几种典型地表粗糙度计算方法的比较研究

本文分别利用最小二乘拟合迭代法、牛顿迭代法、TVM法和Martano法计算2003年长白山森林地表粗糙度。结果表明,Martano法计算结果偏小,其他三种方法结果基本一致。不确定性分析表明,Martano法的不确定性与参与计算的数据量有关。拟合迭代法和牛顿迭代法的不确定性在于,通常假设u＊不随观测高度而变化,而实际u＊随观测高度变化。若相邻两个观测高度之间的u＊变化1%,地表粗糙度计算误差8.3%。TVM法由于参数C1的选取范围为0.9~1.05,引起地表粗糙度不确定性平均值为29.9%。经计算得到长白山森林在各种大气层结条件下的地表粗糙度,拟合迭代法得到的2003年稳定、中性和不稳定条件下的地表粗糙度年平均值分别为2.642、2.103和1.616m。

基于激光三角法的地表粗糙度测试仪的研制

针对接触法测试地表粗糙度需要人工参与、测试时间长等问题,该文提供了一种快速的地表粗糙度测试的仪器及测试方法。基于激光三角原理,将激光投影到待测目标上,摄像机接收反射光的图像,通过图像处理算法及坐标转换得到被测区域的三维坐标,再根据粗糙度计算公式得到地表粗糙度参数的结果。将该仪器分别进行了精度及野外测试试验,精度试验测量结果的平均相对误差最大值为2.93%,仪器典型分辨率在垂直仪器扫描方向为0.78 mm,仪器扫描方向为1 mm,垂直大地方向为0.83 mm。试验结果表明,农田表面空间自相关系数的测量结果反映出了农田的垄结构特征,验证了该文仪器及方法的可行性及有效性。

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。

黑河中上游不同下垫面动量总体输送系数和地表粗糙度对比分析

利用廓线法计算了黑河中上游地区盈科农田站、冰沟稀疏草地站、阿柔牧场站和大冬树山垭口积雪观测站的总体输送系数和地表粗糙度。结果表明,地表粗糙度与植被覆盖度和高度以及下垫面的性质有关,夏季地表粗糙度大小是农田站最大,其次是牧场站和稀疏草地站,高寒草甸站最小。下垫面状况还影响动量总体输送系数对稳定度的依赖程度,地表粗糙度大的地区强于地表粗糙度小的地区。

中国高分辨率地表粗糙度分布研究

利用2010年欧洲空间局(ESA)最新发布的高分辨率全球土地覆盖卫星观测数据,研究中国地区的地表粗糙度分布。参考两个常用气象模式CALMET和WRF中有关土地覆盖类型与地表粗糙度的分配方案,分别建立ESA土地覆盖类型数据与地表粗糙度的映射关系,编制了水平分辨率约300 m的中国地表粗糙度分布,并与实际观测数据进行比较分析。结果表明:(1)使用ESA土地覆盖类型数据有利于反映地表粗糙度更细致的空间分布,但无法反映城市区域内部的粗糙度变化;(2)基于CALMET模式的映射关系给出的地表粗糙度数值系统偏高;(3)基于WRF模式的映射关系能够给出更合理的地表粗糙度,与实际观测更相符,并可部分反映地表粗糙度的季节变化。

利用AMSR-E微波辐射计对地表粗糙度参数的一种新标定方法

在利用微波辐射计进行对地观测的过程中,陆地表面特性参数(如土壤水分、土壤粗糙度和植被冠层)是土壤微波辐射的重要影响因素。地表粗糙度的标定对于利用微波辐射计数据反演地表参数而言是十分重要的工作。地表粗糙度参数(h和Q)随着观测频率而变化。通常的标定方法是,假设h的空间分布是变化的,Q在全球均一地分布,则在沙漠地区首先采取h=0的近似,再对Q进行标定。但是事实上,h和Q在全球的分布都是变化着的,这与地面环境状况有关。以AMSR-E数据为例,在对MPD I分析的基础上,推导给出了简单的、基于理论模型的参数Γ。Γ可以直接由观测亮温值计算得到,它是一个与土壤水分无关,仅与植被层含水量wc和土壤粗糙度σ有关的参量,因此它可以用于地表粗糙度的标定和对植被层含水量、植被生长/变化的估计。本文选择干旱季节里的北非地区,在没有对h采取任何假设的前提下,利用参数Γ实现了对地表粗糙度参数h和σ的标定,并与原有标定方法的结果做了比较分析。

利用极化SAR数据探索同极化相关特征随地表粗糙度变化的研究

利用冲积扇区域 SIR.C 全极化 SAR 数据深入研究了同极化相关特征与粗糙度之间的关系,经分析得出:(1)以圆极化右旋.左旋为正交基的同极化相关系数在粗糙度 ks(k 是入射波的波数,s 是表面高度标准离差)<0.5时,随 ks 的增大而减小;(2)仅考虑线性正交基,可以从同极化相关系数响应图中提取线性同极化相关系数曲线,该曲线的极值差或者标准差等代表该曲线平滑程度的参数可以在更大的范围内(ks<1.2)随粗糙度ks的增大而近似线性地减小,因此能够更有效地反映粗糙度的变化;(3)水平垂直正交基对应的同极化相位差平均值在 ks<1时,随粗糙度的增大而稳步减小。

西北寒旱灌区裸露地表粗糙度SAR反演建模方法研究

快速获取大范围土壤地表粗糙度的空间分布是一个急需解决的科学难题。以快速获取内蒙古河套灌区解放闸灌域土壤地表粗糙度为目的,研究了RADARSAT-2雷达影像数据的地表粗糙度信息提取技术,通过剖面板法实测地表粗糙度数据。利用BP(Back Propagation)人工神经网络和LMBP(Levenberg-Marquardt Back Propagation)人工神经网络模型2种方法建立了土壤地表粗糙度的定量反演模型,并对模型进行验证。结果表明,LMBP模型的反演效果优于BP模型,其决定系数R2分别为0.888 3、0.689 2。建立的雷达后向散射系数反演土壤地表粗糙度的人工智能模型,能够在一定程度上满足快速获取土壤地表粗糙度的需要,为微波遥感监测土壤墒情及土壤盐渍化提供重要基础参数。

地表粗糙度对高层建筑下击暴流风荷载特性影响的试验研究

地表粗糙度对近地层的风场影响很大。为研究下击暴流风场中不同粗糙度地貌上的高层建筑表面风压变化规律,基于冲击射流试验,讨论了地表粗糙度与径向距离不同情况下高层建筑表面风压特性。试验结果表明:建筑迎风面风压极值区的高度随地表粗糙度的增大而逐渐抬升,迎风面正风压系数也随之增大,背风面负风压绝对值随之减小,侧面风压系数受粗糙度影响变化不明显;建筑侧面脉动风压系数随地表粗糙度的增大而增大,而迎风面和背风面的脉动风压系数受粗糙度影响较小。随着径向距离及地表粗糙度的增大,出流强度衰减明显加快,建筑迎风面中下部区域风压系数衰减较大,背风面及侧面风压系数逐渐减小,且背风面呈线性衰减趋势。

基于被动微波遥感的地表粗糙度及土壤水分反演研究

被动微波遥感具有监测面积大、重复周期短、对土壤水分更为敏感等优点,成为反演土壤水分最有潜力的方式。论文针对地表粗糙度和植被覆盖变化对土壤水分反演过程中带来的误差和不确定性展开研究,发展更适合大区域土壤水分反演的算法。主要研究内容如下:(1)全球地表粗糙度反演算法研究。

锡林河流域不同利用方式草地风速廓线及地表粗糙度特征分析

以锡林河流域典型草原上天然草地、围封草地和人为干扰草地3种不同利用方式的草地为研究对象,通过对区域风速廓线与地表粗糙度的测定,研究了不同利用方式草地的防风效能。试验结果表明,流域内3种不同土地利用方式的草地近地表风速总体呈现随测量点距离地表的高度增加而增加的规律,风速廓线符合指数规律和实际情况,但不同土地利用方式草地之间存在差别;围封草地地表粗糙度最大,人为干扰草地的地表粗糙度最小,表明在天然草地、围封草地和人为干扰草地中,围封草地的防风效能最好。

深凹露天矿地表粗糙度对复环流结构影响的模拟

为研究深凹露天矿地表粗糙度对复环流结构的影响规律,总结典型深凹露天矿特征,按近似1:1比例建立简化深凹露天矿模型,基于COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟,根据地表粗糙度计算入口处速度、湍流动能、湍流耗散率分布,并对模型中壁粗糙度等参数进行设置,采用κ-ε湍流模型对矿区内湍流结构进行预测,分析地表粗糙度对复环流结构的影响规律及原因。结果表明:复环流形成主要由矿区内压力差导致,可以分为变化期和稳定期两个阶段;随地表粗糙度增大,矿区湍流动能增大,变化期时间缩短;对于稳定期,随地表粗糙度增大,矿区内压差降低,压力集中区域由迎风坡上端向背风坡下端偏移,复环流范围增大,复环流区域由迎风坡向背风坡偏移,高度降低。

面向地形类型区分的地表粗糙度算法比较研究

【目的】以地形类型辨识和区分为目的,对比分析不同粗糙度算法的优缺点,为定量描述地形形态、划分地形类型提供新思路。【方法】基于SRTM3高程数据,使用常见的11种地表粗糙度算法(坡度、局地高差、高程均方差、高程均方根偏差、均方根坡度、绝对坡度、坡度标准差、面积比、矢量离差、余弦特征值、二维变异性)提取研究区的地表粗糙度,从空间格局特征和统计分布特征两方面对提取结果进行对比,并利用典型断面和频率曲线分析方法探讨各算法区分研究区地形类型的能力。【结果】坡度、局地高差、高程均方差、高程均方根偏差、均方根坡度和绝对坡度6种算法所得地表粗糙度的空间格局特征与统计分布特征极其相似,且能有效区分研究区的地形类型。坡度标准差、面积比、矢量离差、余弦特征值和二维变异性5种算法难以表达研究区地表粗糙度的宏观变异,不能有效区分研究区的地形类型。【结论】基于高程空间变异的坡度、局地高差、高程均方差、高程均方根偏差、均方根坡度、绝对坡度6种算法是表达地表粗糙程度和区分地形类型的较佳算法。

考虑地表粗糙度改进水云模型反演西班牙农田地表土壤含水率

土壤含水率是农业、环境、气象等领域进行建模的重要参数。该研究将微波遥感与光学遥感相结合,利用Sentinel-1数据交叉极化比及变换土壤调节植被指数对地表粗糙度进行估计,构建了一种改进的水云模型(modifiedwatercloud model, MWCM)。分析将NDVI、NDWI和NDWI1725,2200等植被指数作为植被冠层含水率时,水云模型(water cloud model,WCM)及MWCM农田地表土壤含水率的反演精度。结果表明:从总体精度上来看,MWCM的反演精度优于WCM。在不同植被覆盖度情况下:当植被覆盖度为中、低程度(NDVI<0.5),MWCM具有较高的反演精度;在较高的植被覆盖度情况下(NDVI≥0.5),WCM与MWCM的反演精度较为接近。MWCM可有效的建立微波后向散射系数与地表土壤水分的关系,提高土壤含水率反演精度,为各种地表覆盖类型的土壤含水率反演提供研究思路及理论支持。

自然降雨条件下坡面侵蚀地表粗糙度的空间异质性

地表粗糙度是影响地表侵蚀的重要参数之一,也是土壤侵蚀研究的热点问题之一,研究自然降雨过程中砒砂岩区地表粗糙度的空间异质性,对其探索土壤侵蚀响应规律具有重要意义。以裸露砒砂岩为研究对象,采用地统计学和ArcGIS空间分析相结合的方法研究了坡面尺度次降雨过程下的地表粗糙度空间异质性特征。结果表明:地表粗糙度在次降雨过程中表现出中等变异性;地表粗糙度在次降雨过程中都具有较强的空间自相关性;由空间分布特征分析得出,地表粗糙度的增加量或者减少量在坡面下坡的数值变化较为明显,说明坡面的变化是坡顶被冲刷,坡底被填充;砂粒和粉粒含量均在坡下减小,而黏粒含量增大,地表粗糙度在坡下数值变化较明显,因此,地表粗糙度的变化随着土壤黏粒的变化而变化;降雨前后土壤黏粒与地表粗糙度表现出正相关,雨后的相关性更强烈,粉粒与其关系不显著,砂粒与其呈现负相关。

藏北高原高寒草甸地表粗糙度对地气通量的影响

利用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所那曲高寒气候与环境观测研究站的BJ观测站2012年1 12月大气湍流观测资料及自动气象站观测资料,应用一种独立的确定地表动力学粗糙度Z0m的方法及两种热力学粗糙度Z0h的参数化方案(Z98和Y07),得出了Z0m和Z0h以及附加阻尼kB-1的变化规律。结果表明,Z0m在一定时间尺度(月、季)上存在着波动,Z0h在高原季风前、盛行期、衰退期有不同的日变化和季节变化特征。结合陆面模式CoLM将地表特征参数代入该模式进行数值模拟,初步探讨了地表粗糙度的变化规律及其对地表通量的影响,结果表明,Z0m的动态变化和Z0h参数化方案的改进提高了CoLM模式的模拟性能,模拟的地表通量更接近观测值。

探讨地表粗糙度的一种计算方法

本文从地表粗糙度的定义和特性入手,研究了地表粗糙度的在风电场特殊地形下的计算。通过哈密淖毛湖某测风塔的测风数据计算,分析地表粗糙度的年、日变化规律找到一种求解粗糙度的方法,并与经验估算的粗糙度进行比较,为地表粗糙度的计算提供了依据。

地表粗糙度的计算研究

以数字高程模型高程数据为研究对象,通过分析两种已有的地表粗糙度的计算方法,在此基础上提出了新的基于空间向量的地表粗糙度的计算方法,缩小了地表粗糙度的范围并给出了参考范围的划分.结果表明,地表起伏越大,地表粗糙度也就越大,为地形分析提供了依据.

藏北高原那曲地区不同下垫面地表粗糙度的变化特征研究

利用2008年、2010年和2012年藏北高原那曲地区MODIS卫星数据和站点大气湍流观测数据,分别应用Massman反演模型和一种确定地表粗糙度的独立方法,计算并分析地表粗糙度的时空变化特征并对反演模型进行验证,分析Z0m存在着明显的季节性变化特征。2—8月伴随冰雪消融与植被生长,Z0m逐渐增大,站点Z0m最大可达4～5 cm。9月至次年2月由于高原季风的衰退期等原因,Z0m逐渐减小,站点Z0m减小至1～2 cm。异常年份的降雪是Z0m明显低于常年的主要原因。依据Z0m的由小到大可以将下垫面分为冰雪类、稀疏草地类、茂盛草地类、城镇类4类,其中茂盛草地类和稀疏草地类分别占区域62. 49%和33. 74%,为主要类别,其Z0m年变化分别在2～6 cm和1～4 cm之间。两种计算方法得出的结论相关性较好,由于平均滑动作用,反演资料较实测计算结果偏小。整体而言,利用卫星数据反演算法计算的Z0m是可行的,并可应用于改进陆面模式参数,提高模式模拟的准确性,能更好的揭示区域的热通量交换。

裸露砒砂岩区坡面侵蚀过程中地表粗糙度与水力侵蚀特征参数的关系

坡面地形起伏状况是影响土壤侵蚀状况的重要因素,深入了解地表粗糙度和产流产沙以及水动力参数之间的关系是研究坡面土壤侵蚀过程的基础。采用野外原位模拟冲刷试验,使用三维激光扫描仪结合ArcGIS提取地形因子参数,研究了裸露砒砂岩区坡面侵蚀过程中地表粗糙度与侵蚀特征参数的关系。结果表明:(1)冲刷强度的增大使得阻力特征参数逐渐降低,且随着冲刷时间的增加,弗劳德数也呈现降低趋势,其他水力学参数呈增大趋势。冲刷强度<200 L/h时,坡面径流处于层流状态,随着冲刷强度增大,流态呈现出缓流向急流转化的趋势。(2)地表粗糙度随着冲刷流量的增大变化规律不明显。当冲刷强度较小时(<100 L/h),地表粗糙度与产流产沙特征参数的关系较为密切。(3)流速与地表粗糙度呈显著的幂函数关系(R2>0.561),是反映地表粗糙度变化的最优参数。(4)通过Mantel相关分析发现,随着冲刷强度的增大,地表粗糙度的变化规律由产流产沙特征向水动力参数特征转变。研究结果旨在揭示地表粗糙度与土壤侵蚀过程特征参数的关系,为裸露砒砂岩区坡面土壤侵蚀模型的构建提供理论依据。