利用ASTER数据反演珠峰地区地表特征参数

利用2006-2011年9景ASTER遥感影像计算了青藏高原珠穆朗玛峰地区的地表特征参数(地表反照率、地表温度、归一化植被指数、植被覆盖度),并对地表反照率和地表温度反演结果进行了验证。结果表明:地表反照率和地表温度的反演结果与观测值较为一致,能够作为陆面过程模式的输入数据;反演得到的植被指数能够较好的代表珠峰地区的地表植被特征;所有的反演算法和结果仅依赖于遥感数据,表明在资料缺乏地区利用卫星遥感技术是获取地表特征参数的有效手段。     

应用MODIS数据反演青藏高原地区地表反照率

应用RossThick-LiTransit核驱动BRDF（bidirectional reflectance distribution function）模型,选择2004年Terra MODIS（moderate resolution imaging spectraradiometer）500 m分辨率数据,对青藏高原地区的地表反照率进行了反演研究,并以平均气溶胶光学厚度值0.11计算了正午时（北京时间12：00）实际的地表反照率,反演结果与当地的地表覆盖类型和地形具有较好的一致性。此外,藏北高原4个辐射观测站点观测资料与反演结果的比较表明,500 m分辨率反演结果不仅可以满足气候和陆面过程模式的精度要求,而且精度高于美国1 km分辨率反照率反演结果。     

东疆黑戈壁陆面过程参数及陆面模式离线模拟

新疆东部黑戈壁气候恶劣、人迹罕至,是具有黑色砾石下垫面的生态脆弱区。利用东疆哈密戈壁陆气相互作用站2018年全年观测资料,给出该戈壁地表动力学与热力学粗糙度、比辐射率和地表反照率等陆面过程特征参数,并将这些参数代入Noah模式对该戈壁热通量、地表温度及土壤温湿度进行模拟。结果表明：（1）东疆黑戈壁下垫面动力学粗糙度为1.13×10-3 m,热力学粗糙度为0.32×10-3 m,比辐射率为0.905。（2）地表反照率日变化呈早晚高,中午低的“U”型曲线。12月因地面积雪,反照率最高,年内极大值出现在12月8日,为0.79,年均反照率为0.29。地表反照率关于太阳高度角的参数化方案为：α=0.78-0.47×(1-e^((-h)/1.12)),地表反照率关于5 cm土壤湿度的参数化方案为α=0.28-0.136w_s。（3）将改进后的陆面过程参数带入Noah模式,大大提高了模式在戈壁区域的模拟能力。     

稀疏植被地表反照率日变化对通量模拟效果的影响分析——以内蒙古荒漠草原感热和潜热通量为例

基于Noah陆面过程模式,利用内蒙古荒漠草原陆—气通量长期定位观测资料,模拟了地表反照率日变化对该荒漠草原感热和潜热通量的影响。结果表明,地表反照率的日变化将改善Noah陆面过程模式对内蒙古荒漠草原感热通量的模拟,但对受水分制约的潜热通量的改善效果不明显,表明准确地模拟地表反照率的日变化对模拟稀疏植被的感热通量至关重要。     

利用多角度POLDER偏振资料实现陆地上空大气气溶胶光学厚度和地表反照率的同时反演 II. 实例分析

由于陆地地表反照率的复杂性,陆地上空气溶胶的反演一直是卫星对地观测的一个难点,针对这个难点,作者提出联合利用偏振反射率和总反射率提取陆地上空大气气溶胶光学厚度和地表反照率及其区域分布的反演方案,提出了利用NCEP资料订正由海拔高度引起的Rayleigh散射变化的具体方法,并利用POLDER（POLarization and Directionality of Earth's Reflectance）的LEVEL-1B资料进行实际反演计算,给出中国华北地区气溶胶光学厚度和地表反照率的区域分布。反演结果与地基观测进行了对比验证分析,结果表明,综合利用标量辐射和偏振信息的可以实现区域乃至全球尺度的大气气溶胶和地表反照率的定量反演。     

1982—2000年中国区域地表反照率时空分布特征

利用1982—2000年NOAA-AVHRR数据资料,研究了中国区域地表反照率的空间分布及其随时间的变化规律。结果表明,中国区域年均地表反照率在空间分布上有很大的差异,胡焕庸线以西地区地表反照率明显大于以东地区;年平均地表反照率呈现缓慢下降趋势,但是不同地区的变化趋势有所不同,年均地表反照率显著降低的区域主要集中在华北平原,显著增加的区域主要集中在长白山和大兴安岭北部;不同季节地表反照率存在很大的差异,冬季最大,春、夏季次之,秋季最小,且冬季平均地表反照率波动幅度比较大;不同地表覆盖的地表反照率的年际变化也存在比较显著的差异。     

城市陆面模式设计及检验

针对城市冠层模式(Urban Canopy Model,UCM)的各种局限性,本文首次提出整体城市陆面模式(Bulk Urbanized Land Surface Model,BULSM)的概念,即在现有先进的陆面模式的基础上直接构建城市陆面模式。本文在通用陆面模式(Common Land Model,CoLM)基础上构建整体城市陆面模式,根据城市的特点对CoLM进行了发展和重新参数化。模式采用高分辨率地表分类数据;改进了模式的地表能量平衡方程与水分平衡方程;对反照率、城市地表粗糙度、城市大气廓线、城市人为热、不透水面水分蒸发及积水深度等进行了重新参数化。模式保留了CoLM在自然下垫面的全部特性,加强了CoLM在城市或人为下垫面的模拟和预报能力。区域验证以及与CoLM对比结果表明整体城市陆面模式模拟结果能够显示出北京城区各参数的空间精细化分布情况,能够反映出地表分类对模拟结果的影响。单站点验证以及与CoLM和高分辨率城市陆面同化系统(u-HRLDAS)对比结果表明整体城市陆面模式地表温度模拟结果与CoLM相比有很大提高;和u-HRLDAS相比大部分站点地表温度模拟结果也有一定的改进。     

2007年5～10月黄土高原陆面能量通量特征研究

在稀疏植被区陆面过程遥感参数化基础上,利用MODIS/500m分辨率的资料反演黄土高原2007年5～10月陆面过程的特征参数。分析得出:(1)受多种气候系统的影响,黄土高原降水、植被分布以及土壤湿度等存在南北、东西差异,导致反照率呈现出从东南到西北部逐渐增加的趋势;5～10月,频率峰值所对应的反照率值呈现出先降低后增加的特征,到7月反照率值达到最低。(2)由于土壤湿度和植被覆盖度空间分布的差异,出现了3种反照率和能量分布型,即宽频低峰型、高频窄峰型和多峰型分布。(3)由于2007年8～10月黄土高原降水量比较充沛,大部分区域的土壤湿度都在60%以上,使得净辐射量、感热通量、潜热通量频率分布比较集中。     

两次暴雨过程模拟对陆面参数化方案的敏感性研究

选取发生在江西和福建境内的两次暴雨个例,利用NCEP再分析资料在对暴雨发生前、后的环境场和物理量场进行诊断和对比分析的基础上,采用中尺度模式WRF V3.3,通过数值模拟探讨了陆面过程对两次暴雨过程的可能影响及其相关的物理过程。结果表明,2012年5月12日江西大暴雨主要受大尺度环流和中尺度天气系统影响,具有范围大、持续时间长等特点,属于大尺度降水为主的暴雨;而2011年8月23日福建暴雨发生在副热带高压控制下的午后,局地下垫面强烈的感热和潜热通量使低层大气不稳定性增强,触发了此次对流性降水为主的暴雨。通过资料诊断分析,可以判断陆面过程对福建暴雨个例的影响程度明显强于江西暴雨个例。通过关闭地表通量试验发现,陆面过程对暴雨模拟十分重要,尤其是对于该个例中对流性降水的发生起到关键性的作用。通过陆面参数化方案的敏感性试验发现,两次暴雨过程对陆面参数化方案均较为敏感。江西暴雨对陆面过程的敏感性主要体现在对流降水的模拟上,而福建暴雨则体现在大尺度降水的模拟方面,即福建暴雨对陆面参数化方案的敏感性强于江西暴雨。敏感性产生机制与降水类型关系紧密,大尺度降水对陆面过程的敏感性主要来源于不同参数化模拟的中高空对流系统的差异,而对流降水的敏感性则与不同参数化模拟的地表通量的差异有关。通过陆面参数的扰动试验进一步发现,相比于地表粗糙度和最小叶孔阻抗,土壤孔隙度和地表反照率则是影响对流降水对陆面过程敏感的关键因子,这在本质上与地表通量是否受到扰动有关。地表通量较风场而言,受扰动引起变化的空间范围广、时间响应快,变化具有明显规律性。所得结果可为深入理解陆面过程影响暴雨等天气过程和改进数值模式对暴雨的模拟能力提供一定的参考。     

利用NOAA/AMSU资料和GRAPES同化系统对陆面比辐射率计算的改进研究

地表比辐射率计算的不确定性,直接影响到卫星资料在数值预报中同化应用的效果。本文采用美国NOAA/NESDIS的Weng等[1,2]提出的复杂陆面比辐射率模式,同时用NOAA卫星AMSU-ACh1或Ch2反演的地表比辐射率来调整该模式所需的地表参数,从而在缺少详细地表参数的情况下,改进AMSU-A Ch3和Ch15的地表比辐射率计算精度。在积雪地表情况下,用NOAA卫星AMSU-A资料直接反演各通道的比辐射率,在GRAPES同化系统中的应用表明,结果有明显的改进。     

中国地表月平均反照率的遥感反演

地表特征和下垫面物理性质在时空分布上的差异 ,造成地表能量分布的不均 ,地球表面的半球反射在气候领域是一个非常重要的参数 ,它在地 气能量交换中决定着能量在地 气之间的分配比率。反照率随地表覆盖类型的变化具有很大的差异 ,而这往往是形成区域小气候差异的原因。文中通过统计和双向反射模型 ,应用NOAA14 AVHRR数据并结合地理信息系统 ,反演计算了 1997年中国月平均反照率的分布 ,并对结果做了分析检验。     

青藏高原地表反照率时空分布与统计回归计算

本文在利用NOAA/AVHRR数据反演得到1982～2000年青藏高原地区地表反照率时空分布的基础上,分析了地表反照率的时空变化及其与温度和降水之间的关系,得到地表反照率与温度和降水之间的统计方程,并用此方程计算了青藏高原地区地表反照率的时空分布。研究结果表明：青藏高原地区年均地表反照率的分布与高原自然地理带的分布特征大致吻合;地表反照率与温度和降水均有较好的相关性,相关性因下垫面植被类型的不同而有较大的差异,滞后1个月的温度和滞后2个月的降水的综合作用与地表反照率的相关性最好;月均地表反照率与温度和降水之间的二元曲线回归方程可以比较好的统计回归计算出青藏高原地区地表反照率的空间分布,该模型的系统偏差比较小,回归计算的效果比较好。     

Advances in land modeling of KIAPS based on the Noah Land Surface Model

As of 2013, the Noah Land Surface Model (LSM) version 2.7.1 was implemented in a new global model being developed at the Korea Institute of Atmospheric Prediction Systems (KIAPS). This land surface scheme is further refined in two aspects, by adding new physical processes and by updating surface input parameters. Thus, the treatment of glacier land, sea ice, and snow cover are addressed more realistically. Inconsistencies in the amount of absorbed solar flux at ground level by the land surface and radiative processes are rectified. In addition, new parameters are available by using 1-km land cover data, which had usually not been possible at a global scale. Land surface albedo/emissivity climatology is newly created using Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) satellitebased data and adjusted parameterization. These updates have been applied to the KIAPS-developed model and generally provide a positive impact on near-surface weather forecasting.     

根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响研究

根系吸水过程对地表能量平衡和水循环起着重要作用，目前不同的根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响尚不明确，探讨相关参数化方案的影响，可以为今后建立陆面过程模式根系参数化方案提供参考。本文利用2010年6月1日至9月30日青藏高原玛曲站的观测资料作为大气强迫资料，驱动BCC_AVIM模式（北京气候中心陆面模式）引入不同的根系吸水过程参数化方案，对玛曲站2010年6月1日至9月30日时段感热通量、潜热通量、土壤温度、土壤含水量等要素进行数值模拟，分析根系吸水过程参数化方案对青藏高原地区陆面过程的影响。模式中有关根系吸水过程的参数化方案主要分为根分布模型和土壤水分对根系有效性函数两类，根分布模型用Jackson方案、Schenk方案替换，土壤水分对根系有效性函数用Li方案、LSM1.0方案、CLM4.5方案替换。对比结果表明:不同的根系吸水过程参数化方案对土壤温度、土壤含水量的模拟影响较小，对感热通量、潜热通量模拟影响较大，尤其对冠层蒸腾量模拟差异显著，相关参数化方案的变动直接影响冠层蒸腾量。两类方案模拟的差异受降水的影响，在多雨期，根分布对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异；在少雨期，土壤水分对根系有效性函数对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异。     

基于MODIS数据地表反照率时空变化特征及影响因子研究

地表反照率表征地球表面对太阳辐射的反射能力,是影响地表辐射能量收支平衡的关键参数。本文以淮河流域为例,利用MODIS（MODerate resolution Imaging Spectroradiometer）数据,采用网格趋势分析、异常变化分析、相关分析和灰色关联度分析等方法,分析了淮河流域2005～2015年地表反照率的时空变化规律,以及土地利用类型、地形因子、地表参数和气候等影响因子。结果表明:淮河流域年平均地表反照率整体呈“北高南低、东高西低”的空间分布规律,变化在0.043～0.223,平均值为 0.145。低值区主要集中于水体密集和山区丘陵地带,且标准差相对较小;高值区主要集中于流域中部及东部平原地带,且标准差较大。61.5%的区域地表反照率呈增加趋势,且存在季节性差异,夏季平均地表反照率最大,春季次之,秋季最小,冬季则由于降雪覆盖和农田利用的影响波动幅度较大。淮河流域地表反照率与归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）、地表温度、气温和降水在大部分区域呈正相关,面积占比分别达到90.23%、82.32%、85.41%和93.70%。灰色关联度分析表明,不同土地利用类型（水体除外）下年均地表反照率受各因子影响排序为:NDVI>气温>地表温度>降水,空间变化受各因子影响排序为:NDVI>降水>地表温度>气温>高程。     

长江三角洲地区地表月平均反照率的卫星遥感研究

应用NOAA-AVHRR气象卫星数据,通过近似的大气校正模型及双向反射模型,结合地理信息系统,建立了动态的反照率反演模型,并反演计算了我国长江三角洲地区1995年3～12月的地表反照率.通过对诸多影响反照率变化因子的分析显示,遥感反演结果与地表覆盖特征及气候特征基本相符.     

Climate response to introduction of the ESA CCI land cover data to the NCAR CESM

The European Space Agency Climate Change Initiative Land Cover data (ESA CCI-LC, from 1992 to 2015) is introduced to the National Center for Atmospheric Research Community Earth System Model version 1.2.1 (NCAR CESM1.2.1). In comparison with the original land surface data in the Community Land Model version 4 (ORG), the new data features notable land use and land cover change (LULCC) with increased forests over northeastern Asia and Alaska by decreasing shrublands and grasslands. Overestimated bare land cover over the Tibetan Plateau (TP) and the Rocky Mountains in the ORG are corrected with the replacements by grasslands and shrublands respectively in the new data. The model simulation results show that with the introduction of the ESA CCI-LC, the simulated surface albedo, surface net radiation flux, sensible and latent heat fluxes are relatively improved over the regions where significant LULCC exists, such as northeastern Asia, Alaska, the TP, and Australia. Surface air temperature, precipitation, and atmospheric circulation are improved in boreal winter but degraded in summer. The winter warming over northeastern Asia results from increased longwave downwelling flux and adiabatic heating while the notable winter cooling over Alaska is attributed to strong cold advection followed by reduced longwave downwelling flux. LULCC alters precipitation by influencing water vapor content. In winter, LULCC affects atmospheric circulation via modulating baroclinicity while in summer, it influences land-sea thermal contrast, thus affecting the intensity of East Asian summer monsoon. LULCC also alters the simulated dust burden.

     

黑河实验区的地表反射率与植被指数

本文利用1988年9月黑河地区地气相互作用观测实验研究预试验期NOAA-AVHRR资料讨论了从晴天行星反射率推算地表反射率的方法,分析了与水、热收支有密切关系的下垫面参数——地表反射率与植被指数的分布特征及它们之间的经验关系。