基于植被指数和土地表面温度的干旱监测模型

干旱是一种周期性发生的自然现象,其发生过程中有关参数如地表覆盖度、温度和土壤表层含水量等可以通过遥感的途径进行定量反演,而这些参数客观地反映了地表的综合特征。综述了运用遥感反演产品---土地表面温度和归一化植被指数在干旱监测中的应用前景和进展,分析了距平植被指数、条件植被指数、条件温度指数和归一化温度指数等干旱监测方法的优缺点,在前人研究的基础上,提出了条件植被温度指数的干旱监测模型,探讨了其应用前景。     

冬小麦遥感冠层温度监测土壤含水量的试验研究

在冬小麦主要生育期(2002年4月初到5月底),对不灌溉的冬小麦测定了冠层温度、地温、气温以及土壤含水量,计算了冠气温差且分析了冠层温度和冠气温差与不同土层厚度的土壤含水量相关关系。结果表明:14:00的冠层温度能较好地反映20cm土层的土壤含水量变化,但与其它各土层相关性有较大的波动性;14:00的冠气温差能较好地反映40cm以上土层的土壤含水量变化,二者的相关性很高,在20cm、40cm土层,两者相关系数R2分别为0.98866、0.99389,这为用区域遥感数据反演主要生育期冬小麦的冠气温差进而监测区域40cm土壤含水量提供了实验性的依据;拔节期和灌浆期,用14:00冠气温差来拟合各土壤层的土壤含水量有较高的精度,从而为用区域遥感数据监测区域土壤含水量提供了经验性的模型。     

基于地表温度与植被指数特征空间反演地表参数的研究进展

遥感反演的地表温度(Ts)和植被指数(VI)构成的特征空间结合模型分析可以对显热通量、潜热通量及土壤含水量等地表参数进行估算.这种方法比较实用,且不过多地依赖地面观测数据.随着研究的深入,许多学者在Ts/VI特征空间基础上提出了更加丰富的空间变量.基于此,以不同空间变量为标准,分类介绍在Ts/VI特征空间的基础上对地表能量通量及土壤水分等参数的反演.其中包括在Ts/NDVI特征空间基础上提出温度植被干旱指数和条件植被温度指数来监测干旱;利用Ts/albedo特征空间反演蒸发比;用DSTV/VI特征空间反演蒸散量;用地气温差/植被指数特征空间反演蒸散量等.并介绍了Ts/VI特征空间与微波遥感结合反演地表含水量等相关研究的进展情况,最后提出未来研究的发展方向.     

风积沙热参数计算及其与含水率关系研究

土壤热参数是耦合包气带水汽热的重要参数,准确赋值热参数对研究地表能量守恒具有重要意义。文章利用旱区风积沙介质土壤剖面温度和湿度资料,采用谐波法计算了不同水位埋深条件下,土壤剖面上5~10 cm、5~20 cm、5~30 cm间的土壤热扩散率;同时,利用3种理论模型对热传导率和热扩散率与土壤湿度的关系进行了研究。结果表明:谐波法在一定程度上高估了土壤热扩散率;校正的Zhaogz模型和ChungHorton方程中,随着含水量的增大,热传导率先增加后趋于稳定,热扩散率先增加后减小;而幂函数则是热传导率随着含水量的增加而增大,含水量越大,热传导率偏差越大,热扩散率先增加后趋于稳定。校正的Zhaogz模型能够较好地描述陕北风积沙的土壤热扩率与含水率的关系,可以作为计算热参数的替代方法。     

多源遥感数据反演土壤水分方法

基于ASAR-APP影像数据和光学影像数据,根据水云模型研究了小麦覆盖下地表土壤含水量的反演方法。利用TM和MODIS影像构建的植被生物、物理参数与实测小麦含水量进行回归分析,发现TM影像提取的归一化水分指数(NDWI)反演精度较好,相关系数达到0.87。根据这一关系,结合水云模型并联立裸露地表土壤湿度反演模型,建立了基于多源遥感数据的土壤含水量反演模型和参数统一求解方案。反演结果表明:该方案可得到理想的土壤水分反演精度,并可控制参数估计的误差。反演土壤含水量和准同步实测数据的相关系数为0.9,均方根误差为3.83%。在此基础上,分析了模型参数的敏感性,并制作了研究区土壤缺水量分布图。     

浅层包气带地温与含水量昼夜动态的实验研究

西北荒漠化地区,包气带中的水分除来自大气降水外,还来自凝结水。凝结水对维持荒漠地区的植被生态环境起到至关重要的作用,而凝结水的形成机制又反映在包气带地温与含水量的昼夜动态过程中。文中报告了室外沙坑浅层包气带地温与含水量观测的实验结果。土壤含水量变化采用原位测试的方法观测,避免了传统称重法产生的干扰和不确定性。实验中对深度0~30cm范围的土壤温度进行了高密度观测。结果表明,温度梯度对水汽的运移起到主控作用,温度梯度方向向下,土壤含水量增加,反之,含水量减少。通过热传导方程对土壤中的传热过程进行分析,得到傅立叶级数表示的温度波方程,用于预测不同深度土壤响应地表条件而产生的温度变化。实验中还对近地表微气象以及土壤负压等因素进行了观测。     

干旱半干旱区土壤含水量反演与验证

基于MODIS遥感影像和表观热惯量法,以新疆为研究区,建立了适用于干旱半干旱区1 m土体的土壤含水量反演模型。模型根据高表观热惯量,高土壤含水量,低表观热惯量,低土壤含水量这一理论,通过日地表温差和宽波段反照率确定土壤含水量的时空变化。假设通过1 m土体的土壤水通量正比于上下底层土壤含水量的差值,利用水平衡方程建立土壤表面和底层土壤含水量关系方程,并利用中国土壤类型特点确定优化模型。通过验证结果表明,壤土和壤质粘土这两类土壤含水量接近真实值,砂土在区域验证中,模拟与实测差值为2.16%,整个模型模拟精度较好,能够准确地从时空上反演干旱半干旱地区1 m土体的土壤水分情况。     

基于MODIS数据的山东省土壤墒情遥感动态监测与分析

干旱灾害是我国主要的自然灾害之一。近年来,连续性、极端干旱灾害时有发生,对我国粮食安全、饮水安全和生态安全造成严重威胁。土壤墒情是旱情监测的重要指标,遥感技术具有观测范围广、实时性强以及成本低廉等优势,可以广泛应用于土壤墒情监测。本文分析了土壤墒情与地表参数NDVI(归一化植被指数)和LJST(地表温度)的关系,建立了基于NDVI和LST、并考虑土壤类型的土壤墒情遥感监测模型。利用该模型,基于MODIS遥感影像和地面实测墒情,对2010年10月到2011年5月山东省旱情进行了动态监测。监测结果显示:山东省的旱情经历了不断加重,再到逐渐缓解。然后又局部加重。最终全部缓解的过程,干旱核心区为鲁南地区,与实际情况一致。     

基于区域气候模式的流域农业干旱成因分析

以湄公河流域为研究区,采用区域气候模式RegCM3为模拟工具,以根系层土壤含水量为代表性指标,对A1B情景下未来研究区月尺度农业干旱进行了预估。基于地表能量平衡原理,系统分析了降水、蒸发、地表温度和根系层土壤含水量等农业干旱主要影响因素与区域气候模式模拟的大气环流、地表感热通量、地表潜热通量、地表净通量之间的联系和变化规律,从气陆间能量和水汽通量平衡角度,对农业干旱发生机理进行了识别。预估结果表明:从年内各月地表净通量和地表温度变化来看,未来春末(6月)和秋末(10月)湄公河流域温度增加明显,且土壤含水量减少也较为明显;同时,这两个时段蒸发旺盛和降水减少的趋势,有可能导致流域局部地区(尤其是非灌溉农业区)农业干旱的发生。     

青藏高原可可西里卓乃湖溃决出露湖底多年冻土形成过程的监测与模拟

利用可可西里卓乃湖综合监测场获取的气象、地温等数据资料,分析了卓乃湖溃决后出露湖底融区冻土的形成过程。结果表明卓乃湖溃决后的三年时间里,多年冻土下限深度分别达到4.9 m、5.4 m、5.7 m,呈现出不断增长的趋势。利用Lunardini构建的冻土形成过程模型模拟了多年冻土的形成速率和形成过程,并在此基础上初步分析了地表温度和土壤含水量对研究区多年冻土形成速率的影响。模型模拟结果显示研究区多年冻土将继续增长,多年冻土的形成速率呈现先快后慢的增长趋势并最终达到稳定状态。地表温度和土壤含水量是影响多年冻土形成的重要因素。随着温度的降低,多年冻土的形成速率逐渐加快。当地表温度不变时,在多年冻土形成初期,岩土含水量越小,多年冻土的形成速率越快。     

遥感技术在陆面过程研究中的应用进展

探讨了当前陆面过程 (LSP)研究的特点 ,指出遥感在陆面过程研究中的应用以及陆面过程国际合作实验是突出的特点 ,进而对遥感技术的陆面参数获取、地表能量通量的计算以及与 LSP模式的结合研究及进展进行了综述。根据不同特征的地表参数选择光学遥感或微波遥感已成共识 ,而综合利用不同遥感数据获取同一种地表参数也已成为研究热点 ,当前及今后发射的携载多种遥感仪器的众多遥感卫星为此项研究提供了条件 ;遥感与 LSP模式的结合研究是遥感在陆面过程研究中深入应用的一个方面 ,国际陆面过程合作实验是这项研究的重要保证。     

不同地表覆盖条件下区域水分盈亏的遥感分析——以中国北方为例

依据能量平衡和水分平衡原理，建立不同地表覆盖条件下的区域缺水计算方法，实现了利用遥感数据对我国北方缺水状况的宏观监测和快速反应。模型的具体步骤是：首先，利用NOAA/AVHRR数字影像进行地表覆盖分类，结合气象数据建立区域实际蒸散模型，并利用经联合国粮农组织修正的Penman公式计算区域潜在蒸散量。然后，由区域实际蒸散量和潜在蒸散量，构造出反映区域缺水程度的缺水指数。最后，利用该方法对1999年7月我国北方的区域水分盈亏状况进行了研究，讨论了区域缺水指数与土壤墒情、背景环境参数、地表覆盖类型的关系。     

基于SHAW模型的青藏高原唐古拉地区活动层土壤水热特征模拟

利用唐古拉综合观测场活动层及气象塔2007年的数据资料, 结合SHAW模型在3种不同地表反照率选取方案下进行模拟试验, 对唐古拉地区活动层土壤水热特征进行了单点数值模拟研究.通过观测值与3种模拟值的对比分析, 结果表明: SHAW模型能够较为好地模拟多年冻土区地表能量通量、 活动层土壤温度特征, 而对土壤含水量模拟不太理想, 但对其变化趋势模拟较好; 在模拟试验中, 模型输入参数地表反照率取1-12月各月平均地表反照率后, 模型对地表能量通量、 活动层土壤温度和湿度的模拟效果有了明显的提高; 而用一种地表反照率参数化方案的计算结果对模型输入参数进行修正后, 模型对活动层土壤温度和湿度的模拟效果有了明显的提高, 对地表能量通量的模拟效果提高不明显.总体上, SHAW模型对高原多年冻土区土壤冻融过程的模拟具有优势, 是研究高海拔多年冻土区活动层土壤水热过程较为理想的陆面模型.     

基于遥感技术的贵州春季土壤水分空间分异研究

通过对已建立的土壤水分运动模拟模型的校正,使之适合于喀斯特环境的土壤水分运移,并以遥感和GIS技术为依托,反演出贵州省大尺度下的各陆表参数(如: 地表温度、NDVI、气温、日照时数等) ,进而模拟出贵州省土壤水分运动转化过程,定量描述了喀斯特地区土壤水分变化,并对影响土壤水分变化的相关因子进行相关性分析。结果表明: 贵州春季土壤水分含量均值为0. 23mm /mm,次降雨通过蒸散发和下渗等作用在10天左右的时间之后,土壤水分含量及其增长率接近稳定状态,平均土壤水分变化率为1. 16% ;降水量对土壤水分变化的影响程度较其它的气象因子大,与土壤水分的净相关系数较大,是土壤水分变化的最主要的净影响因子;春季贵州省土壤水分空间分布总体上呈现东南、南部较高,而中部,北部、西部地区较低的分布特征,主要原因之一是中北部地区主要以黄壤或水稻土为主,土壤孔隙较大,漏水较为严重,土壤保水性不强。      

Adjoint retrieval of prognostic land surface model variables for an NWP model: Assimilation of ground surface temperature

Based on a 2-layer land surface model, a rather general variational data assimilation framework for estimating model state variables is developed. The method minimizes the error of surface soil temperature predictions subject to constraints imposed by the prediction model. Retrieval experiments for soil prognostic variables are performed and the results verified against model simulated data as well as real observations for the Oklahoma Atmospheric Surface layer Instrumentation System (OASIS). The optimization scheme is robust with respect to a wide range of initial guess errors in surface soil temperature (as large as 30 K) and deep soil moisture (within the range between wilting point and saturation). When assimilating OASIS data, the scheme can reduce the initial guess error by more than 90%, while for Observing Simulation System Experiments (OSSEs), the initial guess error is usually reduced by over four orders of magnitude. Using synthetic data, the robustness of the retrieval scheme as related to information content of the data and the physical meaning of the adjoint variables and their use in sensitivity studies are investigated. Through sensitivity analysis, it is confirmed that the vegetation coverage and growth condition determine whether or not the optimally estimated initial soil moisture condition leads to an optimal estimation of the surface fluxes. This reconciles two recent studies. With the real data experiments, it is shown that observations during the daytime period are the most effective for the retrieval. Longer assimilation windows result in more accurate initial condition retrieval, underlining the importance of information quantity, especially for schemes assimilating noisy observations.     

陆面模式中土壤冻融过程参数化研究进展

土壤冻融过程在寒区水文和气候系统中有着重要作用。陆面模式中土壤冻融过程的参数化对模式的设计和模拟结果有着关键作用。通过对广泛应用的Bucket，SIB，BATS，VIC，BEAS， LSM等几种主要的陆面模式中的冻融过程参数化方案进行了总结和比较。首先，详尽地描述了土壤冻融与气候变化的数值模拟研究，总结和评述了土壤冻融过程对气候变化的作用。其次，对几种主要的陆面过程模式在土壤水热参数化方案中对冻融过程的考虑及其特点进行了比较和讨论。还对冻结深度和冻结周期的预报模式进行了简介，最后对该领域当前面临的主要研究问题进行了探讨和阐述。     

土壤湿度遥感估算同化研究综述

土壤湿度是影响气候的至关重要的变量之一。利用数据同化方法反演大规模高精度土壤湿度数据是目前土壤水分研究的一个重要方向。结合国内外土壤湿度遥感估算研究现状,总结了土壤水分同化算法主要应用进程,梳理了目前实现土壤水分反演且应用广泛的陆面过程模型,Noah模型、通用陆面过程模型CLM、简单生物圈模型Si B2、北方生产力模拟模型BEPS,介绍了大范围卫星土壤水分数据集,包括陆面同化系统数据集、ASCAT数据集、AMSR-E数据集及SMOS数据集,最后探讨了遥感土壤水分同化过程中存在的问题及发展方向。     

陆面模式CLM4.5在青藏高原土壤冻融期的偏差特征及其原因

利用中国区域地面气象要素数据集制作的大气强迫场驱动通用陆面模式CLM4.5（Community Land Model version 4.5）对青藏高原区域进行离线模拟试验,模拟结果与D66、沱沱河（TTH）和玛曲（Maqu）3个站点的观测资料以及GLDAS（Global Land Data Assimilation System）-CLM2模拟结果进行了对比,并分析了陆面模式对冻融过程中土壤温度和湿度模拟的偏差及其可能原因。结果表明：CLM4.5对土壤温度模拟较好（平均RMSE≈3℃）,而GLDAS-CLM2计算的土壤温度偏高,偏差较大（平均RMSE>6℃）,且其偏差大于CLM4.5,尤其在冻融期;CLM4.5能较好地模拟出冻融过程中土壤湿度季节变化,但土壤湿度的模拟值与观测值存在一定偏差（平均RMSE≈0.1 mm³·mm^-3）,GLDAS-CLM2不能反映出土壤湿度在冻融过程中的变化特征。CLM4.5的模拟偏差主要来自大气强迫场,而GLDAS-CLM2的偏差除了大气强迫场的不确定性外,还来自于模式冻融参数化方案的不完善。大气强迫场中的气温和降水对土壤温度和湿度的影响在冻融期和非冻融期表现不同。在非冻融期,土壤温度的模拟主要受气温的影响（r>0.6）,气温偏差对土壤温度偏差的贡献率大于50%;土壤湿度的变化则主要受降水的影响,降水偏差对土壤湿度偏差的贡献率为20%~40%。在冻融期,受土壤水热相互作用的影响,气温和降水对土壤温度和湿度的作用效果减弱;土壤湿度的变化受气温影响显著,其贡献率为10%~20%。陆面模式中冻融参数方案的不完善是冻融过程中土壤温度和湿度偏差的重要来源之一。     

降雨蒸发作用下膨胀土湿热和裂隙特性室内模拟试验

以广西白色强膨胀土为研究对象,对有、无植被覆盖的膨胀土样进行蒸发、降雨再蒸发试验,研究降雨、蒸发过程对膨胀土湿热和裂隙拓展特性的影响。结果表明,植被覆盖土样表面的反射量比无植被覆盖土样小100 W/m2左右,土样表面温差小5～6 ℃。无植被覆盖土样经历降雨过程后,在相同蒸发条件下,土样表面裂隙率由1.28%增加到3.82%,表层土体累计脱湿量由3.42%增加到11.17%,脱湿速率由0.59%/d增加到1.44%/d,表层土体温度变化平均值由13.1 ℃增加到14.9 ℃。可见,降雨、蒸发过程使得土体水量变化加大,水分迁移速率增加,温度变化加剧,土体趋于破碎。植被覆盖土样经历降雨过程后,在相同蒸发条件下,土样表面并未出现明显裂隙,表层土体累计脱湿量由3.16%变为2.36%,脱湿速率由0.58%/d变为0.37%/d,表层土体温度变化平均值由0.58 ℃变为0.37 ℃。可见,短期降雨、蒸发过程对植被覆盖下膨胀土的持水能力影响不大。