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Noah-MP模型中积雪模拟对参数化方案的敏感性评估

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地球科学进展 2019年第4期34卷 356-365页

作者：尤元红黄春林张莹侯金亮中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃省遥感重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院西北生态环境资源研究院黑河遥感试验研究站甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

针对Noah-MP模型多参数化方案、模拟结果不确定性范围难以确定的特点,选取北疆地区具有代表性的阿勒泰站气象资料作为模型驱动数据,探讨了积雪对多参数化方案的敏感性。在不考虑模型参数和驱动数据不确定性的条件下,设计了集合数为1382... 详细信息

针对Noah-MP模型多参数化方案、模拟结果不确定性范围难以确定的特点,选取北疆地区具有代表性的阿勒泰站气象资料作为模型驱动数据,探讨了积雪对多参数化方案的敏感性。在不考虑模型参数和驱动数据不确定性的条件下,设计了集合数为13824的多参数化方案集合模拟试验。选用Natural selection方法对物理过程的敏感性进行分析,并在敏感性分析结果的基础上进一步讨论了模拟结果的不确定性。结果表明:积雪对地表热交换、雨雪分离、土壤温度底层边界条件和第一层积雪或土壤时间方案4个物理过程敏感;在不考虑驱动数据和模型参数不确定性的条件下,多参数化方案集合模拟试验中的不确定性主要来源于敏感物理过程。去除敏感物理过程中能够明显降低模拟性能的参数化方案后,集合模拟结果的不确定性大幅减小。最后,根据分析结果构建了该站雪深和雪水当量模拟的最优参数化方案组合。

关键词：敏感性分析不确定性分析多参数化方案集合模拟

被动微波遥感反演雪深与气象站观测雪深时空对比

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遥感学报 2023年第9期27卷 2060-2071页

作者：王静车涛戴礼云岳珊娜郑照军中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃省遥感重点实验室中国科学院黑河遥感试验研究站兰州730000 中国科学院大学北京100049 中国气象局国家卫星气象中心北京100081

雪深是积雪重要的物理属性之一,准确的获取雪深对积雪水文与水资源、气候变化、雪灾等研究至关重要。目前,广泛用于长时间序列雪深研究的是气象站观测雪深数据和被动微波遥感(如SMMR、SSM/I和SSMI/S)反演雪深数据。本文对这两种数据的... 详细信息

雪深是积雪重要的物理属性之一,准确的获取雪深对积雪水文与水资源、气候变化、雪灾等研究至关重要。目前,广泛用于长时间序列雪深研究的是气象站观测雪深数据和被动微波遥感(如SMMR、SSM/I和SSMI/S)反演雪深数据。本文对这两种数据的雪深最大值和平均值在中国地区的空间分布、年际变化进行对比,分析两种数据的分布特征。结果表明:空间上,站点观测雪深与站点对应遥感像元雪深在东北地区相关性最好,新疆地区次之,青藏高原地区相关性较差。两种雪深在稳定积雪区分布较为一致,在大于40 cm的深雪区和雪深小于5 cm的南方地区站点观测雪深的最大值明显高于遥感反演雪深的最大值。时间上,相比于1980年—2019年这一时间段,1989年—2019年站点雪深与遥感雪深在各典型积雪区的相关性明显提高。进而对比近30 a中国地区两种雪深的变化,结果显示两种数据在青藏高原东南部雪深有一致的显著(p站大多选址在海拔较低的地方,不能很好的反映对应微波遥感像元中高海拔地区及山区内雪深的平均分布和变化情况,而被动微波遥感雪深反演受积雪特性变化的影响,对短时间内雪深变化较大的极端降雪事件不敏感。

关键词：雪深气象站点被动微波遥感典型积雪区对比分析

西北干旱区玉米农田光合作用对地表能量平衡的影响

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兰州大学学报（自然科学版） 2018年第2期54卷 224-232页

作者：徐菲楠田志伟王维真中国科学院西北生态环境资源研究院黑河遥感试验研究站兰州730000 中国科学院大学北京100049

基于"黑河流域生态-水文过程综合遥感观测联合试验"的涡动相关通量观测数据与气象资料,拟合了张掖地区玉米农田的土壤呼吸速率,估算玉米的植物光合作用,分析光合作用对地表能量闭合率的影响.结果显示:张掖地区玉米农田土壤呼吸速率与4 c... 详细信息

基于"黑河流域生态-水文过程综合遥感观测联合试验"的涡动相关通量观测数据与气象资料,拟合了张掖地区玉米农田的土壤呼吸速率,估算玉米的植物光合作用,分析光合作用对地表能量闭合率的影响.结果显示:张掖地区玉米农田土壤呼吸速率与4 cm深度的土壤温度和土壤水分相关性最大,选取该深度处土壤温度和水分拟合土壤呼吸速率.土壤温度和土壤水分的单因子拟合模型均不适用于6月下旬玉米农田土壤呼吸速率拟合,确定了以土壤温度和土壤水分为双因子的非线性双幂模型及其参数.考虑植物光合作用时,地表能量闭合率的提升幅度为2.0%～3.5%,平均约2.7%.植物光合作用与土壤呼吸作用均表现出明显的单峰日变化趋势,前者峰值比后者提前近2 h;与土壤呼吸作用相比,植物光合作用日变化剧烈,变化幅度也较强.准确拟合土壤呼吸速率对植物光合作用估算有很大影响,对于地表能量闭合率研究,植物光合作用的贡献不容忽略.

关键词：土壤呼吸光合作用碳交换能量闭合率

机载L波段微波辐射计数据反演表层土壤水分研究

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遥感技术与应用 2017年第2期32卷 185-194页

作者：王增艳王建车涛中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049 中国科学院西北生态环境资源研究院黑河遥感试验研究站甘肃兰州730000

土壤水分是联系地球表层物质能量交换的重要纽带,准确监测土壤水分对区域气候、生态、水文及农业生产研究意义重大。机载L波段微波辐射计提供了获取区域土壤水分"真值"的有效手段。结合黑河中游航空试验中的多源遥感及地面观测,发展了... 详细信息

土壤水分是联系地球表层物质能量交换的重要纽带,准确监测土壤水分对区域气候、生态、水文及农业生产研究意义重大。机载L波段微波辐射计提供了获取区域土壤水分"真值"的有效手段。结合黑河中游航空试验中的多源遥感及地面观测,发展了一种基于0°入射角的L波段被动微波亮温数据的单通道土壤水分反演方法,获得了研究区3景约700m空间分辨率的土壤水分反演结果。并对其反演结果进行了点尺度、面尺度和村社尺度3种不同空间尺度上的验证,结果显示:L波段被动微波遥感反演土壤水分在点尺度上的验证精度在0.035~0.055m3/m3之间;面尺度上验证精度略高于点尺度,其验证偏差在0.02m3/m3以内;反演土壤水分与村社尺度的灌溉数据,即距前次灌溉的间隔日数,在空间上负相关关系明显,二者间相关系数约为0.3。

关键词： HiWATER PLMR 土壤水分被动微波尺度

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滑雪场积雪模拟研究进展

冰川冻土 2021年第2期43卷 381-389页

作者：邓婕车涛中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃省遥感重点实验室黑河遥感试验研究站甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

滑雪场的积雪条件是评价其盈利能力的关键指标。通过积雪模型准确地模拟滑雪场积雪条件对评估滑雪旅游目的地的气候风险具有重要意义,积雪模型亦可为滑雪场的造雪量和造雪时间提供科学依据。首先简要概述了滑雪场积雪模拟的发展趋势,介... 详细信息

滑雪场的积雪条件是评价其盈利能力的关键指标。通过积雪模型准确地模拟滑雪场积雪条件对评估滑雪旅游目的地的气候风险具有重要意义,积雪模型亦可为滑雪场的造雪量和造雪时间提供科学依据。首先简要概述了滑雪场积雪模拟的发展趋势,介绍了具体的模拟方法。分析发现,应用于滑雪场积雪模拟的模型从早期的经验线性模型发展为简化的物理模型,再到精细的能量平衡模型;从仅模拟自然积雪发展为结合自然积雪和人工造雪,再到细致的考虑雪道维护过程。依据对自然积雪、人工造雪和雪道维护模拟方法的不同,滑雪场的积雪模拟方法可以简单的分为两类:单点或半分布式模拟和分布式模拟。单点或半分布式模拟将滑雪场作为一个点进行研究或等间隔地选取滑雪场多个海拔带进行模拟输出平均结果,通常采用简化的能量平衡模型和基于度日因子的概念模型,以简化的假设来解释人工造雪和雪道维护过程,以相对粗糙的方式表示雪的物理性质。分布式模拟在网格或雪道上划分出来的小单元尺度上对滑雪场积雪进行模拟,采用精细的多层能量平衡模型,详细描述了滑雪场的基础设施、人工造雪和雪道维护过程。由于我国大部分地区自然积雪资源匮乏,积雪模型在我国滑雪场地应用时需重点考虑人工造雪。在雪道人工管理模式方面,一些在欧美滑雪场广泛应用的规则照搬至我国滑雪场可能会出现较大误差。最后,考虑到对滑雪场积雪进行模拟时不需要非常详细地描述雪层内部物理过程,简化的分布式融雪模型更适合用于滑雪场的积雪模拟。

关键词：滑雪场积雪模型人工造雪雪道维护

融合主被动微波遥感的高分辨率地表冻融状态识别

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冰川冻土 2023年第2期45卷 808-822页

作者：张晨晋锐中国科学院西北生态环境资源研究院黑河遥感试验研究站/甘肃省遥感重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

为细致刻画地表冻融状态及其年循环特征、长时间序列变化趋势及其与陆地生态系统的相互作用,需要进行高分辨率(1 km)的地表冻融状态识别。被动微波的低空间分辨率,无法精细描述地表冻融状态的空间变化;主动微波(合成孔径雷达)能以较高... 详细信息

为细致刻画地表冻融状态及其年循环特征、长时间序列变化趋势及其与陆地生态系统的相互作用,需要进行高分辨率(1 km)的地表冻融状态识别。被动微波的低空间分辨率,无法精细描述地表冻融状态的空间变化;主动微波(合成孔径雷达)能以较高的分辨率识别地表冻融状态,但其低时间分辨率无法准确捕捉春秋季地表冻融转换。融合主被动微波遥感信息,发展高分辨率地表冻融状态识别算法对细致刻画地表冻融状态、生产高分辨率地表冻融遥感产品具有重要意义。本文以青藏高原中部土壤温湿度观测网为研究区,采用随机森林分类算法,以升/降轨Sentinel-1σ0 VV(垂直极化后向散射)、SMAP TbV(垂直极化亮温)和辅助时空信息为输入,构建融合多源信息的高分辨率(1 km)地表冻融状态识别算法。结果表明:在降轨时,有/无主动微波信息,地表冻结期(每年1—3月)识别精度分别为100.0%/97.8%;地表融化期(每年6—10月)识别精度分别为99.1%/99.4%;地表冻融转换时期(每年4—5月)的识别精度为82.0%/74.1%;地表融冻转换时期(每年11—12月)的识别精度为95.1%/90.0%,精度有所下降。其原因是主要受到海拔、坡向及土壤质地的影响。通过对输入变量重要性排序,分析其在随机森林中的贡献可知,DOY(儒略日)、Tb_(V)、LAI(叶面积指数)、LST(地表温度)、σ_(VV)^(0)、坡向是必要的输入变量。其中σ_(VV)^(0)虽然排在第五位,但去除σ_(VV)^(0),算法在地表冻融转换时期的识别精度下降显著(春/秋季精度分别下降23.7%、9.4%),证明主动微波信息对于提高算法识别精度的重要性,因此在主动微波信息可获取时,应融合主被动微波信息进行地表冻融状态识别。高分辨率的地表冻融状态可准确划分地表的稳定冻结期、稳定融化期及冻融转换期,并反映地表冻融转换时期的空间异质性特征。

关键词：地表冻融状态主被动微波高空间分辨率随机森林分类算法信息融合

被动微波遥感在地表冻融监测中的应用研究进展

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遥感技术与应用 2018年第2期33卷 193-201页

作者：王宝刚晋锐赵泽斌亢健中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃省遥感重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049 中国科学院西北生态环境资源研究院黑河遥感试验研究站甘肃兰州730000

地表冻融过程强烈影响着地气能量交换、地表径流、作物生长和碳循环等陆地表层过程,利用微波遥感监测地表冻融循环及其相关的地表信息对气候的响应和反馈显然极其重要。随着SMOS(Soil Moisture and Ocean Salinity mission)、SMAP(Soil ... 详细信息

地表冻融过程强烈影响着地气能量交换、地表径流、作物生长和碳循环等陆地表层过程,利用微波遥感监测地表冻融循环及其相关的地表信息对气候的响应和反馈显然极其重要。随着SMOS(Soil Moisture and Ocean Salinity mission)、SMAP(Soil Moisture Active Passive mission)计划的实施,相对于早期广泛使用的C、X、K和Ka微波波段,L波段具有更低的频率、更深的穿透深度以及对土壤介电常数变化的敏感性,不仅被用于传统的地表冻融状态监测,还被扩展应用于估算土壤冻结深度、冻结速率、相变水含量等信息,显示出更广阔的应用前景。回顾了近年来被动微波遥感在地表冻融循环监测方面的最新研究进展,包含遥感监测原理、微波传感器、遥感算法等方面,重点介绍和总结了L波段在地表冻融循环遥感监测中的前沿研究,并对其应用潜力进行了展望。

关键词：地表冻融循环介电常数微波遥感 L波段

基于Copula函数的地表温度空间降尺度研究

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遥感技术与应用 2017年第5期32卷 818-824页

作者：李艳侯金亮黄春林中国科学院西北生态环境资源研究院黑河遥感试验研究站甘肃兰州730000 中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃省遥感重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

Copula函数能够用于构建粗尺度数据与细尺度数据间的二维联合分布实现降水、土壤湿度空间降尺度。为了探讨Copula函数在地表温度空间降尺度研究中的适用性,选取黑河中游荒漠绿洲区作为研究区,以2012年7月10日ASTER、MODIS地表温度影像... 详细信息

Copula函数能够用于构建粗尺度数据与细尺度数据间的二维联合分布实现降水、土壤湿度空间降尺度。为了探讨Copula函数在地表温度空间降尺度研究中的适用性,选取黑河中游荒漠绿洲区作为研究区,以2012年7月10日ASTER、MODIS地表温度影像作为数据源,开展基于Copula函数的地表温度空间降尺度研究,并利用地面实测地表温度数据对降尺度结果进行验证。结果表明:基于Copula函数的空间降尺度方法能够较好地刻画出细尺度像元的温度值,但是不易捕捉到地表温度突变区域的细节信息;能够显著地提高热红外遥感影像反演得到的地表温度数据的精度,MAE和RMSE分别从2.99K、3.87K减小至1.51K、2.36K。

关键词：地表温度 Copula函数空间降尺度黑河流域

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寒旱区内陆河流域碳通量年际变化控制机制

地球科学 2022年

作者：王同红王旭峰张松林谭俊磊张阳任志国白雪洁西北师范大学地理与环境科学学院中国科学院西北生态环境资源研究院黑河遥感试验研究站

为了解寒旱区内陆河流域碳通量的年际变化及其控制机制，使用涡度相关技术和气象观测系统同步对黑河流域典型生态系统（草地、农田、湿地、荒漠、森林）的碳通量和气象环境要素进行了长期定位观测。分析观测数据显示：黑河流域内农田（... 详细信息

为了解寒旱区内陆河流域碳通量的年际变化及其控制机制，使用涡度相关技术和气象观测系统同步对黑河流域典型生态系统（草地、农田、湿地、荒漠、森林）的碳通量和气象环境要素进行了长期定位观测。分析观测数据显示：黑河流域内农田（玉米）生长季净生态系统生产力（NEP）与总初级生产力（GPP）最大(729.81g C/m2/a与1184.60g C/m2/a)，戈壁荒漠最小(94.18g C/m2/a与134.97g C/m2/a)；湿地生长季生态系统呼吸（Reco）最大(460.22g C/m2/a)，戈壁荒漠最小(41.18g C/m2/a)。黑河上游高寒生态系统温度对NEP、GPP和Reco年际变化的解释度明显高于黑河中下游干旱生态系统，而上游高寒生态系统土壤水分对NEP、GPP和Reco年际变化的解释度低于中下游干旱生态系统。在上游的高寒生态系统中，各站点间温度与NEP、GPP和Reco为正相关，而在中下游则为负相关。浅层土壤水分在黑河流域内高寒区与和干旱区均与生态系统的NEP、GPP和Reco为正相关，上游高寒区浅层土壤水分与NEP、GPP和Reco的相关性要高于深层土壤水分，而中下游干旱区则是深层土壤水分与NEP、GPP和Reco的相关性更高。

关键词：黑河流域总初级生产力净生态系统生产力生态系统呼吸