青藏高原积雪范围和雪深/雪水当量遥感反演研究进展及挑战

积雪是地表特征的重要参数,对辐射收支、气候和长期天气变化均有重要影响。雪本身又是一个重要的天气现象和水文气象参数,过量的降雪也会带来严重的雪灾,如牧区雪灾、雪崩和融雪洪水灾害等。因此对积雪的监测,尤其是对山区的积雪监测,具有多方面的意义。利用卫星遥感技术监测积雪已有50余年的历史,并已形成了系列业务产品。青藏高原平均海拔超过4 000 m,该地区的积雪具有重要的水文、气候和生态环境意义。由于地形复杂,人迹罕至,地面观测站点稀少,受较强太阳辐射的影响,积雪消融迅速、区域差异消融以及风吹雪等因素导致积雪分布破碎化严重,对使用遥感资料监测该地区的积雪造成的极大的困难和不确定性。随着国内外传感器技术的不断发展,光学和被动微波遥感数据的同步获取技术已经非常成熟,综合利用光学遥感数据高空间分辨率和被动微波数据不受云干扰的特点,结合机器学习、无人机等技术,将环境参数加入反演模型中,有助于提高青藏高原积雪参数反演精度。     

遥感技术在水文学中的应用与研究进展

从遥感技术在水文学中的直接和间接应用两个方面,详细阐述了遥感技术在洪水过程实时动态监测、水域面积、冰川/积雪水文、降水、区域蒸发、土壤水分、径流和水文模型、水质等领域的应用和研究进展,继而对遥感和地理信息系统在水文学中的联合应用问题进行了讨论。     

基于多源遥感数据的疏勒河上游山区流域VIC-CAS模型积雪模拟效果评估

积雪积累和消融过程是冰冻圈水文模型的重要组成部分,利用多源遥感数据对水文模型模拟的积雪分布和深度进行评估是进一步增强融雪过程模拟的物理基础,也是提高模拟可靠性的重要手段。基于2002—2013年疏勒河上游山区流域MODIS地表反射率数据集和中国雪深长时间序列数据集,对VIC-CAS模型模拟的逐日积雪覆盖度和雪深进行了综合评估。结果表明：从不同降雪年份来看,VIC-CAS模型可以较好地模拟多雪年（2008年）疏勒河上游山区流域积雪的覆盖度,在平雪年（2004年）和少雪年（2013年）模型模拟精度相对较低。从不同海拔的模拟结果来看,在流域占比最高的4 000~5 000 m高程带精度最高,2 000~3 000 m高程带精度最低;对比模拟雪深与中国雪深产品发现,多雪年的一致性较高,平雪年和少雪年的一致性较低。这表明VIC-CAS模型对疏勒河上游日尺度的积雪覆盖度和雪深的模拟精度相对较低,特别在低海拔处和薄雪情况下,其原因可能是对积雪再分布和风吹雪过程的模拟算法和参数化存在较大的不确定性,需要进一步改进。     

中亚干旱区陆地水资源评估方法与挑战

集中回顾中亚干旱区陆地水资源评估手段进展.水资源评估手段主要可分为基于观测数据和水文模型模拟两大类.从数据获取手段来讲,站点实测、遥感、再分析数据是目前中亚水资源评估的主要数据来源.其中,遥感数据又可分为成像遥感数据以及非成像遥感数据(包括雷达高度计、重力卫星数据).由于干旱区站点资料缺乏,遥感与水文模型集成已经成为常...     

遥感技术应用于地表面蒸散发的研究进展

蒸散既是地表水分循环的重要组成部分,也是能量平衡的主要项。地表热量、水分收支状况在很大程度上决定着地理环境的组成和演变,清楚地认识蒸散发,对了解大范围内能量平衡和水分循环具有重要意义。目前,已发展了从 传统方法、模拟方法到遥感方法的很多种方法用于估算蒸散发。遥感方法以其能够获知大范围地表特征信息的优势为较准确估算地表蒸散发提供了可能,从而受到人们的日益重视。介绍了研究蒸散发的各种方法,并探讨了利用遥感方法研究蒸散发的优缺点和未来的发展前景。     

基于MODIS数据的北疆积雪黑碳和雪粒径反演及时空变化分析

积雪是地球上反射率较高的自然表面,对于中高纬度地区的水文和能量收支平衡发挥着重要作用。表层积雪中的黑碳和雪粒径变化可以显著影响积雪反照率,造成积雪对太阳辐射吸收的变化,进而对区域气候变化和水文循环产生反馈作用。利用遥感技术对季节性积雪表层黑碳和雪粒径进行定量评估,可以获取时空上连续系统的雪表黑碳浓度和雪粒径变化情况,这也是许多气候和水文模型的输入因子。以中国主要季节性积雪区北疆为研究区,基于MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）数据的3（0.47 μm）、2（0.86 μm）和5（1.24 μm）波段,采用SGSP（Snow Grain Size and Pollution Amount）算法反演2000-2018年积雪期的雪表黑碳浓度和雪粒径,并结合地面观测数据对于反演结果进行了精度验证,综合分析北疆雪表黑碳浓度和雪粒径时空变化趋势。结果显示,SGSP算法能够同时反演雪表黑碳浓度和雪粒径,并且验证结果表明纯雪像元上反演结果具有较好的精度;2000-2018年北疆雪表年均黑碳浓度和年均雪粒径都随时间变化呈现微弱下降趋势;受地理位置和局部污染源的影响,北疆积雪黑碳浓度空间分布复杂,天山北坡经济带平均黑碳浓度最高,伊犁地区平均黑碳浓度最低,雪粒径的空间分布显示塔城地区平均雪粒径最大,伊犁地区最小。     

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.     

被动微波遥感估算雪水当量研究进展与展望

被动微波遥感可以透过云层，全天候地提供地表一定深度的信息。星载被动微波遥感传感器的时间分辨率很高，在冰冻圈动态研究中有着重要的地位。在最近的二三十年中，大量被动微波遥感的应用都是在美国、加拿大、欧洲等地，而我国在这方面的研究相对较少。首先介绍了被动微波遥感数据在监测积雪方面的国内外研究进展，对现存的雪水当量（SWE）估算算法（和模型）的适用性进行讨论。然后，详细讨论了我国西部的青藏高原地区雪水当量的估算，阐明了利用SSM／I数据估算青藏高原地区雪水当量的复杂性，并指出了其复杂性产生的原因，提出了解决问题的方法，为该地区积雪动态的进一步研究提供了理论依据。     

Progress,Challenges and Opportunities of Permafrost Mapping in China

Permafrost mapping is the basic research direction of geocryology. This paper summarized the development history of permafrost mapping in China. The classification system, permafrost (region) area, and the progress of mapping methods at three aspects, i.e. statistical learning, empirical model and physical model in China were discussed. According to the differences of tools, data availability, models, and methods, permafrost mapping in China has experienced three development stages, including initial stage (1960s-1980s), preliminary application of remote sensing and GIS (1990s-2000s), and fusion of multi-source observation and integrated model (2010-). There are differences in the understanding of permafrost distribution and area in different stages. With the improvement of spatial resolution and maps accuracy, the new permafrost map represents the true permafrost distribution and area better. For methodology, the development of empirical model and physical model runs through three stages. The combination of remote sensing and empirical-based model is the dominated method at present, but statistical learning shows great potential with the accumulation of ground-based and remote sensed data, and physical-based model develops rapidly in China. Coupling with other models, especially with distributed hydrological models, physical-based model provides an important tool for simulating the ecological and hydrological effects of frozen soil changes. The development of earth observation system provides unprecedented opportunities for monitoring permafrost. The optimization of ground survey, data accumulation and open sharing, further development of remote sensing methods, deepening processes understanding of deeper permafrost, further improvement of physical models and their integration with multi-source observations will help break through the challenges faced by permafrost mapping in China and promote the understanding of past, present and future changes of permafrost in China.     

青藏高原多源雪深数据适用性综合评估北大核心CSCD

青藏高原积雪对区域气候及水循环有重要影响,现有积雪数据集在该区域存在很大不确定性,适用性评估工作不可或缺。基于气象站观测数据(OBS),采用秩评分方法对一套被动微波遥感(CHE)和两套再分析(ERA5-Land和MERRA2)积雪深度数据进行了多变量、多评价指标的综合定量评估。结果表明:从年平均积雪深度、年最大积雪深度、年积雪日数三个变量分别评价各数据,MERRA2对年最大积雪深度、年积雪日数模拟最好,CHE对年平均积雪深度描述最好;各数据在不同评价指标上的得分排名存在较大差异,CHE在描述线性变化趋势上具有优势,ERA5-Land在描述年际变化上具有优势,MERRA2在描述季节循环、多年平均值、极大值、标准差上具有优势;综合考虑,MERRA2在青藏高原适用性综合评分最高、ERA5-Land次之、CHE最低。三种数据均存在明显不足之处,MERRA2对积雪线性变化趋势的定性描述与OBS相反,对积雪年代际变化的模拟有待优化;ERA5-Land对各变量的多年平均值存在严重高估;CHE刻画积雪空间分布特征能力较差。由于青藏高原西部站点稀少,相关评估结论仅适用于高原中东部。基于遥感及再分析数据得到高原西部积雪变化趋势存在较大不确定性。     

积雪被动微波遥感研究进展

积雪是冰冻圈中最活跃的要素之一,被动微波遥感具有高时间分辨率且能够迅速覆盖全球,在积雪时空变化监测中作用突出.总结分析了积雪被动微波遥感的主要模型,并对其方法、特点和适用性进行了较详细评述,重点介绍了NASA算法在雪深和雪水当量反演中的应用、反演结果的不确定性以及对它的改进.讨论新兴的积雪数据同化方法,介绍了同化被动微波观测以改进雪深和雪水当量反演精度的研究案例.评述了我国积雪被动微波遥感的进展,并且对未来可能的研究方向做出展望.     

黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验总体设计

介绍了"黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验"的背景、科学目标、试验组成和试验方案。试验的总体目标是显著提升对流域生态和水文过程的观测能力,建立国际领先的流域观测系统,提高遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。由基础试验、专题试验、应用试验、产品与方法研究和信息系统组成。其中,①基础试验:搭载微波辐射计、成像光谱仪、热像仪、激光雷达等航空遥感设备,开展一系列关键生态和水文参量的观测;发展遥感正向模型及反演和估算方法。形成覆盖全流域的水文气象综合观测网,为流域生态—水文模型研究提供更有代表性的模型参数、驱动数据及更高精度的验证数据。构建无线传感器网络,度量生态水文模型所需的若干关键的驱动、参数和模型状态的空间异质性。开展航空遥感定标和地基遥感试验。依托传感器网络,并辅之以地面同步和加密观测,开展遥感产品真实性检验。②专题试验:开展"非均匀下垫面多尺度地表蒸散发观测试验",采用密集的涡动相关仪、大孔径闪烁仪与自动气象站的观测矩阵,为揭示地表蒸散发的空间异质性,实现非均匀下垫面地表蒸散发的尺度扩展,发展和验证蒸散发模型提供基础数据。③应用试验:在流域上、中、下游分别开展针对积雪和冻土水文、灌溉水平衡和作物生长、生态耗水的综合观测试验,将观测数据和遥感产品用于上游分布式水文模型、中游地表水—地下水—农作物生长耦合模型、下游生态耗水模型,通过实证研究提升遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。加强试验将在2012年5月起按中游、上游、下游的顺序展开,全流域持续观测期为2013—2015年。在各类试验的支持下,开展全流域生态—水文关键参量遥感产品生产,发展尺度转换方法,建立多源遥感数据同化系统。     

青藏高原积雪被动微波遥感资料与台站观测资料的对比分析

积雪资料的可靠程度在反映积雪变化、预估后期气候变化时非常重要, 利用青藏高原74个气象台站资料与被动微波遥感资料进行对比分析. 结果表明: 两种积雪资料在高原南部边缘、高原东部唐古拉山与念青唐古拉山东部均表现为高值区, 在柴达木盆地、高原腹地及沿雅鲁藏布江一线表现为一致的少雪区,在青海南部和藏东南地区差异较大.遥感资料的积雪深度和积雪日数变化敏感区与台站观测资料存在差异.在积雪的显著季节性特征及气候尺度上的年际变化特征方面, 遥感资料与台站资料具有很好的一致性, 但遥感资料在刻画积雪季节内波动特征方面欠佳, 且年平均积雪深度和积雪日数遥感数据偏大.对AMSR-E逐日积雪资料进行评价发现, 高原腹地总精度大于高原边缘地区, 海拔3 000 m以下的反演精度较高, 雪深在9~10 cm时的反演精度较高.     

基于热红外遥感的农田蒸散估算方法研究综述

农田蒸散是农田土壤蒸发和作物蒸腾的总称,基于热红外遥感的农田蒸散估算方法研究是农业遥感领域重要前沿课题之一。经过30多年的发展,基于热红外遥感的遥感蒸散算法逐渐成熟并广泛应用于农业、气象以及水文等多个领域。简要回顾基于热红外遥感地表温度与空气温度温差的经验方法、地表能量平衡的单层和双层模型、基于热红外遥感数据源的彭曼公式以及遥感参数化的Priestley-Taylor模型等多种遥感蒸散模型的基本原理、核心算法以及存在问题等研究。针对这些方法的优缺点,指出了基于热红外遥感的农田蒸散估算方法在农业遥感中尚需解决的关键问题,并提出可能的解决途径。     

Study on Water Internal Recycle Process and Mechanism in Typical Mountain Areas of Inland Basins,Northwest China: Progress and Challenge

The water resource and its change of mountainous area are very important to the oasis economic system and ecosystem in the arid areas of northwest China. Accurately understanding the water transfer and circulation process among vegetation, soil, and atmosphere over different hydrological units in mountainous areas such as snow and ice, cold desert, forest and grassland is the basic scientific issue of water research in cold and arid regions, which is also the basis of water resource delicacy management and regulation. There are many research results on the hydrological function of different land covers in mountain areas, basin hydrological processes, however, there are only very limited studies on the water internal recycle at basin scale. The quantitative study on the mechanism of water internal recycle is still at the starting stage, which faces many challenges. The key project “Study on water internal recycle processes and mechanism in typical mountain areas of inland basins, Northwest China” funded by National Natural Science Foundation of China will select the Aksu River and Shule River Basin, which have better observation basis, as study area. The internal mechanism of moisture transfer and exchange process of different land cover and atmosphere, the internal mechanism of water cycle in the basin, and water transfer paths in atmosphere will be studied through enhancing runoff plot experiments on different land cover, analyzing the mechanism of water vapor transfer and exchange between different land covers in the watershed by isotope tracing on the water vapor flux of vegetation water, soil moisture and atmospheric moisture, improving the algorithms of remote sensing inversion and ground verification on land surface evapotranspiration on different land cover, and analyzing the water vapor flux from reanalysis data, and the coupling modeling of regional climate model and land surface process model. At last, the effect of different land cover in hydrological process of mountain area, and the impact of land cover on downstream oasis will be systematically analyzed.     

基于合成孔径雷达(SAR)的积雪监测研究进展

积雪是冰冻圈中最重要的组成要素之一, 积雪研究对于气候变化、 水文循环等科学研究和农业灌溉、 减灾防灾等生产活动都具有重要意义.合成孔径雷达(SAR)不仅具有穿云透雾, 全天候观测地表的能力, 而且可穿透地表覆盖一定深度获取地表覆盖物内部特征信息.近年来SAR技术在冰冻圈科学研究中已广泛应用. 综述了SAR积雪监测研究的国内外进展, 对当前主要的SAR积雪遥感模型进行了总结分析, 着重介绍了当前主要的SAR和SAR干涉测量技术(InSAR)积雪面积制图方法、 雪水当量(SWE)反演算法、 积雪密度和雪深提取方法, 并对未来可能的研究方向进行了展望.     

基于遥感与地理信息系统的SRM融雪径流模型在Alps山区流域的应用

融雪水在水资源利用中扮演着及其重要的角色，遥感技术的发展使得大面积监测雪盖成为河能，选择Alps意大利境内的Rienza流域，利用SRM模型模拟春季融雪径流，区别传统对SRM模型的描述，参数选择和应用的研究方式，研究环境因素对这些参数的影响尤其是对度-日因子的影响以及它们之间的内在关系，重点讨论利用GIS和遥感数据获取SRM模型中的关键参数和因子，结论显示SRM模型模拟春季融雪径流的关键是精确地输入模型参数；遥感数据在提取雪盖面积的过程中，消除地形影响是必要的；从SRM模型的应用状况分析，精确地获取雪盖面积是影响模拟结果的关键。     

一种简化的MODIS亚像元积雪信息提取方法

遥感技术已逐步成为大范围内积雪信息提取的主要手段,但通常的遥感积雪像元识别算法使用二值判定的模式,这对于山区非连续分布的积雪监测能力较差.针对目前应用广泛的MODIS传感器数据,充分利用了雪盖指数在积雪监测中的重要性,并在考虑了地表覆盖的情况下,建立了像元雪盖率与雪盖指数、植被指数之间的线性关系模型,并利用ETM+数据对模型估算的雪盖率进行了验证.结果表明,该方法能有效地提取亚像元尺度的积雪信息.     

Satellite remote sensing applications for surface soil moisture monitoring: A review

Surface soil moisture is one of the crucial variables in hydrological processes, which influences the exchange of water and energy fluxes at the land surface/atmosphere interface. Accurate estimate of the spatial and temporal variations of soil moisture is critical for numerous environmental studies. Recent technological advances in satellite remote sensing have shown that soil moisture can be measured by a variety of remote sensing techniques, each with its own strengths and weaknesses. This paper presents a comprehensive review of the progress in remote sensing of soil moisture, with focus on technique approaches for soil moisture estimation from optical, thermal, passive microwave, and active microwave measurements. The physical principles and the status of current retrieval methods are summarized. Limitations existing in current soil moisture estimation algorithms and key issues that have to be addressed in the near future are also discussed.     

基于MODIS的青藏高原逐日无云积雪产品算法

青藏高原积雪对高亚洲地区水和能量循环起着重要的反馈和调节作用,其变化影响着融雪性河流流量,对下游水资源和经济活动具有重要影响。中分辨率成像光谱仪（MODIS）具有较高的时空分辨率,被广泛应用于积雪遥感动态监测,然而光学遥感积雪受云层影响严重,且青藏高原地区水汽分布不均,局地对流活跃,积雪的赋存时间变化快,这给高原地区逐日积雪监测及其气候学制图带来挑战。在考虑青藏高原地形和积雪分布特征情况下,结合现有的云覆盖下积雪判别算法,采用8个不同方法的组合,逐步实现MODIS逐日无云积雪算法。选取2009年10月1日-2011年4月30日两个积雪季为研究期,并采用145个地面台站观测雪深数据对去云算法各步骤过程开展精度验证,结果表明：当积雪深度>3 cm时,逐日无云积雪产品总分类精度达到96.6%,积雪分类精度达83%,积雪判对概率（召回率）达到89.0%,算法可实现青藏高原地区逐日无云积雪动态监测和积雪覆盖气候学数据重建,对高亚洲地区的水、生态和灾害等全球环境变化影响研究具有重要的意义。