AMSR-E土壤湿度产品在锡林浩特草地样区的精度验证

AMSR-E土壤湿度产品已逐渐应用于气象,农业等各个领域,对土壤湿度的研究,特别是干旱半干旱地区,有着重要的科研和现实意义.为了验证AMSR-E土壤湿度产品在锡林浩特草地的适用性,利用锡林浩特草地野外实验,在3 km×3km范围内,与同经纬度地面9个点的2 cm土壤体积含水量数据作产品精度验证.通过与降水量的比较,验证了AMSR-E土壤湿度产品的可靠性,通过与地面实测值的比较,验证结果表明,AMSR-E反演的平均土壤体积含水量与地面实测平均土壤体积含水量分别为13.3%和11.8%,两者土壤体积含水量的RMSE为3.7%.     

用NOAA卫星可见光和红外资料估算甘肃省东部农田区土壤湿度

应用NOAA卫星AVHRR通道1、2计算的植被指数和通道4的亮温、农业气象试验站观测的土壤湿度，并结合气象卫星完成的土地覆盖分类等资料，建立了由植被指数和亮温估算甘肃省东部农田区土壤湿度的方程。结果表明，农田土壤湿度与植被指数和亮温间均存在一定相关关系；用植被指数和亮温可以估计土壤湿度情况，并对干旱进行监测。     

CRTM微波亮温模拟对地表和云参数的敏感性分析

利用快速辐射传输模式CRTM研究了微波地表发射率和微波亮温对地表参数和云参数的敏感性问题。首先利用实测的云南思茅地面和探空资料,通过CRTM正演了12个微波通道的地表发射率和亮温,与AMSR-E卫星亮温资料进行对比,分析了模拟亮温的正演误差,研究了地表参数对微波地表发射率模拟的敏感性,并重点分析了微波亮温对地表和云雨参数的敏感性。结果表明,地表参数中土壤湿度、地表温度和植被覆盖度三者对CRTM模拟亮温影响较大,而模拟微波地表发射率主要受土壤湿度和植被覆盖度的影响;有云雨存在时,降水云比非降水云的影响大。6种云中,雨云对模拟的影响最大。晴空条件下,大部分通道的正演亮温误差在3 K以内,垂直极化较水平极化误差小。低频通道比高频通道受地表参数影响大,受云雨影响小,垂直极化比水平极化更稳定。其中10.65 V通道几乎不受云雨影响,但对地表参数非常敏感。     

基于风云三号气象卫星微波亮温资料反演东北地区土壤湿度及其对比分析

土壤湿度在陆面过程中发挥着重要作用,是联系陆地水循环和能量循环的纽带和关键环节。遥感技术可以实时地对土壤湿度进行长期、大区域动态监测,已成为监测土壤湿度的有效手段。本文基于风云三号气象卫星（FY3B）微波亮温资料,利用基于微波能量辐射传输方程的陆面参数反演模型（LPRM）反演了中国东北地区的土壤湿度（FY3B_LPRM）。把反演获得的FY3BLRPM土壤湿度与中国气象局农业气象站土壤湿度观测资料、NCEP和ERA-Interim土壤湿度再分析资料、欧洲空间局多卫星融合ECV（Essential Climate Variable）土壤湿度产品和国家卫星气象中心FY3B官方土壤湿度产品（FY3B_offical）进行了对比分析。结果表明:（1）本文反演的FY3B土壤湿度与农业气象站观测资料有较高的一致性;卫星土壤湿度整体上呈现自西向东逐渐增加的空间变化,与农业气象站观测资料较为一致;在季节变化上,两者高度相关,在大部分地区的相关系数都达到0.7以上。（2）在大兴安岭和东北三省东部等地表相对湿润的地区,FY3B_LPRM土壤湿度与NCEP、ERA-Interim和FY3B_offical土壤湿度呈现较强的负相关;再分析资料和FY3B_offical土壤湿度均无法反映该地区土壤干湿状况的季节性变化,甚至与观测资料呈反位相变化特征。FY3B_LPRM土壤湿度与欧洲空间局研发的多卫星融合ECV土壤湿度产品在绝大多数地区有较好的一致性。本文基于风云三号极轨气象卫星微波亮温反演的土壤湿度资料,可用于干旱监测、数值同化与天气预报、水文水资源等领域。     

多种土壤湿度资料在中国地区的对比分析

利用1992—2012年中国区域土壤湿度观测资料对目前使用较为广泛的5套土壤湿度资料(ERA-Interim、NCEP再分析资料、GLDAS同化资料、CPC模式资料和AMSR-E卫星反演资料)的适用性进行检验,分析5套资料对中国区域土壤湿度的时空分布特征和变化趋势的描述能力。结果表明:5套资料都能大体反映暖季中国区域土壤湿度东南湿、西北干,自东南向西北递减的分布格局以及西北干旱区和半干旱区变湿、长江流域部分地方变干的变化趋势,其中CPC资料最接近观测事实,并能较好地表现局地特征;在描述土壤湿度的季节变化和年际变化方面,GLDAS和NCEP资料与观测数据的相关性较好,能较好反映土壤湿度的时间演变特征。进一步利用检验效果较好的GLDAS、NCEP和CPC资料分别对中国区域土壤湿度时间和空间的长期变化趋势分析发现:中国区域标准化年平均土壤湿度在1948—1996年处在相对湿润期,而1996—2012年处在相对干旱期;中国区域年平均土壤湿度的空间变化特征是东部变干、西部变湿,自东北、华北至西南呈现一个干旱化带。     

SPI与K指数在阿勒泰地区应用的对比分析

干旱是限制新疆阿勒泰地区农牧业生产可持续发展最主要的自然灾害之一,研究适合该区的干旱指标,是进行有效干旱监测的基础。利用阿勒泰地区7个气象台站1961-2009年的月降水量、气温资料,计算SPI和K指数,比较分析了SPI和在该地区应用较好的K指数。结果表明：SPI计算简单,资料容易获取,而且计算结果与K指数有较好的一致性,能够较好地反映该地区干旱状况,特别是SPI可以计算不同时间尺度的指标值,能够满足不同水资源状况分析的要求。对比分析了5种时间尺度的SPI值,发现SPI能较准确地反映该地区的旱涝趋势,尤其是3、6个月时间尺度的SPI值,能较好的反应该地区的干旱发展,12个月尺度对长期连续干旱监测较好。     

用TRMM卫星微波成像仪资料遥感地面洪涝的研究

文中阐述了用热带降雨测量卫星 (TRMM )微波成像仪 (TMI)监测地面洪涝灾害的能力 ,并利用动态聚类、土壤湿度指数、极化亮温差指数、极化亮温比指数等 4种基于TMI亮温资料的方法遥感了 1998年夏季中国江淮流域的洪涝灾害。通过与机载雷达图像、星载雷达图像以及基于地面日降雨量资料的Z 指数方法确定的地面洪涝情况的对比 ,结果表明用TMI亮温资料监测地面洪涝灾害是可行的 ,遥感结果也是比较满意的     

甘肃省服务干旱指标的初步研究

利用前期底墒降水和当时降水、气温,确定了适合甘肃的干旱指数,提出了用干旱指数划分服务干旱等级的指标和气候年景划分标准。用该等级和标准与降水量、土壤湿度比较分析,能较客观地反映旱涝实际情况。     

基于FY-2C卫星资料估算四川地面降水方法研究

应用2006年6月6日00时(北京时)至7日06时四川地区的自动站降水资料和FY-2C静止卫星红外亮温资料,共3854对样本,分析发现1小时内的最低红外亮温和红外亮温增量两因子能很好地表征地面1小时累计降水量,且能有效地进行四川地面1小时降水估算,并由此建立了估算降水方法.通过对2006年8月27日13-19时,2006年8月28日04-16时两个时段估算降水结果的初步检验来看,其均方根差都小于2.0mm,随着最低亮温的增加,其均方根差也越小.由此可见,基于FY-2C静止卫星1小时内最低红外亮温和亮温增量来估算四川地面1小时降水是可行的,且效果较好.     

两种常用的春玉米干旱等级指标在东北区域的适用性检验

作物干旱等级农业气象指标是开展作物干旱监测、预警和评估的科学依据,其适用性关系到农业气象业务质量和防灾减灾效果。应用东北地区31个春玉米代表站1981 2012年逐日气象资料、土壤湿度资料、玉米生长发育观测资料及产量资料,对东北地区春玉米不同生育阶段土壤相对湿度和水分亏缺指数干旱等级指标进行应用效果检验,比较适用性差异,并利用黑龙江省2013—2016年的资料进行干旱实例分析。结果表明,土壤湿度和水分亏缺指数干旱等级指标均适用于东北区域春玉米不同生长时段干旱识别,且有较好的一致性,两套指标判定的春玉米干旱等级完全相同的占75%左右,相同和基本相同的占95%左右。两套指标对历史和近年玉米干旱事件的判识效果都较好,土壤湿度指标和水分亏缺指数的干旱识别正确率分别在80%和75%以上,土壤湿度指标判定效果更好。两套指标在玉米生育前、中期适宜性略好于后期,在东北三省的应用效果要略好于内蒙古东部,部分干旱年份水分亏缺指数判定的灾情等级偏高,因此,当两套指标判定结果存在差异时,应以土壤相对湿度指标判定结果为准。     

FY-3A/MERSI数据在山东省农田干旱监测中的应用

干旱是影响社会发展和农业生产的主要气象灾害之一。利用中国新一代极轨气象卫星FY-3A上搭载的250 m中分辨率光谱成像仪(MERSI)数据,基于垂直干旱指数(PDI),结合山东省旱情统计数据,建立了适合山东省的PDI干旱指数分级标准,在此基础上对山东省2010~2011年秋冬季的干旱状况进行了监测,并将监测结果与同期的降水、温度和干旱监测资料以及19个国家级农气站的土壤相对湿度资料进行对比分析。结果表明:基于FY-3A/MERSI 250 m分辨率卫星资料计算的PDI能够客观反映山东省旱情的空间分布和动态发展过程。PDI与对应实地观测的10 cm、20 cm土壤相对湿度之间有较好的负相关性,且20 cm的土壤相对湿度较10 cm的土壤相对湿度与PDI的相关关系更稳定。因此,利用FY-3A/MERSI卫星资料监测山东省干旱状况具有可行性,适于在干旱监测业务中推广应用。     

CLM4.0模式对中国区域土壤湿度的数值模拟及评估研究

本文利用普林斯顿大学全球大气强迫场资料,驱动公用陆面过程模式（Community Land Model version 4.0,CLM4.0）模拟了中国区域1961～2010年土壤湿度的时空变化。将模拟结果与观测结果、美国国家环境预报中心再分析数据（National Centers for Environmental Prediction Reanalysis,NCEP）和高级微波扫描辐射计（Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS,AMSR-E）反演的土壤湿度进行了对比分析,结果表明CLM4.0模拟结果可以反映出中国区域观测土壤湿度的空间分布和时空变化特征,但东北、江淮和河套三个地区模拟值相对于观测值在各层次均系统性偏大。模拟与NCEP再分析土壤湿度的空间分布基本一致,与AMSR-E的反演值在35°N以北的分布也基本一致;从1961～2010年土壤湿度模拟结果分析得出,各层土壤湿度空间分布从西北向东南增加。低值区主要分布在新疆、青海、甘肃和内蒙古西部地区。东北平原、江淮地区和长江流域为高值区。土壤湿度数值总体上从浅层向深层增加。不同深度土壤湿度变化趋势基本相同。除新疆西部和东北部分地区外,土壤湿度在35°N以北以减少趋势为主,30°N以南的长江流域、华南及西南地区以增加为主。在全球气候变暖的背景下,CLM4.0模拟的夏季土壤湿度在不同程度上响应了降水的变化。中国典型干旱区和半干旱区土壤湿度减小,湿润区增加。其中湿润区土壤湿度对降水的响应最为显著,其次是半干旱区和干旱区。     

内蒙古地区下垫面变化对土壤湿度数值模拟的影响

利用第二次全国土壤调查土壤质地数据（SNSS）和中国区域陆地覆盖资料（CLCV）将陆面过程模式CLM3.5（Community Land Model version 3.5）中基于联合国粮食农业组织发展的土壤质地数据（FAO）和MODIS卫星反演的陆地覆盖数据（MODIS）进行了替换,使用中国气象局陆面数据同化系统（CMA Land Data Assimilation System,CLDAS）大气强迫场资料,分别驱动基于同时改进土壤质地和陆地覆盖数据的CLM3.5（CLM-new）、基于只改进陆地覆盖数据的CLM3.5（CLM-clcv）、基于只改进土壤质地数据的CLM3.5（CLM-snss）和基于原始下垫面数据的CLM3.5（CLM-ctl）,对内蒙古地区2011～2013年土壤湿度的时空变化进行模拟试验,研究下垫面改进对CLM3.5模拟土壤湿度的影响。将四组模拟结果与46个土壤水分站点观测数据进行对比分析,结果表明:相对于控制试验,CLM-clcv、CLM-snss和CLM-new都能不同程度地改进土壤湿度模拟,其中CLM-clcv主要在呼伦贝尔改进明显,CLM-snss则在除呼伦贝尔以外的大部地区改进显著,CLM-ctl模拟的土壤湿度在各层上均系统性偏大,而CLM-new模拟土壤湿度最好地反映出内蒙古地区观测的土壤湿度的时空变化特征,显著改善了土壤湿度的模拟,体现在与观测值有着更高的相关系数和更小的平均偏差与均方根误差。     

干旱指数在山西逐日监测中的适用性研究

综合气象干旱指数(CI)和标准化降水指数(SPI)在逐日监测中往往会出现干旱突然加重的现象,这是由于某时段内每日降水量对当前干旱的发展贡献是等权重的。本文基于线性递减非等权重的方法对CI进行了修正,同时对加权降水量(WAP)进行了标准化(Standard WAP Index,SWI)。以山西为例,通过对比CI修正前后,即CI和CI_new(CI修正后),与SPI和SWI在不连续加重现象(UED)的总体分布、典型事例干旱演变特征以及与土壤湿度相关性等方面的差异,分析了4种干旱指数对山西逐日干旱演变的监测能力。结果表明:1)CI_new出现UED的次数较CI有了明显下降,SWI出现UED的次数也比SPI有了大幅的减少,且SWI在这4种指数中是出现UED次数最少的指数;2)CI_new和SWI较CI和SPI与同期土壤湿度的相关性均有所提高,表明修正后的CI_new和SWI更加符合土壤湿度的变化,更能反映土壤干旱的演变规律。针对干旱发展过程中不连续加重的现象,通过非等权重方法有效地减少了该现象的发生。     

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数据的广西旱区干旱指数模型研究

根据EOS/MODIS数据,采用植被状态指数(VCI)和温度条件指数(TCI)构建干旱指数(DI)遥感监测模型,应用于2004、2005年9-11月的广西旱情监测,制作了旱情时空变化的遥感图像,并与旱情实况数据进行对比分析,验证了干旱指数DI的有效性.通过对DI与TCI、VCI、NDVI和LST的相关性分析,发现TCI、VCI比LST、NDVI与DI的相关更显著,以TCI和VCI为因子构建的DI模型更适用于桂中旱区的旱情遥感监测.     

南海地区潜热输送与长江流域夏季降水的关系

利用美国NCEP的1958--2006年高斯网格月平均再分析资料,以及国家气象中心的全国160站1958—2006年月平均降水资料,使用奇异值分解（SVD）方法,分析了南海及周边地区（简称南海地区,0°-20°N、100°-125°E）夏季潜热输送和长江流域夏季降水的相关关系。结果表明,南海地区夏季潜热输送与长江流域夏季降水呈显著负相关,显著相关的区域分别是南海中部和长江以北的川北、陕南地区以及以南的东部地区,潜热输送和降水都在20世纪70年代中期出现突变。典型旱、涝年潜热通量合成分析表明,南海中部潜热输送与降水也呈明显的负相关。     

On the potential application of land surface models for drought monitoring in China

The potential of using land surface models (LSMs) to monitor near-real-time drought has not been fully assessed in China yet. In this study, we analyze the performance of such a system with a land surface model (LSM) named the Australian Community Atmosphere Biosphere Land Exchange model (CABLE). The meteorological forcing datasets based on reanalysis products and corrected by observational data have been extended to near-real time for semi-operational trial. CABLE-simulated soil moisture (SM) anomalies are used to characterize drought spatial and temporal evolutions. One outstanding feature in our analysis is that with the same meteorological data, we have calculated a range of drought indices including Standardized Precipitation Index (SPI), Standardized Precipitation-Evapotranspiration Index (SPEI), Palmer Drought Severity Index (PDSI). We have assessed the similarity among these indices against observed SM over a number of regions in China. While precipitation is the dominant factor in the drought development, relationships between precipitation, evaporation, and soil moisture anomalies vary significantly under different climate regimes, resulting in different characteristics of droughts in China. The LSM-based trial system is further evaluated for the 1997/1998 drought in northern China and 2009/2010 drought in southwestern China. The system can capture the severities and temporal and spatial evolutions of these drought events well. The advantage of using a LSM-based drought monitoring system is further demonstrated by its potential to monitor other consequences of drought impacts in a more physically consistent manner.     

四川盛夏伏旱的MODIS遥感监测方法

本文利用2006～2010年7、8月的MODIS卫星遥感资料、土壤湿度观测资料和Ci综合气象干旱指数,讨论了NDVI-Ts特征空间干、湿边的拟合方法,建立了7～8月各旬的TVDI指数计算模型.根据31个农业气象站点的土壤相对湿度观测资料,获得了5种干旱等级的观测样本,并通过样本类内离散度、类间离散度,以及与土壤相对湿度和Ci指数相关性的比较,对比分析了TVDI和VSWI两种干旱遥感监测方法对四川盛夏伏旱的监测能力,结果表明:对于四川盛夏伏旱的遥感监测来说,用TVDI指数监测比用VSWI指数监测更合适,效果更好,TVDI指数监测到的干旱区比较可靠.     

1964-2008年辽宁省旱涝时空分布特征及演变趋势

利用1964—2008年辽宁51站降水量资料,采用Z指数和区域旱涝HL指数分析了全区近45a旱涝变化。结果表明：近45a辽西、辽北以及辽东南地区单站旱涝发生频率均明显高于辽中、辽东地区;区域性洪涝指数逐渐减小,区域性干旱指数逐步增大。对辽宁51站Z指数进行了EOF和REOF分析,可知辽宁旱涝的空间分布特征除受大尺度天气系统所带来的降水量变化影响外,同时还受地理位置、海陆分布等多种因子影响。通过REOF方法可将全区分为4个区域,即Ⅰ辽西地区,Ⅱ辽北、辽西北地区,Ⅲ辽中、辽东地区和Ⅳ辽东南地区。