陇西黄土高原陆面蒸散的遥感研究

该文以陆面能量平衡过程为基础,基于定量遥感的理论,提出了适合半干旱区(陇西黄土高原)的陆面蒸散估算遥感模型(SEBS)。结合该区域的NOAA/AVHRR数据、气象观测数据、土地利用数据和地形高程(DEM)数据,依据定量遥感的理论和技术,计算反照率、陆面温度、植被指数和地表比辐射率四个重要地表特征参数。应用SEBS模型,估算了该区域的陆面蒸散量。结果表明：该研究具有较好的理论和实践意义,为陆面过程、植被生产、生态环境保护与生态重建等研究提供科学依据。     

陇中黄土高原夏季地表辐射特征分析

 利用实测辐射资料揭示了陇中黄土高原半干旱区夏季辐射特征。结果表明:该地区夏季晴天辐射比较强烈,总辐射最大瞬时值超过1 000 W\5m-2,有时甚至超过太阳常数。春小麦下垫面平均总辐射与典型晴天的日变化比值在0.6～0.8之间,净辐射比值在0.4～0.6之间,在裸地时也表现出同样的特点,表明在半干旱区云和降水对地表辐射的影响比较大。此外,日平均反射率起伏较大,最大为0.24,最小为0.11;春小麦下垫面的地表反射率为0.17,裸地为0.20。植被叶表面的水珠会导致反射率增大,而风速的增大会引起反射率的突变。受土壤湿度及太阳高度角和天气状况等因素的综合影响,不同天气条件下的地表反射率日变化呈现出比较大的差异。     

利用ASTER遥感数据反演陆面温度的算法及应用研究

陆面温度是地气交换过程的一个重要参数,在生态环境研究中应用很广。传统方法只能进行点上的观测和计算,遥感的出现则使得计算区域陆面温度成为可能。ASTER遥感数据具有较高的空间分辨率和光谱分辨率,能够提供比NOAA/AVHRR和Landsat等遥感数据更丰富的陆面信息,有助于提高反演陆面温度的精度。本文以新疆自治区阿瓦提县典型研究区域为例,根据ASTER遥感数据的特点,基于温度/比辐射率分离算法的思想,运用ADE(AlphaDerivedEmissivity)、比值法和MMD(Maximum-MinimumDiffer-ence)三个模块计算陆面温度,并简要分析了模型的主要误差来源。分析结果表明本文所采用的算法是可行的,ASTER遥感数据用于反演陆面温度可以取得比较理想的结果,具有良好的应用前景。     

基于陆面模式和遥感技术的地表温度比较

基于我国中部的样带基础上,采用陆面模式 (Common Land Surface Model CLM) 和遥感结合技术,对研究的样带区域的地表温度利用CLM模式进行模拟和利用遥感分裂窗技术进行反演;以观测地表温度为真值,分别比较模拟地表温度和反演地表温度空间分布特征和误差大小,分析模拟方法和反演方法对计算地表温度的可适性和应用范围,为进行大面的地表温度计算提供选择和参考依据。通过研究发现,模式模拟地表温度同实测地表温度分布的大的格局吻合非常的好, 但是因地貌类型及地表覆盖的影响,模拟地表温度对水域的模拟温度误差较大,大于3%以上,对耕地模拟误差偏小,在 (-3)% 以内,对裸地、草地和林地模拟温度吻合非常的好。反演地表温度同观测地表温度相差较大,分裂窗反演方法适合地表覆盖为草地和林地状态的地表温度的计算,裸露和农耕区域反演的地表温度误差特别的大。     

多年平均陆面蒸发量的计算

作者建议用公式E/r=thD(E₀/r)来计算陆面蒸发量,并从数学上及气候物理概念上对此公式作了分析论证,认为是合理的可行的,又用国内外大量资料检验,符合精度要求。     

绿洲荒漠过渡带夏季晴天地表辐射和能量平衡及小气候特征

利用张掖试验基地2006年6月24日至7月17日的加密观测资料,系统分析了夏季典型晴天张掖绿洲荒漠过渡带地表辐射收支和地表能量平衡特征及小气候特征。结果表明:夏季晴天绿洲荒漠过渡带总辐射值还是比较大的,并且净辐射值也很大,这说明绿洲荒漠过渡带地表具有比较充足的可利用热能,为加热大气和土壤提供了必要的热能条件。在地表能量分配中,晴天绿洲荒漠过渡区主要用于大气运动引起的感热交换,其次是土壤交换,用于水蒸发相变的能量相对较小。近地层空气温度和湿度的变化刚好相反。气温白天随高度的增加而递增,夜晚随高度的增加而递减。近地层大气温度变化要比地表温度缓慢。白天土壤辐射增温,越接近地表增温越快,夜间辐射冷却,地表温度下降最为明显。近地层水平风速在白天较大,夜间逐渐减小。在绿洲荒漠过渡带全天以上升气流为主,水平风速随高度增加明显递增。     

黄土高原半干旱区生态环境恢复的对策研究

黄土高原半干旱地区生态环境的恢复与重建是西部大开发再造秀美山川、实现人与自然和谐发展的必然要求.阐述了黄土高原的生态现状及其自然地理特征,分析了影响黄土高原生态环境治理和发展的主要问题,并根据黄土高原的实际情况,提出不同生态环境条件下促进生态环境恢复的可行对策,即注重协调人地关系,建立雨水资源利用技术体系,建立统一的管理与培训体系,科学发展小城镇.     

陆面水文—气候耦合模拟研究进展

陆面水文过程是全球/区域气候模式十分重要而又十分薄弱的环节。本文通过科学文献计量法,分析了陆面水文—气候耦合研究的发展状况及研究热点和趋势,并进一步对研究中存在的问题和挑战进行综述和探讨。现有多数气候模式中的陆面模式主要基于一维垂向结构设计,缺乏对流域尺度水文过程的精细描述,尤其缺乏下垫面人类活动影响的描述。因此,为了科学认识水文过程与气候变化的相互反馈作用机制,大量研究主要通过耦合流域水文模型与气候模式,研究不同时空尺度下水文过程变化的气候反馈效应。陆面过程模式中水文过程的改进和大尺度水文模型发展为陆面水文—气候耦合模拟奠定基础,在此基础上,陆面水文—气候耦合研究正从传统的单向耦合研究逐步发展为考虑气候—水文反馈的双向耦合研究。然而,双向耦合研究远未成熟,其问题集中表现为陆面水文—气候模型耦合过程如何匹配并提高系统稳定性、研制有效的尺度转换方案、完善参数化方案并评估参数不确定性、研制有效参数移植方法并提高模型适用性以及高分辨率甚至超分辨率模拟等方面,逐步解决上述问题并提高模拟精度是未来水文—气候耦合模拟研究的重要发展方向。     

敦煌戈壁冬夏季地表辐射与能量平衡特征对比研究

利用敦煌戈壁夏（2006年7月）、冬（2007年1月1—10日）季观测得到的微气象资料,比较了夏、冬季敦煌戈壁的地表辐射平衡、能量平衡特征。分析了地表反照率（Albedo）与土壤特性的关系,发现地表反照率和表层土壤温度日变化呈反相关;冬季地表反照率和土壤湿度的线性相关差,夏季地表反照率和土壤湿度的线性相关性好;地表反照率和土壤热通量呈反相关,并且冬季二者的拟合性好于夏季。分析了降水前后各能量通量的变化,发现阵雨时感热H是变小的,降雨过后H和净辐射Rn有明显的增大,土壤热通量Gn在降雨过后也有增大,潜热LE变化微弱,对阵性降水强迫后的非平衡态的张弛时间大约为3 d。     

黄土高原典型半干旱区水热变化及其土壤水分响应

利用黄土高原典型半干旱代表区68 a(1937-2004年)降水、气温资料和34 a(1971-2004年)土壤湿度资料,研究黄土高原半干旱区水热变化及土壤水分响应。结果表明:黄土高原半干旱区在近70 a中气温以下降为主,3-6月降水存在显著增多趋势,气温、降水倾向具有明显时段差异。干旱年份或少雨时段长周期振荡加强、短周期衰减;相对冷的时期气温振荡周期明显,反之不明显。干旱是该地区土壤的基本气候特征,生长期土壤水分波动式下降,蓄水期土壤水分波动式上升,总体上以下降为主,20世纪70年代中后期土壤水分较好,80年代土壤水分较差,90年代末到21世纪初转好。土壤水分对短期降水变化、降水气温气候变化及短周期振荡都存在明显响应。     

塔克拉玛干沙漠腹地辐射平衡和反照率变化特征

辐射平衡直接影响地气系统物质和能量交换,辐射平衡研究极其重要。本研究使用了2006年8月至2011年12月位于塔克拉玛干沙漠腹地塔中的塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站地表辐射和反照率观测资料,分析了辐射平衡和地表反照率季节变化和年变化以及各种典型天气下日变化的特征,并与其他地区进行了对比。结果表明：沙漠腹地辐射平衡各分量最小值均出现在1月,各分量最大值出现时间不一致,其中短波辐射5月最大,长波辐射7月最大,而净辐射最大值在6月。各辐射分量夏季最大,冬季最小;总辐射四季平均日变化极值低于青藏高原,与黑河戈壁相差不大;反射辐射春季与夏季、秋季与冬季差值较小。短波辐射和净辐射各季日峰值出现在12：00,长波辐射各季日峰值出现时间比短波辐射滞后1～3 h。大气长波辐射各季日振幅较小,约为地面长波辐射的1/5～1/4,且地面长波辐射各季日变化为不对称分布;长波辐射各季日最小值都出现在日出前1 h。多云、浮尘和沙尘暴天气辐射平衡日变化不规则,云量和沙尘对辐射各分量影响明显;沙尘暴日,大气长波辐射峰值可增加18%,而总辐射、反射辐射、地面长波辐射和净辐射峰值分别衰减了57.8%、54.0%、55.8%和21.9%。地表反照率3月最大（0.30）,7月最小（0.25）,平均值为0.27;夏季小,冬季大;晴天早晨和傍晚大,沙尘暴日最大。     

陇中黄土高原土壤水分变化特征及其机理分析

基于兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2010年全年的观测资料,对陇中黄土高原半干旱区土壤水分的年变化和日变化特征进行了研究,并通过计算水汽通量与蒸散量,探讨了土壤-地表-大气间水分的交换和运移机理。结果表明：土壤湿度的季节变化主要受降水影响,各季节的平均土壤湿度均呈现出表层和深层低、中间层高的特点,最高值出现在地下10 cm附近;在无降水的情况下,土壤5~20 cm处的含水量呈现出夜间逐渐降低、白天逐渐上升的波形变化,这种变化与土壤水汽通量具有很好的一致性,而水汽通量的方向则受温度梯度的影响;在白天,地表温度高于气温与较深层地温,水汽在向空气蒸散的同时也由地表流向土壤深部,夜晚地表温度则低于较深层地温,水汽由土壤深部流向地表。因此土壤内部的水分蒸发主要出现在夜晚,且主要发生在地表40 cm以内的土壤孔隙中,而白天地表的实际蒸发主要存在土壤浅层0~5 cm,5 cm以下土壤水分的蒸发十分微弱。本研究结果对于改进半干旱区陆面计算模式以及当地的生态环境建设具有一定的参考价值。     

黄土高原不同气候区裸地水、热特征对比

为了更好地理解陆地表面水、热通量的空间差异,利用2009年和2010年1月黄土高原陆面过程观测试验（LOPEX）的陆面过程资料,对比分析了不同气候区主要地表水、热通量特征。结果表明：半干旱区的定西在近地层气象要素、土壤湿度、动量通量、地表能量及CO2通量等主要陆面特征物理量与半湿润区的平凉、庆阳差异明显;气候背景相接近的平凉、庆阳的主要陆面特征量比较接近。虽然地形、地势、海拔、下垫面影响因子也是影响陆面特征的重要因素,但是气候背景差异愈明显,陆面特征差异也愈大,即一个地区的气候背景是陆面过程特征的主要决定因子,对陆面特征产生综合影响,而地形、地貌只对一个或几个陆面物理量有影响。     

Land use optimization at small watershed scale on the Loess Plateau

At present, land use optimization at small watershed scale is the key measure to control soil erosion, restore the eco-environment and improve the farmers’ living standard on the Loess Plateau, China. Based on the land use survey maps of 1966, 1988, 1997, 2003 and the digital topographic map of 1984 in Yangou watershed, and assisted by spatial techniques of GIS, the basic characteristics and driving forces of land use change in Yangou watershed are analyzed. According to the summarization of land-use optimization characteristics since 1997, and with the help of continuous monitoring data for years and farmer investigation data, this paper appraises eco-environmental benefits, economic benefits and sustainability of Yangou watershed. We have used sediment reduction benefits, coverage ratio of permanent vegetation, per capita food production and per capita income of farmers as indices. The results show that Yangou watershed project has successfully controlled the soil and water loss and the farmers’ living standard has been improved markedly by reasonable adjustment to land use structure. The benefit of sediment reduction is higher than 80% and the coverage ratio of permanent vegetation reaches 61.03%. In 2006, the per capita income increased by 1493 yuan compared with the year 1998.The successful measures and experiences of Yangou watershed are worth promoting on the Loess Plateau.     

黄土高原小流域土地利用优化调控

At present, land use optimization at small watershed scale is the key measure to control soil erosion, restore the eco-environment and improve the farmers’ living standard on the Loess Plateau, China. Based on the land use survey maps of 1966, 1988, 1997, 2003 and the digital topographic map of 1984 in Yangou watershed, and assisted by spatial techniques of GIS, the basic characteristics and driving forces of land use change in Yangou watershed are analyzed. According to the summarization of land-use optimization characteristics since 1997, and with the help of continuous monitoring data for years and farmer investigation data, this paper appraises eco-environmental benefits, economic benefits and sustainability of Yangou watershed. We have used sediment reduction benefits, coverage ratio of permanent vegetation, per capita food production and per capita income of farmers as indices. The results show that Yangou watershed project has successfully controlled the soil and water loss and the farmers’ living standard has been improved markedly by reasonable adjustment to land use structure. The benefit of sediment reduction is higher than 80% and the coverage ratio of permanent vegetation reaches 61.03%. In 2006, the per capita income increased by 1493 yuan compared with the year 1998. The successful measures and experiences of Yangou watershed are worth promoting on the Loess Plateau.     

黄土高原半干旱区集水农业的自然基础及最适宜集水类型的划分

黄土高原半干旱区的降水为集水农业发展提供了条件,但是,集水不仅取决于降水,还受地貌、地表组成物质、土地利用等因素制约。通过分析地貌条件和土地类型对集水的影响,提出了集水适宜度指标体系。同时,在综合分析影响集水的自然因素的基础上,划分出各集水地域类型,为确定集水有效区、集水工程规模及布局提供理论依据,使各地可因地制宜发展集水农业,避免造成不必要的损失。     

Land use and land cover change processes in China's eastern Loess Plateau

Using Landsat remote sensing images, we analyzed changes in each land use type and transitions among different land use types during land use and land cover change (LUCC) in Ningwu County, located in the eastern Loess Plateau of China, from 1990 to 2010. We found that grassland, woodland, and farmland were the main land use types in the study area, and the area of each type changed slightly from 1990 to 2010, whereas the area of water, construction land, and unused land increased greatly. For the whole area, the net change and total change were insignificant due to weak human activity intensity in most of the study area, and the LUCC was dominated by quasi-balanced two-way transitions from 1990 to 2010. The insignificant overall amount of LUCC appears to have resulted from offsetting of rapid increases in population, economic growth, and the implementation of a program to return farmland to woodland and grassland in 2000. This program converted more farmland into woodland and grassland from 2000 to 2010 than from 1990 to 2000, but reclamation of woodland and grassland for use as farmland continued from 2000 to 2010, and is a cause for concern to the local government.     

基于SMOS的黄土高原区域尺度表层土壤水分时空变化

用SMOS土壤水分数据、MODIS植被指数数据和TRMM月降水数据,通过对黄土高原区域尺度表层土壤水分含量时空变化的研究,对表层土壤水分的时空变化特征及其对降水的响应进行了分析。结果表明：黄土高原表层土壤水分空间分布主要表现为西部和东北部低、东南部较高。青海石质高山区及山西西南部等区域土壤水分含量与整个区域存在差异。黄土高原西部与河套平原部分区域表层土壤水分含量季节性变化较大。在不同降水条件下,土壤水分含量与降水量相关性呈显著差异。