海河流域不同下垫面上大孔径闪烁仪观测显热通量的时空特征分析

基于海河流域密云站、馆陶站和大兴站2008-2009年大孔径闪烁仪的观测数据,结合涡动相关仪和自动气象站的同步观测,经过数据筛选、质量评价、数据处理及插补等步骤,得到了3个站点不同时间尺度的显热通量和蒸散量.首先分析了3个站点1月、4月、7月、10月不稳定状态下大孔径闪烁仪通量观测的空间代表性及源区内不同下垫面的通量贡献率,并结合下垫面作物生长状况比较分析了3个站点不同季节大孔径闪烁仪观测显热通量与净辐射的月平均日变化趋势,不同下垫面上两者变化趋势一致,且馆陶站的显热通量在各月中都为最低,1月、7月密云站的显热通量与大兴站较为接近.同时3个站点2008-2009年9:00～15:00显热通量日平均值的季节变化趋势表明,相对于密云站单峰状的季节变化,源区内下垫面的植被类型和植被生长状况导致馆陶站和大兴站的显热通量都表现出明显的三峰变化.最后,以馆陶站大孔径闪烁仪和涡动相关仪观测的30 min显热通量数据为例,结合涡动相关仪的能量闭合率,大孔径闪烁仪和涡动相关仪通量足迹源区的重叠程度和非重叠部分的地面非均一性,对不同尺度显热通量观测的差异原因进行了讨论.     

大孔径闪烁仪观测数据的处理方法研究

大孔径闪烁仪可以获取公里级尺度的显热/潜热通量,其观测数据在农林业、水文、气象等领域的研究中具有越来越重要的作用.以海河流域2008年密云站和馆陶站大孔径闪烁仪的观测数据为例,讨论了数据筛选与处理方法,以及大气不稳定状态下不同处理方法对显热通量造成的影响.结果表明:空气折射指数结构参数应结合电压信号的方差进行计算、采用逐日的日平均波文比系数进行湿度订正、结合空间权重函数计算有效高度、选取Andreas(1988)稳定度函数计算显热通量等是可信的.通过对不同插补方法的比较可知,采用非线性回归方法和以零值替代的方法对不稳定状态和稳定状态下30 min缺失的显热通量进行插补,采用动态线性回归方法对日显热通量的缺失进行插补是可行的.为了解决由于冬天净辐射和显热通量较小,造成能量平衡方程余项法计算的蒸散量产生较大误差的问题,可采用根据大孔径闪烁仪与涡动相关仪观测的日蒸散量建立的关系式进行估算.基于上述方法的研究,形成了一套较为完整的大孔径闪烁仪观测数据的处理流程,保证了在不同下垫面、不同的天气状况条件下都能获取质量可靠、数据连续的大孔径闪烁仪观测的显热/潜热通量.     

基于遥感的区域蒸散量监测方法——ETWatch

ETWatch是用于区域蒸散遥感监测的业务化运行系统,集成了具有不同应用优势的遥感蒸散模型,并以Pen-man-Monteith公式为基础建立下垫面表面阻抗估算方法,利用逐日气象数据与遥感反演参数,获得逐日连续的蒸散分布图。所生成的从流域级到地块级的数据产品能动态反映区域蒸散发的时空变化规律。基于ETWatch方法,对2002-2005年海河流域和河北省馆陶县的蒸散状况进行了连续监测。利用地面观测资料对蒸散遥感监测产品的验证表明,涡度相关观测数据能量闭合率在0.9以上时,1 km级的日蒸散结果的平均偏差约10%;对于地块级(30 m)的ET,受混合像元的影响,相对于土壤水分消耗法测量的作物蒸散发,遥感监测作物蒸散发的平均误差在12.7%左右。     

大孔径闪烁仪观测数据在陆面模式验证中的应用初探

将大孔径闪烁仪(LAS)观测数据应用在陆面模式验证中对更好地认识和描述陆面过程在气候变化中的作用有着重要意义.以中国北方2个LAS观测站--密云和阿柔为例,分别设定一个公里尺度(1 km2)的研究区域,采用陆面模式SiB2,综合利用站点观测数据、实地调查数据及卫星遥感数据,对陆面过程进行了模拟,并利用LAS和涡动相关仪(EC)观测的显热通量对模拟结果进行了评估,结果表明:SiB2模式能够对阿柔和密云显热通量的总体情况、日变化情况及季节变化情况进行较好的模拟;利用LAS显热通量进行较大尺度模拟验证,能够在很大程度上避免EC能量不闭合及其观测尺度与模式模拟尺度不匹配在验证中所造成的偏差,验证效果更好.     

基于多尺度遥感数据估算地表通量的方法及其验证分析

地表水热通量(显热通量、潜热通量)的遥感估算在全球气候变化、水资源、生态环境等研究领域具有重要的应用价值.MODIS数据的空间分辨率较低(热红外波段星下点为1 km),而地球表面的几何物理属性又具有高度非均匀性,因而在实际应用中面临较严重的尺度问题.探讨了多源卫星数据(中高分辨率Landsat TM与中低分辨率MODIS)相结合佑算像元通量的2种方法,分别利用高分辫率的地表分类及植被指数信息在混合像元内部进行亚像元处理,以提高非均匀地表混合像元的通量估算精度.研究数据来自于2008年黑河流域综合实验获取的遥感数据和辅助数据,验证数据来自于实验期间获取的不同下垫面的地表通量数据,包括涡度相关(EC)数据,以及大孔径闪烁仪(LAS)数据.计算结果表明,2种方法皆可在下垫面不均匀或者地表类型较复杂的情况下得到比较明显的纠正效果,纠正后的通量与观测更加接近.相比之下,利用植被指数分解温度的方法适用性更广,纠正效果更好.在地面验证中,对比分析了EC和LAS数据在TM尺度和MO-DIS尺度通量验证的适用性.LAS数据测量尺度与MODIS卫星像元尺度相匹配,可以直接验证MODIS通量计算结果,EC数据虽然可以直接验证TM计算的通量,但与MODIS数据对比,还需要进行尺度转换,即先用EC验证TM通量,然后将TM通量降尺度,与MODIS进行对比.最后对利用LAS验证通量的不确定性进行了分析,发现图像中LAS测点的几何定位误差以及LAS测量路径中像元的选取都对验证结果有一定影响.     

大孔径闪烁仪在黑河流域的应用分析研究

大孔径闪烁仪(LAS)是近年来发展较快的一种新型通量测量仪器,用以观测较大尺度上的感热通量变化.”黑河流域遥感-地面观测同步试验”项目在黑河上、中游地区不同下垫面貌一新建立了多个地面站,除常规气象参数、各辐射分量、土壤温湿梯度和热流以及涡动相关（EC）通量外,还在黑河上游阿柔冻融站及中游临泽草地站架设有大孔径闪烁仪.依据有关观测,着重分析大孔径闪烁仪所测感热通量的日、季变化特征.阿柔站所用数据时间段为2008年3月至2009年12月,临泽草地站为2008年5～8月.在与涡动相关通量数据进行对比分析中,除依据解析模式计算分析EC及LAS的源区差异及有关影响外,对不同大气稳定度下大孔径闪烁仪观测资料的质量控制、感热通量的计算方法等做了仔细分析,以提高LAS通量结果的总体质量.长期观测资料分析表明,大孔径闪烁仪与涡动相关仪的感热通量及其时间变化有较好的对应关系.部分时段的较明显差异,主要由二者源区所含下垫面类型的不同引起.多数情况下,LAS所测感热通量比EC的有关结果偏大,可能因为LAS的源区一般远比EC的大,大孔径闪烁仪所测通量有天然的面积平均效果.     

黑河流域遥感—地面观测同步试验：科学目标与试验方案

介绍了黑河流域遥感-地面观测同步试验的科学背景、科学问题、研究目标以及观测试验方案和观测系统布置.总体目标是,开展航空-卫星遥感与地面观测同步试验,为发展流域科学积累基础数据;发展能够融合多源遥感观测的流域尺度陆面数据同化系统,为实现卫星遥感对流域的动态监测提供方法和范例.以具备鲜明的高寒与干旱区伴生为主要特征的黑河流域为试验区,以水循环为主要研究对象,利用航空遥感、卫星遥感、地面雷达、水文气象观测、通量观测、生态监测等相关设备,开展航空、卫星和地面配合的大型观测试验,精细观测干旱区内陆河流域高山冰雪和冻土带、山区水源涵养林带、中游人工绿洲及天然荒漠绿洲带的水循环和生态过程的各个分量;并且以航空遥感为桥梁,通过高精度的真实性验证,发展尺度转换方法,改善从卫星遥感资料反演和间接估计水循环各分量及与之密切联系的生态和其他地表过程分量的模型和算法.由寒区水文试验、森林水文试验和干旱区水文试验,以及一个集成研究--模拟平台和数据平台建设组成.拟观测的变量划分为5大类,分别是水文与生态变量、驱动数据、植被参数、土壤参数和空气动力参数.同步试验在流域尺度、重点试验区、加密观测区和观测小区4个尺度上展开.布置了加密的地面同步观测、通量和气象水文观测、降雨、径流及其他水文要素观测网络;使用了5类机载遥感传感器,分别是微波辐射计、激光雷达、高光谱成像仪、热红外成像仪和多光谱CCD相机;获取了丰富的可见光/近红外、热红外、主被动微波、激光雷达等卫星数据.     

基于大孔径闪烁仪(LAS)测定农田显热通量的不确定性分析

显热通量是反映地-气间能量交换强度的重要指标.随着涡度相关(EC)技术的快速发展,点尺度的显热通量测量已经变得比较容易和准确可靠,像元尺度(公里尺度)的显热通量的地面测量成为连接遥感反演和地面验证尺度扩展的一个重要环节.大孔径闪烁仪(LAS)是目前唯一一种可直接用于像元尺度上显热通量测量的仪器.为了研究该仪器在使用过程的问题,比较了用2种方法同时在禹城农田上观测的显热通量,重点分析了两者之间产生误差或不确定性的原因.初步研究表明:①无论白天还是夜间,用大孔径闪烁仪(LAS)测量像元尺度上的显热通量是可行的,与涡度相关方法得到的结果总体相关性比较好,日变化趋势非常一致.②LAS与EC对比观测表明:白天显热通量较小时,HLAS比HEC偏大,白天显热通量较大时,HLAS比HEC小;当显热通量由小变大时,其平均绝对误差越来越大,相对误差越来越小.③由于下垫面的非均匀性,风速风向变化将会改变通量贡献区(footprint),从而造成2种结果出现偏差.另外,波文比、零平面位移和地表粗糙度等的不确定性都可能影响LAS的观测结果.     

基于块克里金的土壤水分点观测向像元尺度的尺度上推研究

土壤水分是陆面水文过程的一个重要分量,土壤水分的地面点观测与卫星观测的尺度是不匹配的,用点观测数据进行遥感反演结果的验证或者融合这两种观测都需要开展点观测数据向卫星像元尺度的尺度上推研究.土壤水分时空异质性的分析和描述是进行尺度上推的基础,地统计方法是描述连续随机变量空间结构的经典方法.应用块克里金法分别将黑河寒区遥感试验阿柔试验区2008年4月1日与L波段微波辐射计同步的地面液态含水量和含冰量点观测数据经过尺度转换,得到与遥感像元相匹配的像元平均估计值和标准差,可用于该天L波段微波辐射计土壤液态含水量和含冰量反演结果的真实性检验,估计结果充分利用了像元临近位置的观测,得到了比直接的采样平均更合理的块估计结果,对块克里金估计值与采样平均值进行比较,发现两种结果趋势是一致的,块克里金法提供了更为合理的块估计结果,土壤水分空间结构的时间变异、小尺度的土壤特性的变化和测量误差都会对估计结果带来一定的不确定性.     

黄河流域主要水文参数遥感反演

以土壤、大气和植被系统(SPAC)能量流动与物质转换机理为指导,建立了黄河流域主要水文参数的遥感反演模型,利用静止气象卫星GMS-5和风云2号数据,对黄河流域的降水量、蒸散量进行了反演,利用地面资料对降水量反演结果进行了校验;利用大孔径闪烁仪对蒸散量反演结果进行了多方位的验证。     

区域蒸散发遥感估算方法及验证综述

蒸散发是地表水热平衡的重要参量,也是农作物生长状况和产量的重要指标。与传统的蒸散发计算方法相比,遥感技术经济、适用、有效,在非均匀下垫面的区域蒸散发监测上具有明显的优越性。系统回顾了5种常用的区域蒸散发遥感估算方法,包括经验统计模型、与传统方法相结合的遥感模型、地表能量平衡模型、温度—植被指数特征空间模型以及陆面过程与数据同化等,分析了这些模型的最新研究进展及各自的优缺点,并对地表蒸散发的地面验证方法进行了概述。最后简要分析了区域蒸散发遥感估算存在的问题,并展望了其未来发展趋势。多源遥感数据协同反演与非遥感参数遥感化、蒸散发模型改进与多模型集成、陆面过程与遥感数据同化、遥感蒸散发估算及地面验证中的尺度问题与空间代表性问题研究等将会是未来区域蒸散发研究中的重点发展方向。     

遥感数据专题分类不确定性评价研究：进展、问题与展望

从遥感数据中提取专题类别信息是当前遥感数据最主要的应用领域之一。由于遥感分类专题信息广泛应用于各种领域，其数据质量受到越来越多的关注。不确定性是评价分类专题类别数据质量最主要的方面。回顾了遥感数据专题分类不确定性评价方法的历史，总结了当前各种评价方法及其指标体系，将这些方法归结为基于误差矩阵的方法、模糊评价方法、像元尺度上的不确定性评价方法和其它方法四大类。对每一类不确定性评价方法及其指标体系的优点和缺点进行了分析和总结，指出从理论方法研究方面，需要优先发展独立于分类方法的像元尺度上的遥感分类不确定性评价模型与指标体系，以及统一的遥感数据分类不确定性评价模型体系研究；在应用研究方面，需要加强优化空间采样设计和不确定性评价过程标准化研究。     

A Preliminary Study of the Validation of Land Surface Models with Large Aperture Scintillometer Data

The application of large aperture scintillometer observations to the validation of land surface models has important significances in better understanding and describing the influences of land surface processes on climate change. With observational data from stations, field survey data, and remote sensing data, the land surface processes of Miyun and Arou, two typical flux observation stations in northern China, were simulated by SiB2 model at the spatial scale of 1km². The simulation was validated by the sensible heat fluxes obtained by Large Aperture Scintillometer (LAS) and Eddy Covariance measurement (EC). The results showed that: ①SiB2 has given a good simulation of the sensible heat flux as well as its diurnal variation and seasonal variation; ②The validation of large scale simulation by LAS can avoid the disadvantage of EC, such as energy disclosure and spatial scale differences with model simulation, and could give better results.     

大孔径闪烁仪的通量印痕分析与应用

针对北京密云站的长期通量观测进行大孔径闪烁仪的平均印痕区域分析.首先从2008年全年8 152组湍流观测资料,以整体湍流特征量σu/u*以及其他数据合理性判据进行质量控制,获得6 806组有效数据;然后用一个解析解模型逐时次计算大孔径闪烁仪的二维印痕,并进行统计平均,获得各季平均印痕分布;将当地气象条件根据风向、风速和稳定度分为12类,分别统计各类条件的平均印痕分布.最后,以实测感热通量为例,计算当地实际湍流通量的气候平均印痕区域.结果表明,当地大孔径闪烁仪的平均通量印痕季节变化不大;各类气象条件中,稳定度和风向是影响印痕区域大小和方向的重要因素,风速影响相对较小;以实际湍流通量为权重的气候平均印痕可更准确反映观测结果的空间代表性,其分布与简单平均的印痕分布有所不同.     

Evaluation of EDI derived from the exponential evapotranspiration model for monitoring China’s surface drought

Drought has become the most severe natural disaster in many provinces of China. In this paper, evaporative drought index (EDI) has been used to monitor China’s surface dryness conditions based on the exponential evapotranspiration (ET) model and Hargreaves equation from JAXA-MODIS Insolation products, GEWEX, NCEP-2 and MODIS NDVI data. The exponential ET model based on the surface net radiation, vegetation index, mean air temperature and diurnal air temperature range (DTaR) has been developed to estimate surface ET of China and has been independently validated using ground-measured data collected from two sites (Arou and Miyun) in China, indicating that the bias varies from −5.96 to 5.02 W/m². The good agreement between daily estimated and ground-measured ET using ground observation data collected from all 22 sites further supports the validity of the exponential ET model for regional ET estimation. Moreover, EDI is closely correlated to the average soil moisture at 0–10 cm soil depth of the Yongning site with coefficient of determination of R ² = 0.52. The spatio-temporal patterns of monthly ET and EDI from April to September of 2004 over China are explored and the result indicates EDI is accordant with the precipitation by comparing the 15-day smoothed EDI with precipitation over six representative sites. The EDI based on the exponential ET model by integrating energy fluxes in response to soil moisture stress has demonstrated its validity for monitoring China’s surface drought events.     

海河流域不同下垫面土壤水分动态模拟研究

针对海河流域不同的下垫面类型,选取密云(果园林地)、大兴(城郊农田)、馆陶(平原农田)3个观测站,建立垂直方向上以含水率θ为因变量、含根系吸水项的非饱和土壤水分运动数值计算模型。该模型以一维Richards方程为基础(以下简称RE模型),采用实测的降水和蒸散数据作为模型的上边界条件,运用全隐式有限差分法,分别对不同生长期内的土壤水分进行数值模拟,得到时间序列的土壤水分廓线,并分别采用成熟软件HYDRUS-1D的模拟结果和各观测站实测土壤水分对RE模型进行交叉验证和直接验证。结果表明RE模型能够很好地模拟海河流域不同下垫面土壤水分动态变化过程,3个站模拟结果与实测土壤水分数据的均方根误差(RMSE)分别为0.03127,0.0359和0.0409 cm3/cm3。与HYDRUS-1D软件模拟结果(其与观测值的RMSE分别为0.03759,0.0647和0.0467 cm3/cm3)相比,RE模型模拟的土壤水分具有更高的精度,也显示出RE模型的可靠性。探讨3个站土壤水分的时空变异规律及其影响因子并以大兴站为例,通过优化RE模型参数,探讨犁底层对土壤水分模拟结果的影响,进一步改善RE模型的模拟精度。     

大尺度水热通量观测系统的研制

基于闪烁理论、孔径平均效应及莫宁-奥布霍夫相似理论(MOST),成功研制了大尺度水热通量观测系统样机YZ01,该系统主要由发射器、接收器、云台、瞄准器、气象传感器、数据采集器、数据处理软件、远程无线数据传输模块、太阳能供电系统等部分组成.该系统发射器平均功耗3W,接收器功耗1.8 W,比德国的BLS450和荷兰的LAS都更省电;发射器光源功率为100 mW,比荷兰LAS的80 mW更强,在同样条件下,YZ01接收器接收到的闪烁光解调信号比荷兰LAS强14%左右,说明在相同的安装距离下,YZ01比荷兰LAS更适于在能见度低的条件下使用,或者说在同样的环境条件下,YZ01比荷兰LAS可以测量更远的距离.YZ01在北京密云站与荷兰Kipp＆Zonen公司的LAS、美国Campbell公司的涡度相关测定系统进行了短期的应用对比试验,结果为:空气折射指数的结构参数Cn2、感热通量H、潜热通量LE的日变化趋势都非常一致;YZ01与LAS之间Cn2的线性拟合系数为0.98,相关系数为0.7;H的线性拟合系数为0.90,相关系数为0.93;YZ01通过余项法算出的LE与涡度相关直接测得的LE的线性拟合系数为1.07,相关系数为0.78.YZ01在青海阿柔站与德国Scintec公司的BLS450进行对比结果为:空气折射指数的结构参数Cn2、感热通量H、潜热通量LE的日变化变化趋势也都非常一致,YZ01与BLS450之间Cn2的线性拟合系数为1.25,相关系数为0.93;H的线性拟合系数为1.17,相关系数为0.99;YZ01通过余项法算出的LE与涡度相关测定系统测得的LE的线性拟合系数为1.03,相关系数为0.84.表明该研究所研制的大尺度水热通量观测系统不仅可以达到国外同类仪器同样的应用水平,而且比国外同类产品更省电、比荷兰LAS更适应在低能见度条件下使用.