基于组网观测的那曲土壤湿度不同时间尺度的变化特征

利用第三次青藏高原大气科学试验的土壤湿度观测数据,分析了那曲多空间尺度组网观测的28个站2、5、10、20和30 cm 5个不同深度土壤湿度的季节变化和日变化特征,并对比讨论了土壤湿度站点间的差异。分析表明,各层土壤湿度均存在显著的季节变化。冬春季节,20 cm以上土壤湿度随深度变浅而减小。夏秋季节土壤湿度随深度增加而减小,并分别在7月上、中旬和9月出现两个峰值。10月以后进入土壤湿度衰减期。土壤温度和土壤湿度存在协同变化关系。在一定的温度范围内,土壤发生冻结-融化过程,引起土壤湿度变化。在太阳辐射加热下,土壤表层水分蒸发,进而影响土壤温度。不同观测站间土壤湿度差异较大,夏秋季离散性大于冬春季。不同季节土壤湿度的日变化存在差异。春季10 cm以上土壤湿度日变化明显,08-10时（北京时）达到最低,19-20时达到最高。夏季土壤湿度日变化较为平缓。秋季2 cm深度土壤湿度日变化明显。线性拟合结果表明,1、4、10月土壤湿度和土壤温度为正相关关系。但是在夏季,土壤湿度与土壤温度为负相关。站点间土壤湿度变化的离散性表明,多测站才能全面体现青藏高原某区域的陆面状态。文中结果为青藏高原地区土壤湿度卫星参数验证和数值模式参数化提供了多角度的观测依据。      

中国区域不同深度土壤湿度模拟和评估

利用FY-2静止气象卫星逐小时降水估计产品和地面入射太阳辐射反演产品,利用NCEP/NCAR再分析数据集中的地面气温、湿度、气压和风速数据,构造中国区域高时空分辨率的大气强迫场,驱动CLM3.0陆面模式模拟得到了2005年7月至2010年6月中国区域10 km分辨率的日平均土壤湿度数据集.通过与中国农气观测站土壤湿度数据进行比较分析,结果表明:在0～10 cm和10～20 cm深度上,模式模拟的土壤湿度结果从空间分布和时间变率上均与观测数据有很好的一致性,在70～100 cm深度上,空间分布有较好的一致性,但模式模拟结果的时间变率较小.按照气候特点将中国分为8个区域,分析了区域平均土壤湿度的时间变化规律,中国西北和西南地区有很好的一致性,东北和华北地区次之.     

基于AMSR-E反演青藏高原夏季表层土壤湿度

利用AMSR-E观测的土壤表层亮温资料,采用简化修正的单通道算法模型(Single Channel Algorithm,SCA),反演青藏高原地区夏季2011年6-8月的表层土壤湿度。为对比验证反演结果,利用高原东部和中部的玛曲观测网和那曲观测网CTP-SMTMN(Soil Moisture and Temperature Monitoring Netw ork on the central Tibetan Plateau)的土壤湿度观测数据,以及NASA和VUA-NASA两种均基于AM SR-E的反演土壤湿度产品进行验证。结果表明:(1)与VUA-NASA产品和修改后的SCA模型反演结果相比,NASA产品在像元和区域尺度上相关系数较低,MAE(Mean Absolute Error)和RMSE(Root M ean Square Error)较高,明显低估了两个地区的土壤湿度。(2)VUA-NASA产品在玛曲地区表现良好,在那曲地区虽然相关系数较高,但MAE和RMSE同样较高,导致精度较差。(3)对比其他两种产品,修改后的SCA模型反演结果在两个地区表现出较高的相关系数(接近0.800)、较低的MAE(接近0.050m~3·m~(-3))和RMSE(接近0.060 m~3·m~(-3)),有着较高的精度。因此,可以认为修改后的SCA模型可以应用于青藏高原地区土壤湿度动态监测,为研究青藏高原地区的天气和气候变化影响及水循环过程提供了参考和借鉴。     

土壤质地改变对CLDAS/Noah-MP土壤湿度模拟的影响研究

陆面模式可以模拟获得高时空分辨率连续的多层土壤湿度,但其精度受到地表参数的影响,土壤质地就是其中之一,本文利用CLDAS-V2.0(中国气象局陆面数据同化系统)驱动Noah-MP模式,开展了其对土壤湿度模拟的影响研究。结果表明,利用中国第二次土壤调查数据制作的中国区土壤质地数据(SNSS)与模式自带土壤质地数据(FAO)模拟的2014年中国区域土壤湿度日均值存在显著差异,0～10cm深度23.2%的区域差异性大于10%,74.9%的区域差异性大于1%;10～40 cm深度20.8%的区域差异性大于10%,69.8%的区域差异性大于1%。从时间序列来看,两组实验模拟结果均能基本反映土壤湿度随时间变化的规律,SNSS在0～10 cm处模拟结果表现更好,但在10～40 cm处出现低估现象。从空间分布分析,使用SNSS土壤质地类型之后,CLDAS/Noah-MP土壤湿度模拟结果与观测值的偏差为负值的区域较多,尤其是10～40 cm深度,大多数区域模拟值均存在低估;与FAO模拟结果比较,SNSS在东南和西南地区0～10 cm和10～40 cm深度的模拟效果有所改进;东北地区0～10 cm深度SNSS的模拟效果好于FAO,但10～40 cm深度的模拟精度两者相差较小。     

青藏高原东部土壤湿度变化及其与西南地区降水的关系

利用1992—2012年青藏高原东部地区21个站点的土壤湿度旬值数据资料及对应的年份21个站点的降水逐年、月资料,分析了高原东部土壤湿度、西南降水的时空特征及其关系。结果表明:(1)高原东部近21年年均土壤湿度大致分布为南多北少,其中,春秋两季土壤湿度在九十年代均呈下降趋势,在2001年以后则呈上升趋势;(2)青藏高原东部土壤湿度与西南地区降水量间的相关系数互有正负,可能是土壤湿度对降水的响应具有一定的滞后性造成的;(3)玛曲地区土壤湿度的年际振荡较明显,呈多波动分布,年与季的土壤湿度与降水量呈正相关。     

基于集合卡尔曼滤波的土壤温湿度同化试验

以通用陆面模式CLM 3.0(Community Land Model 3.0)为模型算子,基于集合卡尔曼滤波(Ensemble Kalman Filter,En KF)发展了一个土壤温湿度同化系统,主要用于改进模式对土壤温湿度和地表水热通量的模拟精度,并考察集合样本数、同化频率及不同观测量的组合对同化效果的影响。该系统同化了FLUXNET两个站点(阿柔和Bondville)不同土壤深度、不同时间频率的土壤温度和湿度数据。通过对阿柔站不同集合样本数的设计,综合考虑计算成本和计算精度,最终将集合样本数设置为40。通过分析三种同化方案对同化频率的敏感性得出,同化土壤温度最为敏感,同时同化土壤温湿度次之,同化土壤湿度最不敏感。对于阿柔站点,同化系统对不同土壤深度温度和湿度的模拟精度均能提高90%,潜热通量的均方根误差由94.0 W·m~(-2)降为46.3 W·m~(-2),感热通量均方根误差由55.9 W·m~(-2)降为24.6 W·m~(-2)。Bondville站点浅层土壤温度的改进在30%左右,深层土壤温度改进达到60%,对土壤湿度的改进均在70%以上,潜热通量和感热通量的均方根误差分别从57.4 W·m~(-2)和54.4 W·m~(-2)降为51.0 W·m~(-2)和42.5 W·m~(-2)。试验结果表明,同化站点土壤温湿度数据对土壤水热状况及通量的模拟改进非常有效,同时也验证了同化土壤水分遥感产品的可行性和必要性。     

基于GLDAS产品的青藏高原土壤湿度特征分析

选取青藏高原中部那曲地区10个试验点2010年8月至2012年12月的土壤湿度数据与全球陆面数据同化系统(GLDAS)中4个陆面过程模型(NOAH、CLM、VIC、MOSAIC)模拟得到的土壤水分产品进行对比分析,发现NOAH陆面模式资料在青藏高原适用性较好。采用中国科学院青藏高原研究所那曲站10个试验点观测土壤湿度资料和长时间序列的GLDAS陆面模式资料研究青藏高原地区不同深度土壤湿度的时空分布特征。结果表明:那曲地区土壤湿度呈现显著的季节变化特征,一年之中出现两个峰值和两个低值阶段。基于NOAH陆面数据同化产品发现青藏高原土壤湿度的空间分布呈现明显的纬向分布特征,随纬度的升高,土壤湿度值降低;同时,青藏高原中部浅层土壤和中间层土壤湿度有变湿的趋势。0~10 cm、10~40 cm、40~100 cm土壤湿度EOF展开第一模态(EOF1)在高原北部及南部呈反位相分布。     

中国南方地区10cm土壤湿度分析

采用区域为100 N°～120 N°,18 N°～28 N°的1965～2005年美国NASA 10 cm土壤浅层月平均土壤湿度资料以及中国南方地区168个站点的降水资料,经过grads对数据处理和制图,采用一元线性回归分析方法对中国南方地区10 cm浅层土壤湿度的空间、季节、时间变化特征以及与中国南方降水的关系做了分...     

再分析土壤温湿度资料在青藏高原地区适用性的分析

利用2010-2016年中国科学院西北生态环境资源研究院青藏高原土壤温度与湿度监测网观测数据在不同气候区和植被条件的4个地区(阿里、狮泉河、那曲和玛曲)对8套土壤温湿度再分析产品(ERA-Interim、CFSR、CFSv2、JRA-55、GLDAS-NOAH、GLDAS-CLM、GLDAS-MOS和GLDAS-VIC)进行对比分析,使用相关系数、均方根误差、平均偏差、无偏均方根误差和标准差比等统计参数综合比较各土壤温湿度产品对观测值的模拟性能,寻找适用于青藏高原地区的长时间大尺度土壤温湿度产品。结果表明:对于土壤温度,GLDAS-CLM产品在大部分站点能够合理再现两层(0~10 cm和10~40 cm)土壤温度随时间的动态过程和变化细节,虽然结果略高估观测土壤温度值,但在数值上与观测值较为接近,并且与观测值呈显著正相关关系。对于土壤湿度,土壤冻结期再分析产品不能表现土壤湿度的动态变化特征;非冻结期GLDAS-NOAH和GLDAS-CLM产品能够较好的刻画各地区两层土壤湿度随时间变化的动态过程特征,不论在误差统计量还是相关性方面都表现为最优值。GLDAS-MOS、GLDASVIC、ERA-interim和CFSv2产品虽然在一定程度上能够展现部分地区土壤湿度的变化趋势,但对观测值的刻画效果并不理想,而JRA-55产品无法描绘各地区土壤温湿度变化。     

青藏高原季节性冻土湿度模拟及参数优化——以黑河上游为例

利用青藏高原东北部地区阿柔冻融观测站2013年5月至2014年11月观测资料,对通用陆面过程模式(CLM4.0)和动态陆面过程模式(DLM)青藏高原高寒地区土壤湿度模拟性能进行了评估。结果显示两种模式均能够较好的反映浅层(40 cm)土壤湿度动态变化,然而显著低估非冻结期土壤湿度;通过土壤有机质含量对土壤湿度模拟敏感性分析发现模式模拟土壤湿度偏干可能与模式中土壤有机质方案不足有关。在此基础上改进DLM模式土壤有机质和冻土液态水渗透方案,实验结果表明新参数化方案显著提高了高寒、高有机质含量地区模式土壤湿度模拟,平均偏差(BIAS)、均方根误差(RMSE),均方差(MSE)和相关系数(R)分别达到0.032 m~3·m~(-3),0.078 m~3·m~(-3),0.010 m~3·m~(-3)和0.866。     

黑龙江省封冻前土壤底墒趋势变化分析

利用黑龙江省1981-2010年的土壤湿度数据,以富锦县、龙江县、双城县、黑河市、海伦县为代表点,分析了黑龙江省东、西、南、北、中各区域封冻前(11月8日)0～30 cm土层土壤湿度的趋势变化和干湿变化,采用线性趋势、5年滑动平均和Mann-Kendall法检验变化趋势,利用Mann-Kendall和Yamamoto法对土壤湿度变化趋势进行突变点检验.结果表明:封冻前0～30 cm土层各地土壤湿度在30年间均有不同程度下降,西部龙江县下降剧烈,中部海伦县较剧烈,北部黑河市和南部双城县次之,上述代表点20 cm土层土壤湿度下降均达到了P＜0.05以内的显著水平,东部富锦县下降趋势最弱;经Mann-Kendall法检验,0～30 cm土层龙江县、海伦县土壤湿度出现了下降的突变区域,其余代表点的土壤湿度变化趋势在近几年中逐渐接近或已经超越了显著线;1994年是龙江县10 cm、20 cm土壤湿度下降的突变时期;黑龙江省各地土壤湿度的下降与封冻前一段时期内气温和降水变化密切相关,还与土壤物理性质的恶化等因素有关.     

基于HRCLDAS/CLM陆面数据同化系统的青藏高原地区土壤湿度模拟研究

利用最新的高时空分辨率（1 km、1 h）的中国气象局高分辨率陆面数据同化系统（HRCLDAS-V1.0）大气近地面强迫资料,驱动由NCAR发展的通用陆面模式（CLM）,对青藏高原地区2015年1月1日至9月30日的土壤湿度开展了模拟研究。结果表明模拟得到的高时空分辨率（1 km、1 h）土壤湿度能够体现出青藏高原地区从东南向西北逐渐变低的空间分布特征,较好地表现出各层土壤湿度的时间变化特征,6~9月土壤湿度波动较大,1~5月波动较平缓,上层土壤湿度变幅较大,深层变化较平缓。0~5 cm、0~10 cm和10~40 cm深度土壤湿度模拟结果与观测值的相关系数均在0.8以上,其中0~5 cm土层的相关系数达到0.92,各层土壤湿度观测值与模拟值的均方根误差变化则相反,3个土层土壤湿度模拟结果与观测值的偏差均小于0.04 mm3 mm-3,但模式对于研究时段土壤湿度变化的低值有高估现象,且模拟能力随着土层深度的加深而减弱。     

大气成分监测评估系统即将推出系列本底值季报产品

世界气象组织全球大气观测网(WMO/GAW)包括200多个本底站,涉及观测要素达200多种.但站点的地理分布很不均匀,欧洲、北美等发达国家集中地区的站点较多,亚洲、非洲、南美等地区站点较少.中国气象局自1981年起先后建立北京上甸子、浙江临安和黑龙江龙凤山3个区域本底站,1994年建成青海瓦里关全球本底台.上述4个本底站都是WMO/GAW的成员,也是科技部国家大气成     

中国西北区西部土壤湿度及其气候响应

利用中国西北区西部7个农业试验站1981—2001年0~40 cm的土壤湿度、降水、气温、水面蒸发和相对湿度观测资料,分析了逐站土壤湿度的月变化、年际特征及其气候响应。结果表明:(1)7站土壤湿度月变化分为平稳型和波动型;新疆各站土壤湿度沿垂直方向年际变化比较一致,但青海2个测站上下层趋势基本相反;新疆各站整层年际变化相对较大,而青海2个测站年际变化相对稳定;土壤湿度年际变化总体趋势随深度增加而减小。(2)进入20世纪90年代,多数站点土壤明显干化,个别站还存在突变现象,土壤湿度与气温有着显著的负相关。(3)土壤湿度和气候因子之间存在相互响应,土壤湿度与气温普遍存在负相关,土壤湿度与降水之间总体响应不明显。     

1981—2010年黑龙江省夏季土壤湿度演变特征

利用1981—2010年黑龙江省土壤湿度数据,以富锦县、龙江县、双城县、黑河市、海伦县和宁安县为代表站点,分析黑龙江省东、西、南、北部和中部及牡丹江半山区各区域夏季（7—8月）0—50 cm土层土壤湿度的趋势变化和干湿变化,并采用Mann-Kendall法对土壤湿度变化趋势进行显著性和突变点检验。结果表明：夏季0—50 cm土层,黑河市、海伦县和龙江县土壤湿度在30 a间均有不同程度下降,尤其是西部的龙江县土壤湿度下降剧烈;而东部富锦县、南部的双城县和牡丹江半山区的宁安县土壤湿度无明显下降趋势。Mann-Kendall检验结果：近30 a中,黑龙江省夏季0—50 cm土层北部、西部和中部的黑河市、龙江县及海伦县土壤湿度下降趋势显著,并出现了突变区域,表明黑河地区、松嫩平原的西部和北部夏季土壤湿度的干旱化趋势和程度均越来越明显。黑龙江省中西部夏季土壤湿度年际间的下降可能与气候条件及土壤理化性质的改变等因素密切相关。     

黄河源区土壤温湿和大气参量变化特征

利用中国科学院西北生态环境资源研究院玛曲土壤温湿观测网2008-2009年、2013-2014年数据验证了3套再分析资料ERA-Interim,CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）和JRA-55（Japanese 55-year Reanalysis）在黄河源区的适用性,结合中国气象数据网玛曲气象站1980-2014年观测资料与CLM4.5（Community Land Model 4.5）进一步分析了黄河源区近35年气候变迁、土壤温湿分布和变化,结果表明:CFSR能够较好地描绘黄河源区土壤湿度变化,ERA-Interim对于土壤温度刻画能力更强,JRA-55效果较差;35年来气温、土壤温湿总体呈上升趋势且发生突变;近年来10 cm土壤温湿有暖干化趋势,降水量稍有增加,土壤冷季冻结周期变短,暖季持续时间拉长;CLM4.5模拟精度高,能够较好地刻画源区土壤温湿变化细节,两湖及黄河周边暖季为冷湿中心,冷季为暖干中心。     

基于FY-2的大气强迫数据构建及模拟检验

通过陆面模式模拟得到的陆面参数精度易受强迫数据质量的影响,为了提高基于NCEP/NCAR的强迫数据精度,提出了一种新的强迫数据构造方法。该方法以静止气象卫星FY-2的反演产品——逐时降水估计和地面入射太阳辐射数据为基础,结合部分NCEP/NCAR再分析数据构造用于陆面模式模拟的高时空分辨率强迫数据(FYDATA),进一步利用陆面模式CLM3.0模拟得到较高精度的时空间连续的土壤湿度数据。与站点观测数据的比较表明,FYDATA的模拟结果在空间分布和时间变率上与观测数据均较为一致;与再分析数据的模拟结果比较表明,无论是月平均的站点尺度还是区域尺度,FYDATA的模拟结果都优于时空分辨率较粗的NCEP/NCAR再分析数据的模拟结果,充分说明该数据构造方法的有效性。     

两套土壤湿度再分析资料在黑河流域的对比分析

利用黑河流域少量观测台站的实测降水和土壤湿度资料, 对比分析了欧洲中心ERA40及美国NCEP R-1两套常用的土壤湿度再分析资料在黑河流域的空间分布、 年际变化和季节循环特征, 结果表明:两套资料在黑河流域均能表现出“南湿北干”的分布格局, 湿度高值中心位于祁连山区东南部\.以此为中心, 土壤湿度从上游山区向中下游递减。ERA40土壤湿度在祁连山区年际变化明显, 与降水的响应关系要好于NCEP资料, 在中下游站点, NCEP 10 cm层土壤湿度对降水的响应好于ERA40。祁连站ERA40土壤湿度在6~8月接近观测值, 在额济纳站两套资料对于土壤湿度的描述都不理想。     

青藏高原典型下垫面地表能量通量的模型估算与验证

青藏高原地区地表能量通量的估算与验证对高原及其周边地区能量和水循环研究具有重要意义,地表能量平衡系统SEBS(Surface Energy Balance System)模型为研究高原非均匀地表区域地表能量通量提供了一种行之有效的方法。基于中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站(简称那曲站)、中国科学院纳木错多圈层综合观测研究站(简称纳木错站)和中国科学院珠穆朗玛大气与环境综合观测研究站(简称珠峰站) 2008年辐射资料、大气边界层塔站观测资料,结合MODIS卫星数据,利用SEBS模型估算地表能量通量,并用站点地表能量通量观测资料进行验证。结果表明,模型估算的感热通量和土壤热通量与站点实测值具有较好的一致性,且感热通量和土壤热通量的估算精度明显优于潜热通量;感热通量的估算精度最高,那曲站、纳木错站和珠峰站的均方根误差分别为54. 98,37. 37和27. 10 W·m~(-2);而模型估算的潜热通量验证结果偏差较大和站点实测数据存在"能量不闭合"问题相关。鉴于在地表能量通量观测中广泛存在"能量不闭合"的问题,利用波文比校正方法校正站点实测潜热通量。研究表明波文比校正方法可以明显改善地表通量观测数据"能量不闭合"的问题,那曲站、纳木错站和珠峰站的能量闭合率分别提高了19. 4%,21. 4%和19. 1%;与原始站点实测潜热通量相比,校正后的潜热通量与SEBS模型估算结果一致性较好,3个站点潜热通量的均方根误差分别减少了6. 78,33. 48和29. 30 W·m~(-2)。     

江苏省土壤湿度观测资料与再分析资料对比分析研究

利用江苏省2010—2015年的60个站点土壤湿度观测资料,对欧洲中心ERA-Interim再分析资料(ERA)和美国宇航局再分析资料(MERRA)的两套土壤湿度数据在江苏地区的可靠性进行了评估。结果表明:相比于ERA再分析资料,MERRA较好地再现出江苏省次表层年平均土壤湿度的空间分布特征,但是两种资料的次表层和深层土壤湿度的数值均小于观测。ERA和MERRA基本都能揭示出江苏省次表层土壤湿度的季节变化特征,但是深层土壤湿度与观测仍有较大差距。在时间演变方面,ERA次表层土壤湿度与站点观测在研究时段内较为接近,EOF分析揭示出1979—2016年江苏省次表层土壤湿度存在区域一致型与南北偶极型两个主要的年代际变率模态。但是对于深层土壤湿度时间演变而言,两种再分析资料都与观测有较大的差距。总体而言,再分析资料的次表层土壤湿度与站点观测较为接近,但是由于再分析资料陆面模式中地下水等影响深层土壤湿度的关键过程刻画较为简单,使得深层土壤湿度与观测有较大的差距。