数据驱动的蒸散发遥感反演方法及产品研究进展

蒸散发是水圈、大气圈和生物圈中水分循环和能量交换的纽带。在全球尺度上,蒸散发约占陆地降水总量的60%;作为其能量表达形式,潜热通量约占地表净辐射的80%。随着通量观测技术的发展,全球长期持续的观测数据得以获取和共享,近年来基于数据驱动的蒸散发遥感反演方法取得了较好的研究进展。本文针对数据驱动的蒸散发遥感反演方法和产品,从经验回归、机器学习和数据融合3个方面展开,对现有的研究进展进行了梳理、归纳和总结,并从驱动数据、反演方法、已有产品等方面指出目前仍存在的问题和不足。未来仍需开展数据驱动的高时空分辨率的蒸散发遥感反演方法的研究,有效考虑地表温度和土壤水分等可以指示地表蒸散发短期变化的重要信息,同时加强基于过程驱动的物理模型与数据驱动的模型的结合,使两类模型能互为补充、各自发挥所长,共同推动蒸散发遥感反演研究水平的进步。     

中国中世纪暖期温度年代际变化特征及成因分析

利用通用地球系统模式CESM的过去2000年气候模拟试验资料,在与历史气候重建资料、观测/再分析资料及其他模式模拟资料进行对比验证的基础上,分析了中国中世纪暖期（Medieval Warm Period,简称MWP）地表温度年代际变化特征并初步探讨了其成因。结果表明：在公元801~1250年的中国中世纪暖期期间,在年代际尺度上,中国地表温度EOF第一模态的空间分布为全区一致型,并且北部的变率大于南部,最大的变率中心位于中国东北部;EOF第二模态反映出研究区内南北反向的空间分布特征。40°N以北地区温度变化一致;40°N以南青藏高原-云贵高原-东南沿海地区与华北地区呈反相变化,最大的变率中心位于青藏高原东部。中世纪暖期地表温度EOF第一模态主要归因于太阳辐射的影响,火山活动也是影响因子之一;EOF第二模态主要受气候系统内部变率的影响,其他外强迫因子的影响较小。但是,温室气体、土地利用/覆盖两个外强迫因子对气候系统内部变率具有一定的调制作用。在中国,中世纪暖期太阳活动剧烈、火山活动较少,下垫面吸收更多的太阳短波辐射,地表净辐射通量增大,是中世纪暖期形成的主要原因。     

基于不同雪深的地面温度、雪（草）面温度与气温的关系

以新疆塔城基准站自动气象站2006年11月—2010年3月积雪深度≥0cm的451天为样本,对0cm地面温度、雪面（草面）温度、气温及云量、日照时数、雪深进行统计分析,找出不同积雪深度下地面温度、雪（草）面温度与气温的关系,结果显示：雪（草）面温度在积雪期,变化趋势与气温一致,受云量及日照时数影响明显,平均雪温低于平均气温;地温随雪深变化有20cm和50cm两个分界点,雪深≤20cm时,地温受雪深、气温影响较大,变化趋势与气温基本一致,地温高于气温,雪层较薄时,受云量和日照影响较明显。雪深超过20cm时,地温变幅趋向定值,地温变化仅受长时间温度变化影响,且不低于-5℃;雪深超过50cm时,地温趋于定值（-1℃）。     

海底地热通量对海洋深层温度和环流的长期影响

虽然地球海底地热通量在全球热能收支平衡中所占的比例非常低,在目前的海洋气候模式开发中也并没有将其包含在内,但是由于海底地热通量可以持续改变海洋的浮力而影响海水层结,进而影响海洋温度分布以及环流等海洋水文要素,并且可以进一步影响海水的化学性质、碳氮的分布循环以及生物分布等,因此其对海洋环流和气候变化长期影响的潜在可能性仍不能完全排除。在通用地球系统耦合模式(CESM)的基础上,通过在全球大洋中脊区域持续加入1 W/m2的地热通量的方式运行了长达5 000年的数值模拟实验,模式结果显示:海底地热通量对深层海洋的物理性质和全球海洋环流的长期影响是不可忽略的;受地热通量的局地加热效应影响,大洋深层3 000~3 500 m总体升温约0.4℃;在南大洋和北大西洋的深层水形成区域,海洋深层的增温信号可以影响到表层海洋。北大西洋深层水和南极底层水形成增强,并且模拟的北大西洋深层水的深度加深,更符合观测结果。     

太原市地表热环境时空格局分析

针对鲜有资源型城市的地表热环境研究这一情况,该文基于Landsat8遥感数据,反演了太原市在2013—2015年间共3期的地表温度。提出一个考虑空间格局结构的城市热岛效应指数,在3期数据中,太原市区整体热岛效应指数分别为9.1%、9.8%和8.9%;同时,根据城市功能和路网结构将太原市区划分为6个分区,从分区级层面量化分析了地表热环境的时空分异特征规律,结果表明,太原市区地表温度整体呈现空间分散化特征,不同分区也呈现出不同的时空格局演变过程;最后,选取40个地表温度实测样本点验证反演精度,最大误差绝对值为1.1℃,最小误差绝对值为0.2℃,均方根误差为0.7℃。     

小型天文测量计时器研究

以高稳定性数字温补晶振为频率源,以8051内核单片机为核心,设计了一种小型天文测量计时器。用于长时间自主守时,为野外天文大地测量提供可靠的高精度时间基准。在进行天文大地测量计时的同时,可对环境温湿度和大气压强进行自动测量记录。用该计时器进行了长时间连续时间比对实验,收集了20 d实验数据,分析了计时器的稳定性。实验结果表明,计时器运行稳定,20 d计时的中误差优于1.5 ms;小时钟速最大互差小于2 ms·h^(-1);用1 h时间比对数据外推100 d钟差,误差优于0.4 s。     

利用MSU序列研究高空大气温度变化的进展

美国NOAA卫星上搭载的微波大气探测仪MSU以及后续继承改进仪器AMSU,自1978年投入运行以来,已经积累了超过30年的全球大气温度的观测资料。近年来,国外学者通过仪器定标误差订正、卫星轨道衰减订正、观测时间差异导致的温度日变化订正、仪器间的相互定标处理等技术,发现并剔除了一些影响较大的非气候因素,提高了该序列资料的质量,并用于全球气候变化研究,特别是对流层和平流层近30年的温度变化研究,研究结果是对常规地面和探空资料分析结果的重要补充。本文对目前国际上3种常用的MSU序列资料集的定标误差、偏差订正和不同卫星上仪器观测序列的一致化处理方法进行了综合介绍,并比较分析了3种资料用于30年高空大气温度变化趋势分析的异同。     

北半球平流层中低层纬向风季节转换及转换层特征的分析研究

使用1979～2005年NCEP/NCAR 再分析数据,分析了北半球平流层中低层（300 hPa至10 hPa）纬向风的季节转换规律,并采用二维空间场相似性方法确定了平流层的季节过渡日期。分析表明,平流层大气环流基本为冬夏二元状态,冬夏转换具有突变性;其季节过渡在纬向是接近同步进行的,而在经向则有时间差异,无论是冬夏转换还是夏冬转换高纬都要早于低纬。在平流层中部（10～70 hPa）季节过渡是自上而向下进行的;而在平流层下部（100～200 hPa）季节过渡的上下传递关系则比较复杂,在不同的纬度带有不同的表现。在北半球热带外地区,平流层中部东风期的起止日期与相似性方法计算得到的平流层季节过渡日期之间具有较好的对应关系,在东风期之前和之后往往各存在持续10天左右的零风—弱风期。