滦河流域碳、水循环和能量平衡遥感综合试验总体设计

始于20世纪80年代的系列大型遥感试验开始系统研究地表物质和能量交换过程,对遥感与地球系统科学研究的结合起到重要作用,但是尚无综合利用多源遥感数据解决碳、水、能量循环问题的有效方案。遥感科学国家重点实验室于滦河上游地区组织开展基础性、多学科、多尺度的"碳、水循环和能量平衡遥感综合试验"。本次试验面向地球系统科学对遥感观测的最新要求,以遥感如何服务地—气过程研究为关键科学问题,开展星—机—地多尺度遥感综合观测和地面测量,论证中国自主设计的碳、水、能量相关卫星的技术指标,基于大场景真实结构模拟和多尺度综合观测构建虚拟遥感试验场,验证全波段遥感机理模型和复杂地表辐射传输机理。核心试验区位于地势较为平坦的闪电河流域和地形复杂的小滦河流域。闪电河流域主要地类为农田和草地,开展的试验以水循环和能量平衡遥感综合观测为主。小滦河流域主要地类为森林和草地,以碳循环遥感综合观测为主。两个试验区都开展了系统性的多架次飞行试验,并同步开展地面全波段、主被动协同观测。特别设计了一次长达165 km的大跨度飞行试验,横跨两个试验区,包含了地表类型和海拔高度的逐渐过渡。从2017年的预实验开始,整个试验为期5年。基于科学目标驱动、开放、协作、共享的原则,本次试验吸引了10个大型国家科研项目,4个卫星计划团队,19家单位200人次参加,是中国主导的又一次具有明确科学目标的大型多学科交叉遥感综合试验。     

“一带一路”区域可持续发展生态环境遥感监测

2013年9月和10月,习近平主席在出访中亚和东南亚国家期间,先后提出了共建"丝绸之路经济带"和"21世纪海上丝绸之路"(简称"一带一路")的重大倡议。要全面保护"一带一路"区域生态环境,实现2030年可持续发展目标,是一个具有挑战性的问题。遥感技术对生态环境监测与评价发挥着十分重要的作用。本研究利用多尺度、多源遥感数据,对2015年"一带一路"区域的生态环境状况进行监测和分析,旨在提供可持续发展目标生态环境遥感监测的本底。本文选取了几个重要的生态环境方面开展监测与分析,主要包括宏观生态系统结构和植被状况、太阳能资源分布、水资源平衡、主要生态环境限制因素对经济走廊建设的影响、主要城市生态环境质量等。监测区域覆盖亚洲、非洲、欧洲和大洋洲的陆上区域。研究结果为生态环境评价与保护提供了有效的决策依据,有助于"一带一路"建设积极推进。     

陆域蒸散的测算理论方法:回顾与展望

蒸散是地球水分循环与能量转换的关键环节.陆域蒸散的精准测算是地球物理、生物乃至环境过程研究的共同科学难题.以英国Dalton和Penman等人为代表的开创性工作,以及大气边界层湍流交换理论与实验的不断发展,奠基了现代主流的蒸散测算方法.20世纪90年代以来技术趋于成熟的涡动相关系统和卫星遥感等观测手段,跨越寒带到热带、干旱区到湿润地区,涵盖水体、湿地、森林、农田、草地、裸地、城市等不同下垫面类型,极大地拓展了对蒸散过程认知的深度和广度;捕捉了诸如地表夜间蒸散、蒸散迟滞现象、非均匀下垫面的湍流间歇、平流关联的岛屿效应、下垫面转捩效应等新的现象和事实,对经典相似性理论和蒸散测算理论等提出了新的挑战;最大熵增蒸散模型和非参数化蒸散模型等新方法和新理论的萌芽已经出现.与此同时,点位高频观测和航空航天遥感技术构筑了从植物气孔到叶片、植株、冠层、景观、流域等跨尺度测算手段,在地表蒸散过程观测及机理解析上,形成纵向深化及横向综合的新进展.陆域蒸散新理念、新模型、新技术的综合性发展,成为突破蒸散精准测算难题的基础条件,这将为揭示地球系统的水-热-碳循环机理等全球性重大基础理论问题,为满足农业灌溉与粮食安全、水资源精细化管理与生态环境保护、城市热环境调控与全球升温适应对策等国家重大需求,提供更为严谨坚实的科学理论依据和实验支撑.     

亚洲大洋洲区域综合地球观测系统计划进展

亚洲大洋洲区域综合地球观测系统是为实现国际地球观测组织总体战略目标而设立的区域地球观测合作计划,旨在面向亚大区域国家对地球观测技术的应用需求,保障亚大区域地球观测空间信息的精准获取与主动服务,增强地球观测技术支撑区域可持续发展的综合能力。该计划由地球观测组织亚大区域成员国共同提出,并对亚大地区的所有国家和参与组织开放。通过国际地球观测组织亚大区域政府间合作机制,在国家、区域和全球层面建立有效的合作框架,积极协调区域内的地球观测资源设施的互联互通、技术合作与共享服务,促进亚大区域国家在社会经济关键领域的应用,共同应对可持续发展、全球变化和重大灾害的挑战。     

青藏高原地区能量水分循环：地表能量平衡和湍流热通量

文章给出了青藏高原能量水分循环研究的概况和总结，着重估计了能量平衡各分项和湍流热通量等。在能量平衡的计算基础上，尽管能量不平衡的原因解释仍有争论并且没有解决，但我们揭示了GAME/Tibet试验观测资料中能量不平衡现象。我们发现估算的潜热通量比实际观测的要高许多。然而，根据能量平衡假设的计算结果和SEBS的估算一致性很好。在此基础上可以归纳出差异主要由GAME/Tibet试验观测资料中能量不平衡引起，潜热通量的实际观测可能偏小。     

黑河实验区地表植被指数的区域分布及季节变化

利用具有较高空间分辨率的Ｌａｎｄｓａｔ ＴＭ卫星资料估算了黑河实验区夏季和近冬季地表标准化差值植被指数ＮＤＶＩ,分析了ＮＤＶＩ的区域分布特征和季节变化。结果表明,由于该实验区下垫面的复杂性,ＮＤＶＩ表现出明显的空间和季节变化,ＮＤＶＩ的图像能够很好地反映出地表植被的分布状况。     

复杂下垫面地表土壤热通量算法改进:以黑河流域为例

地表土壤热通量是地表能量平衡的重要组成部分,对地表蒸散发的估算至关重要.利用土壤温湿度廓线观测资料基于热扩散方程计算地表土壤热通量,并通过冻土融化前后土壤液态水含量变化估算土壤含冰量,分析了土壤含冰量对土壤热通量的影响,旨在分析黑河流域典型下垫面(高山草地、农田和森林)地表土壤热通量的时空变化特征.研究结果表明:(1)黑河流域不同下垫面的地表土壤热通量有明显的日变化差异,日最大值时刻提前净辐射通量几分钟至几小时不等,这与土壤质地、湿度、热属性和植被覆盖度有关;(2)净辐射通量有显著的季节变化,一般夏季达最大值,冬季最小,地表土壤热通量也有明显的季节变化,但并不总是与净辐射通量变化保持一致,春季达最大值,夏季由于植被覆盖的原因反而降低;(3)地表土壤热通量占净辐射通量的比例因季节及下垫面不同而有差异,1月份月平均比值分别为:阿柔25.6%、盈科22.9%和关滩4.3%,7月份月平均比值分别为:阿柔2.3%、盈科1.6%和关滩0.3%;(4)冬季考虑了冰的热容量使得土壤热容量增加,土壤热存储增加,从而由热扩散方程计算的地表土壤热通量增加,使得能量平衡闭合率提高了4.3%.     

卫星遥感结合地面资料对区域表面动量粗糙度的估算

利用地面湍流观测资料估算了黑河实验区几个典型下垫面的局地地表动量粗糙度，与卫星观测Landsat TM资料相结合得到了由标准化差值植被指数(NDVI)计算地表动量粗糙度的经验关系式，进而估算了实验区夏季和近冬季的地表粗糙度的区域分布，并对所得关系式进行了合理性检验。     

利用MODIS fAPAR傅立叶时间序列分析研究植被光合作用活动对净辐射和降雨的响应：青藏高原个例研究

气候变化对植被动力学有非常大的影响。为了定量描述气候变化对植被的影响，文章利用MODIS fAPAR 数据和NCEP 的净辐射和降雨再分析数据对青藏高原地区气候变化对植被的影响进行了时间序列分析。研究所用的数据时间跨度为2000年至2005年。首先利用NCEP 再分析数据建立了干旱度因子的时间序列，为了与MODIS fAPAR 具有相同的时间采样间隔，由NCEP的日净辐射和日降雨量得到每8天的平均净辐射和8日降雨的和。根据一定时间间隔的净辐射与降雨量的比可以用来衡量相对于可利用水分的剩余能量，因此该比值也是干旱灾害的度量。其次，对MODIS fAPAR 的傅立叶时间序列分析提供了两个植被光合作用对干旱相应的因子，即fAPAR的年平均值及其年振幅值。在时间和空间尺度上对植被光合作用活动与干旱指数之间的关系进行了定量分析。对湿年和干年之间的响应差异进行了比较。研究表明较干地区对气候变化的响应最为显著。分析应该扩展到更长的时间跨度以便更加有效地在时间和空间尺度上评估气候变化对植被动力学的影响。     

绿洲-沙漠复合地表条件下的局地和有效粗糙度

地表空气动力学粗糙度是研究水平非均匀条件下陆面过程的基础,文中对黑河试验区各不同下垫面上地表空气动力学粗糙度进行了估算和分析,分别得到了地表空气动力学粗糙度ｚ０ｍ的有效值和局地值,发现各不同典型下垫面的局地ｚ０ｍ值明显不同,尤其在有作物存在时,绿洲的局地ｚ０ｍ值比沙漠、戈壁的值明显要大;而对同一测站,有效空气动力学粗糙度比局地空气动力学粗糙度值明显要大,运用应力分解理论对这种差异进行了解释,认为有效空气动力学粗糙度与复合表面的总应力有关,其代表了较大水平尺度内的表面和较高障碍物的综合作用,当涉及对陆表通量参数化问题时,必须首先确定水平尺度及相应的地表粗糙度参数