AMSR-E被动微波土壤水分与降雨率时空相关性分析研究

地表土壤水分和降水具有高度相关性,是2个密切相关的地-气相互作用参量.采用同时反演获取的土壤水分和大气降水数据来研究土壤水分的变化情况,定量理解降水和土壤水分之间的物理联系,进而可以获得对反演算法改进有用的信息.采用被动微波辐射计AMSR-E反演获得的全球地表土壤水分和降雨率数据作为研究对象,一共收集了2005年10月1日至2006年10月31日之间共395 d的AMSR-E全球日土壤水分产品和升、降轨道瞬时降雨率数据.把降雨率轨道产品经过等积割圆柱投影并重采样到同日土壤水分产品相当的25 km分辨率EASE-Grid格点上.针对土壤水分和投影后得到的日降雨率数据进行每2,8,16 d的时间维平均,在空间维进行3×3、5×5、7×7格点的重采样,经时间序列对比,分析了降水对土壤水分反演的影响及其时空相关特性,并对反演参数间弱相关性出现的原因进行了探讨,这对于发现微波土壤水分和大气降雨算法的不足,提供其改进方向具有重要的指导意义.     

基于时间序列MODIS数据的川续断栽培区土壤水分变化研究

以栽培川续断为研究对象,选择贵州省黔南州龙里县、贵定县的栽培基地为试验区,利用贵州省2010年全年的MODIS植被和温度产品,采用Ts-NDVI特征空间模型,先构建温度植被干旱指数(temperature-NDVI dryness index,TVDI),再通过TVDI与土壤水分的经验关系,反演得到试验区的土壤水分分布图.利用时间序列分析,得到了试验区土壤水分的年内变化特征.从总体上看,从春末到秋初,栽培区的土壤水分比较稳定,变化相对其他时段较小.初春时节,土壤含水量最低.进入秋季后,土壤含水量变化剧烈.在冬季,土壤水分则是先上升后下降,且变化幅度最大.此外,将遥感反演结果与同一时段的两次实地测定的土壤水分进行对比验证,发现遥感反演的结果与实测值较接近.研究结果表明利用本文的方法监测中药材栽培区的土壤水分含量切实可行.     

基于GLDAS与TVDI降尺度反演土壤含水量

土壤水是连接大气降水、地表水和地下水的关键水文带,在旱寒区对于维系植被生长起到至关重要的作用.为获取相对精度较高,时空分布更广的土壤含水量数据,本文采用青藏高原2006年MODIS(moderate resolution imaging spectroradiometer)植被归一化指数NDVI(normalized difference vegetation index)数据与地温数据LST(land surface temperature)计算出青藏高原全年温度植被干旱指数TVDI(temperature vergetation dryness index);分析TVDI数据与GLDAS各层土壤含水量的相关性以及相关性的稳定性,结果表明:总体上TVDI数据与GLDAS各层土壤含水量数据呈负相关关系,其中TVDI与GLDAS第1层土壤湿度数据相关性最好,且相关性的稳定性较强;利用TVDI和GLDAS第1层数据的相关关系反演出青藏高原2006年每月土壤水分分布图,并利用月均值进行实例分析,结果表明反演结果与GLDAS数据基本吻合,仅在青藏高原南部和北部两个区域存在偏差.与原始GLDAS数据相比,TVDI反演的土壤含水量数据具有更高的分辨率(分辨率为1km),在时间尺度上,可以反演逐月的土壤水分.     

太行低山区荆条土壤水分动态及其对不同降雨量的响应

掌握半干旱地区常见灌木的土壤水分动态变化及其对不同降雨量的响应,采用土壤水分自动观测系统,结合自动气象站,对太行低山区乡土灌木荆条的土壤水分进行观测,分析了荆条土壤水分时空动态变化及其对不同降雨量的响应.结果表明:2019年,研究区生长季总降雨量为526.6 mm,降雨季节分布不均,5—7月降雨较少,8—10月降雨较多,分别占总降雨量的26.5％和73.5％.5—10月共出现24次降雨事件,其中<25.0 mm、>25.0 mm的降雨事件分别有16次和8次,分别占总降雨事件的66.7％和33.3％,累计降雨量分别为127.9 mm和398.7 mm,占总降雨量的24.3％和75.7％;在降雨前期荆条土壤水分日变化平缓,在降雨季节呈骤升缓降的趋势,土壤水分月变化与降雨量具有较好的一致性,即土壤水分和降雨量最大值均出现在8月.垂直空间上土壤水分分布呈反"S"形,即随土壤深度增加土壤水分呈先增加(10～20 cm层)、后减少(20～40 cm层)、再增加(40～80 cm层)的趋势;降雨是该地区土壤水分的主要来源,降雨量是影响补给土壤水分深度的决定因素.0～10.0 mm、10.1～25.0 mm、25.1～50.0 mm及>50.0 mm级别降雨量对荆条土壤水分的补给深度分别为10、20、60及80 cm土层.研究结果为当地植被恢复与管理提供了理论依据.     

基于无人机多光谱数据的农田土壤水分遥感监测

为了提高农田精准管理效率,基于无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)实时获取和传输的遥感数据设计了一种快速监测农田土壤水分的方法:首先,利用UAV飞行采集农田的多光谱数据,在农田选取一个代表性的重点观测区域进行随机样点土壤水分探测;然后,利用垂直干旱指数(Perpendicular Drought Index, PDI),结合样点土壤水分数据快速构建农田土壤水分反演模型,进而获得大范围的农田土壤水分监测结果.并通过6个时相获取的UAV数据和样点土壤水分数据,进行方法实验和模型精度分析,结果表明利用该方法进行农田土壤水分监测的精度较高:6个时相土壤水分反演结果的决定系数R2均在0.8以上,其中5个时相的均方根误差RMSE和系统误差SE值均小于0.1.这证明了基于UAV数据设计的农田土壤水分监测方法的有效性和可行性,可以为大范围农田土壤水分的快速监测提供方法参考.     

植株影响下大豆农田土壤水分对降雨的响应模型研究

为了研究植株影响下大豆农田土壤水分含量对降雨的响应模型,在野外开展对比试验与模型模拟研究.实验设计测定裸土、去除地上茎叶、保留地上茎叶条件下土壤水分湿润峰在降雨过程中的迁移和鼓粒期大豆根系形态.结果表明,研究区单次降雨湿润峰主要集中在015cm土层中,下移深度未触及犁底层.在大豆植株截留传导及根系促进入渗影响下,进行土壤水分研究时,需将大豆耕地土壤水分入渗划分为两个区域,即大豆植株影响区域和无影响区域.垄间区域为无影响区域,土壤水分入渗按照裸土考虑,植株周围及株间不同于垄间为植株影响区域,需要考虑植株截留传导及根系促进入渗的影响.在研究区,采用实测植株周围土壤饱和导水率0.028cm·min~(-1)代替裸土土壤饱和导水率0.021cm·min~(-1)作为模型参数,利用Richard模型进行土壤含水量模拟,3次模拟值与实测值RMSE分别为0.99%、0.94%和1.16%,产流时刻误差0.77、1.12和0.82min,模拟精度较高,说明利用实测植株周围土壤饱和导水率代替裸土土壤饱和导水率,Richard模型可以作为研究区植株影响下大豆农田土壤水分对降雨的响应模型.     

降雨对秸秆还田玉米地土壤水分空间变异性的影响

基于TDR测量的黑土区玉米地土壤水分,应用多重分形等理论研究土壤水分空间变异特征对降雨的响应.结果表明:降雨前后土壤水分均为中等变异;相对于降雨前,降雨后不同土层土壤水分空间相关范围、空间相关程度和空间变异程度随时间的变化特征有所差异;降雨前后0～20cm土层空间变异性主要由其低值造成,其他土层主要由其高值引起;降雨前与降雨后第一天土壤水分的多尺度相关程度,小于与降雨后第二天的多尺度相关程度;与降雨前土壤水分空间相关范围、空间相关程度、空间变异程度及相邻土层土壤水分多尺度相关程度随土层深度增加的变化特征相比,除降雨后第一天空间变异程度、第二天空间相关范围的变化特征与降雨前不同外,降雨后第一天和第二天其他上述特征参数的变化特征与降雨前相同.     

2001-2010年青藏高原草地生长状况遥感动态监测

基于1 970个地面实测数据,结合MODIS EVI和NDVI数据,利用留一法交叉验证方法确定了适合青藏高原地区草地生长状况的遥感反演模型,估算了2001-2010年草地生物量干重空间分布格局,分析了近10年草地生物量变化动态.结果表明:青藏高原地区MODIS的NDVI较EVI能更好地估算草地生长状况,指数模型反演的草...     

基于星载被动微波遥感的地表土壤湿度反演

为了解决传统地面测量站网络不能满足大尺度土壤水分的时、空间变化的问题，而利用微波在土壤水分反演方面具有的独特优势，总结了被动微波遥感模态反演土壤湿度的规律，提出了利用双谱模型计算土壤表面的发射率的方法，并对实验区进行了成功的地表土壤水分反演，取得了理想的结果，该成果对于利用被动遥感技术反演土壤湿度具有一定的技术推广意义。     

玛多地区基于植被指数对土壤水分的反演

采用Landsat5影像数据对青海省果洛州玛多地区植被指数和地表温度进行提取,通过地面同步测定土壤水分含量,分析三者之间的相关关系。结果发现:归一化植被指数(NDVI)与土壤水分在植被盖度较低时,二者之间存在较为明显的负相关关系r=-0.655;地表温度与土壤水分呈负相关关系r=-0.932,3种关系模型中线型模型拟合效果最好R2=0.769 0;引入变量植被温度指数TVI并对其与土壤水分做相关分析,结果发现土壤水分与TVI之间的相关系数r=-0.906,二者之间存在明显的负相关关系,3种关系模型中,幂指数模型的决定系数最高R2=0.855 0,TVI与土壤水分的拟合效果较温度与土壤水分的好,因此利用植被指数对区域土壤水分的反演是可行的。     

Comparison of sensible and latent heat fluxes during the transition season over the western Tibetan Plateau from reanalysis datasets

The sensible and latent heat fluxes during the transition season over the western Tibetan Plateau from the NCEP-1 (NCEP/NCAR Reanalysis 1), AR-II (NCEP-DOE Reanalysis 2) and ERA40 reanalysis datasets were compared and analyzed. The results show that the phase change in soil moisture has a significant effect on the sensible and latent heat fluxes over the western Tibetan Plateau (TP) due to the freezing–thawing processes during the transition from the dry to the wet period. The uncertainties in the sensible and latent heat fluxes over the western TP are quite high in the reanalysis data, and depend largely on the success of the soil moisture simulations in the models. Improving the hydrological process simulations in the land-surface models in seasonally frozen ground and in the active frozen soil layer may be an effective way of enhancing the reliability of the surface heat fluxes from the reanalysis data over the Tibetan Plateau.     

青藏高原近地面层气象要素变化特征

利用第2次青藏高原气象科学实验(TIPEX)1998年5-7月改则、当雄和昌都3个大气边界层加强观测站获取的近地面层观测资料,分析了青藏高原西部、中部和东部地区近地面层风速、温度和湿度的日变化特征及其廓线规律,给出了青藏高原地区地表空气动力学参数和地表温度变化规律,讨论了高原近地面层湍流通量特征及逆湿现象。     

青藏高原生态系统发育与生物多样性

 青藏高原是全球海拔最高的独特地域单元,对中国乃至北半球生态安全具有重要意义。本文通过分析青藏高原的地貌形成过程和气候条件,对青藏高原的生态系统与生物多样性进行基本判断,进而提出在气候变化背景下,建立涵盖青藏高原全境的生态监测体系、构建天地一体化监测体系和信息平台、生态建设项目的监测与评估3项建议,以整体提高青藏高原地区生态系统和生物多样性应对全球气候变化的能力。     

黄土山地典型覆被类型对土壤水分运动的影响

黄土高原山区土地覆被发生了巨大变化,为研究退耕还林后,覆被类型对黄土高原土壤水分的影响,对典型覆被类型的山区土地开展了不同季节土壤含水率变化监测研究.结果表明,不同深度土壤水分随季节发生了较大的变化,而相同季节不同的覆被类型对降水入渗及土壤水运动也有极大影响,且对土壤水分有效性有显著影响.植树造林有利于林地0～3m土壤水的补给,但仍会出现土壤干层,且下部土壤水的补给明显受到该干层的影响.覆被类型不同,土壤水分的变化趋势不同,当土壤水分改变后,又反作用于植被.土壤水与植被之间存在一个平衡状态,当平衡状态被打破时,直接影响植被的生长,而影响土壤水分的运动.     

CCI土壤湿度产品在中国区的降尺度与融合研究

以欧洲航天局主/被动微波遥感融合的土壤湿度产品数据为主要数据源,结合地表参数、亮度温度、土壤质地、地形、降雨等辅助数据,提出基于移动窗口的线性、非线性联合的土壤湿度降尺度模型,对中国区域2003年1—12月的CCI土壤湿度产品数据进行降尺度,提高CCI土壤湿度数据的空间分辨率,使其更适用于农业、水文模拟等精细尺度的应用要求。为了克服CCI数据冬季缺失较多的情况,利用第3代再分析资料ERA-Interim表层土壤湿度的降尺度和重采样结果与之进行融合,生成空间覆盖完整的2003—2013年中国区月1 km土壤湿度数据集,并利用站点实测数据集对其进行了验证。结果表明,依据主/被动微波融合CCI、ERA-Interim再分析土壤湿度数据以及辅助数据的基于移动窗口和线性非线性集成的中国区地表土壤湿度降尺度和融合方法,提高了CCI土壤湿度数据集的空间分辨率和空间覆盖,同时还一定程度上提高了土壤湿度的估算精度。     

Variations of geochemical compositions and the paleoclimatic significance of a loess-soil sequence from Garzê County of western Sichuan Province, China

The West Sichuan Plateau is located in the southeast margin of the Tibetan Plateau, where the climate is mainly influenced by the Indian southwest summer monsoon and the Tibetan Plateau monsoon. In this study, detailed geochemical analysis has been carried out on Ganzisi loess-paleosol sequence in Ganzê County of western Sichuan Province. The results indicate that Ganzê loess and paleosol have experienced the incipient stage of chemical weathering in dust source regions, characterized by the decomposition of plagioclase which caused the depletion of mobile elements Na and Ca. The post-depositional chemical weathering is characterized by carbonate dissolution and oxidation of Fe2＋. The variations of some geochemical indexes （such as CIA values, Na/K and Fe2＋/ Fe3＋ ratios） in Ganzisi loess-paleosol sequence indicate a gradually decreased chemical weathering intensity in the dust source regions and deposition areas since 1.15 Ma BP consistent with the general increase of global ice volume, reflecting that the arid trend since 1.15 Ma BP in the southeast Tibetan Plateau is a regional response to the global climate change. The geochemical indexes in this section also reveal an obvious drying step occurred at about 250 ka BP in this region. We interpret this drying step as a result of decreased influence of the Indian southwest summer monsoon. This decrease in monsoon moisture is probably attributable to the uplift of the southeast margin of the Tibetan Plateau at about 250 ka BP.     

A tropical paleosol at high elevation in the Yulong Mountains and its implication on the uplift of the Tibetan Plateau

A paleosol dated for about 500–700 kaBP and developed on a glacial deposit at ～3 000 m a.s.l. in the Yulong Mountains is studied using soil chemical, morphological and mineralogical methods. The analytical results indicate that this soil was formed under tropical and humid conditions and can be classified as red soil, which cannot be formed in the present alpine environment at the studied site. This implies that the southeast margin of the Tibetan Plateau has experienced intense uplift since the formation of the paleosol. According to the necessary conditions for the formation of the modern red soil in China, we estimate that the uplift height of the Plateau since 500–700 kaBP would have exceeded 800 m.     

利用GNSS信号地表穿透特性反演土壤湿度的思考

利用全球导航卫星系统干涉信号（GNSS-interferometric reflectometry, GNSS-IR）进行土壤地表湿度反演具有无需信号源、探测区域宽广等特点，受到了国内外研究机构的广泛关注. 为解决传统GNSS穿透模型结构复杂的问题，根据几何构型给出了GNSS-IR计算天线相位中心与地表实际反射面垂直距离的方法，通过仿真不同土壤湿度下的高度测量偏差，建立了与GNSS信号理论穿透土壤深度的线性关系，以及与土壤湿度的反比例关系. 考虑到卫星高度角的变化对高度反演的影响，采用修正的测高模型，并利用Lomb-Scargle谱分析的方法计算了高度测量偏差. 为减少地表植被对反演天线相位中心距离地表实际反射面垂直距离的影响，利用归一化植被指数对高度测量偏差进行了修正，同时建立了GNSS信号高度测量偏差与土壤湿度的一阶反比例模型，最后对该模型进行了验证. 结果表明，对于长时间大尺度变化土壤湿度的场景，利用GNSS信号地表穿透特性进行土壤湿度反演有着很好的效果.      

Thawing and freezing processes of active layer in Wudaoliang region of Tibetan Plateau

The interaction between permafrost and atmosphere is accomplished through transfer of heat and moisture in the overlay active layer. Thus, the research on the thermal and hydrodynamics of active layer during the thawing and freezing processes was considered a key to revealing the heat and moisture exchanges between permafrost and atmosphere. The monitoring and research on active layer were conducted because permafrost occupies about two thirds of the total area of the Tibetan Plateau. Based on the analysis of the ground temperature data and soil moisture data of monitoring near the Wudaoliang region of the Tibetan Plateau, the thawing and freezing processes of active layer were divided into four stages, i.e. summer thawing stage (ST), autumn freezing stage (AF), winter cooling stage (WC) and spring warming stage (SW). Coupled heat and water flow is much more complicated in ST and AF, and more amount of water is migrating in these two stages. Heat is transferred mainly via conductive heat flow in the other two stages, and less water migrated. Four water migration and coupled heat flow processes were addressed for the thawing and freezing stages, which are water infiltration driven by gravity, moisture advection and distillation driven by temperature and osmotic gradients, water migration driven by capillarity and unfrozen water migration driven by temperature gradient. The water content near the permafrost table tends to increase after one thawing and freezing cycle, which is the main reason for the development of thick ground ice layer near permafrost table.     

青藏高原退化草地恢复的制约因子及修复技术

 分析了退化高寒草地恢复的主要制约因素，包括植物种源、土壤微生物、土壤养分和人文因素；提出了针对这些制约因素的退化高寒草地恢复的主要途径：（1）研发乡土草种子采集、扩繁、包衣等技术，不同乡土草种种子组配及免耕补播技术，解决种源制约；（2）筛选适用于退化草地恢复的复合微生物菌种并研发菌剂，解决退化草地恢复的微生物制约； （3）研发以土壤养分调控为基础的植被恢复技术，解决退化草地恢复的土壤制约；（4）构建基于牧民新技术应用的草地适应性管理模式。分析认为，基于乡土草种、微生物、养分调控为主的物源途径的“近自然恢复”，有潜力成为青藏高原退化草地恢复的有效措施。