黄土高原塬区地表辐射和热量平衡观测与分析

利用2005年夏季黄土高原塬区陆面过程野外试验（LOPEX05）的观测资料,初步分析了甘肃平凉黄土高原塬区地表辐射收支和热量平衡特征。结果显示,黄土高原塬区地面长波辐射大于大气长波辐射,典型晴天、阴天和雨天情况下两者平均差值分别为65,25和8 W.m^-2;对于地气能量交换各个分量而言,黄土高原塬上和塬下在相同下垫面下的差别不大,但裸地和有植被的下垫面差别很明显;在白天,潜热在净辐射中所占的比重较大,其次是感热,最后是土壤热通量。对能量平衡中的储存项如热通量板上层土壤的热存储和植被冠层存储进行了估算,结果表明,土壤的热储存项在-30~70W.m^-2之间,而植被的热能储存项在-10~25 W.m^-2之间。在考虑估算的存储项之后,能量平衡散布图斜率由0.68提高到0.79,相关系数R由0.90提高到0.93,两者分别提高了11.0%和3.0%,并对能量不平衡有明显的改进,说明能量储存项在地表能量闭合中必须考虑。

夏季黑河流域蒸散发量卫星遥感估算研究

依据空气动力学方法和蒸散发量时间尺度扩展方案,利用MODIS资料和气象资料,计算中国西北内陆河黑河流域复杂地形下,2004年夏季7月蒸散发量空间分布及总量。利用Landsat-5TM资料对比分析发现,估算地表水热传输过程时,采用高分辨率遥感资料的估算结果受下垫面非均匀性影响程度,明显小于采用中分辨率资料。通过"金塔实验"湍流观测资料验证表明,利用高分辨率资料估算日蒸散发量的相对误差在10%以内。对月蒸散发量计算分析表明,黑河流域海拔2000m以上祁连山区,7月平均蒸散发量是海拔2000m以下山前地区的2.2倍,而山前平原区绿洲(NDVI>0.10区域)平均蒸散发量又是荒漠戈壁地区的12.3倍。因此,流域中下游绿洲地区特别是农业灌溉区是夏季主要水资源消耗区。

复杂地形下黑河流域的太阳辐射计算

基于数字高程模型(DEM)数据,在充分考虑了地形因子对太阳直接辐射和散射辐射的影响后,实际计算了起伏地形下黑河流域的太阳辐射。在忽略地表和大气之间的多次反射后,地表太阳总辐射计为三项:按起伏坡面上实际入射角考虑的太阳直接辐射、经过下垫面天空视角因子订正的坡面天空散射辐射和考虑周围地形反射效应的附加辐射。计算结果表明:局地地形起伏对太阳直接辐射、总辐射空间分布的影响非常强烈,使得复杂地形下不同坡向间总辐射和直接辐射平均计算差额十分显著,且太阳天顶角从较小增大至中等大小时,这两种平均计算差额均加大一倍多;在较小和中等大小太阳天顶角下,不同坡向间总辐射平均计算差额,均较相同条件下直接辐射平均计算差额为小,这是因为总辐射还包括了天空漫射和邻近地形反射辐射因子,这两个因子和坡面上太阳入射方位的变化共同影响地表入射太阳辐射;起伏地形主要使得太阳辐射在局地区域内背阴、向阳坡向间发生显著的重新分配。因此,在复杂地形地区进行太阳辐射计算时必须考虑地形的影响。

使用LANDSAT-5TM数据反演金塔地表温度

使用Landsat-5 TM的热红外波段资料,用Weng等、Qin等及Jimenez Mu^noz等三种不同的方法对金塔地区地表温度进行反演,并将反演得到的结果与实测值进行比较。结果表明,三种方法均能较好地反演出金塔绿洲地表温度的分布状况,其中,Weng等及Qin等的反演方法反演的结果较好,绝对误差均<1.9°C;而Jimenez Mu^noz等的方法反演的结果较差。

中国黄土高原塬区表层土壤水分盈缺状况的研究

陆地表层水分的盈缺直接关系到局地气候变化。本文利用黄土高原塬区初夏至盛夏期两次陆面过程野外试验(LOess Plateau land surface process field EXperi ment 2005,LOPEX05和LOPEX06)的野外试验观测资料,分析了试验期间黄土高原白庙塬区不同下垫面的水分蒸散和表层土壤水分盈缺状况。结果表明:在土壤水分比较充足的条件下,植被蒸腾增加量在正午时的峰值为0.05 mm.h-1,而较大降水发生后的首个晴日,冬小麦地和裸地的蒸散分别可达4.60 mm.d-1和3.70 mm.d-1。局地降水是影响陆面蒸散量变化的主要因素,而植被冠层的存在增加了陆面蒸散发量中的植物蒸腾量值。2006年4月下旬到7月中旬,裸地的水分缺失为16.3 mm.m-2,冬小麦地的水分缺失为39.9mm.m-2。其中缺失最严重的时间段为5月下旬到6月上旬,最大旬缺失量达16.5 mm.m-2,7月上旬和中旬,由于降水季节来临,土壤水分有少量盈余。在2005年7月中旬至8月下旬,玉米地和裸地的水分盈余分别为17.9 mm.m-2和25.3 mm.m-2。不同时间尺度的统计均表明,降水不仅是影响陆面蒸散量的主要因素,而且也是表层土壤水分盈缺的决定性因子。

黄河源区植被覆盖度对区域气候影响的数值模拟

利用1997-2006年8km空间分辨率的AVHRR/NDVI,得到了与区域气候模式RegCM3具有相同分辨率的植被覆盖度时间序列,并用其替代RegCM3模式中默认的植被覆盖度,对黄河源区主要气候要素进行了数值模拟。结果表明,使用卫星遥感估算的植被覆盖度,模拟的黄河源区气象台站月平均气温更接近实测值,局地降水量也有一定的改善,近地面感热通量和潜热通量的模拟精度也有一定的提高,且潜热通量的模拟效果比感热通量的相对要好些。

卫星遥感数据评估黄土高原陆面干湿程度研究

卫星遥感数据具有估算时空尺度上地表参量的优势,在陆地环境状况评估和监测等方面有很大的应用潜力.本文利用美国地球观测系统卫星搭载中等分辨率成像光谱仪(EOS/MODIS)在黄土高原2002—2010年期间获取的每16天归一化植被指数(NDVI)和每日地表温度(LST)数据,分析了黄土高原地区LST-NDVI空间的基本特征.结果发现:当研究区域足够大且遥感数据时间序列足够长时,LST-NDVI空间中(NDVI,LST)散点并非呈三角形或梯形分布.为了能够利用EOS/MODIS的NDVI和LST数据正确地评估陆面的干湿状况,本文给出了利用数据集合法确定LST-NDVI空间中干边和湿边的数值,即在LST-NDVI空间中,利用NDVI等值区间内LST最大值和最小值的集合代表干边和湿边的数值,并进一步证明了在LST-NDVI空间中干边和湿边数值并非呈线性关系.在分析LST-NDVI空间特征的基础上,通过构建地表温度-植被干旱指数(TVDI),探讨其在评估黄土高原地区陆面的干湿状况的应用潜力.结果表明:由TVDI距平表征的陆面的干湿程度与局地降水距平有很好的关联性,二者在时空分布上有较好的对应关系.在我国陇东黄土高原塬区,TDVI数值与地面观测的表层土壤湿度有很好的相关性,相关系数在0.67以上,并通过显著性为1%的检验.由此说明:如果合理选取干边和湿边的数值,TDVI可应用于区域陆面干湿程度的客观评估.

基于ENVISAT/ASAR资料的土壤湿度反演方法

提出了利用ENVISAT/ASAR/AP模式VV极化的低入射角数据和黄土高原陆面过程试验资料对黄土高原平凉试验区表层土壤湿度进行反演的方法。结果表明:在相对平坦的混合地表类型区域,反演的土壤湿度与地面实测值平均误差<0.02 cm3.cm-3,绝对误差均在0.04 cm3.cm-3范围内,该结果能较好地对黄土高原塬区土壤湿度进行干旱监测;但在陡峭山坡及塬边等地形起伏较大的区域,结果较差。

MODIS反照率产品在模拟黄河源区陆面过程和降水中的应用

地表反照率是陆面过程中一个重要的物理量,其变化直接影响地表能量的收支状况,进而可以影响气温和降水等其它气象要素。本文利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式,通过两组数值模拟试验分别探讨了地表反照率改变在黄河源区不同下垫面情况下潜热、感热的分配关系,详细分析了地表反照率改变对降水变化的影响机制,最后应用EOS/MODIS地表反照率产品替代原模式低时空分辨率的地表反照率。研究结果表明:(1)当地表反照率减少(增加)时,模拟的区域平均地表温度、感热、潜热数值相应增大(减少)。当地表反照率减少0.1时,地表温度上升约1.0K,感热和潜热量增量比约为3∶1。(2)地表反照率改变对降水量变化影响最大的区域是黄河源区下游的草场区域,其次是黄河源头区域,最小的是黄河源区北部的稀疏植被区域。地表反照率通过对大气动力、热力以及水汽条件的影响,使得降水发生的环境改变,主要体现在:当地表反照率减少时,地表气压的减少使得大气低层的辐合气流增强,有利于上升运动的发生;2.0m气温的升高增强了大气近地层的热力不稳定度;2.0m比湿的增加表明近地层空气水汽含量增加。(3)与实况对比分析发现,使用卫星遥感产品后在月尺度上能够更准确地模拟降水量的变化过程。

黄河源高寒湿地—大气间暖季水热交换特征及关键影响参数研究

湿地是由陆地和水体形成的自然综合体,具有重要的生态、水文和生物地球化学功能,黄河源高寒湿地作为黄河重要的水源涵养区,对其下垫面水热交换特征及关键影响参数的研究具有非常重要的意义。本文利用中国科学院西北生态环境资源研究院麻多黄河源气候与环境变化观测站2014年6~8月观测资料,分析了黄河源区高寒湿地—大气间暖季水热交换特征,并利用公用陆面模式(Community Land Model,简称CLM)模拟了热通量变化,提出针对高寒湿地的粗糙度优化方案。主要结果如下:(1)暖季向上、向下短波与净辐射的平均日变化规律一致,向上、向下长波平均日变化平缓,地表温度升高相对于向下短波具有滞后性,潜热通量始终为正值并大于感热通量;(2)温度变化显著层结为20 cm以上土壤浅层,存在明显的日循环规律,土壤中热量09:00(北京时,下同)下传至5 cm深度,温度升高,11:00至10 cm深度,13:00至20 cm深度,18:00后开始上传,温度降低,40 cm及以下深度受此影响较小,热量在土壤中整体由浅层向深层输送;(3)土壤湿度平均日变化小,5 cm深度为土壤湿度最小层,10 cm深度为最大层;(4)麻多高寒湿地动力学粗糙度Z0m在暖季变化稳定,可作为常数,Z0m=0.0143 m;(5)提出更加适合高寒湿地下垫面暖季附加阻尼k B-1参数化方案,使得热通量模拟效果较CLM原始方案有所提高。以上结果对于研究湿地下垫面陆面过程具有重要意义。

利用MERIS和AATSR资料估算黄土高原塬区蒸散发量研究

基于陆面能量平衡原理,通过对搭载在欧洲空间局环境卫星(Environmental Satellite,ENVI-SAT)上中分辨率影像光谱仪(Medium Resolution Imaging Spectrometer,MERIS)2005年6月7,11和27日的遥感观测资料进行大气纠正等预处理后,得到估算瞬时蒸散发量所需要的地表反照率和植被覆盖度等值,并利用分裂窗法和ENVISAT上搭载的先进的沿轨迹扫描辐射计(Advanced Along-TrackScanning Radiometer,AATSR)的观测资料进行了地表温度的反演,进一步估算出黄土高原塬区午间瞬时净辐射、感热通量和土壤热通量。结合与卫星遥感观测资料同期研究区域气象站的太阳辐射、气温、日照时数和风速等气象要素资料,充分考虑到植被冠层和陆地表面对蒸散发量的不同影响,发展了一个可以估算陆面潜热的简化模型,并将瞬时蒸散发量转化为日蒸散发量。对卫星遥感估算的潜热通量,利用黄土高原塬区陆面过程野外观测试验(Loess Plateau land surface process field Experiments,LOPEXs)的地面通量观测资料进行验证,结果表明:二者最大相对差异为10.9%,最小相对差异为4.8%,并对差异误差产生的原因进行了分析和探讨。

AMSR-E卫星亮度温度数据在高原东北部土壤湿度观测和模拟中的应用

为了改进青藏高原东北部土壤湿度的观测和模拟效果,利用AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS)亮度温度资料,估算了高原东北部的土壤湿度值;还利用耦合了Noah陆面模型的WRF中尺度模式WRF-Noah,结合牛顿松驰逼近同化法对AMSR-E估算的土壤湿度进行了同化试验。结果表明:与实测及NCEP再分析值土壤湿度相比,估算的高原东北部的土壤湿度值虽小些,但能够体现土壤湿度随降水事件等的影响。使用牛顿松弛逼近法同化后比没有同化或采用直接替代法模拟的土壤湿度的效果要好。在区域尺度上,通过对牛顿松弛逼近法中质量因子的详细控制,采用该同化方法后对沙漠地区土壤湿度的模拟改善最为明显,其次是草地以及灌木丛与草地混合区;在时间尺度上,采用牛顿松弛逼近同化方法后模拟值与实测值的均方根误差得到减少。

基于MODIS数据的金塔绿洲上空大气水汽含量反演研究

2004年夏季,选择天气状况较好的时段在金塔县施放探空气球,采集高空温、压、湿等气象要素计算整层大气水汽含量。同时选取EOS-MODIS遥感资料近红外波段,反演整层大气水汽含量。反演结果与实测结果对比表明:最大相对误差为8.02%、最小相对误差为0.70%,平均相对误差为4.5%,反演结果可信。从绿洲上空水汽含量区域分布及沿着探空站南北向和东西向剖面看,水汽含量在空间分布上存在较大差异。戈壁沙漠上空水汽含量相对较少,绿洲上空水汽含量相对较大;绿洲边缘或通过沙漠的窄长护林带、河流以及水渠附近,存在着影响绿洲稳定和发展的“晒衣绳效应”。

黄土高原半干旱区冬小麦田土壤热通量的计算方法研究

利用2010年6月平凉陆面过程与灾害天气观测研究站陆面过程观测资料,对比分析了温度积分法、温度预报校正法和谐波法三种土壤热通量计算方法以及这三种方法的计算结果对地表能量平衡的影响,并探讨了土壤水分运动对土壤热通量的影响。结果表明,研究区土壤垂直非均质性明显,由谐波法计算得到的0.05~0.10 m土壤热扩散系数κ是0.10~0.20 m土壤层的3倍左右。通过对比三种方法计算得到的0.05 m土壤热通量和热通量板的实测结果表明,温度积分法、温度预报校正法和谐波法计算的土壤热通量峰值都比实测值偏小,分别偏小约23.6%、25.0%和12.8%。与不考虑土壤热存储的情况相比,利用温度积分法和温度预报校正法将土壤热通量板的实测结果校正到地表,这样得到的陇东黄土高原雨后晴天农田地表能量闭合率分别提高了7.96%和4.54%;由谐波法计算的地表土壤热通量可使地表能量闭合率提高约5.65%。在夏季雨后晴天,发生在农田土壤中的水汽输送及相应的相变过程对土壤热通量有一定影响。

基于微波遥感参数估算区域蒸散发的方法研究

利用主动微波遥感资料(ENVISAT/ASAR)估算的表层土壤湿度和光学遥感资料(EOS/MODIS)的地表温度信息,结合气象站常规观测的气象要素,利用土壤水热耦合及水分蒸发模型对黄土高原典型塬区进行了蒸散发量的估算。将估算的蒸散发量与实际观测对比表明,两者之间绝对误差最大为117W·m-2,最小为0.6W·m-2,平均为24W·m-2。基于微波遥感参数估算蒸散发量的方法为估算区域蒸散发量提供了一种新的思路。

不同平均时间对LOPEX10资料涡动相关湍流通量计算结果影响的探讨

通过处理涡动相关系统观测的近地层湍流脉动量可以获取地—气间感热和潜热通量,然而选择不同平均时间对通量计算的结果有较大影响。采用黄土高原陆面过程野外观测试验(LOPEX10)期间获得的涡动相关系统观测资料,分析了不同平均时间对湍流通量计算的影响,并采用雷诺平均和分解方法推导了平均时间引起的通量差值的数学表达式(Flux Compensation,FC)。结果表明:(1)FC公式可以说明采用不同平均时间数据之间的关系,也可以直接计算低频涡旋对湍流通量的贡献。FC公式计算的结果与直接计算的不同平均时间通量计算之差的相关系数在0.95以上,并可以确定计算湍流通量的最佳平均时间。(2)通过采用Ogive函数确定了计算LOPEX10期间通量的最佳平均时间长度为30min,印证了利用雷诺平均和分解方法计算湍流通量补偿的准确性。(3)通过进一步的数学变换,证明了平均时间对湍流通量计算的影响直接与湍流低频变化相关,FC公式可以用来确定涡动相关观测数据的最佳平均时间,并且在获得较高时间分辨率的湍流通量数据的同时,补偿因平均时间过短而遗漏的低频信息。

黄河源区土壤湿度时空分布的模拟研究

利用1961-2010年普林斯顿大学每3 h一次、1°×1°的大气强迫场数据驱动公用陆面模式CLM4.0(Common Land Model,version4.0)对黄河源区土壤湿度的时空分布进行了模拟试验,合理优化了CLM 4.0中土壤有机质和土壤质地属性参数,将模拟结果与荷兰自由大学AM SR-E土壤湿度产品进行了对比分析,并利用玛曲土壤湿度观测站点的观测数据对模拟结果进行了验证。结果表明,CLM4.0模式能较好的模拟黄河源区土壤湿度的空间分布及变化趋势,在优化陆面有机质和土壤质地数据参数后,模拟的土壤湿度空间分布更合理,但CLM4.0模拟的土壤湿度比地面观测值和AMSR-E土壤湿度产品的土壤湿度偏低。

MODIS近红外水汽产品的检验、改进及初步应用—以黑河流域金塔绿洲为例

利用野外观测资料检验MODIS近红外水汽产品表明,该产品精度较低,不适合研究区大气水汽含量分析研究.考虑误差产生的原因,调整空间分辨率并引入地表覆盖类型信息进行反演,结果表明,反演的平均相对误差为4.47%,绝对误差为0.0456g/cm2,说明改进后结果有较大改善,精度较高.同时使用MODTRAN模拟出大气水汽含量与透过率存在较好的负相关关系,并据此计算大气透过率,为下一步计算地表温度及能量平衡中的各分量奠定基础.

黄土高原降水对土壤含水量和导热率的影响

基于局地降水是引起黄土高原塬区土壤含水量变化的主要原因,利用黄土高原白庙塬区20052010年观测的土壤含水量和降水资料以及2012年夏季观测的土壤温度和含水量资料,分析了土壤含水量、导热率与降水的相关关系,重点分析了10.0,20.0和40.0 cm土壤含水量的蓄积以及20.0 cm土壤含水量与前期总有效降水的响应。结果表明:(1)不同深度土壤含水量的月变化比较一致,其中降水对5.0 cm土壤含水量的正强迫作用最为显著;(2)10.0 cm和40.0 cm土壤含水量年变化存在两个峰值,分别在3 5月和8 10月;(3)土壤含水量和前期总有效降水的拟合效果在夏季最好,二者在20.0 cm土壤层的相关系数达到0.84,高于其他观测层;(4)在试验前期,土壤含水量迅速增加使得土壤导热率明显升高。持续观测发现虽然土壤导热率会随着降水出现波动,但整体的相关性并不高,没有明显规律。

黄土高原典型塬区冬小麦地表辐射和能量平衡特征

利用2006年4～7月黄土高原陆气相互作用试验实际观测资料,分析了黄土高原典型塬区冬小麦生长过程中不同天气条件下的地表通量特征。发现在不同天气条件下辐射平衡和能量平衡特征有很大变化。地面向上长波辐射在晴天、阴天、降水天时依次减小,到达峰值时间约滞后总辐射峰值到达时间1h左右。大气向下长波辐射与地表向上长波恰恰相反,晴天量值最小,基本稳定在300W.m-2左右,阴天和降水天依次增大。潜热是能量通量的主要消耗项,在夜间也大于零,夜间感热则为负值。土壤热通量达到峰值时间滞后于净辐射峰值到达时间约1.5h,其日平均值晴天为正,阴天约为零,降水天则为负值。日平均波文比阴天大于晴天和降水天。植被覆盖度高时,土壤植被系统截留的总辐射也高。