淮河中上游植被变化及其对气象因素的多时空尺度响应

[目的]植被与气象因子关系的多时空特征有助于深入理解流域生态系统,对生态环境保护具有重要意义。[方法]基于MODIS EVI数据与气象观测资料,结合趋势分析、Mann-Kendall检验和Pearson相关性分析方法,分析淮河中上游2001-2015年植被动态并探讨流域至局地尺度的植被与降水、气温的相关关系。[结果](1)流域植被整体呈明显增长趋势(p<0.05),EVI指数增长速率为0.055/10 a,冬季增速最大(0.075/10 a)、夏季最小(0.047/10 a),不同地类增速差异显著。(2)年均EVI呈增加的区域占流域总面积的93%,其中呈显著(p<0.05)及极显著(p<0.01)上升趋势约占82%,华北平原(主要为耕地)增速最大,山区、山丘区增速次之,郑州市辖区等呈显著下降(p<0.05);EVI变化的时空分布差异明显。(3)流域尺度春季EVI与同期(3-5月)和2-5月降水呈显著正相关(p<0.05),冬季EVI与同期降水呈极显著负相关(p<0.01),月EVI在3月、11月与最低气温呈显著正相关(p<0.05),在12月分别与最高气温、降水呈显著正相关(p<0.05)和极显著负相关(p<0.01)。(4)局地尺度季、月EVI与气象因子的相关性有明显地区差异,淮南的固始冬季植被与降水呈正相关,淮北区域则与降水呈负相关;从月来看,驻马店在2月、11月、12月植被受各类气温的积极影响(p<0.05),许昌植被对4月、7月降水响应积极并有一个月的滞后响应(p<0.05),固始植被在7-8月与降水、气温呈显著正、负相关(p<0.05),9月与最高、平均气温极显著负相关(p<0.01),10月植被对最高、最低气温存在一个月的滞后响应。[结论]流域尺度EVI、局地尺度EVI与气象因素的相关关系分别反映流域主要植被生长特点和植被变化驱动因素的地区差异,研究结果可为流域生态建设、农业可持续发展提供理论支撑。

水利工程卫星遥感监测技术应用与展望

卫星遥感监测在弥补地面测点不足、全面感知水利工程态势变化及风险源识别方面具有优势。总结分析了光学遥感、雷达遥感监测技术特点及在水利工程中的应用现状,指出遥感影像分类识别、合成孔径雷达干涉形变测量技术在工程应用中尚存在准确度和精度不高、未与工程风险评估深度融合等问题;面向水利工程建设与运行管理的应用需求,从在建工程施工进度监督、在运工程形变精准监测及风险源识别预警等3个典型应用场景,探讨了水利工程卫星遥感监测技术的业务化应用路径,剖析了尚存在遥感监测定量化及时空分辨率不足、“天-空-地”多尺度协同监测不够的技术瓶颈,展望了水利工程遥感监测技术应用的发展方向。

基于Sentinel-3A SRAL 2级产品的鄱阳湖水位评估与校准

Sentinel-3A卫星合成孔径雷达高度计(SRAL)因其时空分辨率优势在水位监测上应用潜力较大。基于2016—2018年Landsat-8与Sentinel-2光学遥感获取鄱阳湖星子站邻近水域,提取湖上Sentinel-3A SRAL 2级产品卫星测高点,提出一种卫星测高水位计算与校准方法,并结合实测水位进行评估。结果表明:Sentinel-3A SRAL 2级产品在鄱阳湖的过境数据有效率为64%,3—9月有连续覆盖数据,12月至次年2月受水位低或湖滩出露影响无有效数据;不同高程系统下的卫星观测水位与实测水位序列的一致性极显著,皮尔逊相关系数为0.999,在0.001水平上显著相关,实测水位变化量与卫星观测水位变化量的皮尔逊相关系数为1,二者的平均偏差为−0.175 m,标准差为0.084 m,其中降轨统计指标值优于升轨,枯水期则优于丰水期,以降轨枯水期指标值为最优:平均偏差、均方根误差、标准差分别为−0.082、0.107和0.076 m。以2016—2017年、2017—2018年、2016—2018年卫星测高水位与实测数据的平均偏差作为校准参数,校准水位的平均绝对偏差都为0.073 m,皮尔逊相关系数为1。研究验证了卫星测高数据计算和校准河湖水位方法的有效性,该类数据可应用于水文、气候变化研究与洪旱监测等。

基于多时相SAR的IEM和Oh模型地表土壤含水率反演与融合

基于水云模型分析植被后向散射系数的影响,采用考虑组合粗糙度定标的积分方程模型(IEM)与Oh模型,在不利用实测土壤含水率的前提下,建立基于多时相多极化SAR影像的IEM和Oh模型地表土壤含水率反演方法,以2004年5期Walnut Gulch流域ENVISAT-ASAR影像为例,采用加权平均、算术平均两种融合方法对两种模型的3期反演结果进行融合。结果表明:1)流域植被覆盖度低,各地类在植被去除前后的土壤含水率差值多期均值多在0.002 cm^(3)/cm^(3)以下,植被对反演结果的作用不显著;2)基于IEM、Oh模型反演的0720期、0805期、0824期土壤含水率的时空分布较一致,基于IEM模型反演的0714期与0818期土壤含水率较低,基于Oh模型的反演方法受影像极化方式制约,0714期、0818期土壤含水率的空间连续性差;3)基于IEM模型反演结果的均方根误差(RMSE)与偏差(Bias)低于Oh模型,其中0805期土壤含水率存在低估,而Oh模型反演结果在各期存在不同程度高估;4)考虑数据权重的加权平均方法优于算术平均方法,两种方法融合后的RMSE值降低了0.003~0.065 cm3/cm3,0720期、0805期两种方法的融合结果均改进了IEM模型反演结果偏低、Oh模型反演结果偏高的不足。该研究可为基于多时相SAR的多模型/方法土壤含水率反演以及多时相高精度土壤含水率获取提供参考。

基于Landsat与Sentinel-3A卫星数据的当惹雍错1988—2018年湖泊水位—水量变化及归因

湖泊变化是气候变化的指示器.为探索利用单一短时间尺度的卫星水位数据源估算长时间序列的湖泊水量变化的可行性,本文利用短时间尺度(2016-2018年)Sentinel-3A合成孔径雷达高度计(SRAL)作为唯一卫星水位数据源,以藏北高原内陆湖泊当惹雍错为例,结合基于Landsat光学遥感数据提取的1988-2018年的湖泊面积,综合分析2016-2018年间的非结冰期遥感湖泊面积与遥感湖泊水位变化,基于该时段范围的水位变化面积变化关系和水量估算公式,估算1988-2018年湖泊水位水量变化与2001-2018年的年内变化,并结合GLDAS产品数据与雪线变化情况初步探讨湖泊变化的可能原因.结果表明:当惹雍错近30年湖泊面积扩张明显,湖泊水位、水量增加显著,相比1988年,2018年的湖泊面积、水位、水量分别增加21.1 km^2、5.29 m、44.75亿m^3.其中1988-1998年湖泊面积水位水量有所减少,2000-2018年间湖泊变化总体呈增加趋势.2001-2018年内湖泊面积、水位、水量变化呈现干湿季特征.1996-2014/2015年湖泊水量变化为38.3亿/35.5亿m^3,水量变化趋势、变化量与以往对应时间段的研究结果具有较强的一致性.湖泊面积扩张主要发生在水下地形平缓的东南部和中西部区域.结合气候因素与雪线变化的分析表明,湖泊水量变化受降雨、气温影响复杂,长时间年际尺度上的湖泊水量增长与气温的一致性较降水量强,湖泊湿季受降水量与气温的影响都较大,其中2008-2018年的湿季降水量、气温与水量变化散点拟合的确定性系数R^2分别为0.613、0.845.该研究表明Sentinel-3A合成孔径雷达数据在湖泊水量变化估算上的潜力,为利用单一且只具有短时段数据的卫星雷达数据估算长时间序列湖泊水量变化提供依据.

基于粗糙度定标的IEM模型的土壤含水率反演

为研究基于粗糙度定标的模型进行土壤含水率反演的可行性,该文利用2幅不同时相的高级合成孔径雷达ASAR影像,以经验相关长度(lopt)代替相关长度l,实现对积分方程模型IEM(integral equation model)的粗糙度定标,以改进IEM模型对后向散射系数的模拟。在此基础上模拟了后向散射系数与土壤体积含水率(Mv)、lopt、均方根高度(hRMS)的关系,以组合粗糙度Zs(hRMS2/lopt)代替lopt与hRMS,建立土壤含水率反演的经验与半经验方法。对比2个不同时相的土壤含水率反演值与实测站点观测数据表明,经验方法下应用2004年8月18日、2004年8月24日2个时相的反演值与实测值的相关系数分别为0.785、0.837,半经验方法下则分别为0.900、0.863,表明半经验方法精度更好。该研究为利用两幅不同时相的ASAR影像获取两幅土壤含水率数据提供依据。

应用地表温度与植被指数梯形空间关系估算陆面蒸散量

提出了以Priestley-Taylor方程为基础,综合利用地面气象观测数据与卫星遥感观测数据的陆面蒸散量估算方法。其基本思路是:基于地表能量平衡原理,利用遥感观测与地面气象观测数据,计算给定气温条件下全植被覆盖与祼土地面在极湿、极干状况下的地表温度,构建每个像元的地表温度(Ts)与植被指数(VI)的理论梯形空间,进而根据该象元Ts-VI坐标点在该梯形中的位置,计算其Priestley-Taylor系数,并利用Priestley-Taylor方程估算像元的蒸散比。利用美国一个半干旱地区的地面观测数据进行了精度验证,结果表明该方法具有较理想的精度,蒸散量估算的平均绝对误差约为35.5%。

改进的劈窗算法结合Landsat 8热红外数据反演地表温度研究

将劈窗算法(SW,split window algorithm)应用于Landsat8数据进行地表温度反演,完全基于Landsat8数据本身不需要借助外部数据源,克服了传统地表温度反演依赖MODIS水汽产品外部数据造成的局限,实现利用Landsat8热红外数据反演得到较高空间分辨率的地表温度产品。以美国Walnut Gulch流域为例进行SW算法地表温度反演,并与SC算法结果、MOD11-L1地表温度产品和实测地表温度数据对比分析。结果表明,与SC(generalized single-channel algorithm)算法和MOD11-L1地表温度产品相比,SW算法应用于Landsat 8数据的地表温度反演取得较好的效果,平均误差最小为0.89K,相关系数最高为0.9841,反演结果和实测数据具有较好的一致性。

考虑生态补水目标的丹江口水库供水调度研究

利用丹江口水库弃水向南水北调中线受水区进行生态补水是缓解受水区尤其是华北地区地下水超采问题的重要途径。在保障原供水任务的基础上,确定水源区的生态补水启动条件、明确补水时机与补水量、以及揭示生态补水与其他目标间的响应关系,是发挥工程效益的关键问题。以水源区丹江口水库为研究对象,提出考虑生态补水规则的供水调度模型,明确多目标供水调度目标和边界条件;采用带精英策略的非支配排序的遗传算法(NSGA-Ⅱ)获得调度方案集和最优生态补水调度线;进一步分析丹江口水库的生态补水规模、补水时机、以及与其他供水目标间的竞争与协同关系。结果表明,丹江口水库年均生态补水量达7.617×10^(8)m^(3),生态补水时机集中在汛前3~6月,生态补水分别与弃水均值、缺水率呈竞争关系,相关研究成果可为丹江口水库向南水北调中线实施生态补水决策提供一定参考。

淮河上游区域GPM IMERG卫星降水数据应用评价

为系统评估GPM IMERG V05B卫星降水产品在淮河息县以上流域的应用,以流域内9个地面站实测雨量数据作为参考,应用统计指标、分类指标及极端降水指标,对2015~2017年GPM IMERG产品分别评价分析了日、月、年尺度上统计指标与分类指标,评估了不同雨强、极端降水探测性能。结果表明,GPM IMERG卫星降水产品与地面监测数据在日、月尺度的降水监测值表现出较好的相关性,总体呈高估现象,日尺度探测率高于0.8,但错报率、汉森和凯普斯得分不理想,月尺度上在8、9月份存在低估,年雨量误差10.0%~23.8%;GPM IMERG对小雨综合探测性能强,但错报率较高,对中雨探测精度较高;极端降水事件探测能力表现不稳定。

辽宁省资料短缺地区中小河流洪水预报方法

我国中小河流大多位于山丘区,水文站点稀少,资料短缺,而产生的洪水往往突发性强、破坏力大,中小河流洪水预报研究是重要课题。针对辽宁中小河流洪水预报特点,本文提出了一种资料缺乏地区中小河流洪水预报方法。首先收集与提取中小河流流域的下垫面、水文、气象等基本资料,采用主成分分析方法形成新指标,降低指标维数并减少相关性;利用可变模糊聚类方法对辽宁省中东部30个参证站和84个中小河流站进行水文相似性分类识别,划分为8个水文相似组;建立Topmodel洪水预报模型进行洪水模拟,对参数移植前后模拟精度进行对比分析,验证了方法的有效性与实用性。本文研究成果可为辽宁省中小河流洪水预报提供支撑,可为其他资料短缺地区洪水预报方案编制提供参考。

考虑调度时段敏感性的水库供水优化调度

针对复杂水库多目标优化调度的维数灾及易陷入局部最优的问题,提出了一种基于调度时段敏感性分析的水库调度降维新方法。该方法统一扰动年内调度时段(时间维)的不同类型调度线位置(水位或库容)参数,获得不同调度时段对目标函数的敏感度;然后以敏感时间维的各用水户调度线位置参数作为优化变量进行寻优计算;当迭代到一定代数后,再进行全局精细化搜索调度线的位置参数。实例研究表明,该降维方法在搜索效率及求解质量上均具有明显的优势,获得的调度图也具有较强的实用性。