基于遥感的蒸散发及地表温度对LUCC响应的研究

探讨土地利用/覆盖类型变化(LUCC)对地表温度(LST)和计算蒸散发(ET)的影响,进而了解LUCC对水资源消耗的影响。利用Landsat TM/ETM+遥感数据,解译获取山东省垦利县1987年和2000年的LUCC信息,并利用单窗算法和SEBAL模型分别反演LST,ET。研究发现:由于经济的快速发展,导致1987到2000年13年间山东省垦利县的土地利用/覆盖变化极为显著,变化面积达到总面积的36.12%;土地利用/覆盖的特点基本控制了研究区域的LST和ET的区域分布特点,滨海滩涂、沼泽地、水体的LST值低,而ET值高;建设用地和盐碱地的LST值高,ET值低。不同土地利用/覆盖类型下的各LST和ET基本都表现为单峰型变化。1987年和2000年LST的频率分布特征大体一致,但2000年的各地类LST的分布范围比1987年的LST分布范围变宽。ET的分布变化没有呈现出这个特征,2000年各类型的日ET量都大于1987年的日ET量,两个时期都表现为水体的ET最大,农田次之,建设用地的ET最小。且不同土地利用/覆盖类型下ET和LST之间都存在明显的反相关关系。

基于ETM+遥感影像反演不同土地利用类型地表温度的研究

采用Landsat7 ETM+为基本数据源,运用3种算法(大气辐射传输方程RTE、Qin等单窗算法和Jimёnez-Muoz&Sobrino普适性单通道算法)定量反演了黄河三角洲部分地区的地表温度(landsurface temperature,LST),并进行了不同算法反演结果的差值比较:以RTE反演结果为标准,在大气水汽含量较低时,Qin等单窗算法和JM&S普适性单通道算法精度较高,与RTE的反演结果相差均在1K以内;在大气水汽含量较高时,Qin等单窗算法在采用地面气象资料估算水汽含量条件下仍保持较高的精度,比RTE反演结果平均偏小0.95K;而根据估算的大气水汽含量进行反演的JM&S普适性单通道算法的反演偏差比Qin等单窗算法要大,达到1.94K,但JM&S普适性单通道算法根据实测的大气水汽含量得到的反演结果要略优于Qin等单窗算法,比RTE结果偏大0.67K。同时计算了经过6S模式校正后归一化植被指数(INDV),然后利用GIS中的空间分析功能,分析LST、INDV在不同土地利用类型之间的差异以及二者之间的定量关系。发现研究区内,就所有土地利用类型而言,平均LST和INDV之间存在显著的负相关关系;对于各种土地利用类型,这种相关关系也存在,但相关程度不同。

地基遥感大气水汽总量和云液态水总量的研究

介绍了地基微波辐射计遥感反演大气柱中的水汽总量和云液态水总量的辐射传输原理和反演方法。给出了实用的有气候代表性的北京地区4个季节的反演公式,并对反演公式进行了数值检验,分析了反演精度:春、夏、秋、冬4季水汽总量反演的相对标准偏差分别为3.1%、1.6%、2.2%和2.4%。用反演公式反演在香河探测的NASA微波辐射计资料发现:微波辐射计反演的水汽总量平均比探空测量值偏大0.21 cm,二者的线性相关系数为0.988,均方根误差为0.16 cm;云液态水总量除降水云天外,值均在0.1 mm以下。

应用MODIS数据推估区域地表蒸散

通过"热增强"方法,充分利用MODIS数据的时间分辨率和空间分辨率的优势,基于对SEBAL模型改进的基础上,反演并验证了山东省的地表蒸散。结果表明,蒸散反演结果与实测值具有很好的一致性,日平均相对误差约为-11.34%。同时分析了研究区2005年和2006年不同土地利用/覆盖类型下蒸散的逐月变化规律,发现水域的月平均蒸散量最大,其次为水田,林地、旱田和草地基本相当,人工用地的月平均蒸散量最小。

中国1999-2009年土地覆盖动态变化的时空特点

基于SPOTNDVI时间序列研究中国近10a来(1999-2009年)土地覆盖动态变化的时空特点。首先,对BISE模型进行改进并对数据进行预处理;其次,结合光谱角分类和最小距离分类算法各自的优势构建了一个新的分类算法(SAM-MDM),并对多年NDVI数据分类和后处理,提高了分类精度,能满足土地覆盖变化趋势分析要求;再次,应用土地覆盖动态度模型和GIS叠加方法分析了全国土地覆盖的时空变化,建立了土地覆盖类型转移概率矩阵;最后,应用马尔科夫(Markov)过程建立了类型转移演化模型,对未来20a土地覆盖动态变化过程进行了预测。通过该研究探讨了中国土地覆盖近10a来在时间上的动态变化特点、空间上的变化差异、土地覆盖类型的转移概率分布和未来10～20a的时空变化趋势。

基于MODIS时序数据的长江三角洲地区植被覆盖时空变化分析

在快速城市化的长江三角洲地区,植被覆盖状况变化问题已经引起公众的关注并且成为科学研究的热点。植被指数作为监测植被和生态环境变化的有效指标而得到广泛应用。基于2000—2011年的Terra Modis NDVI植被指数数据集,从时间尺度和空间变化上分析长江三角洲地区植被变化特征,应用一元线性回归趋势分析方法和更适合研究非正态分布数据的Mann-Kendall非参数检验方法对长江三角洲地区的植被覆盖状况进行研究。研究结果表明,(1)利用Terra Modis NDVI数据可以很好地从宏观上监测长江三角洲地区植被覆盖的时空变化。(2)植被覆盖的时空变化是自然和人类活动共同作用的结果,特别是在快速城市化的长江三角洲地区,人类活动对植被覆盖的影响更为剧烈,并且植被覆盖变化对人类活动做出积极的响应。12年来,长江三角洲地区植被覆盖总体呈下降趋势,尤其是研究区中的城市及周边地区则以显著下降趋势为主,说明长江三角洲地区随着城市化进程的加速,植被覆盖状况正面临着恶化。(3)一元线性回归趋势分析方法和Mann-Kendall非参数检验方法对植被变化趋势的检测总体上趋于一致,两者可以相互印证,但局部有差异。因此,当进行局部区域植被覆盖变化的深入研究及驱动力分析时,需要较高分辨率的数据作为辅助数据。研究揭示了快速城市化背景下长江三角洲地区植被覆盖变化的规律,从而为长江三角洲地区生态保护和植被恢复提供有利的依据和借鉴。

上海近十年来城市化及其生态环境变化的评估研究

为了了解上海近十年来的变化,应用遥感变化检测方法来评估研究近十年来上海的城市范围及城市生态方面的扩展和变化,即一方面利用从土地覆盖衍生出的城市化面积指数(UAI)来反映城市扩展的速度,另一方面应用植被覆盖率(FVC)变化来评估城市生态环境的演变。研究中,首先对2000～2009年的MOD13Q1影像按照年叠加反演出NDVI时间序列,然后分析得到每年土地覆盖图和植被覆盖率图,最后逐年进行变化分析。研究表明,近十年来,上海发生以下变化:①城市化范围持续扩展;②城市化面积指数年均增长率在1.73%以上,2008～2009年度最高达4.36%;③植被覆盖率总体上持续降低,但在建成区、远郊和岛屿区域植被覆盖率略有上升;④建成区的"变绿"是建立在耕地、植被减少为代价的基础上。

基于MODIS地表参数产品和地理数据的近地层气温估算方法评价--以安徽省为例

为研究应用MODIS地表参数产品估算近地层气温的可行性,对MODIS地表温度(LST)、反照率(ALBEDO)、植被指数(NDVI)等产品数据和高程(ALT)、纬度(LAT)等地理数据进行主成分分析,并以主成分累积方差较大的前若干个主成分作为自变量,建立自变量与各气象台站气温之间的多元线性关系。结果显示:所建立的多元线性回归模型的均方根误差(RMSE)均在0.5～2.4之间,其中,与月平均最高气温(Tmax)和14时气温(T14)回归得到的RMSE整体较大,与月平均最低气温(Tmin)回归得到的RMSE整体较小;RMSE的波动呈现出冬季大、夏季小的季节特征;利用Terra/MODIS数据得到的结果优于利用Aqua/MODIS数据得到的结果,且其夜间数据对Tmin的估算精度较高,日间数据对Tmax和T14的估算精度较高;各参数对气温回归权值影响从大到小依次为LST、ALT、LAT、NDVI和ALBEDO。因此,利用MODIS地表参数产品可以监测不同时刻的近地层气温空间分布,但对不同时刻的气温回归分析,最优数据选择有所不同。

基于集合卡尔曼滤波的土壤温湿度同化试验

以通用陆面模式CLM 3.0(Community Land Model 3.0)为模型算子,基于集合卡尔曼滤波(Ensemble Kalman Filter,En KF)发展了一个土壤温湿度同化系统,主要用于改进模式对土壤温湿度和地表水热通量的模拟精度,并考察集合样本数、同化频率及不同观测量的组合对同化效果的影响。该系统同化了FLUXNET两个站点(阿柔和Bondville)不同土壤深度、不同时间频率的土壤温度和湿度数据。通过对阿柔站不同集合样本数的设计,综合考虑计算成本和计算精度,最终将集合样本数设置为40。通过分析三种同化方案对同化频率的敏感性得出,同化土壤温度最为敏感,同时同化土壤温湿度次之,同化土壤湿度最不敏感。对于阿柔站点,同化系统对不同土壤深度温度和湿度的模拟精度均能提高90%,潜热通量的均方根误差由94.0 W·m^(-2)降为46.3 W·m^(-2),感热通量均方根误差由55.9 W·m^(-2)降为24.6 W·m^(-2)。Bondville站点浅层土壤温度的改进在30%左右,深层土壤温度改进达到60%,对土壤湿度的改进均在70%以上,潜热通量和感热通量的均方根误差分别从57.4 W·m^(-2)和54.4 W·m^(-2)降为51.0 W·m^(-2)和42.5 W·m^(-2)。试验结果表明,同化站点土壤温湿度数据对土壤水热状况及通量的模拟改进非常有效,同时也验证了同化土壤水分遥感产品的可行性和必要性。

基于重叠区匹配技术的DVB-S MODIS影像异常数据处理方法

DVB-S(数字视频广播系统)是一种符合工业化标准的数字卫星广播新技术,中国气象局利用该技术建立起成本低廉、应用广泛的我国卫星遥感数据共享接收平台,可准实时获取美国EOS、NOAA和我国FY等系列遥感卫星数据。在使用该接收系统的过程中发现,由于信号干扰等原因,接收到的部分MODIS条带影像中存在异常数据,影响使用。鉴于DVB-S共享接收系统具有多站接收的特点,且各地面站的接收范围存在较大重叠,有针对性地提出了一种利用多站重叠区内的同名像元,对含有异常点的MODIS 1B级条带影像进行修正的方法(包括影像选择、重叠区匹配、异常点替换等),并通过Visual C++编程实现了自动化。

城市台站周边热岛效应和土地利用与覆被变化关系

以合肥市气象站为中心,利用1990～2006年的Landsat TM影像,获取不同半径圆形缓冲区范围内下垫面土地分类信息以及对应年份的气温年均值、极值、日定时数据资料,分析了下垫面各土地类型及其变化和站点周边热岛效应的关系。分析得出:城市热岛与建设用地有着最强正相关,与林草地和耕地有着显著负相关,与夜晚水体有着较强正相关。下垫面类型对城市热岛的影响随着每天的不同时刻而变化。4种下垫面类型对城市热岛的影响范围上,建设用地一般在6km以内、林草地4km以内、耕地在4km时最显著,水体则随着距离的增加,其影响范围缓慢上升到8km。同时,通过分析土地利用年变化和城市热岛效应变化的关系,进一步验证了城市发展对城市热岛效应起着至关重要的作用。最高温和14时(北京时间)热岛强度年变化与土地利用年变化有着较强的相关性。另外,迁站后热岛效应明显减弱。最后,重点探讨了下垫面类型和热岛效应关系的可能原因。

不同云微物理方案对上海特大暴雨模拟影响的分析

利用中尺度数值预报模式WRF3.5,采用36、12和4 km三重嵌套,在积云参数化方案为BMJ条件下,选用WSM5、WSM6和Lin三种云微物理参数化方案,对发生在上海地区的两次典型特大暴雨(简称"0913"和"0825")进行模拟试验和对比分析,探讨不同云微物理参数化方案对上海暴雨模拟的影响。结果表明:三种方案总体上都较好地模拟出两次特大暴雨过程,但在降水落区、降水中心、降水强度等方面仍存在差异。再利用地面自动站、观测站的实测雨量以及自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据,结合K指数、相对湿度、垂直速度和涡度散度等物理诊断量,从降水落区、降水中心和降水强度等方面对三种云微物理参数化方案的模拟结果进行对比分析。此外,通过对三种方案主要参数的比较以及三种方案模拟的冰、雪、霰粒子混合比的垂直廓线对相应的模拟结果进行解释。结果显示:WSM5微物理方案能更好地模拟出强降水的范围,其模拟的降水量较实测偏大;WSM6方案模拟的降水落区略有偏移,降水量偏小;Lin方案模拟的降水落区偏移较大。

华北平原参考作物蒸散量对气候因子的季节响应分析

为探讨华北平原作物需水量在不同季节随气候变化的变化规律,对华北平原参考作物蒸散量（Evapotranspiration,简称ET_o）在不同季节对气候因子的响应情况进行了分析研究。首先利用FAO-56Penman-Monteith公式计算了华北平原48个气象站点1960～2012年的ET_o,其次分析了ET_o及温度（T）、日照时数（n）、风速（u）和相对湿度（RH）这4个主要气候因子在各个季节的年际变化规律,然后使用敏感性分析法分析了ET_o对气候因子变化的敏感程度,最后结合ET_o对气候因子的敏感性及气候因子的多年相对变化率分析得出气候因子的变化对ET_o变化的贡献。结果表明：1960～2012年,华北平原ET_o在四季的年际变化均呈下降趋势。气候因子除T呈上升趋势外,n、u和RH均呈下降趋势。ET_o对T、n和u的变化正敏感,对RH的变化负敏感。ET_o对T和n最敏感的季节为夏季,对u和RH最敏感的季节为冬季。ET_o在春季、秋季和冬季的下降主要受u下降的影响,ET_o在夏季的下降则主要归因于n的下降。

基于集合卡尔曼滤波的地表水热通量同化研究

地表水热通量是研究地表能量转换与水文过程中的重要参数,本文借助通用陆面模式CLM3.0(Community Land Model3.0)为动力框架,利用集合卡尔曼滤波作为同化算法构建单站点的地表水热通量同化系统,并利用Ameriflux通量观测网上Chestnut Ridge、ARM SGP Main以及Tonzi Ranch三个站点的通量观测数据进行直接同化地表水热通量试验。结果表明,在三种不同下垫面下,RMSE直接同化水热通量能够很好地改善地表总水热通量的估算效果。经过同化通量观测值,模式输出的通量值的RMSE均有减小。在代表农田下垫面的ARM SGP Main站,感热通量的RMSE由67.49W/m2下降至14.07W/m2,潜热通量的RMSE由70.07W/m2下降至14.35W/m2;在代表森林下垫面的Chestnut Ridge站,感热通量的RMSE由82.56W/m2下降至48.56W/m2,潜热通量的RMSE由42.99W/m2下降至38.92W/m2;在代表草地下垫面的Tonzi Ranch站,感热通量的RMSE由62.99W/m2下降至17.85W/m2,潜热通量的RMSE由44.76W/m2下降至36.01W/m2。相对于通过同化地表温度和湿度间接改善地表水热通量预报的研究结果,直接同化地表水热通量的结果好于前者。但值得注意的是,针对集合同化方法,不同初始场误差、观测误差和大气强迫数据误差的扰动强度都会对同化结果造成影响。从同化系统对3种误差的敏感性分析结果来看:观测误差的影响最大且减小观测误差能够减小同化后的RMSE值,估计观测误差的方法是否合理会直接影响同化结果的好坏;初始场误差对同化后的RMSE值影响最小;另外,增加大气强迫数据误差和初始场误差能减小同化后的RMSE值。

探空和飞机观测资料联合同化对台风“苏迪罗”(2015)数值模拟的影响研究

基于中尺度数值天气预报模式WRF和WRFDA三维变分同化系统,针对2015年台风"苏迪罗"二次登陆过程,利用NCEP ADP提供的无线电探空、飞机报观测资料,同时同化两种资料,并进行36 h模拟预报,从台风移动路径、强度、降水及模式初始场改进等方面分析了同化模拟效果。结果表明,同时同化两种资料能够有效改善台风移动路径、中心附近最低气压的模拟。对浙闽降水关键区24 h降水的TS评分结果表明,该同化方案对台风降水的预报评分有一定程度的改进,尤其是中雨和特大暴雨的改进最明显。对于模式初始场的温度、相对湿度、纬向风、经向风在各高度上的均方根误差,除湿度外均有不同程度的减小。并且同化对于台风结构的模拟也有所调整。

华北平原夏玉米潜在产量时空演变及其对气候变化的响应

华北平原是我国的粮食主产区,为探讨气候变化可能对该地区粮食产量产生的影响,本文以中国科学院青藏高原研究所的中国区域地面气象要素数据集为基础,对作物生长模型WOFOST(WOrld FOod STudy)进行面域化,模拟华北平原1979—2015年夏玉米的生长情况;利用一元线性回归、经验正交分解(EOF)分析了华北平原夏玉米潜在产量的时空变化,利用逐个栅格相关性分析、奇异值分解(SVD)分析了华北平原不同区域夏玉米潜在产量与全生育期、吐丝前和吐丝后平均温度及日均太阳总辐射的相关性。结果表明,研究区夏玉米潜在产量大致呈现从南向北逐渐升高的特点,大部分地区夏玉米潜在产量为7 000~9 000 kg?hm^(-2);研究区西北部夏玉米潜在产量波动较大,波动较小的地区在北京南部、天津以及河北中部一带,标准差在500 kg?hm^(-2)以下;研究区西北部及河北唐山北部以及山东半岛东部夏玉米潜在产量呈上升趋势,这些地区的夏玉米潜在产量上升幅度大部分在200~600 kg?hm^(-2)?(10a)^(-1);研究区的其余大部分地区夏玉米潜在产量呈下降趋势,其中河北中南部、天津、鲁西北以及皖北的部分区域下降较明显,变化幅度在-250 kg?hm^(-2)?(10a)^(-1)左右。河北西部和东北部、北京西北部以及山东中部和东部等地区的夏玉米潜在产量与气温具有较显著的相关关系,相关系数在0.9以上,这些地区的夏玉米潜在产量在过去37年呈上升趋势,表明这些地区夏玉米潜在产量的增加可能是由气温上升导致的。北京东部和南部、天津、河北中南部及秦皇岛唐山南部、山东、河南东部、皖北和苏北等地区的夏玉米潜在产量与太阳总辐射具有较好的相关关系,相关系数在0.8左右,其中,吐丝后通过显著性检验的区域较吐丝前大,相关系数也较吐丝前大,该区域大部分地区夏玉米潜在产量呈下降趋势,可能是由该区域太阳总辐射下降导致的,且总辐射的下降主要对夏玉米的生殖生长阶段构成影响。总的来说,研究区夏玉米潜在产量上升的区域与温度的上升有关,温度的变化是这些地区夏玉米潜在产量变化的主导因子;研究区夏玉米潜在产量下降的区域与太阳总辐射的下降有关,太阳总辐射的变化是这些地区夏玉米潜在产量变化的主导因子。因此,气候变化背景下针对华北平原不同地区制定不同的合理应对措施显得尤为重要。

高光谱红外探测仪温湿度廓线在华东地区的真实性检验

卫星高光谱红外资料可提供高时空分辨率的温湿度廓线信息,是数值天气预报模式重要的数据源.高光谱红外大气探测仪的温湿度产品资料的质量控制和观测误差描述是同化应用效果的关键.探空资料是对温湿度垂直信息的直接测量,具有较高精度,而汛期加密探空观测(北京时14:00)具有与AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)卫星过境时间相匹配的优势,可以较好地验证AIRS反演的廓线产品精度.研究选取中国华东地区,利用2015年夏季的加密探空资料与AIRS反演产品进行时空匹配处理.研究结果表明,AIRS反演的温度廓线精度较高,整体RMSE分布区间为[1.02℃,2.49℃];而湿度廓线整体上呈现低层偏干高层偏湿现象,RMSE分布区间为[12.91%,23.43%];AIRS和AMSU(Advanced Microwave Sounding Unit)联合反演产品中,随着云覆盖范围的增加,温湿度廓线反演精度逐渐降低,但整体上依然保证一定精度,其为将来开展有云覆盖条件下的卫星资料同化应用提供依据.

基于Landsat-8热红外数据的太湖地区地表温度反演与热岛效应分析

应用Landsat-8 TIRS遥感数据结合气象资料,使用三种不同的反演方法获得苏南太湖地区的地表温度(LST)数据.分析发现,辐射传输方程法反演的结果最接近于实测值;在缺乏实时大气廓线的情况下,普适性单通道算法更适用于Landsat-8热红外波段的地表温度反演;分裂窗算法在三种算法中精度最差.在反演结果的基础上,分析了不同地物的LST特征,建筑用地温度最高,水体最低.归一化植被指数(NDVI)和LST之间存在明显的负相关关系,证明了城市绿地是缓解城市热岛效应、改善城市热环境的重要途径.最后对2000年和2014年的两时相LST进行标准化和分区处理,分析发现,苏南太湖地区的热岛现象近些年来在不断加剧,城市热岛由原来单个存在逐渐成为多个热岛并存的局面,建筑用地的增加是导致整个城市热岛加剧的主要原因.

地面气候资料查询与分析系统的设计与实现

为定性、定量和可视化地研究分析气候要素的变化特征,设计和开发一个基于Java Web和WebGIS的地面气候资料查询与分析系统。整合Struts、Spring和Hibernate(SSH)框架技术实现易维护和易扩展的目的,使用ArcGIS for Server作为GIS服务器提供完善的空间分析功能,使用Oracle数据库存储空间和非空间数据保障数据的安全,重采样服务器的响应结果实现在浏览器端的快速可视化,采用表格、图形和空间地图3种方式来显示查询和分析的结果以满足用户的不同需求。实例测试结果表明,该系统可以快速地响应用户的请求,准确高效地返回处理结果。

HY-1B/COCTS热红外波段的交叉辐射定标方法研究

遥感传感器辐射定标是定量遥感应用与分析的基础。该文以具有高辐射精度的TERRA/MODIS传感器热红外第31、32通道为参考,采用了目标跟踪交叉定标法完成了对HY-1B/COCTS传感器热红外第9、10通道的辐射定标。选取2009年4月17、21、22、25、26日的5次双星同步观测太湖的白天数据,通过大气辐射传输模型MODTRAN对两传感器相应热红外通道进行大气透过率和大气热辐射的模拟,从MODIS的入瞳辐亮度等效模拟出COCTS的入瞳辐亮度,再结合COCTS影像上提取对应的DN值,进行多点线性回归,最终获得COCTS第9和第10通道的定标系数分别为:增益0.008 Wm^(-2)sr^(-1)μm^(-1)/DN,偏置2.873 Wm^(-2)sr^(-1)μm^(-1);增益0.006 Wm^(-2)sr^(-1)μm^(-1)/DN,偏置3.913 Wm^(-2)sr^(-1)μm^(-1)。将定标结果用于OCTS热红外通道的辐射校正,与MODIS等效计算的辐亮度相比,第9和第10通道的平均偏差分别为-0.070 Wm^(-2)sr^(-1)μm^(-1)和-0.008 Wm^(-2)sr^(-1)μm^(-1),均方根误差分别为0.532 Wm^(-2)sr^(-1)μm^(-1)和0.083 Wm^(-2)sr^(-1)μm^(-1);将经辐射校正后的COCTS图像用于太湖水温反演,所得的平均偏差为1.47K。