用气象卫星监测土壤水分的试验研究

该文从土壤的热性质出发，阐述了目前国内外用气象卫星监测土壤湿度的研究中存在的问题，并提出了解决的方法，在解热传导方程的基础上，引入了“遥感土壤水分最大信息层”概念，并以此为理论依据建立了多时相的综合土壤湿度统计模型。为了在业务中有效地使用所有卫星资料，还提出获得日较差的几种方法。      

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。     

基于风云三号气象卫星微波亮温资料反演东北地区土壤湿度及其对比分析

土壤湿度在陆面过程中发挥着重要作用,是联系陆地水循环和能量循环的纽带和关键环节。遥感技术可以实时地对土壤湿度进行长期、大区域动态监测,已成为监测土壤湿度的有效手段。本文基于风云三号气象卫星（FY3B）微波亮温资料,利用基于微波能量辐射传输方程的陆面参数反演模型（LPRM）反演了中国东北地区的土壤湿度（FY3B_LPRM）。把反演获得的FY3BLRPM土壤湿度与中国气象局农业气象站土壤湿度观测资料、NCEP和ERA-Interim土壤湿度再分析资料、欧洲空间局多卫星融合ECV（Essential Climate Variable）土壤湿度产品和国家卫星气象中心FY3B官方土壤湿度产品（FY3B_offical）进行了对比分析。结果表明:（1）本文反演的FY3B土壤湿度与农业气象站观测资料有较高的一致性;卫星土壤湿度整体上呈现自西向东逐渐增加的空间变化,与农业气象站观测资料较为一致;在季节变化上,两者高度相关,在大部分地区的相关系数都达到0.7以上。（2）在大兴安岭和东北三省东部等地表相对湿润的地区,FY3B_LPRM土壤湿度与NCEP、ERA-Interim和FY3B_offical土壤湿度呈现较强的负相关;再分析资料和FY3B_offical土壤湿度均无法反映该地区土壤干湿状况的季节性变化,甚至与观测资料呈反位相变化特征。FY3B_LPRM土壤湿度与欧洲空间局研发的多卫星融合ECV土壤湿度产品在绝大多数地区有较好的一致性。本文基于风云三号极轨气象卫星微波亮温反演的土壤湿度资料,可用于干旱监测、数值同化与天气预报、水文水资源等领域。     

青藏高原土壤湿度的变化特征及其对中国东部降水影响的研究进展

青藏高原土壤湿度受积雪与冻土的共同影响,能够记忆长时间的陆面干湿过程,是气候变化的重要因子,对随后的中国东部降水有预测意义。由于高原观测站点稀少,土壤湿度观测资料匮乏,致使现有相关研究大多是基于再分析资料、模式资料和卫星遥感资料(统称替代资料)进行的,且所得结论既有差异,也存在不确定性。因此本文首先综述了各种土壤湿度替代资料的适用性对比研究,进而讨论了青藏高原地区土壤湿度的变化特征及其对我国东部气候的影响。现有研究表明:1)资料对比研究指出,现有的各种替代资料对高原土壤湿度存在明显的高估或低估现象,且评估结论受评估指标和插值方法不同的影响。相对而言,SSM/I和风云3B的土壤湿度产品与实际观测资料相关性较好。2)高原土壤湿度具有多时间尺度变化特征和空间非均匀性,在年变化上具有显著的融冻特征,年代际变化趋势和年际特征呈现显著的区域性差异。SSM/I资料表明春季高原主体土壤湿度的年代际变化趋势呈现为增加的特征,与高原的增暖相一致;年际变率存在东、西两个高值区,与其相关的潜热、感热通量能共同激发遥相关波列影响我国长江流域降水;同时高原土壤湿度在垂直方向上具有一致性,在空间分布上具有南部边缘最大、由东南向西北递减的特征。3)前人对高原土壤湿度影响中国东部降水的结论各有不同,其可能原因之一是采用的替代资料及其适用性不同,其二是模式试验中忽略土壤湿度的空间差异性而带来的误差等。相关问题需要进一步深入研究。     

NOAA卫星遥感监测不同作物农田土壤湿度模型

根据对新疆几个主要农作物耕种田土壤含水量和土壤温度观测资料，统计分析了土壤含水量与地温的相互关系。结果表明，同样土质条件下（本试验区均为沙壤土），种植不同作物，其土壤湿度大小所响应的地温要素不同，有的与凌晨地温（T08）相关好，有的对中午地温（T14）反应灵敏；有的和地面日温度相关突出，有的则与浅层地温关系好，总体看，土壤湿度与地面日温差（△T＝T14－T08，近似为日较差）相关最佳，其道理众所周知，是土壤的热惯量差异所致。反言之，不同作物田，即使土壤含水量和其它条件都一样，其△T可能不一样，而且变化最敏感的△T所在深度也不同。本文给出了四种农作物生长田里土壤湿度和地温的响应模式，并推论可以用AVHRR辐射温度（亮温）的日差值Tb代替△T，进而提供一种利用NOAA卫星遥感资料监测不同作物区土壤湿度分布的模型。     

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。     

CLM4.5模式对青藏高原土壤湿度的数值模拟及评估

本文利用1981～2016年的CRUNCEP资料（0.5°×0.5°）作为大气驱动数据,驱动CLM4.5（Community Land Model version 4.5）模式模拟了青藏高原地区1981～2016 年的土壤湿度时空变化。将模拟数据与台站观测资料、再分析资料（ERA-Interim和GLDAS-CLM）和微波遥感FY-3B/MWRI土壤湿度资料对比验证,表明了CLM4.5模拟资料可以合理再现青藏高原地区土壤湿度的空间分布和长期变化趋势。而且基于多种卫星遥感资料建立的较高分辨率（0.1°×0.1°）的青藏高原地表数据更加细致地刻画了土壤湿度的空间变化。对比结果表明:CLM4.5模拟土壤湿度与各个台站观测的时空变化一致,各层土壤湿度的模拟和观测均显著相关,且对浅层的模拟优于深层,但模拟结果比台站观测系统性偏大。模拟与再分析资料和微波遥感资料土壤湿度的空间分布具有一致性,均表现为从青藏高原的西北部向东南部逐渐增加的分布特点,三江源湿地和高原东南部为土壤湿度的高值区,柴达木盆地和新疆塔里木盆地的沙漠地区为低值区,土壤湿度由浅层向深层增加。土壤湿度的长期变化趋势基本表现为“变干—变湿”相间的带状分布,不同层次的土壤湿度变化趋势基本一致。模拟资料也合理地再现了夏季土壤湿度逐月的变化:高原西南地区的土壤湿度明显大范围增加,北部的柴达木盆地的干旱范围也明显的向北收缩,高原南部外围土壤湿度也明显增加,CLM4.5模拟土壤湿度比再分析资料和微波遥感资料更加细致地描述了夏季逐月土壤湿度空间分布及其变化特征。     

河南省土壤湿度年变化规律

利用河南省土壤墒情预报模型中建立的河南省台站土壤墒情数据库资料，对不同类型土壤湿度进行分析，从而确定不同类型土壤湿度差异、地下水对土壤湿度的影响及河南省土壤湿度的年变化规律。     

陕西省干旱监测预测评估业务平台

从实际需求和业务应用着眼,利用MODIS遥感资料和地面加密气象与土壤湿度观测资料,综合气候、植被、水文和地质环境等因素,对陕西省生态农业气候环境进行了区划。建立基于MODIS卫星遥感资料的干旱监测业务化方法和模型,开发了气象干旱和农业干旱预测模型及干旱综合影响评估模型,形成了干旱监测预测评估业务平台,实现了省、市、县干旱监测-预测预警-影响评估的系列化服务。     

土壤湿度对卫星辐射率资料直接同化的影响

本研究利用WRF模式及其三维变分同化系统实现了对NOAA-16 AMSU-A微波资料的直接同化,针对2010年6月19日江西地区的一次强降水过程开展模拟与同化试验,并利用中国区域土壤湿度同化系统(CLSMDAS—China Land Soil Moisture Data Assimilation System)输出的土壤湿度值替换NCEP(National Centers for Environmental Prediction)资料中的土壤湿度,研究土壤湿度初值对辐射率资料直接同化中观测场与背景场偏差调整的影响。结果表明:采用CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下模拟的亮温值与实际观测值更为接近,经过质量控制和偏差订正后更多的观测资料能够进入到同化系统中,说明改进的土壤湿度初值条件下观测算子的计算值得到正的调整,对低层地表通道的改进效果明显,尤其以50.3 GHz的窗区通道3的结果最为理想;针对此次强降水过程中24 h累积降水分布的模拟结果,CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下同化AMSU-A资料,能够较为准确的把握整个雨带的走向、大雨以上级别降水的落区范围、降水中心落区及强度等。说明准确的土壤湿度初值能够改进卫星辐射率资料的同化结果,进而提高数值模式的模拟预报能力。     

利用“3S”技术进行北京地区土壤水分监测应用技术研究

该文主要对适合于北京地区的土壤水分卫星遥感监测方法，利用GIS及GPS工具，提高对土壤水分卫星遥感监测结果的分析能力进行了探讨。在分析研究北京地区土壤水分卫星遥感监测模式及适宜使用的下垫面状况和时段的基础上，提出了一批具有一定物理意义和应用价值的遥感模式。利用GIS和GPS技术实现包括遥感信息在内的多种数据的复合，以影像的方式，将地表地理状况与土壤水分卫星遥感监测结果结合起来，实现了RS、GIS及GPS的融合，提高了土壤水分卫星遥感监测的精度。     

中国土壤湿度的分布与变化 I. 多种资料间的比较

土壤湿度是影响气候的重要因子之一, 但观测资料的欠缺制约着该领域研究工作的开展。本文汇总了目前国际上运用较为广泛的四套土壤湿度资料: ERA40和NCEP/NCAR再分析资料、全球土壤湿度计划资料(GSWP2)、以及NCAR最近完成的利用观测资料强迫“通用陆面模式”CLM所产生的土壤湿度资料。在此基础上, 利用中国区域观测的19年 (1981～1999年) 的土壤湿度和13年 (1992～2004年) 的土壤相对湿度资料, 对四套资料在中国区域的可靠性进行了分析和比较, 主要结论如下: 四套资料基本揭示出土壤湿度的空间分布, GSWP2揭示了四套资料最多的共性, 即东北、 华南湿, 华北、 西北干, 土壤湿度基本由西北向东北和东南呈梯度增加的特征; GSWP2较好地描述了土壤湿度的季节循环; ERA40土壤湿度的年际变化与观测相关最好; 观测资料和四套资料都表明前期降水会增加土壤湿度, 但土壤湿度异常对后期降水的影响则不显著; 气温与土壤湿度的关系较复杂, 不同的区域有不同的特征。     

自动土壤水分观测站业务化检验分析

土壤水分监测对农业生产和科学研究都具有重要意义,自动土壤水分观测数据得到了广泛应用,实现了土壤水分的自动监测。通过对天津新建DZN3型自动土壤水分观测站业务化检验过程进行介绍,分析了自动观测数据的到报率和土壤常数的测定,并对人工与自动观测数据做了详细的对比分析,通过两个实例分析了对比检验的方法,确定了能够业务化运行的自动土壤水分观测站,分析了站点未通过检验的原因,并对重新进行业务化检验的站点和日常维护提出了建议,介绍的方法为今后开展相关业务化检验奠定了基础。     

A wind tunnel study of flows over idealised urban surfaces with roughness sublayer corrections

Variation of soil moisture during active and weak phases of summer monsoon JJAS (June, July, August, and September) is very important for sustenance of the crop and subsequent crop yield. As in situ observations of soil moisture are few or not available, researchers use data derived from remote sensing satellites or global reanalysis. This study documents the intercomparison of soil moisture from remotely sensed and reanalyses during dry spells within monsoon seasons in central India and central Myanmar. Soil moisture data from the European Space Agency (ESA)—Climate Change Initiative (CCI) has been treated as observed data and was compared against soil moisture data from the ECMWF reanalysis-Interim (ERA-I) and the climate forecast system reanalysis (CFSR) for the period of 2002–2011. The ESA soil moisture correlates rather well with observed gridded rainfall. The ESA data indicates that soil moisture increases over India from west to east and from north to south during monsoon season. The ERA-I overestimates the soil moisture over India, while the CFSR soil moisture agrees well with the remotely sensed observation (ESA). Over Myanmar, both the reanalysis overestimate soil moisture values and the ERA-I soil moisture does not show much variability from year to year. Day-to-day variations of soil moisture in central India and central Myanmar during weak monsoon conditions indicate that, because of the rainfall deficiency, the observed (ESA) and the CFSR soil moisture values are reduced up to 0.1 m³/m³ compared to climatological values of more than 0.35 m³/m³. This reduction is not seen in the ERA-I data. Therefore, soil moisture from the CFSR is closer to the ESA observed soil moisture than that from the ERA-I during weak phases of monsoon in the study region.

     

FDR自动土壤水分数据标定问题及解决方法

针对目前FDR自动土壤水分数据可用性低的实际情况,本文从FDR自动土壤水分站传感器原理出发,结合数据处理流程与方法对湖南60个站点不同层次的标定参数及部分站点的相关观测数据进行了分析,指出目前田间标定法在自然条件下几乎无法得到覆盖土壤各个湿度区间的均匀样本数据,导致二次标定参数不合理是造成FDR自动土壤水分站数据可用性差的根本原因。二次标定方程参数不合理主要表现为方程斜率过大、过小、负值3种情况,导致观测数据增幅过大、常年不变、与实际土壤湿度变化趋势完全相反等问题。最后针对该问题提出了大样本原状取土,实验室标定的解决方法,并对方法进行了初步验证,结果表明该方法能从源头上有效改善土壤水分站观测数据质量。     

土壤湿度——一个跨季度降水预测中的重要因子及其应用探讨

阐述了土壤湿度对短期气候变化的重要作用,结合我国的业务现状提出亟需将这一因子应用于跨季度降水预测。通过将一个土壤湿度反演模型引入IAP跨季度气候预测系统,探讨了土壤湿度应用于季节降水预测的可行性及其效果。初步的个例分析表明:前期土壤湿度的异常分布对降水变化有较显著的影响,继续改进土壤湿度反演模型可望获得更好的降水预测效果。同时,提出的基于常规气象观测进行反演以获得大范围土壤湿度分布的办法在当前业务预测中具有很强的可操作性。     

AMSR-E卫星亮度温度数据在高原东北部土壤湿度观测和模拟中的应用

为了改进青藏高原东北部土壤湿度的观测和模拟效果,利用AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS)亮度温度资料,估算了高原东北部的土壤湿度值;还利用耦合了Noah陆面模型的WRF中尺度模式WRF-Noah,结合牛顿松驰逼近同化法对AMSR-E估算的土壤湿度进行了同化试验。结果表明:与实测及NCEP再分析值土壤湿度相比,估算的高原东北部的土壤湿度值虽小些,但能够体现土壤湿度随降水事件等的影响。使用牛顿松弛逼近法同化后比没有同化或采用直接替代法模拟的土壤湿度的效果要好。在区域尺度上,通过对牛顿松弛逼近法中质量因子的详细控制,采用该同化方法后对沙漠地区土壤湿度的模拟改善最为明显,其次是草地以及灌木丛与草地混合区;在时间尺度上,采用牛顿松弛逼近同化方法后模拟值与实测值的均方根误差得到减少。     

Energy and Water Balance at Soil-Air Interface in a Sahelian Region

l. IntroductionModel simulation of soll physical properties is very 1mportant for climate studies becauseof the role they play in different interaction processes with the atmosphere. One of the mostwidespread studies is the implementation of soil models 1n General Circulation Models(GCMs); previous studies showed, in fact, that climate simulat1ons are sensitive to theparameterization of the energy and mass fluxes at the land surface (V1terbo, l995; Beljiaars etal., l996; Dolman et al., l997…     

云南省自动气象站土壤湿度数据质量控制

土壤湿度是控制陆地和大气间水分和能量交换过程的重要变量,而自动气象站观测是获取地表土壤湿度的主要手段。地表自动气象站观测的准确性能够直接影响其应用效果,因此, 开展自动气象站土壤湿度质量控制分析具有重要意义。基于2010—2014年云南省37个自动气象站土壤湿度数据,采用谱分析方法,以观测值及其Savitzky-Golay二次导数的平均值、均方差、变化率等统计量为判据,筛选剔除了观测数据中的随机噪声、异常峰值和异常平稳值。结果表明:云南省自动气象站观测数据均有缺测,两种异常值中,异常平稳值占绝大部分。与降水时间序列对比发现,不同降水强度下各层土壤湿度变化存在一定差异,砂质土站点对降水的响应最为明显,黏质土站点雨后土壤湿度变化幅度最小。