中国区域多种微波遥感土壤湿度产品质量评估

以自动土壤水分观测站土壤湿度作为验证数据, 对2012年中国区域ASCAT、WINDSAT、FY3B、SMOS 4种微波遥感土壤湿度产品按省份进行了评估研究。结果表明:ASCAT质量最优, 在中国大多数地区与观测数据的相关系数较高, 归一化标准偏差较小。WINDSAT其次, 质量优于FY3B, 而SMOS在中国大部分地区质量差, 受无线电频率干扰严重。4种产品在中国西北地区表现均略好, 如山西、陕西、宁夏等省区。研究还发现, 同一卫星土壤湿度产品在同一季节, 不同地区评估质量不同, 这可能与不同地区的地表植被覆盖类型有关。     

基于自动土壤水分观测数据的吉林省西部干旱预报方法研究

利用吉林省西部10个自动土壤水分观测站数据与人工取土烘干法实测土壤湿度数据,制作吉林省西部土壤墒情监测及干旱预报模型.结果表明:不同气候背景下在作物不同生育期、土壤不同深度、不同初始湿度下的土壤湿度的变化趋势大致相同,但在相同的无降水日数或降水量时,不同台站不同深度的土壤湿度变化率却有一定的差异.各站农田土壤初始湿度越大,无降水时初期墒情下降速率越明显;而土壤湿度初始值越低,则失墒速率越慢.土壤不同深度均是开始时间失墒较快,后期变化逐渐趋于减弱状态.土壤深度越深则水分变化速率越缓,降水量越大,0～50 cm土壤湿度变化曲线整体越接近一致,直到从上而下几层土壤湿度全部达到饱和.通过对2017—2019年吉林省西部玉米农田土壤湿度预报结果和实测值进行对比检验,基于自动土壤水分观测数据的吉林省西部干旱模型预报的准确率超过80％.     

松原市土壤墒情监测及干旱预报模型方法研究

基于自动土壤水分观测站数据建立本地土壤水分变化模型,通过人工取土烘干法观测的实际土壤湿度数值对自动土壤水分观测站数据进行修正和校订,再由修正过的自动土壤水分观测站数据作为当日的初始湿度,通过天气预报中无降水日数或降水日期及雨量大小做出未来一段时间内的失墒或增墒的模型,再通过不同的气象条件对增、失墒进行相关订正,做出相应的土壤墒情的预报,最后根据土壤墒情预报结果对照本地的土壤干旱量级指标,从而随时做出快速准确的本地旱情预报,为各级领导组织指挥农业生产、开展人影作业、指导农民进行田间管理等活动提供及时可靠的决策依据。本文通过此模型对2012年松原地区夏季干旱情况进行预报,再通过实际土壤墒情实况进行对比,预报结果基本正确。由于人工测值有一定随机性,所以人工观测值与自动站观测数据的对比只能做为参考而不可能完全吻合。但从长期数据应用情况来看,基于土壤自动水分观测站的土壤墒情监测及干旱预报模型方便稳定,反应水分变化趋势更有连续性。     

利用MODIS资料监测和预警干旱新方法

为了提高遥感监测土壤水分和干旱的技术水平,在对常用遥感监测土壤水分和干旱方法进行评价的基础上,根据土壤热力学理论,提出了利用EOS/MODIS资料遥感监测农业干旱的新方法———能量指数模式。实际监测应用结果表明,能量指数模式更适合农作物土壤水分和干旱的监测,监测效果明显优于已经业务化的其它模式。农作物生长季节干旱的预警应当在土壤水分遥感监测的基础上,考虑未来预警期内的预报降水量和最高气温,并且把这个预报降水量和最高气温定量转化为土壤水分订正值,按照当地的标准划分成干旱预警等级。     

干旱半干旱区土壤湿度数值模拟研究进展

总结和回顾了干旱半干旱地区土壤湿度研究在区域气候变化研究过程中的重要性,详尽描述了干旱半干旱区土壤湿度数值模拟的研究现状。在过去几十年里,大型地面观测试验计划的开展、卫星遥感监测能力的加强促进了干旱半干旱地区陆面模式模拟土壤湿度能力的提高,推动了干旱半干旱地区土壤湿度数值模拟的研究进程。尤其是干旱半干旱地区气候观测站的建立,积累了长期宝贵的连续性观测数据,增强了检验卫星反演方法的能力,促进了陆面模式的参数化改进。近年来随着气象学、生态学以及水文学、土壤学等学科之间交叉合作的加强,气候变化背景下土壤湿度对碳、氮循环的影响研究得到越来越多的重视,尤其在干旱半干旱地区,局地碳通量和水分供应存在密切联系。因此,未来半干旱地区土壤湿度的研究不仅要开展观测计划,积累长期连续的高质量数据,改进卫星反演能力和模式参数化方案,而且要进一步深化和加强学科交叉内容的研究,分析气候变化背景下土壤湿度在生态学、水文学、土壤学等学科的变化形式和特点,多角度、多方向地开展和改进干旱半干旱地区土壤湿度的数值模拟研究。     

利用气象卫星GMS和AVHRR资料推算地面水分含量的方法

根据ＧＭＳ红外通道遥感到的土壤表面温度随时间的变化率对土壤水分最敏感,且该变化率又与极轨卫星测到的植被指数存在负相关的事实,提出了一个更能反映土壤表面水分的干旱分级指数（ＤＣＩ）,对土壤水分按６个等级监测．该指数与江苏、吉林两省实测土壤湿度或降水分级之间的相关系数在０．７０以上．     

黄淮平原农业干旱预警系统研究

采用区域气候模式与土壤水分模型相结合的技术,建立黄淮平原农业干旱预警系统。系统的气候模式采用NCAR的区域气候模式(RegCM2),为土壤水分模型提供所需的气象要素场数值预报。土壤水分模型采用适合于黄淮平原冬小麦、夏玉米等作物的土壤水分平衡方程。试运行结果表明,利用区域气候模式和土壤水分模型构建的区域性土壤水分模型,土壤水分预报的平均相对误差在15%以下,可以较好地模拟出土壤水分变化和干旱分布状况,可用于土壤水分预报和干旱监测。     

利用气象卫星GMS和AVHRR资料推算地面水份含量的方法

根据ＧＭＳ红外通道遥感到的土壤表面温度随时间的变化率对土壤水分最敏感,且该变化率又与极轨卫星测到的植被指数存在负相关的事实,提出了一个更能反映土壤表面水分的干旱分级指数（ＤＣＩ）,对土壤水分按６个等级监测。该指数与江苏、吉林两省实测土壤湿度或降水分级之间的相关系数在０．７０以上。     

基于陆面数据同化系统改进中国区域土壤湿度的模拟研究

利用中国区域地面气象要素驱动数据集(China Meteorological Forcing Dataset,CMFD),驱动中国科学院大气物理研究所陆面数据同化系统(LDAS-IAP/CAS-1.0),得到了2003—2010年中国区域土壤湿度数据集,同时不考虑同化卫星遥感亮温数据,直接驱动CLM3.0模拟了2003—2010年中国区域土壤湿度时空变化。将二者土壤湿度模拟结果、地面土壤湿度观测值、美国国家环境预报中心(NCEP)气候再分析数据(CFSR)、基于主动和被动微波传感器的全球土壤湿度数据(SM-MW)进行对比分析发现,考虑同化卫星遥感亮温后与不考虑同化模拟的土壤湿度空间分布有明显差异。将模拟、同化土壤湿度值与观测值对比发现,同化后的青海、甘肃、宁夏和陕西地区土壤湿度较模拟结果有一定的改善。相对于CFSR再分析数据和SM-MW遥感反演数据,模拟和同化土壤湿度值在35°N以南对土壤湿度空间分布的细节刻画更为细致。同化卫星遥感亮温数据后,从2003—2010年土壤湿度四季和年平均空间分布看出,土壤湿度空间分布从西北向东南增加。东北、江淮地区及青藏高原为土壤湿度高值区,新疆和内蒙古为土壤湿度低值区。从变化趋势来看,内蒙古、青藏高原和新疆南部年平均土壤湿度呈增加趋势,其他地区以减小趋势为主。     

基于MODIS的温度植被干旱指数在四川盆地盛夏干旱监测中的适用性研究

基于卫星资料的温度植被干旱指数(TVDI)已被广泛应用于干旱监测,地表温度依赖于海拔高度,在地形复杂的四川省,如何将该指数更好的应用到业务干旱监测中,需进一步研究。本文利用MODIS数据,分析四川盆地2014年7月12～27日平均地表温度、植被指数、TVDI和100站土壤湿度的空间分布,并对比了它们之间的异同。研究结果表明,TVDI的空间分布主要由地表温度的空间分布决定,TVDI不仅可用于监测四川盆地较大范围的干旱状况,也可用于监测局地的干旱状况。当前自动站土壤湿度观测值与TVDI之间在有限点上不存在显著的线性相关,如何对TVDI进行干旱分级仍需深入研究。      

The statistical structure of the field of surface soil layer moisture from ground-based and satellite observations

The following data was used: the archives of measurements of available water capacity carried out at Roshydromet network of stations and satellite measurements of relative humidity of the upper soil layer from ASCAT data (from the MetOp satellites). The statistical structure of the field of available water capacity in the upper 10- and 20-cm soil layers is assessed. The correlations between the Earth remote sensing data and data from agrometeorological stations are revealed. The procedure of automatic data checking from ground-based observations is developed. The algorithm is suggested for statistically optimal conversion of the Earth remote sensing data to the estimate of moisture content in the upper soil layer.     

土壤湿度影响中国夏季气候的数值试验

利用"全球土壤湿度计划第2阶段"提供的土壤湿度资料强迫区域气候模式RegCM3,通过数值试验讨论了土壤湿度对东亚夏季气候模拟效果的影响。结果表明,合理考虑土壤湿度的作用,能够提高区域气候模式对中国夏季降水和2 m气温的空间分布型及逐日变化的模拟效果;模拟结果与观测的相关分析显示,降水和2 m气温的年际变化都得到了有效改进,这种改进在气温上尤为明显。不过上述改进具有区域依赖性。数值试验结果表明,气温对土壤湿度的敏感性强于降水,这也从一个侧面说明提高降水模拟效果的难度。总体而言,合理的土壤湿度能够提高区域气候模式对中国夏季气候的模拟能力。因此,合理描述土壤湿度的变化,是提高中国夏季气候预报技巧的潜在途径之一。     

土壤湿度异常对区域短期气候影响的数值模拟试验

用区域气候模式 (RegCM_NCC) 对江淮流域地区春季初始土壤湿度异常导致的区域气候效应进行了数值模拟分析, 结果表明:土壤湿度异常变化对区域降水的影响非常显著, 土壤湿度的正异常使得异常区域内降水增大, 地面空气增湿、蒸发加大, 与此相应, 地表气温迅速降低, 土壤湿度的负异常有与之相反的结果, 这种区域气候响应是通过改变地表辐射平衡及地-气系统能通量而实现的; 区域土壤湿度异常对短期气候的影响在一个月之内较明显, 它的影响可持续至以后的几个月, 但强度逐渐减弱; 区域土壤湿度异常的气候响应不仅仅局限于异常区域内部, 而且可以通过次级环流影响到其他区域的降水、温度等变化。     

内蒙古典型草原区近40年气候变化及其对土壤水分的影响

分析气候变化对草原区土壤水分的影响对了解草原退化原因、恢复草原生态环境有重要的指导意义。根据近40年气象资料和近20年的土壤水分观测资料,利用线性趋势等数理统计方法,分析了内蒙古典型草原区气候变化趋势和对土壤水分变化的影响,得出内蒙古典型草原区近40年气候变化趋势与全球气候变化规律相似;影响土壤湿度的气象因子主要是降水和蒸发,温度通过影响蒸发而间接影响土壤湿度,蒸降差是分析气候变化对土壤水分影响的直观指标。气候变暖导致蒸发加剧,在降水增加不明显的条件下,加速了土壤干旱化程度。     

青藏高原土壤湿度时空分布特征研究进展

土壤湿度是陆面过程的重要参量,可以通过影响土壤本身的热力性质和水文过程,导致局部大气环流的改变以及区域性短期气候异常。青藏高原作为全球气候变化的敏感区,其地气间的水分与能量交换对亚洲季风和全球大气循环有着极大的影响,且高原地区的土壤水分数据能够为陆-气相互作用和数值模拟等研究提供重要的观测信息和初始输入数据。文中综述了青藏高原土壤湿度观测和研究对气候变化影响的重要性,高原土壤湿度观测站网建设现状,各种土壤湿度替代资料的适用性和评估研究,以及高原土壤湿度时空分布特征对降水的影响与气候变化响应,并提出了今后青藏高原土壤湿度研究着重解决的问题。      

ASCAT近岸风在山东沿海的适用性分析

利用2013年1月—2014年12月山东近海的8个浮标站、海岛站和自动站资料与ASCAT近岸风速和风向进行对比,以分析ASCAT反演风场在山东沿海的适用性。研究发现：总体上看,ASCAT近岸风速与代表站实况风速正相关,ASCAT近岸风速在山东沿海误差较小,风向有明显的偏离。ASCAT近岸风在渤海、渤海海峡和黄海北部的适用性优于黄海中部。风力不同时,ASCAT近岸风速与实况偏差有明显差别,表现为当实况出现6级及以上的大风,ASCAT近岸风速小于实况;当实况出现6级以下的风,ASCAT近岸风速大于实况。就ASCAT风速偏差而言,6级以下的风速偏差小于6级及以上风。ASCAT近岸风向与实况偏差也有明显差别,当实况出现6级及以上的大风,ASCAT近岸风向与实况的偏离变小;当实况出现6级以下的风,ASCAT近岸风向与实况的偏离变大。因此,ASCAT近岸风速在山东沿海有较好的适用性,6级以下风更优;ASCAT近岸风向也有一定的适用性,6级及以上风向可用性比6级以下强。     

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。