基于EOS/MODIS遥感数据改进式融雪模型

在中国西部的中纬度干旱和半干旱山区,融雪水是极其重要的水资源,融雪径流对河流的补给量在春季甚至可达75%以上,但是急剧的融雪也容易引发洪水,所以从水资源的有效利用和洪水预警方面看,有必要了解大范围的积雪消融状况。基于积雪层能量平衡原理建立融雪模型,利用正午过境的EOS/MODIS的Terra卫星遥感数据反演模型中的参数,结合气象数据获得瞬时的能量平衡信息,然后根据B.Sequin、B.ltier和谢贤群的研究推算日融雪量,改善了融雪模型的算法。另外采用遥感数据对雪盖进行实时监测,避免在进行融雪量估算时候对无雪区的错误估算。     

基于卫星遥感数据的森林病虫害监测与评价

森林病虫害由于在森林资源中造成的重大破坏而被人们称为“不冒烟的火灾”,其对生态系统的研究具有重要意义。现有基于遥感数据的病虫害研究多集中在森林病虫害的监测、爆发原因以及发病区域内生产力的变化情况,而对于森林病虫害发生后森林中植被指数与叶面积指数之间的相关性的变化情况还相对较少,处于需要持续性深入探讨的阶段。以加拿大不列颠哥伦比亚地区2002—2012年森林病虫害数据为基础,分析不同严重程度的病虫害对叶面积指数（LAI）与归一化植被指数（NDVI）和增强型植被指数（EVI）的影响。结果表明：① 受病虫害感染的像元在轻度（Light）、中度（Moderate）和重度（Severe）三个严重级别中,NDVI与LAI之间的相关性由弱变强,又由强变弱;② EVI与LAI之间的相关性,在轻度（Light）、中度（Moderate）和重度（Severe）三个严重级别的像元中则依次变强。这一研究将为今后利用遥感数据识别病虫害、评价生态系统影响提供基础。     

区域尺度蒸散发遥感估算——反演与数据同化研究进展

遥感技术近年来在估算区域尺度蒸散发中应用广泛。不同方法在驱动数据、模型机理和适用范围往往存在很大差别。鉴于此,阐述了基于传统方法空间尺度扩展的遥感模型,经验统计公式,特征空间法,单源、双源垂向能量平衡余项法等几类的遥感蒸散发反演方法,简要介绍了三温模型、非参数化模型、半经验模型、集成模型等常用模型。同时,分析了遥感数据同化实现连续估算区域蒸散发的主要思路,综述了基于能量平衡和基于复杂过程模型的数据同化的原理、方法演进及常用同化算法等。最后,探讨了各类区域蒸散发遥感方法的优劣、展望了模型机理完善、不确定性研究、结果验证等与蒸散发直接反演和数据同化相关的研究方向。     

土地利用类型转换对地表能量平衡和气候的影响——基于SiB2模型的模拟结果

利用SiB2 模型对中国东北地区农田、草地和森林3 种土地利用类型的地表能量平衡过程展开研究,分析不同土地利用类型对生物地球物理参数（反照率和粗糙度）、能量平衡（净辐射、潜热和显热）和气候（冠层温度）的影响。结果表明：①模型模拟的地表能量平衡与实测数据的年变化动态相似（R²>0.42）,差值保持在±30 W/m²,温度在±4 ℃。②利用相同气象数据模拟不同土地利用类型通过生物地球物理过程对地表能量平衡和气候的影响,发现森林吸收的净辐射最高且主要用于潜热分配,农田的净辐射最低且主要用于显热分配,草地净辐射和能量分配居中。③生态系统获得的净辐射主要受反照率的影响,净辐射分配受叶面积指数的调节。④冠层温度（℃）受反照率和净辐射在潜热和显热间分配的相对重要性的影响：年平均值为森林（7.7）>农田（7.64）>草地（6.67）。⑤降水对模拟结果有显著影响,是森林模拟差异的主要原因。在不同土地利用类型中,降水增加土壤水分,净辐射更多分配到潜热,较少分配到显热,降低冠层温度。     

基于遥感数据对毛乌素沙地腹部旱情等级的景观变化特征分析

目前遥感监测土壤含水率的方法较多,本次研究选取了稳定性较好、应用较为广泛且所需气象资料少的3种监测方法--SWEPDI指数法、能量指数法与TVDI指数法。以2016年4月和9月两期中高分辨Landsat8数据为数据源,分别将SWEPDI光谱法、能量指数法与TVDI指数法按不同时间、不同土层深度与对应时间的土壤含水率野外实测数据进行线性拟合,并进行各模型之间的比较,选择出更加适当的模型。同时利用景观指数在斑块类型上分析2时相土壤水分的变化趋势。结果表明：TVDI法效果明显优于SWEPDI光谱法和能量指数法,同时该方法还解决了其他方法不能连续监测土壤含水量的问题,适用于各种植被覆盖条件下以及各种土层深度的土壤水分反演。此外,选用6个景观指数分析了2016年4月与9月不同旱情等级干旱等级的景观格局变化,发现4月份PLAND指数达到了58.76%,而9月份轻旱等级的PLAND指数达到了44.16%,都占据优势地位,其中LPI、AREA_CV、AI指数的值也都达到了最大,其旱情状况有了明显的改善。     

基于植被信息遥感反演的东亚飞蝗监测研究

植被是东亚飞蝗发生和成灾的重要指示因子。运用遥感技术对植被生长进行监测,对东亚飞蝗的预测和防治具有重要意义。以河北省黄骅市为研究区,利用实地获取的植被冠层孔隙度数据反算的LAI数据以及Landsat-5 TM影像提取的各种VI数据,进行了LAI(LAI-2000改进型算法的反算结果)与TM影像上反演的VI之间的相关分析。结果表明,RDVI最适合反映研究区植被生长状况。分析RDVI与飞蝗发生面积的关系,发现两者呈负线性相关,即随着RDVI减小,飞蝗的发生面积呈线性增大。     

基于地理环境要素的叶面积指数遥感定量反演

叶面积指数(LAI)是分析冠层结构最常用的参数之一,它控制着植被的生物、物理过程,如光合、呼吸、蒸腾、碳循环和降水截获。但是通过地面直接测量来获取大面积的LAI十分困难,而传统的基于单植被指数的LAI反演方法也具有一定的缺陷。以福州市辖区与闽侯县的阔叶林和处于生殖生长阶段的水稻为研究对象,在传统单植被指数的LAI反演方法的基础上引进植被含水量、植被覆盖度和地形3个核心环境因子来建立LAI估算模型。结果表明:基于最佳植被指数与环境因子的LAI估算模型与未考虑环境因子的单植被指数LAI估算模型相比,其验证精度有所提高。其中,就阔叶林的LAI定量反演模型而言,R~2由0. 706～0. 717提升至0. 755,RMSD由0. 292～0. 297降低至0. 271;就生殖生长阶段的水稻LAI定量反演模型而言,R~2由0. 724～0. 879提升至0. 952,RMSD由0. 696～1. 054降低至0. 441,实现了较高精度的LAI定量反演模型,为福州市辖区及其周边闽侯县区域的LAI快速定量监测奠定基础。     

基于卫星遥感和再分析数据的青藏高原土壤湿度数据评估

土壤水是地表与大气在水热交换方面的关键纽带,是关键水循环要素,更是地表产汇流过程的关键控制因子。青藏高原是地球第三极,也是亚洲水塔,探讨青藏高原土壤水变化对于探讨青藏高原热力学特征变化及其对东亚乃至全球气候变化的影响具有重要意义,而获取高精度长序列大尺度土壤水数据集则是其关键。本文利用青藏高原100个土壤水站点观测数据,从多空间尺度（0.25°×0.25°,0.5°×0.5°,1°×1°）、多时间段（冻结和融化期）等角度,采用多评价指标（R、RMSE、Bias）,对多套遥感反演和同化数据（ECV、ERA-Interim、MERRA、Noah）进行全面评估。结果表明：① 除ERA外,其他数据均能反映青藏高原土壤水变化,且与降水量变化一致。而在那曲地区,遥感反演和同化数据均明显低估实测土壤水含量。从空间分布来看,MERRA和Noah与植被指数最为一致,可很好地反映土壤水空间变化特征;② 青藏高原大部分地区土壤水变化主要受降水影响,其中青藏高原西部边缘与喜马拉雅地区土壤水变化则受冰雪融水和降水的共同影响;③ 除阿里地区外,大部分遥感反演和同化数据在融化期与实测土壤水相关性高于冻结期,其中在那曲地区,遥感反演和同化数据均高估冻结期土壤含水量,却低估融化期土壤含水量。另外,遥感反演和同化数据对中大空间尺度土壤水的估计要好于对小空间尺度土壤水的估计。本研究为青藏高原土壤水研究的数据集选择提供重要理论依据。     

基于MODIS数据的华北地区遥感干旱监测研究

选择4种遥感干旱监测模型,与土壤相对湿度（RSM）和自校准帕默尔干旱指数（sc-PDSI）进行相关性分析,并探讨了研究区生长季干旱的时空变化特征。结果表明：作物缺水指数（CWSI）和植被供水指数（VSWI）更适合监测华北地区的土壤水分,在草原区和农区CWSI干旱监测较好,在森林区和荒漠区VSWI干旱监测效果较好;研究区干旱化趋势有所减缓,且2007—2011年为干旱到湿润的转折区间;干旱空间分布呈北部大于南部、西部大于东部的变化趋势,阿拉善高原的干旱最严重,而大兴安岭山脉基本无干旱发生;干旱整体上向好的趋势发展,尤其是鄂尔多斯南部、山西省、燕山山脉和华北地区-东北地区交界处的农区,且易旱区重心有向西移动的趋势,该成果可以为区域农业干旱监测提供一定的参考。     

卫星遥感结合地面观测资料对中国西北干旱区地面感热通量的估算

 利用黑河地区地-气相互作用野外观测试验研究(HEIFE)的地面观测资料,采用空气动力学方法,计算了干旱区内不同下垫面的地表热力输送系数CH值,结合由NOAA系列卫星遥感得到的反映地表植被特征的归一化差值植被指数(NDVI)资料,经拟合得到了针对不同下垫面的区域CH-NDVI参数化关系式,并对此关系式进行了合理性检验,最后,计算得到中国西北干旱区1982—2001年地面感热序列。中国西北干旱区地面感热通量的计算值与ERA-40再分析资料对比分析发现,两者在量级、地面感热分布形势和年际变化趋势等方面均较一致。目前对于区域尺度来说,在缺乏用其他方法获得较准确的区域地表热力输送系数的情况下,利用卫星遥感资料估算区域地表热力输送系数CH是较为可靠的方法。     

陇中黄土高原垂直感热平流输送对LAS和EC观测感热通量差异的影响

利用"黄土高原陆面过程试验研究(LOPEX)"2010年6月定西站的陆面过程综合观测资料,以造成大孔径闪烁仪(LAS)和涡动相关仪(EC)测量感热通量的差异为切入点,从中尺度垂直感热平流输送过程入手,将垂直感热平流输送的贡献作为地表有效能量的一部分引入EC直接观测的感热通量,对比引入前后LAS和EC测量感热通量的差异大小.结果表明:黄土高原定西观测站近地层大气垂直方向主要表现为向上运动,峰值达到0.074 m·s^-1,为垂直感热平流输送提供了必要的动力条件.尤其该地区处在半干旱区,地表受太阳辐射加热比较显著,近地层温度梯度最大可达0.39 K·m^-1,为产生垂直感热平流提供了能量基础.加入垂直感热平流输送的贡献后,EC地表能量不闭合度的日均值由直接观测的0.30缩小到0.24.修正后,LAS和EC测量的感热通量拟合的线性趋势系数由直接观测时的1.258缩小到1.186,两者差异得以缩小.     

城市地表热通量遥感反演及与下垫面关系分析

选择日本埼玉县熊谷市为研究区,应用ASTER热红外遥感图像,采用PCACA模型以及理论定位算法,对城市地表热通量的相关参数进行反演,进而分析城市下垫面不同土地覆盖类型对地表热通量以及能量平衡的影响.结果表明,PCACA模型应用于城市区域地表通量估算是可行的.这种算法可以大大减少在下垫面结构复杂的城市区域进行地表热通量估算时所需的参数,并有效降低研究结果的不确定性.研究发现,城乡不同下垫面地表覆盖类型对地表热通量的影响差异显著.不同地表下垫面类型的波文比由大到小顺序依次为:工业用地＞住宅用地＞交通用地＞公共设施用地＞旱田＞公共绿地＞水域.在相同的外部气象条件下,与城市周边的植被覆盖区相比,城市人工建筑用地具有较高的显热通量,较低的潜热通量,以及较高的波文比.由于城市地表显热通量和波文比明显高于周边植被覆盖地表,导致城市地表向低层大气供热的增加,这是城市热岛效应形成的重要机制之一.     

荒漠区粗糙度长度的确定及在模式中的应用

利用2005年进行的“绿洲系统能量与水分循环补充观测试验”第3阶段的观测资料计算了金塔试验区内戈壁和沙漠的动力学和热力学粗糙度长度,沙漠和戈壁的动力粗糙度长度分别为1.81×10-3m和1.64×10-3 m,与黑河试验结果基本一致,均为沙漠的动力粗糙度大于戈壁。试验区内沙漠和戈壁的热力粗糙度长度分别是0.28×10-3 m和0.62×10-3 m。将计算得到的粗糙度长度代入Noah陆面模式,模拟的戈壁、沙漠上的地表温度和感热通量同观测值较为一致,优于原粗糙度长度的模拟结果,大大提高了该模式在沙漠、戈壁特殊区域的模拟能力,有利于将耦合了Noah模式的中尺度模式更好地应用到绿洲系统的研究中。