基于回归克里格的生态水文无线传感器网络布局优化

在黑河上游八宝河流域建立自动化、时空协同、智能观测的生态水文无线传感器网络,实现分布式的地面观测,对于定量刻画流域尺度时空异质性较强的生态水文要素的动态特征及其不确定性具有重要意义。在观测网设计过程中,节点的空间布局将直接影响到无线传感器网络的观测水平。为准确捕捉流域内关键生态水文要素的时空变异性和场分布,探讨了一种基于回归克里格模型的空间采样布局优化方法,并以地表温度观测网优化为例,应用到八宝河流域生态水文无线传感器网络布局方案设计中。研究结果表明,该优化方法同时考虑了目标变量与环境变量之间的相关关系以及残差在空间上的自相关特征,可以同时优化目标变量的地理空间和属性空间。优化后的无线传感器网络可以较好地捕捉流域内生态水文要素的时空动态特征。     

黑河流域生态水文传感器网络设计

在黑河上游八宝河流域和中游盈科灌区,以无线传感器网络为纽带,高效集成流域尺度内密集分布的、多源异构传感器的各种气象、水文及生态观测项目,建立自动化、智能化、时空协同的、各观测节点远程可控的生态水文传感器综合观测网络;通过优化地面采样方案,精细观测和准确度量流域尺度内空间异质性较强的关键水文生态要素的时空动态过程、时空变异性和不确定性;研究针对星载/机载遥感真实性检验的地面传感器采样方案,精细验证遥感反演精度,深入挖掘各种遥感手段在流域综合观测中的作用和潜力;全面提高流域水文生态过程的综合观测能力和观测自动化水平。     

无线传感器网络在冰川环境监测中的应用研究

冰川作为淡水库存资源和气候指示器,对其观测手段的改进非常重要.集成了传感器、嵌入式操作系统、无线网络技术的无线传感器网络,是一种全新的信息获取与处理技术,在环境监测中具有很好的应用和优势.针对无线传感器网络在极端环境冰川监测中的应用进行了分析,给出了部署的网络结构,传感器节点的数据传输途径,以及冰川环境下无线传感器网络需要关注的操作系统功能、传感器材质、长时间能耗、冰下部署的通讯能力等问题,并提出了需要改进的技术方面问题.结合集成网络摄像机,利用Google Earth、 Google SketchUp等技术给出了构建全天候的观测网络和实时数据展示平台的措施.讨论了将特定冰川观测区域的无线传感器网络的观测数据,与天空中的遥感卫星监测数据进行结合,构成"天地一体化"的监测研究系统的可行性.     

黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验总体设计

介绍了"黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验"的背景、科学目标、试验组成和试验方案。试验的总体目标是显著提升对流域生态和水文过程的观测能力,建立国际领先的流域观测系统,提高遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。由基础试验、专题试验、应用试验、产品与方法研究和信息系统组成。其中,①基础试验:搭载微波辐射计、成像光谱仪、热像仪、激光雷达等航空遥感设备,开展一系列关键生态和水文参量的观测;发展遥感正向模型及反演和估算方法。形成覆盖全流域的水文气象综合观测网,为流域生态—水文模型研究提供更有代表性的模型参数、驱动数据及更高精度的验证数据。构建无线传感器网络,度量生态水文模型所需的若干关键的驱动、参数和模型状态的空间异质性。开展航空遥感定标和地基遥感试验。依托传感器网络,并辅之以地面同步和加密观测,开展遥感产品真实性检验。②专题试验:开展"非均匀下垫面多尺度地表蒸散发观测试验",采用密集的涡动相关仪、大孔径闪烁仪与自动气象站的观测矩阵,为揭示地表蒸散发的空间异质性,实现非均匀下垫面地表蒸散发的尺度扩展,发展和验证蒸散发模型提供基础数据。③应用试验:在流域上、中、下游分别开展针对积雪和冻土水文、灌溉水平衡和作物生长、生态耗水的综合观测试验,将观测数据和遥感产品用于上游分布式水文模型、中游地表水—地下水—农作物生长耦合模型、下游生态耗水模型,通过实证研究提升遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。加强试验将在2012年5月起按中游、上游、下游的顺序展开,全流域持续观测期为2013—2015年。在各类试验的支持下,开展全流域生态—水文关键参量遥感产品生产,发展尺度转换方法,建立多源遥感数据同化系统。     

黑河流域遥感—地面观测同步试验：科学目标与试验方案

介绍了黑河流域遥感-地面观测同步试验的科学背景、科学问题、研究目标以及观测试验方案和观测系统布置.总体目标是,开展航空-卫星遥感与地面观测同步试验,为发展流域科学积累基础数据;发展能够融合多源遥感观测的流域尺度陆面数据同化系统,为实现卫星遥感对流域的动态监测提供方法和范例.以具备鲜明的高寒与干旱区伴生为主要特征的黑河流域为试验区,以水循环为主要研究对象,利用航空遥感、卫星遥感、地面雷达、水文气象观测、通量观测、生态监测等相关设备,开展航空、卫星和地面配合的大型观测试验,精细观测干旱区内陆河流域高山冰雪和冻土带、山区水源涵养林带、中游人工绿洲及天然荒漠绿洲带的水循环和生态过程的各个分量;并且以航空遥感为桥梁,通过高精度的真实性验证,发展尺度转换方法,改善从卫星遥感资料反演和间接估计水循环各分量及与之密切联系的生态和其他地表过程分量的模型和算法.由寒区水文试验、森林水文试验和干旱区水文试验,以及一个集成研究--模拟平台和数据平台建设组成.拟观测的变量划分为5大类,分别是水文与生态变量、驱动数据、植被参数、土壤参数和空气动力参数.同步试验在流域尺度、重点试验区、加密观测区和观测小区4个尺度上展开.布置了加密的地面同步观测、通量和气象水文观测、降雨、径流及其他水文要素观测网络;使用了5类机载遥感传感器,分别是微波辐射计、激光雷达、高光谱成像仪、热红外成像仪和多光谱CCD相机;获取了丰富的可见光/近红外、热红外、主被动微波、激光雷达等卫星数据.     

黑河流域水文信息系统设计与实现

水文数据建模和数据共享是流域科学研究的重点工作, 也是"数字流域"研究的基础.目前集成观测数据和环境信息的流域信息基础设施已经成为"数字地球"技术在流域科学方面的重要应用.以水文数据模型和"协同促进水文科学发展大学联盟"水文信息系统(CUAHSI-HIS)为原型, 设计一个适合于黑河流域的集流域地理数据库、 观测系统数据库和数据共享发布系统于一体的流域水文信息系统.系统实现集成各种观测数据类型、 数据来源及观测数据的流域观测数据库, 通过统一地表和地下水的通用数据模型实现流域地表水和地下水信息的一体化存储管理, 同时存储、 组织和在线共享发布流域相关的观测数据和空间数据, 为流域科学研究提供在线生态环境数据的网络服务以及相应的流域观测数据服务, 有效的推动流域科学计划的研究.     

数字黑河的思考与实践4:流域观测系统

数字化的流域观测系统是数字流域的重要组成部分.①首先介绍了水循环卫星遥感和地面观测的最新进展,以及航空遥感在流域观测中的重要作用.②介绍了对于流域观测系统的构想.认为流域观测系统应兼顾陆面过程、水文、生态观测的不同空间尺度和时间尺度,监测与控制试验并重,地面与遥感配合,重视采样设计,重视新兴观测手段,与信息系统扣模型高度集成,科学目标导向,模型需求驱动.③黑河流域观测系统由位于流域上中下游不同景观带的野外研究站、综合观测试验以及气象水文业务化观测网络组成,在流域内先后开展了HEIFE实验、金塔试验和黑河综合遥感联合试验.④介绍了对于流域观测系统的进一步构想:增强遥感观测能力是关键,集成遥感、地面观测和模型模拟才能更好地定量估计水循环,流域观测系统应和信息系统、综合模型等共同构成流域科学研究的信息基础设施,更好地为流域科学服务.     

黑河流域生态水文样带调查

样带研究是研究全球变化与陆地生态系统关系最有效的途径之一。通过在黑河流域上、中、下游分别确定具有代表性的流域样带和空间网格,系统调查植被、土壤、水文、地貌和气候特征及人类活动和社会经济特征,建立相应的数据库。完善流域整体概念的野外观测试验研究网络,形成以流域为单元、科学问题为导向的生态—水文过程的数据—模拟研究平台,使我国流域生态水文研究进入国际先进行列。     

黑河流域上游寒区水文遥感-地面同步观测试验

介绍了黑河流域上游寒区水文遥感-地而同步观测试验,论述了试验目标与研究内容、试验区的选择设计以及寒区水文长期观测试验.上游试验以理解寒区水文过程、提高寒区定量遥感水平为主旨,以积雪和冻土为主要研究对象,开展了微波辐射计、高光谱成像仪航空遥感和地面同步观测,并选择典型小流域进行长期寒区水文过程观测与研究.试验集中在冰沟积雪小流域、阿柔草场和扁都口裸露耕地3个不蚓地表覆盖区,以积雪和冻土变量与参数的测量为主.同步试验在流域尺度、重点试验区、加密观测区和观测小区4个尺度上展开,分别布置了加密的地面同步观测、通量和气象水文观测、降雨、径流及其它水文要素观测网络;航空飞行传感器分别采用微波辐射计、高光谱成像仪、热红外成像仪和多光谱CCD相机,收集获取了试验区丰富的可见光/近红外、热红外、主被动微波等卫星数据.通过试验,初步构建了上游寒区航空-卫星-地面综合数据集,可以应用于改进和验证寒区陆面/水文过程模型.     

基于生态流量阈值的河流水文健康演变定量归因

环境变化改变了河流水文情势,影响了河流的生态系统健康,亟需开展变化环境下河流水文健康演变定量归因方法研究。选取北方半干旱地区老哈河流域为研究区,依据流域内3个水文站、17个雨量站和6个气象站1964—2016年数据,基于可变下渗容量模型还原河流的天然流量序列;采用概率密度法计算河流生态流量,基于生态流量阈值推求河流水文健康等级;基于"观测-模拟"对比分析法,定量分离气候变化和人类活动对河流水文健康情势的影响。结果表明:人类活动是甸子和太平庄子流域自1980年以来河流水文健康情势退化的主要原因,其贡献率分别为86.9%和87.9%;大面积农业灌溉用水引起地表径流下降以及水利工程改变天然水文情势,影响了河流水文健康情势;90年代降水量较为充沛,研究流域受人类活动影响程度较小,河流水文健康等级维持在较高的水平。综合生态流量阈值和"观测-模拟"对比分析方法可定量识别河流水文健康情势演变原因,为适应环境变化的河流健康管理提供科学依据。     

合肥数字地震遥测台网观测系统的设计与应用

本文主要描述了合肥数字地震遥测台网观测系统的技术原理和设计过程。认为根据台网功能和技术环境,建设一个全无线的数字地震遥测台网(由数字遥测台、数字中继站、中网接收处理中心组成)是可能的。     

地下水支撑生态系统研究综述

地下水支撑生态系统（GDEs）是指部分或全部依赖于地下水的生态系统,开展GDEs研究,不仅对于了解GDEs的生态水文特征和过程具有重要学术价值,而且对于保护地下水生态环境、促进地下水可持续利用具有重要的现实意义。通过GDEs的自然和人类活动影响因素、GDEs的类型划分与识别方法、GDEs的生态水文过程模拟等方面的综述,探讨了当前存在的问题,并对未来研究趋势进行了展望。综述认为,GDEs主要受气候变化和地下水利用的影响;GDEs的类型划分要方便野外调查和管理;GDEs的识别,要综合利用水文地质调查、"3S"技术和地下水动物取样分析的方法。建议今后GDEs生态水文过程的模拟要侧重于地表水和地下水的相互作用以及地下水对植被、溶质输移和热交换等方面的贡献大小的研究。     

半干旱区景观格局与生态水文过程研究进展

景观格局和生态水文过程之间具有紧密的联系和相互作用,在半干旱地区这种联系尤为显著,是地球科学研究的重要前沿领域.尺度效应在两者关系中起重要作用,不同尺度下两者相互作用机制有很大差异.归纳总结了半干旱地区景观格局与生态水文过程的研究现状与进展,包括二者相互作用机理、影响因素、干扰、尤其是人为干扰对这种相互作用的影响,以及模型模拟等.以尺度为线索,在斑块、坡面和流域尺度进行展开.最后,提出了半干旱地区景观格局与生态水文过程研究中存在的问题、热点和趋势,包括物理机制、干扰后的恢复机制、模型发展、流域尺度集成及尺度转换.     

空间尺度转换与跨尺度信息链接:区域生态水文模拟研究空间尺度转换方法综述

空间尺度转换是近年来区域生态水文研究领域的一个基本研究问题。其需要主要是源于模型的输入数据与所能提供的数据空间尺度不一致以及模型所代表的地表过程空间尺度与所观测的地表过程空间尺度不吻合。综述了目前区域生态水文模拟研究中常用的空间尺度转换研究方法,包括向上尺度转换和向下尺度转换。详细论述了2种向下尺度转换方法: 统计学经验模型和动态模型。前者是通过将GCM大尺度数据与长期的历史观测数据比较从而建立统计学相关模型, 然后利用这个统计学经验模型进行向下的空间尺度转换. 然而动态模型并不直接对GCM数据进行向下尺度的转换,而是对与GCM进行动态耦合的区域气候模型(RCM) 的输出数据进行空间尺度转换. 通常后者所获得的数据精度要比前者高,但是一个主要缺点就是并不是全球所有的研究区域都有对应的RCM。还详细论述了2种向上尺度转换方法: 统计学经验模型和斑块模型。前者是建立一个能代表小尺度信息在大尺度上分布的密度分布概率函数, 然后利用这个函数在所需的大尺度上进行积分而求得大尺度所需的信息。而后者是根据相似性最大化原则将大尺度划分为若干个可操作的小尺度斑块,然后将计算的每个小尺度斑块的信息平均化得到大尺度所需的信息。通常在计算这种斑块化的小尺度信息的时候,对每个小尺度也会采用统计学经验模型来计算代表整个斑块小尺度的信息。建议用斑块模型与统计学经验模型相集合的方法来实现向上的空间尺度转换     

基于PCRaster的流域非点源氮磷负荷估算

以太湖流域上游的西笤溪流域为研究区,应用动态环境模拟语言PCRaster构建月水文和氮磷营养物质输出模型,分析流域内氮磷输出的时空分布特征。以输出系数法为基础,将分布式水文模型与非点源负荷模型相结合,应用地理信息技术构建基于栅格的非点源污染模拟模型,根据1988~2007年的水文、水质实测数据对模型进行率定和验证,定量分析西笤溪流域非点源污染负荷量与氮磷输出的空间分布。研究结果显示:基于单元网格的月水文模型在该流域具有较好的应用效果,率定和验证期的Nash系数和线性相关系数R2均超过了0.80。应用模型估算西笤溪流域非点源污染2002~2005年总氮年输出量为1 670~2 035t/a,2002~2007年总磷输出量为102~164t/a。氮磷负荷的空间分布表明以稻麦或水稻/油菜轮作的农田是非点源污染的最主要来源。     

基于文献计量分析我国生态水文学研究现状及热点

利用中国期刊全文数据库（CNKI）、万方数据库和维普中文期刊全文数据库,通过检索2000-2015年我国以中文形式刊载的生态水文学领域的成果论著,采用文献计量分析方法,系统分析了国内生态水文学研究领域的发展现状,剖析了主要研究知名机构的热点研究主题,讨论该研究领域的国内研究热点及前沿方向。结果表明：生态水文过程、效应以及不同尺度的生态水文模型是现阶段生态水文学的前沿热点,生态需水（量）、干旱区的生态水文过程、森林水文生态作用及其资源和环境效应、河湖湿地植物与水关系及其水环境效应以及陆地生态系统水碳耦合关系等,一直是生态水文学关注的焦点。2000-2008年是我国生态水文学领域研究高速发展阶段,2009-2015年进入平稳调整阶段。中国科学院、中国水利水电科学研究院和北京师范大学等是我国生态水文学研究的主力机构。     

内陆河流域生态-水文本体的构建方法及应用

大于10×10⁴ km²的大尺度流域建模面临诸多挑战, 在过程理解、数学表达、尺度转化、生态与水文过程的耦合机制等方面尚存在瓶颈. 基于本体的建模方法, 依据本体表示的多级过程, 将已有模型拆分成组件, 用户根据需求添加组件得到定制模型, 通过语义重组与技术创新, 为大尺度流域模型集成提供新的思路. 以黑河流域生态水文研究为范例, 在解释生态水文本体内涵、分析现有本体构建方法的基础上, 提出“基于知识的生态-水文本体构建方法”, 通过荒漠生态系统生态-水文本体的构建, 证明了该方法的有效性与可行性.     

A Preliminary Study of the Validation of Land Surface Models with Large Aperture Scintillometer Data

The application of large aperture scintillometer observations to the validation of land surface models has important significances in better understanding and describing the influences of land surface processes on climate change. With observational data from stations, field survey data, and remote sensing data, the land surface processes of Miyun and Arou, two typical flux observation stations in northern China, were simulated by SiB2 model at the spatial scale of 1km². The simulation was validated by the sensible heat fluxes obtained by Large Aperture Scintillometer (LAS) and Eddy Covariance measurement (EC). The results showed that: ①SiB2 has given a good simulation of the sensible heat flux as well as its diurnal variation and seasonal variation; ②The validation of large scale simulation by LAS can avoid the disadvantage of EC, such as energy disclosure and spatial scale differences with model simulation, and could give better results.