,均方根误差为22.50 W·m^-2。土壤含水量观测值与模拟值的相关系数达0.83,但模拟值偏低,且模式对降雨后土壤含水量变化过程的模拟性能有待提高。土壤温度模拟值的日变化特征较为明显,观测值与模拟值的相关系数为0.98,均方根误差为2.82℃。     

MM5和ETA相似理论近地层方案对农田下垫面通量模拟比较研究

近地层湍流通量计算对于中尺度数值模式有重要意义, 湍流通量的参数化是当前大气边界层研究的重要课题之一。选择青藏高原东缘大理观象台边界层通量观测系统, 离线测试了WRF区域模式中的两种常用的近地层参数化方案(MM5相似理论非迭代方案A和ETA 相似理论迭代方案B), 并将参数化方案计算结果与边界层铁塔涡动相关法的观测值进行对比分析。在大理观象台观测场不同植被随季节交替的状况下, 根据边界层铁塔4层高度风速拟合, 发现近地层空气动力学粗糙度随季节变化特征明显。将拟合的空气动力学粗糙度输入模式参数化方案进行通量计算。结果表明:稳定度是影响近地层参数化方案精度的重要因素, 在不稳定条件下方案B低估了动量通量, 方案A优于方案B, 而在稳定条件下方案A低估了动量通量, 方案B优于方案A, 两种方案总体来看误差不大。对于大理边界层通量观测场地农田植被交替的环境条件, 不同季节下垫面植被类型的差异, 以及植被的稀疏对近地层参数化方案湍流通量计算结果的精度有显著影响。方案B考虑了空气动力学粗糙度z₀和热量粗糙度z_0h的差异, 不稳定条件下感热通量计算结果在裸土或稀少植被条件下明显优于方案A。针对方案B不稳定条件下感热通量计算结果在裸土下垫面仍出现高估的现象, 在使用了(Zeng, et al, 1998)提出的对于使用辐射地表温度在裸土下垫面时的订正方法后, 计算结果也有明显改善。     

MM5和ETA相似理论近地层方案对农田下垫面通量模拟比较研究

近地层湍流通量计算对于中尺度数值模式有重要意义,湍流通量的参数化是当前大气边界层研究的重要课题之一.选择青藏高原东缘大理观象台边界层通量观测系统,离线测试了WRF区域模式中的两种常用的近地层参数化方案(MM5相似理论非迭代方案A和ETA相似理论迭代方案B),并将参数化方案计算结果与边界层铁塔涡动相关法的观测值进行对比分析.在大理观象台观测场不同植被随季节交替的状况下,根据边界层铁塔4层高度风速拟合,发现近地层空气动力学粗糙度随季节变化特征明显.将拟合的空气动力学粗糙度输入模式参数化方案进行通量计算.结果表明:稳定度是影响近地层参数化方案精度的重要因素,在不稳定条件下方案B低估了动量通量,方案A优于方案B,而在稳定条件下方案A低估了动量通量,方案B优于方案A,两种方案总体来看误差不大.对于大理边界层通量观测场农田植被交替的环境条件,不同季节下垫面植被类型的差异,以及植被的稀疏对近地层参数化方案湍流通量计算结果的精度有显着影响.方案B考虑了空气动力学粗糙度z₀和热量粗糙度z_0h的差异,不稳定条件下感热通量计算结果在裸土或稀少植被条件下明显优于方案A.针对方案B不稳定条件下感热通量计算结果在裸土下垫面仍出现高估的现象,使用了Zeng等1998年提出的用辐射地表温度订正裸土下垫面感热能量方法后,计算结果也有明显改善.     

利用HJ-1卫星数据监测山区水库资源

遥感技术能够快速、宏观地获得研究区域的数据,已成为湖泊环境动态变化监测的重要技术手段。但是对于山区的湖泊和河流而言,由于沟壑众多,河道狭窄,水体像元多为混合像元,利用现有方法提取水体遥感影像难度较大。水体与植被、城市和土壤等地物在不同波段的光谱反射率的差异是利用遥感手段提取水体信息的基本原理。本文在水体光谱特征分析的基础上,描述了HJ-1卫星数据特征及所采用的山区水体信息的遥感提取方法,并以南湾水库为例,描述了利用植被指数(NDVI)方法识别水体信息的技巧:首先将HJ-1数据的第3和第4波段经过波段运算得到NDVI图像;再将两种遥感图像中NDVI值小于0的像元判识为水体,NDVI值大于0的判识为水库周围的农田,经过计算像元数量得到水体面积信息;最后在各种专业软件的支持下,结合非监督分类的水体识别效果,将水体与其他地物类型区分开来。结果表明,利用HJ-1卫星数据可有效排除其他地物的干扰,显著提高水体监测的精度。     

黄土高原不同作物下垫面陆气水热交换的模拟研究

黄土高原农田种植结构的改变对陆面能量和水分交换、区域蒸散发等产生影响,不同作物下垫面复杂的水热耦合机制在黄土高原陆-气相互作用中起着重要作用。本文利用陇东黄土高原2019-2021年共计34个月的观测数据,结合耦合了作物模块的通用陆面模式(Community Land Model with BGC Biogeochemistry and prognostic crop,CLM5.0-BGCCROP)对黄土高原不同作物下垫面(冬小麦、玉米、苹果林地)的陆面特征进行离线单点模拟,以验证CLM5.0陆面过程模式在黄土高原农田地区的模拟能力,对比分析不同作物下垫面土壤温湿度和地表能量通量的差异。结果表明：(1)CLM5.0对土壤温湿度特征的模拟效果较好,平均均方根误差分别小于2.5℃和0.1 m³·m^-3,小麦地土壤温度模拟值偏高,玉米地和苹果林地土壤温度模拟存在冷偏差。生长期在旱期的冬小麦造成土壤干燥的程度大于玉米,苹果林地因根系丰富,吸收了更多的土壤水,使土壤整体更加干燥。(2)模拟偏差一部分是由于在模式中将作物下垫面设置为单一作物类型(冬小麦、...     

FY-3D/HIRAS光谱定标精度评估中的最佳光谱区域选择

光谱定标精度的精确评估和监测,是红外高光谱数据应用之前的重要工作。光谱定标精度评估常用"互相关"方法,即通过平移观测谱使得观测谱与参考基准谱之间满足最大相关或最小标准差条件。考虑到计算耗时,无须在全谱段检测频偏,而用部分光谱区域评估光谱定标精度。为全面评估"互相关法"对光谱区域选择的依赖程度,初步选择光谱区域依据理论模拟光谱(只考虑仪器离轴效应)的敏感性分析,最佳光谱区域选择基于实际观测光谱的敏感性分析。基于模拟光谱的敏感性分析表明:光谱精度评估方法对光谱区域的选择在中波波段不敏感,在长波和短波波段比较敏感,其敏感性与光谱区域内吸收带的包络特征、辐射能量的大小有关;选择不同光谱区域引入的绝对误差在长波和短波波段最大分别可达3.05和3.35 ppm(1 ppm=10~(-6));因此,当光谱区域选择在辐射能量较大,大气成分含量稳定的大气分子吸收带,能有效减小"互相关法"引入的误差。进一步基于风云三号D星红外高光谱大气探测仪(FY-3D/HIRAS)观测光谱,研究提出了HIRAS光谱精度评估的最佳参考光谱区域:长波波段为[716,766] cm~(-1),中波波段为[1270,1320] cm~(-1),短波波段为[2159,2209] cm~(-1),基于上述光谱区域评估的HIRAS光谱偏差平均值均优于2 ppm,长波和中波的标准差优于2 ppm,短波的标准差约为4 ppm。研究结果对其他红外干涉仪器的光谱定标精度评估和频率长期稳定性监测也具有参考作用。     

半干旱区不同下垫面近地层湍流通量特征分析

本文分析了2003～2005年半干旱区退化草地和农田下垫面近地层湍流通量日、季、年的变化特征, 探讨了不同年份的气候背景和下垫面土地覆被对地气交换过程的影响。结果表明: 半干旱区退化草地和农田近地层湍流通量具有明显的日变化、季变化周期; 地气间通量交换年际间的差异主要受当年的气候背景影响, 尤其是降水的影响; 同时还受到下垫面覆被的影响。潜热通量和感热通量的能量分配比率呈反位相变化, 且农田和退化草地的变化趋势相似, 在夏季潜热通量所占比例均超过感热通量; 两种下垫面的波恩比月均值变化趋势十分相似, 量级接近, 夏季低, 春、秋季高; 夏季退化草地和农田下垫面波恩比均小于或等于1。     

2008年夏季中国干旱-半干旱区陆面主要物理参数的平均特征

采用2008年7-9月观测的中国干旱-半干旱区试验观测协同与集成研究资料,选取12个测站(涵盖不同气候环境区的草地、农田、果林和森林等下垫面)比较分析了干旱-半干旱区的动力、热力和水汽粗糙度长度、总体输送系数、反照率以及土壤热传导率和热扩散率的夏季平均特征,并与陆面模式的理论参考值进行了对比。结果表明,植被下垫面的水、热特性和植被高度对主要陆面参数有重要影响,但植被下垫面的土壤热传导率和扩散率与下垫面类型之间无明显关系。动力学粗糙度长度与下垫面的植被高度呈正相关关系,无论是稳定还是不稳定层结下,动量拖曳系数都随着植被高度的增大而增大,而反照率随植被高度的增加而降低。在研究区的下垫面中,草地下垫面动力学粗糙度长度的实测值比模式理论参考值偏小,但农田和果林下垫面的实测值比理论参考值偏大;草地下垫面动量拖曳系数理论的参考值比实测值高,但其他下垫面的实测值高于理论参考值;实测反照率处于可见光反照率和近红外光反照率之间,但反照率的理论参考值比实测值偏高。     

不同下垫面空气动力学参数的研究

文中利用中国科学院沙漠研究所与日本国家农业环境技术研究所合作于1990—1994年在中国内蒙古自治区奈曼市半干旱地区沙丘和植被区下垫面观测的微气象数据,根据Monin-Obukhov相似性理论,计算了重度干扰草原、中度干扰草原、轻度干扰草原、无干扰草原、沙丘、沙丘内地、草地、稻田、小麦田、大豆田和玉米田11种下垫面的空气动力学参数粗糙度长度z0,零平面位移d,摩擦速度u*,并分析了它们与水平风速u和Richardson数的关系,比较了不同人为干扰草原生态系统条件下的空气动力学特征。结果表明:地表生物量和覆盖率随着人为干扰强度的增加而减少。不同人为干扰下垫面的粗糙长度与生物量和植被高度以及地表起伏程度有着密切关系;Richardson数也是其影响因子。风速、粗糙度都与摩擦速度成正相关,但对于不同下垫面有所不同,从中可以看到草地对沙漠化有一定的防治作用。同一种下垫面不同时期的空气动力学参数也存在差异。这些结果对建立陆面过程和区域气候模式具有重要的意义。     

气溶胶对利用近红外波段反演CO_2浓度精度的影响研究

近红外波段CO_2浓度反演误差主要与气溶胶散射作用引起的吸收光程改变量难以精确估计有关。此外,不同的气溶胶模式及下垫面反射率条件下吸收光程改变量也不尽相同。针对不同气溶胶模式条件下,忽略气溶胶散射对CO_2浓度反演精度的影响进行分析。研究发现,对乡村型、对流层型和海洋型气溶胶来说,忽略气溶胶散射效应,在暗地表时(反射率0.1)会导致CO_2浓度反演结果低估;当地表反射率超过0.1后,CO_2浓度反演结果均为高估,且随地表反射率的增加,反演误差增加。对城市型气溶胶模式来说,忽略气溶胶影响均会导致CO_2浓度反演结果低估,随地表反射率增加,反演误差递减。在典型观测几何下,地表反射率(1.6μm)和气溶胶光学厚度(0.55μm)在0.1~0.3范围内时,忽略气溶胶影响,城市型、海洋型、乡村型以及对流层气溶胶分别会引入-0.1%~-0.5%、0.22%~1.92%、0.09%~1.46%及0.02%~0.45%的反演误差。在利用GOSAT观测光谱对XCO_2(干燥空气下CO_2平均混合比)进行反演时发现,相比GOSAT发布结果(389.814ppm,1ppm=10~(-6)),基于地基实测气溶胶特性数据的XCO_2反演结果(390.95ppm)与地基观测结果(390.737ppm)有更好的一致性。