土壤热扩散率及其温度、热通量计算方法的比较研究

本文利用绿洲系统能量与水分循环过程观测试验的2005年6月11日至15日在甘肃金塔绿洲中部观测的土壤温度、湿度和通量资料,在分析了观测期间土壤温度、湿度和通量特征的基础上,采用振幅法、相位法、谐波法和热传导对流法计算了5~20 cm土壤层的土壤热扩散率.在此基础上,以深度为5 cm的土壤层为上边界条件,计算了10 cm、20 cm深度的土壤温度和10 cm深度的热通量.结果表明:谐波法能很好地计算土壤温度,10 cm和20 cm深度的计算值相对观测值的标准差分别为:0.21 ℃和0.18 ℃;热传导对流法计算的土壤温度好于振幅法和相位法,但由于忽略了土壤水分通量密度的日变化,该方法用于土壤含水量有明显日变化的浅层土壤时,会出现计算误差.谐波法的计算土壤热通量与实测值最为接近,计算值与实测值的相关系数达到0.868.     

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%.     

应用静止卫星热红外遥感亮温资料反演地表温度的方法研究

双通道多时相反演方法在提取地表温度场时可把地表温度与地表发射率分离计算,是利用静止卫星热红外遥感资料研究地表温度场变化的一种有效方法。该方法计算简单,易于实现海量资料处理,基本满足红外遥感资料在地震预报中的应用要求。     

2010年智利MS8.8级地震前可能的潜热通量异常及其与地表温度变化的关系

本文研究了2010年2月27日智利8.8级地震前后地球表面潜热通量的时空演化过程, 并分析了可能的潜热通量异常及其与地表温度变化的关系.结果表明:(1)此次地震及其强余震前出现了三次明显的潜热通量异常,第一次潜热通量异常出现于主震1个月前,主要分布在震中及其东南陆区,第二次潜热通量异常出现在主震前7天,异常区分布在震中西南的海域,呈北西向分布,指向俯冲带,第三次潜热通量异常出现在强余震前,异常区分布在震中西南的海域及北段俯冲带上;(2)相似于2004年印度尼西亚地震海啸前潜热通量的异常演化特征,潜热通量异常从弧后向俯冲带迁移,此次地震前的潜热通量异常首先出现在弧后火山活动强烈地区,然后迁移到海域俯冲带附近,可能反映了临震前的构造变形过程;(3)当陆区出现潜热通量异常时,同时也可见地表温度异常,但在海域出现潜热通量异常时,却未发现有地表温度异常,这可能是由于海域水的热容量较大,不易出现红外温度异常所致.     

基于土壤墒情抗差的降雨径流预报模型——设计与实验流域应用

本文旨在将实时监测得到的土壤墒情转化为流域水文模型可以直接使用的土壤含水量,论证将实时土壤墒情资料用于实时预报的可行性;利用实时监测土壤墒情,改进传统的模型结构,设计基于实测土壤墒情的降雨径流水文预报模型.采用土壤含水量误差抗差估计技术以抵御观测资料粗差的影响,提高系统的稳定性;并在此基础上提出了土壤含水量系统响应修正方法,以提高模型计算精度.将该模型应用于实验流域——宝盖洞流域进行应用检验,洪水模拟合格率达到92.3%,整体模拟精度达到甲级.     

一种可操作的区域尺度地表通量定量遥感二层模型的物理基础

以修正的二层模型耦合机制,提出了PCACA算法以及理论定位算法,结合干点和湿点定标场的参数测定值,推算到4个极端的混合像元真实温度.提高了干线和湿线的定位的可靠性.并且提出了二层分层能量切割算法,算法简捷明了,具有物理基础.摆脱了难以逐个像元获取的通量阻力网参数.对平流的影响提出了新的思考.又以PCACA算法分解了混合像元的反照率.联合二层分层能量切割算法,分解了混合像元的净辐射通量.克服了传统以Beer定律分解净辐射通量的不确定性.通过反演结果的验证分析,方法是可行的也是易于操作的.在论述上述算法可操作性的同时也客观地指出了不确定性.     

基于相关性的热红外温度与发射率分离算法

在分析地面测量大气下行辐射和地表发射率之间关系的基础上,给出了针对热红外高光谱数据温度与发射率分离过程中地表温度优化的相关性判据,提出了基于相关性的温度与发射率分离算法（the Correlation Based Temperature Emissivity Separation Algorithm,CBTES）。该算法利用大气下行辐射和地表发射率之间的相关性优化地表温度,进而获得地表发射率。基于模拟的热红外高光谱数据,对CBTES算法的精度进行分析,结果表明CBTES算法具有较高的温度与发射率反演精度;并与光谱迭代平滑温度发射率分离算法（ISSTES）进行比较,发现CBTES算法具有和ISSTES算法相当的精度。此外,CBTES算法具有一定的抗噪性,对测量过程中大气下行辐射的变化不敏感;对于非同温像元,当其发射率定义为r-emissivity时,其辐射温度是对波数缓慢变化的,假设在比较窄的光谱区间内辐射温度近似不变,可以用CBTES算法反演非同温像元在窄光谱区间内的等效温度,在714-1250cm^-1。光谱区间内多个窄光谱区间反演的等效温度可以较好的刻画非同温像元辐射温度的变化趋势。     

基于多角度热红外遥感的混合像元组分温度演化反演方法

研究了多年来热红外多通道遥感反演陆面温度的成果后指出, 由于通道间信息高度相关, 以及不能直接反演混合像元组分温度, 所以它的反演精度及应用价值都受到极大的限制. 在建立非同温混合像元热辐射方向性模型基础上, 指出热红外多角度遥感提供了直接反演组分温度的可能性, 但这是一个多参数的同步反演问题. 通过数值模拟和实验验证表明, 演化算法是一个行之有效的多参数同步反演方法. 热红外多角度遥感与演化反演算法结合有望实现组分温度反演精度达到1 K以内的目的.     

一种基于温度历史和瞬态地温场模拟的剥露历史反演方法

根据低温热年代学数据,提取岩石从深部剥露到地表的信息,对理解诸多地质问题（如造山带演化、地表过程及其相互作用等）具有重要意义.本文提出一种基于岩石温度历史（可利用古温标、热年代计等方法制约）,并考虑剥露过程对地温场扰动的剥露历史反演计算方法.基于假定的与真实数据的正反演模拟和参数敏感性分析表明：热扩散率的变化对剥蚀量计算影响不大,在常规岩石热扩散率变化范围内（20~35 km²/Ma）,总剥蚀量变化小于10%;传统计算方法低估了剥蚀总量,对于现今地温梯度小于20℃/km、冷却速率大于2~3℃/Ma,或现今地温梯度大于30℃/km、冷却速率大于5~10℃/Ma的地区,需要考虑热平流对剥蚀量计算的影响;匀速冷却的热历史指示剥蚀速率持续减小,而非匀速剥蚀.本文将该方法应用到龙门山南段和四川盆地,反演计算显示龙门山南段15 Ma以来的剥蚀总量为8 km,四川盆地中部80 Ma以来剥蚀总量为约3 km、东部约5 km.

     

一种基于地表能量平衡的遥感干旱监测新方法及其在甘肃河东地区干旱监测中的应用初探

目前遥感干旱监测方法的精度普遍不高,探求新的遥感干旱监测方法有助于干旱监测预警技术的提升与发展.波文比是感热通量与潜热通量之比,能综合反映地表水热特征,可尝试将其引入到遥感干旱监测领域加以利用.应用甘肃河东地区的EOS-MODIS卫星资料和同步地面气象资料,基于地表能量平衡原理构建了波文比干旱监测模型,对比分析了波文比（β）指数、温度植被指数（TVX）与土壤水分的相关性,并以典型晴空影像（2014年10月5日）为例初步建立了β的干旱分级标准,对研究区进行了旱情评估.结果表明：β与土壤相对湿度呈现出高度负相关,相比于当下广泛应用的TVX,β与0～20 cm平均土壤相对湿度具有更好的相关性,监测精度得到了显著提高.用β干旱分级标准评估的研究区干湿状况与前期降水空间分布吻合得相当好,评估表明2014年10月5日研究区基本为适宜（无旱）,与2014年9月的降水距平百分率特征一致.基于地表能量平衡的波文比（β）指数在干旱监测中效果突出,具有很好的应用前景.