基于GLASS数据估算中国陆表净辐射及其空间分布分析

地表辐射收支是能量循环的重要参数,影响着地球水热平衡,是全球气候变化研究的重要方面。多数研究利用MODIS数据估算地表辐射收支,模型输入参数复杂。综合利用GLASS数据、MODIS数据和地面实测数据,采用Bisht等提出的净辐射估算方法,制订一种简单的地表辐射收支估算方案,分别计算2010年1-12月中旬卫星过境时刻中国陆表净辐射的最大值。通过改进的正弦模型将估算结果转换为日最大地表净辐射,并利用地面实测日最大净辐射值对估算结果进行了验证。研究表明：综合利用GLASS数据、MODIS数据和地面实测数据建立的地表辐射收支模型能够很好地模拟中国陆表净辐射的分布,与地面实测日最大净辐射值具有较好的一致性,平均误差为27.21 W?m^-2,克服了利用其他遥感数据估算地表辐射收支输入参数复杂,数据量大的缺点,适用于大尺度地表陆表辐射收支研究。     

利用Landsat8数据估算干旱区晴天太阳瞬时和日间净辐射

地表净辐射是地球表面的短波和长波辐射输入和输出通量辐射平衡的结果,也是地表蒸散与水热平衡研究中非常重要的方面。利用2014年8月下旬的Landsat8遥感影像,采用BISHT等提出的净辐射估算方法,首先通过计算瞬时大气传输率、瞬时短波太阳辐射和下行长波辐射得到了短波辐射与长波辐射的估算值,并进一步通过计算地表反照率等得到了瞬时净辐射和日均净辐射,最后利用地面实测净辐射值对估算结果进行了验证。研究表明：利用分辨率较高的Landsat8数据和部分气象参数能够很好地模拟该地区晴天的瞬时和日间净辐射的分布,并且与地面实测净辐射值具有较好的一致性,平均误差为14.5 W·m^-2。研究弥补了利用其他遥感数据估算地表辐射参数复杂、精度偏低的缺陷,可以适用于干旱地区的晴天瞬时和日间净辐射值的估算,并且能够有效的提高估算精度。     

黑河下游典型植被下垫面与大气间能量传输模拟研究

在分析过去地-气间相互作用的物理过程、研究进展基础上,探讨了土壤、植被、大气系统中水分与能量的传输过程在模型中不同的计算方法。同时对不同计算方法进行对比,确定了分析土壤、植被、大气系统中水分和能量传输方法的优缺点。利用黑河下游额济纳地区绿洲试验区2003年9月的大气资料作为陆面模式的强迫场,研究陆面过程模式（LSM）在极端干旱地区的模拟能力。模拟结果表明,在观测资料的强迫下,LSM能够较好地模拟出地表特征量的变化趋势。根据实际情况,定义额济纳地区绿洲的植被覆盖率为0.7, 叶冠高度为1.5 m,位移高度为0.64 h,Karman常数取0.4。通过对比试验发现,采用LSM模型模拟的空气温度和地面蒸发比实际蒸发少,但地表潜热通量、辐射和土壤热通量的模拟结果与实测值的比较吻合。如果地表和植被的参数选择较好,采用LSM模型模拟本地区的陆面过程将有较好的结果。     

额济纳绿洲地表土壤热通量特征及模拟估算

土壤热通量是地表能量平衡的重要分量,研究其变化特征对理解能量平衡过程具有十分重要的意义。利用中国科学院阿拉善荒漠生态水文试验研究站实际观测数据,分析了额济纳绿洲在不同天气条件（晴天和阴天）和时间尺度下地表土壤热通量变化特征,并采用强迫恢复法对地表土壤热通量进行了估算。结果表明：（1）晴天地表土壤热通量的日总量、平均值、最大值和振幅等都明显大于阴天。（2）在观测期内,地表土壤热通量总体呈先升高后降低的趋势,最大值出现在7月中旬,最小值出现在10月初,二者之间的日均值相差超过了900 W·m^-2。（3）不论晴天还是阴天,净辐射较地表土壤热通量在早晨和晚间都是先达到零值,且净辐射在正午前后先达到峰值。（4）对地表土壤热通量取绝对值可以看出,无论昼夜,均是晴天大于阴天。（5）一天内地表土壤热通量占净辐射的比例随着时间递减。（6）基于强迫恢复法估算的额济纳绿洲地表土壤热通量与实测值具有较好的一致性,可用于地表土壤热通量模拟。     

内蒙古半干旱草原沙尘天气对近地层微气象学特征影响分析

利用锡林浩特国家气候观象台2011年4-5月近地层微气象、地表辐射和湍流通量观测数据,对比分析了内蒙古典型半干旱草原下垫面在晴天、扬沙和沙尘暴天气下各气象要素、地表辐射分量和能量平衡的变化特征。对于半干旱草原区,地面风速越大沙尘天气越强;沙尘过程开始前地面空气较暖,开始后地面空气转为相对较冷的状态;沙尘气溶胶含量越高,5 cm地温日变化趋势越弱,在沙尘过程中5 cm地温值越小。沙尘气溶胶含量越高,太阳总辐射越弱,大气长波辐射越强;地表反射辐射与总辐射有相同的日变化特征;沙尘气溶胶白天使净辐射值减小,夜间使净辐射值增大。沙尘天气直接辐射衰减非常明显,而且散射辐射在总辐射中占很大的比重。沙尘气溶胶对紫外辐射的削弱很强,并且沙尘含量越高,对紫外辐射的削弱越强。沙尘气溶胶的辐射强迫作用对地表能量平衡产生影响,使向上的感热和潜热输送减弱,使向上的土壤热通量增强或向下的土壤热通量减弱。     

黑河流域中游灌区含水层系统异质性对地表热通量和温度的影响模拟

渗透系数是描述地下含水层系统空间异质性的重要参数,直接影响地下水位和浅层土壤水分分布,并最终间接影响地表辐射收支及地气间能量转换.基于三维物理过程的地下水—陆面过程耦合模型ParFlow-CLM,在黑河流域中游灌区开展数值模拟实验,分析4种渗透系数情景下地下水位埋深、地表热通量和温度的差异.结果表明,忽略水平方向异质性会降低地表热通量的模拟精度,同时设置水平和垂直方向异质性并考虑包气带—饱水带三维水力特征可提高地表温度的模拟精度;充分考虑土壤和含水层系统异质性能提高分层(尤其是0.2～0.5 m深度土层)土壤温度的模拟精度;土壤和含水层系统异质性对地表热通量和温度的控制作用受到下垫面、地形等环境因素的显著影响,尤其在裸地区域,地表感热通量和温度的模拟结果差异较大.研究结果可为干旱—半干旱地区高时空分辨率水文集成模型的构建提供科学依据.     

青藏高原北部五道梁地表热量平衡方程中各分量特征

利用青藏高原北部五道梁地区实测的太阳辐射及气象资料,计算分析了高原北部地面热量平衡方程中各分量特征,定义了一个无量纲参量土壤热平衡系数k。结果显示:五道梁地区地表净辐射及地面加热场强度表现为夏季大,冬季小,地表净辐射累年平均通量为65.5 W/m2;土壤热通量自1997年来有增大的趋势;土壤热平衡系数有增大的趋势,平均值为1.17;感热及潜热是地面热平衡方程中的大项,其中感热居首位,潜热居其次;暖季感热、潜热以相反的趋势变化,Bowen比β值有下降的趋势。     

三江平原季节性积水沼泽湿地能量平衡要素研究

2005年6月1日到8月30日,在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站沼泽综合试验场季节性积水沼泽湿地,观测了净辐射和土壤热通量;利用Penman-Monteith公式和地表能量平衡方程式计算了潜热通量和感热通量;同时用SHAW模型对以上4个能量平衡要素进行了模拟研究,并用观测值以及模型效率、标准差和平均方差检验和评价了其模拟效果。结果表明,三江平原季节性积水沼泽湿地净辐射在6月末至7月初较大;潜热通量主要受净辐射的影响,与土壤水分关系不密切;沼泽湿地地表在6月初至8月中旬以吸收能量为主,8月末以后则开始释放能量;感热通量在植物生长季的初期和末期较大,在中期则比较小。SHAW模型能较好的模拟出沼泽湿地的净辐射、潜热通量和土壤热通量;该模型虽对感热通量的模拟结果并不理想,但能较好的模拟其变化趋势。这说明SHAW模型基本适用于对季节性浅积水沼泽湿地（水深小于10cm）能量平衡各要素的模拟。     

敦煌戈壁冬夏季地表辐射与能量平衡特征对比研究

利用敦煌戈壁夏（2006年7月）、冬（2007年1月1—10日）季观测得到的微气象资料,比较了夏、冬季敦煌戈壁的地表辐射平衡、能量平衡特征。分析了地表反照率（Albedo）与土壤特性的关系,发现地表反照率和表层土壤温度日变化呈反相关;冬季地表反照率和土壤湿度的线性相关差,夏季地表反照率和土壤湿度的线性相关性好;地表反照率和土壤热通量呈反相关,并且冬季二者的拟合性好于夏季。分析了降水前后各能量通量的变化,发现阵雨时感热H是变小的,降雨过后H和净辐射Rn有明显的增大,土壤热通量Gn在降雨过后也有增大,潜热LE变化微弱,对阵性降水强迫后的非平衡态的张弛时间大约为3 d。     

到达中国陆面的生物有效紫外线辐射强度分布

随着大气臭氧层的日趋变薄,估算到达陆面的太阳紫外线辐射变化,评估对人体健康的影响日趋成为环境健康研究的一个重要课题。基于DISORT辐射传输模型,从生物健康效应的角度提出了估算陆面有效紫外线辐射强度的方法,并采用LibRadtran软件包UVSPEC模型以及GIS空间分析技术模拟了2000年1月和7月到达中国陆面的生物有效紫外线辐射强度空间分布,讨论了臭氧、云量、地表反照率等因素对陆面生物有效紫外线辐射强度的影响,研究了基于云量、海拔数据修正陆面紫外线辐射的方法。另外,还系统分析了2000年1月、7月我国陆面生物有效紫外线辐射强度的空间分布特征,1月份辐射强度是低纬度较高,而7月份是中高纬度较高。UVA和UVB陆面辐射强度分布明显不同,特别是7月份,UVB辐射强度的高值区域较UVA明显偏向低纬度地区。UVB的生物有效辐射强度大约是UVA的6倍。     

Accuracy evaluation of two precipitation datasets over upper reach of Heihe River Basin, northwestern China

As an important forcing data for hydrologic models, precipitation has significant effects on model simulation. The China Meteorological Forcing Dataset (ITP) and Global Land Data Assimilation System (G...     

NPP-VIIRS热红外数据地表温度反演方法研究

地表温度作为监测陆地表面与大气变化的重要参数,对于研究地表能量平衡和全球气候变化具有重要作用。可见光红外成像辐射仪套件（Visible Infrared Imaging Radiometer Suite,VIIRS）是搭载在新一代对地观测卫星NPP上的一个重要传感器。与其他传感器相比,VIIRS拥有更高的空间分辨率。分裂窗算法是反演地表温度最常用的方法,主要是利用两个热红外通道来反演地表温度,经过多年的研究和改进,发展了多种形式的分裂窗算法。由于过去很少有人利用VIIRS数据对多种分裂窗算法进行对比分析,因此利用VIIRS传感器上M15和M16两个热红外通道数据计算辐亮度和星上亮温,采用多种形式的分裂窗算法反演获得多组地表温度数据,再利用海拉尔野外观测站点的实测数据对结果进行验证,对比各算法精度,得到反演精度较高的算法。结果显示PR84算法的反演误差最大达到1.8 K,其余各算法反演地表温度的RMSE都在1.5 K以内,算法中加入二次项和水汽项可以提高算法精度,其中BL95的算法精度最高达到了1.23 K。研究结果表明,BL95算法更适用于VIIRS热红外数据地表温度反演。     

1990-2010年中国土地覆被变化引起反照率改变的辐射强迫

土地覆被变化通过改变地表反照率而影响地表辐射收支与能量平衡,从而对区域和全球气候产生影响。本文利用高时空分辨率遥感数据分析1990-2010 年中国土地覆被变化改变地表反照率的时空驱动机制,并计算全国50 个生态区地表反照率变化导致的年际尺度辐射强迫,揭示土地覆被变化在生态区尺度上影响气候变化的生物地球物理机制。结果表明:1990-2010 年全国土地覆被变化以耕地开垦、草地沙化、城市化等人类土地利用活动导致的土地覆被变化最为明显,全国草地与林地面积分别减少了0.60%和0.11%;建设用地和耕地面积分别增加了0.60%和0.19%。全国土地覆被变化通过改变地表反照率引起的平均辐射强迫为0.062 W/m²,表现为增温的气候效应,但在生态区尺度辐射强迫空间差异很大。京津唐城镇与农城郊农业生态区主要土地覆被变化为耕地转为建设用地,引起地表反照率降低了0.00456,产生0.863 W/m²的辐射强迫,表现为增温的气候效应;而三江平原温带湿润农业与湿地生态区主要的土地覆被变化为林草地转为耕地,引起地表反照率升高了0.00152,产生-0.184 W/m²的辐射强迫,表现为降温的气候效应。     

Large-scale land cover mapping with the integration of multi-source information based on the Dempster–Shafer theory

Land cover type is a crucial parameter that is required for various land surface models that simulate water and carbon cycles, ecosystem dynamics, and climate change. Many land use/land cover maps used in recent years have been derived from field investigations and remote-sensing observations. However, no land cover map that is derived from a single source (such as satellite observation) properly meets the needs of land surface simulation in China. This article presents a decision-fuse method to produce a higher-accuracy land cover map by combining multi-source local data based on the Dempster–Shafer (D–S) evidence theory. A practical evidence generation scheme was used to integrate multi-source land cover classification information. The basic probability values of the input data were obtained from literature reviews and expert knowledge. A Multi-source Integrated Chinese Land Cover (MICLCover) map was generated by combining multi-source land cover/land use classification maps including a 1:1,000,000 vegetation map, a 1:100,000 land use map for the year 2000, a 1:1,000,000 swamp-wetland map, a glacier map, and a Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer land cover map for China in 2001 (MODIS2001). The merit of this new map is that it uses a common classification system (the International Geosphere-Biosphere Programme (IGBP) land cover classification system), and it has a unified 1 km resolution. The accuracy of the new map was validated by a hybrid procedure. The validation results show great improvement in accuracy for the MICLCover map. The local-scale visual comparison validations for three regions show that the MICLCover map provides more spatial details on land cover at the local scale compared with other popular land cover products. The improvement in accuracy is true for all classes but particularly for cropland, urban, glacier, wetland, and water body classes. Validation by comparison with the China Forestry Scientific Data Center (CFSDC)–Forest Inventory Data (FID) data shows that overall forest accuracies in five provinces increased to between 42.19% and 88.65% for our MICLCover map, while those of the MODIS2001 map increased between 27.77% and 77.89%. The validation all over China shows that the overall accuracy of the MICLCover map is 71%, which is higher than the accuracies of other land cover maps. This map therefore can be used as an important input for land surface models of China. It has the potential to improve the modeling accuracy of land surface processes as well as to support other aspects of scientific land surface investigations in China.     

Radiative forcing over China due to albedo change caused by land cover change during 1990-2010

Land cover change affects surface radiation budget and energy balance by changing surface albedo and further impacts the regional and global climate. In this article, high spatial and temporal resolution satellite products were used to analyze the driving mechanism for surface albedo change caused by land cover change during 1990-2010. In addition, the annual-scale radiative forcing caused by surface albedo changes in China's 50 ecological regions were calculated to reveal the biophysical mechanisms of land cover change affecting climate change at regional scale. Our results showed that the national land cover changes were mainly caused by land reclamation, grassland desertification and urbanization in past 20 years, which were almost induced by anthropogenic activities. Grassland and forest area decreased by 0.60% and 0.11%, respectively. The area of urban and farmland increased by 0.60% and 0.19%, respectively. The mean radiative forcing caused by land cover changes during 1990-2010 was 0.062 W/m2 in China, indicating a warming climate effect. However, spatial heterogeneity of radiative forcing was huge among different ecological regions. Farmland conversing to urban construction land, the main type of land cover change for the urban and suburban agricultural ecological region in Beijing-Tianjin-Tangshan region, caused an albedo reduction by 0.00456 and a maximum positive radiative forcing of 0.863 W/m2, which was presented as warming climate effects. Grassland and forest conversing to farmland, the main type of land cover change for the temperate humid agricultural and wetland ecological region in Sanjiang Plain, caused an albedo increase by 0.00152 and a maximum negative radiative forcing of 0.184 W/m2, implying cooling climate effects.     

Radiative forcing over China due to albedo change caused by land cover change during 1990–2010

Land cover change affects surface radiation budget and energy balance by chang- ing surface albedo and further impacts the regional and global climate. In this article, high spatial and temporal resolution satellite products were used to analyze the driving mechanism for surface albedo change caused by land cover change during 1990-2010. In addition, the annual-scale radiative forcing caused by surface albedo changes in China＇s 50 ecological regions were calculated to reveal the biophysical mechanisms of land cover change affecting climate change at regional scale. Our results showed that the national land cover changes were mainly caused by land reclamation, grassland desertification and urbanization in past 20 years, which were almost induced by anthropogenic activities. Grassland and forest area decreased by 0.60% and 0.11%, respectively. The area of urban and farmland increased by 0.60% and 0.19%, respectively. The mean radiative forcing caused by land cover changes during 1990-2010 was 0.062 W/m2 in China, indicating a warming climate effect. However, spatial heterogeneity of radiative forcing was huge among different ecological regions. Farmland conversing to urban construction land, the main type of land cover change for the urban and suburban agricultural ecological region in Beijing-Tianjin-Tangshan region, caused an albedo reduction by 0.00456 and a maximum positive radiative forcing of 0.863 WIm2, which was presented as warming climate effects. Grassland and forest conversing to farmland, the main type of land cover change for the temperate humid agricultural and wetland ecological region in Sanjiang Plain, caused an albedo increase by 0.00152 and a maximum negative radiative forcing of 0.184 W/m2, implying cooling climate effects.     

1960-2004年新疆地区地表水热过程的数值模拟研究 Ⅰ. 以观测资料为基础的陆面过程模型大气驱动场的发展

 近20 a来,中国西北地区尤其是新疆降水显著增加、温度持续上升,冰川萎缩、冰川融水量持续增加、河川径流量增加、湖泊水位上升面积扩大、植被覆盖有增加迹象等等,这些事实都充分说明该地区的气候水文过程正在发生着重大的变化,但目前由于与水热过程有关的各个分量,如潜热、感热、蒸散、土壤湿度和径流等变量都缺少长时间、大范围的观测数据,因此,现有的研究还不能从整体上认识西北地区水热过程在全球增暖大背景下的变化特征和规律,无法客观地估算该地区水热过程的可能变化趋势。为了能够进一步深入研究这个问题,我们考虑以新疆地区108站1960—2004年气象站的观测数据为基础,并结合其他大气驱动场中结果检验的辐射数据来建立了一个长达45 a,时间分辨率3 h,空间分辨率0.5°×0.5°针对新疆区域的陆面模型大气驱动场,主要的变量包括降水、气温、风速、气压、比湿和辐射。最后得到的产品能够提供一个长期的、区域内具有良好均一性的近地面气象变量数据集,它可以用于驱动陆面、水文、生态过程模式,为研究整个新疆地区年际、年代际,甚至月季到日的连续水热过程变化奠定坚实的基础,并可以作为评估耦合模型以及其他陆面预测计划的初始化条件。     

东亚沙尘光学特性及其对辐射强迫和温度的影响

利用塔克拉玛干沙漠沙尘复折射指数数据对RegCM4-Dust耦合模式中的沙尘光学特性进行了更新,研究了东亚沙尘气溶胶光学特性对辐射强迫和温度的影响。结果表明：东亚沙尘气溶胶光学特性与模式默认值（OPAC模型）存在明显的差别,主要表现在：消光能力较弱;吸收性较弱,散射性较强;前向散射较弱,后向散射较强。2006年春季沙尘气溶胶光学厚度高值区主要位于塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、巴丹吉林沙漠,鄂尔多斯高原及黄土高原等地区,最大值出现在巴丹吉林沙漠。采用东亚沙尘光学模型模拟2006年春季东亚地区大气顶净强迫为-4.86 W·m^-2,其中短波强迫为-5.34 W·m^-2,长波强迫为0.48 W·m^-2;地面净强迫为-11.23 W·m^-2,其中短波强迫为-13.70 W·m^-2,长波强迫为2.47 W·m^-2。2006年春季沙尘气溶胶导致东亚地区整体地面降温约0.21℃,陆地上降温明显,而海洋上温度变化不明显,甚至出现升温,这样将导致海陆间热力差异的改变,从而对东亚季风环流产生影响。     

顾及空间尺度效应的城市土地利用变化精细化模拟

城市土地利用变化模拟是优化土地资源配置的科学依据,提高其精细化程度和可靠性有助于准确把握城市用地发展趋势,对城市土地资源精准调控具有重要意义。基于宏观遥感分类的土地利用变化模拟,难以在街区尺度上揭示城市用地社会功能变化及精细化模拟中空间尺度效应来源和作用机理。本文联合遥感影像和POI数据识别出城市土地利用精细化特征,运用响应面法率定土地利用精细化模拟的最优空间尺度组合,在此基础上,利用CA-Markov模型开展了未来土地利用变化的精细化模拟。以武汉市中心城区为应用案例,研究结果表明：基于POI 的城市土地利用精细化识别方法,可以深度解析城市建设用地的社会功能,极大改善了传统基于遥感的土地覆被宏观解译效果;研究区土地利用变化元胞自动机精细化模拟的最优空间尺度组合是30 m元胞、7×7邻域以及冯诺依曼邻域类型,采用最优空间尺度组合能够提高土地利用变化精细化模拟的可靠性。响应面试验设计结果可有效识别精细化模拟过程中空间尺度效应的主要来源,并区分其对模拟精度的影响程度与正负效应;预计到2025年,研究区建设用地范围将继续向周边扩张,各类型用地之间互为交织,土地利用空间格局将呈更加破碎化趋势。