基于机器学习的土壤温度预估研究综述

土壤温度是地球科学研究中的重要物理量。在陆-气相互作用研究中,土壤温度不仅影响土壤内部的物理、生物、化学过程,而且对陆-气之间能量和物质交换起重要作用。随着可获取的相关数据越来越丰富,机器学习方法已经被越来越多的研究人员引入到土壤温度预估中,在很多任务中已经超过了统计模型、物理模型的性能。本文对比了统计模型、物理模型和机器学习方法这三种土壤温度常用计算方法的异同,简要介绍了应用于土壤温度研究的各类机器学习模型的原理和特点,综合国内外文献归纳了传统机器学习和深度学习在土壤温度空间分布、时间变化和时空变化三方面的研究进展。在土壤温度空间分布研究中,传统机器学习方法能够通过影响因子的空间异质性学习空间特征,并利用站点观测数据计算土壤深处的温度,但随土壤深度增加模型效果减弱,而深度学习模型有能够提取空间特征的结构,但对数据量要求高,当前研究中仅用于地表温度的遥感反演;在土壤温度时间序列研究中,加入了周期性信息的传统机器学习方法具有更好的模型效果,深度学习中的序列学习模型能自动捕捉土壤温度变化规律,结合了非平稳序列分析方法的混合模型能充分考虑土壤温度变化的连续性和周期性;由于陆面过程复杂性,土壤...     

青藏高原东部不同季节积雪过程对地表能量和土壤水热影响的观测研究

选取青藏高原(下称高原)东部玛曲、玛多和垭口3个野外站点的观测资料,针对不连续积雪过程,研究高原东部不同季节的积雪过程对地表能量和土壤水热的影响.结果表明:受积雪高反照率的影响,高原东部地区各季节降雪后净短波辐射减小,净辐射较降雪前减小60％～140％;积雪积累期内感热、潜热及土壤热通量均减小,感热通量和土壤热通量出现...     

CoLM模式对青藏高原中部BJ站陆面过程的数值模拟

利用公共陆面模式Common Land Model(CoLM)及"全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验"(CAMP/Tibet)中那曲地区Bujiao(BJ)站2002—2004年的观测资料对该地区进行了单点数值模拟试验。通过比较模拟与观测的地表能量通量,表明CoLM较成功地模拟了该地区的能量分配。模式对向上的短波辐射、向上的长波辐射、净辐射及土壤热通量模拟得较好,但冬季存在偏差。进一步比较了模拟和观测的土壤温度及土壤湿度,发现浅层60 cm土壤温度模拟较好,深层存在偏差,表现为土壤温度变化滞后于实际变化。土壤湿度总体偏小,尤其是冬季冻结期,土壤冻融过程中忽略了土壤液态水在温度0℃以下仍能存在,含冰量模拟偏高。     

青藏高原东部土壤冻融过程中地表粗糙度的确定

利用黄河源区气候与环境综合观测研究站2006年10月—2007年4月的湍流观测资料和一种新的方法,计算了青藏高原东部玛曲地区土壤冻融过程中的地表粗糙度。结果表明:所用的计算粗糙度的方法是可行的,玛曲土壤未冻结阶段、冻结阶段和融化后阶段的地表粗糙度分别为3.23×10-3m,2.27×10-3m和1.92×10-3m,地表粗糙度呈逐渐减小的趋势。三阶段地表粗糙度有明显区别,以前将冬季前后的粗糙度取为定值的计算会导致一定的误差。     

黄河源区若尔盖站冻融期土壤温、湿度的模拟与改进

利用陆面过程模式CLM3.5对黄河源区若尔盖站进行了一年的数值模拟试验,通过比较土壤温度、土壤含水量的观测值与模拟值,检验了该模式在黄河源季节性冻土地区的模拟能力。结果表明,模式对土壤温度的模拟,非冻结期较好,深层土壤温度稍偏高;冻结期模拟值偏低,冻结深度偏大。对土壤含水量的模拟,在冻融期出现了较大偏差,含水量骤降(冻结)、骤增(消融)的时间均较观测提前。模式土壤热传导参数化方案中的土壤基质热导率计算偏大是造成土壤温、湿度偏差的主要原因。将Johansen土壤基质热导率方案替换了原模式参数化方案后,模拟结果有一定的改进,土壤温度暖舌、冷舌的模拟深度显著减小,冻结期土壤温度模拟偏低的现象也得到了改进,土壤含水量骤降、骤增的时间与观测更为接近。     

不同土壤湿度条件下绿洲边界层特征的敏感性试验

应用NCAR的非静力平衡中尺度数值模式MM5V3．6,设计了三种不同土壤湿度对金塔绿洲边界层的特征影响的敏感性试验。结果表明：土壤灌溉后地表温度和气温升温率较灌溉前有所减小。土壤湿度越大,绿洲温度越低,绿洲的“冷岛效应”越显著。绿洲灌溉后地面感热通量较灌溉前偏低,潜热通量比灌溉前高;土壤湿度越大,这种差异越显著。土壤湿度为0．35时,绿洲能够很好地表现绿洲特性,维持其自身的发展。绿洲边界层高度在灌溉前后有很大的变化。随着土壤湿度的增加,绿洲的边界层高度逐渐降低。这种较低的边界层对绿洲起到了保护作用,它将绿洲的能量与水分保存任较低的边界层中,促进了绿洲的进一步维持和发展。     

夏季金塔绿洲近地层通量足迹及源区分布特征分析

选取2005年5月24日～6月18日在金塔开展的"绿洲系统能量与水分循环过程的观测实验"中的3层CSAT3的实验数据,应用Schmid的FsAM(The Flux-Source Area Model)模型,分析了不同观测高度的通量贡献源区分布以及观测高度对通量贡献源区分布的影响,同时分析了不同大气层结条件下源区的分布以及稳定度对通量贡献源区分布的影响.结果表明,稳定条件下的通量贡献源区大于不稳定条件下的通量贡献源区,并且随着观测高度的增加通量贡献源区会显著增大.     

2010年度大气科学领域项目评审与研究成果分析

1 2010年项目申请、送审与资助情况2010年地球科学五处共受理各类项目863项,比2009年(768项)增加了95项。面上项目、青年基金和地区基金3类项目共791项。天气与气候     

1961-2014年青藏高原积雪时空特征及其影响因子

利用青藏高原(下称高原)1961-2014年地面110个气象站积雪深度、积雪日数、气温和降水逐日资料,系统地分析了高原积雪深度和积雪日数时空特征,并进一步探究了高原积雪深度和积雪日数与气候因子和地理因子之间的关系。研究发现:1961-2014年高原年平均积雪深度和积雪日数分别为0.26 cm和23.78 d,空间和季节尺度上分布不均匀,且积雪深度和积雪日数大值并不完全重合;在整体变化趋势上,积雪深度和积雪日数均呈缓慢下降趋势,分别为-0.0080±0.0086 cm·(10a)^-1(p=0.36)和-0.64±0.47 d·(10a)^-1(p=0.17),但在数理统计上不显著,且各站点差异性大;积雪深度和积雪日数在春季、冬季和年表现为“减-增-减”的年代际变化特征,而在秋季为“增-减”的变化特征;气温与积雪深度和积雪日数均有较好的相关性,冬季的降水与积雪深度和积雪日数高度相关;积雪深度和积雪日数随海拔呈增加趋势,积雪日数与纬度也高度相关,但积雪深度与纬度的相关性不明显。     

三江源冻土-植被相互作用及气候效应研究现状及展望

三江源冻土、植被二者之间存在着强烈的相互作用的关系,并通过改变土壤水热特性以及地表-大气间的能量和水分交换过程影响局地气候,加快或减缓气候变化,源区的生态安全面临挑战。本文综述了近几十年来三江源区冻土、植被特征及变化趋势、冻土-植被相互作用过程以及冻土、植被变化的气候效应,在此基础上对未来研究方向进行了展望。主要认知如下：三江源地区是季节性冻土和多年冻土的交汇带。植被类型有高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠等,植被生长季较短。近几十年来,在全球变化影响下,源区冻土和植被经历了快速的变化。冻土土壤温度明显升高;多年冻土面积减小而季节性冻土面积增加;多年冻土活动层厚度及融化期增加而季节性冻土最大冻结深度及冻结期减小。植被物候整体表现出返青期提前,黄枯期推迟,生长季延长的特征;同时高寒植被生态系统的结构和功能也发生了明显变化。土壤的水、热状态是连接冻土和植被相互作用的重要纽带。冻土的冻融状态,土壤的水、热过程对高寒植被的生长有着密切的影响;同时位于冻土上层的植被,又通过植被特征和生态系统的变化,影响土壤温度、湿度,反作用于冻土的形成和发展。冻土和高寒植被作为三江源两种典型的下垫面,在陆-气相互作用...