敦煌戈壁地表反射率光谱的旋翼无人机测量及定标评估

利用敦煌中国遥感卫星辐射校正场的星地同步观测试验,实现对我国在轨气象、海洋、陆地资源、环境减灾、测绘地震、高分、军事等系列卫星光学成像载荷太阳反射波段的绝对辐射定标,是目前的重要手段之一。然而,中国遥感卫星辐射校正场传统的地表反射率光谱星地同步测量方法是基于汽车跑场观测,不仅耗费较大的人力物力、容易造成场地破坏,而且获取的测量数据缺乏区域代表性。鉴于此,自2016年起,在敦煌星地同步观测试验中以旋翼无人机低空同步测量为主,跑场测量为辅,完成从航线设计、航高选择、仪器参数配置、采样策略、航空数据处理的全链路摸底测试。多次飞行试验表明,采用多旋翼无人机低空飞行来代替汽车跑场同步测量,不仅提高了地表反射特性测量的空间一致性和代表性,还提高了地表反射率光谱的测量效率,也对宝贵的中国遥感卫星辐射校正场敦煌戈壁场区地表进行了有效保护,极大的节约了人力物力成本。通过传统跑场测量和航飞测量的地表反射率光谱数据对比分析,发现多次测量数据的均值一致性较好,并且航飞测量的数据标准差更小。利用TERRA MODIS的同步观测来对无人机测量数据开展辐射定标评估,结果表明航飞数据的相对偏差均在5%以内,可以代替跑场数据完成定标,精度满足要求。随着无人机性能的进一步优化和提高,在不久的将来必将得到更加广泛和深入的应用,在外场定标试验领域也将发挥更大更重要的作用。

敦煌荒漠戈壁地区裸土地表反照率参数化研究

利用敦煌站观测资料，选取其中观测资料完整且连续性好的7个年份每年5-10月的地表净辐射四分量和土壤湿度资料，分析研究了敦煌荒漠戈壁地区裸土地表反照率与太阳高度角和表层土壤含水量之间的关系，结果表明：地表反照率与太阳高度角呈e指数关系，随太阳高度角的增大而减小，当太阳高度角大于40。时，地表反照率趋于稳定。表层土壤含水量的增大可导致地表反照率的减小，地表反照率与5cm深土壤湿度呈线性关系。另外，建立了敦煌荒漠戈壁地区裸土地表反照率与太阳高度角和表层土壤含水量之间的双因子参数化公式，提出了一种更加适合该地区的地表反照率参数方案，并且选取2002年6-9月的实测资料对拟合的参数化公式进行模拟验证。本文所提出的地表反照率参数化方案能够很好地再现该地区裸土地表反照率的“u”型日变化特征，可准确地模拟出地表反照率的动态变化趋势。基于此参数化方案计算得到的地表反射辐射与实测值基本一致。

初夏敦煌荒漠戈壁大气边界结构特征的一次观测研究

利用"西北干旱区陆气相互作用野外观测实验"加强期在甘肃省敦煌市气象站进行的风、温、湿探空观测资料,分析了西北典型干旱区大气边界层的结构特征和变化规律。结果表明,大气边界层厚度总体而言明显偏高,对流边界最高层厚度可超过4000m,稳定边界层也在1000m左右的高度;2750m附近为风向转变高度,其下全为偏东风,其上全为偏西风,这个风向转变高度有一定日变化,在观测的9天内每天的日变化规律保持了很好的一致性;边界层风速切变较大,大多数时候有低空东风急流出现,急流最强可达到近20m·s-1,急流高度在500m左右;边界层内比湿廓线有时在大约500m高处出现逆湿,一般以夜间更为显著。

敦煌戈壁秋初太阳分光辐射及其反照率特征

利用2010年9～10月实地观测资料,分析了敦煌戈壁地区秋初地表太阳总辐射和分光辐射及其地表反照率特征,并对比分析了不同天气条件下的辐射及反照率日变化特征,结果表明:由于季节转换,受天文因素太阳南撤的影响,地表总辐射及分光辐射强度整体变化呈下降趋势。晴天时,辐射通量日变化规则,全天呈对称分布,中午时达到最大值。阴天时,总辐射及分光辐射日变化明显受到云量的影响,辐射强度明显减小,变化呈现出无规则的锯齿型。地表对太阳总辐射及分光辐射的平均反照率变化不大,波动较小,30d变化趋势近似成直线。地表对总辐射及分光辐射加权平均反照率的平均值分别为:总辐射0.24,紫外辐射0.10,可见光辐射0.23,近红外辐射0.26。晴天时,地表对太阳总辐射、可见光辐射及近红外辐射反照率均有明显的日变化特征,早晚大,中午小。但对紫外辐射的反照率变化不明显。阴天与晴天时变化基本一致,阴天时全天平均地表反照率与晴天时基本相同。

敦煌戈壁地表风蚀起沙量的计算

利用三种不同的计算方案,根据敦煌地区的观测资料,计算了2002年4月8日沙尘天气过程中戈壁地表的风蚀起沙量(垂直尘粒通量)。结果表明:三种方法的计算结果比较接近;在风蚀起沙较严重的时段内,顺风向沙粒通量和垂直尘粒通量平均值的量级分别为10-4kg·m-1·s-1和10-8kg·m-2·s-1。通过计算结果和观测结果的比较,在地面风蚀起沙物理机制的基础上,讨论了三种计算方案各自的优缺点。

敦煌戈壁地区近地层风的变化特征

为了解敦煌戈壁地区近地层风向、风速的变化特征,利用2002-2008年"敦煌试验"在戈壁的微气象观测资料,分析了西北极端干旱的戈壁地区风向、风速的概率分布特点和日变化、年变化、年际变化的特征。结果表明:(1)该地区多为东、西风,威布尔分布能很好地拟合风速频率分布。(2)风向有明显的日变化,白天多为东风,晚上多为南风;风速有较明显的日变化,白天风速较大,夜晚风速较小。(3)风向有明显的年变化,夏季多为东北风,冬季多为西南风;风速的年变化明显,4月最大,1月最小。(4)风向没有明显的年际变化,每年各个方向出现的频率大致相同;风速有较弱逐年递减的年际变化趋势。

西北干旱区戈壁下垫面陆面过程特征的模拟研究

利用公共陆面模式Co LM(community land model),检验其在西北干旱区敦煌戈壁陆面过程特征的模拟能力。通过2008年敦煌夏季典型晴天观测资料驱动模式,对模式在敦煌戈壁地区的适应性进行研究,通过和该站点同期实测资料对比发现:公共陆面模式(Co LM)基本能较好地模拟极端干旱区,如对敦煌戈壁下垫面的地表能量通量,及对于物理量的日变化趋势模拟得均比较准确,与观测值的相关系数较高。不足之处是对于感热的模拟,白天的模拟峰值偏大,而在夜间负感热的峰值也存在偏大现象。利用辐射资料计算出该下垫面反照率为0.25,修改模式中反照率的设定后,从模拟结果来看Co LM的模拟能力有一定改进。

敦煌地区荒漠戈壁地表热量和辐射平衡特征的研究

利用 2 0 0 0年 5月 2 5日～ 6月 1 7日“敦煌试验”在戈壁的微气象观测资料 ,分析了极端干旱地区晴天、阴天和降水等天气条件下的地表辐射平衡、热量平衡和土壤温度等微气象特征的日变化规律。发现在不同天气条件微气象特征有很大变化。但观测期间的平均微气象特征与晴天比较接近 ,天气过程的影响不是很大 ,平均的总辐射、净辐射和感热通量与晴天的比值在白天基本大于 0 8。观测期间的平均Bowen比全天大于 1 ,在白天都在 1 0以上 ,最大超过 1 0 0。

敦煌戈壁地区地气温差变化特征分析

利用敦煌双墩子戈壁试验站2008年12月1日至2009年12月31日的塔站资料,分析了该地区地气温差的概率分布、日变化、日际变化、年变化和典型天气下的变化特征。结果表明:1)地气温差变化幅度较地温和气温小,分布在-1度附近有一个非常明显的峰值,观测期间出现的最小温差为-13.78℃,最大温差为35.59℃,平均温差为4.05℃。2)温差的日变化规律性强,白天为正,夜间为负,关于12点大致对称,夜间变化幅度小,白天温差变化幅度较大。3)不同季节温差日变化趋势大致相同,但变化幅度、温差大小和温差正负转变的时间有所不同。地气温差在12月最小,6月最大,按季节划分则为夏季最大,冬季最小。4)晴天、阴天和沙尘暴天气下,地气温差的变化趋势是一致的,但变化幅度、峰值和温差正负转换的时间有其各自特殊性。

敦煌戈壁地区净辐射变化特征

利用敦煌双墩子戈壁试验站2008年12月至2009年12月的塔站观测资料,分析该地区净辐射的概率分布、日变化、年变化和典型天气下的变化特征,结果表明:①净辐射在-100～0 W/m2之间存在一个明显的峰值分布区间,其年平均净辐射为43.88 W/m2;②净辐射有明显的日变化规律,最大值出现在正午,最小值出现在日落后,净辐射日变化的季节差异明显;③在晴天、阴天和沙尘天气条件下,净辐射变化特征差别较大,变化规律、极值大小和到达极值时间均不相同,不同天气下的净辐射有其各自特殊性。