CoLM改进与多源遥感陆面数据同化系统研发

该报告以发展气候系统模式为核心,研发相关的模拟技术,确定关键物理和模发展的冠层辐射模型为三维辐射传输模型(简称3-D模型)以替换陆面模型CoLM中基于二流近似的辐射传输模块,将动力植被模块(DGVM)引入了陆面模型CoLM,实现了模型的改进;制备了2005—2010年比湿、气压、气温、风速(U,V)、降雨、入射短波辐射、入射长波辐射大气驱动数据集和土壤及植被功能型参数数据集;实现了一个高分辨率多源遥感陆面数据同化系统HDAS,包含了多种数据同化算法,并针对高分辨率陆面数据同化需要重点解决了高性能计算问题;能够在陆面过程模型的动力学框架内同化多源遥感观测以及其他观测资料,生产中国陆地区域内2005—2010年空间分辨率为5 km、时间分辨率为1 h的同化数据集。     

数据同化--一种集成多源地理空间数据的新思路

陆面数据同化是一种集成多源地理空间数据的新思路。介绍了陆面数据同化系统的概念和组成，其核心思想是把不同来源、不同分辨率、直接和间接的观测数据与模型拟结果集成为具有时间一致性、空间一致性和物理一致性的各种地表状态的数据集。介绍了国际上目前正在发展的几个陆面数据同化系统，包括NASA发展的全球化和北美陆面数据同化系统、欧洲陆面数据同化系统和中国西部陆面数据同化系统。认为在陆面数据化系统基础上发展起来的陆地信息系统将可望成为未来GIS中的重要工具。     

中国气象局陆面同化系统和全球陆面同化系统对中国区域土壤湿度的模拟与评估

土壤湿度是气候变化的重要影响因素之一,但是土壤湿度观测资料的缺乏严重制约了与之相关的研究,陆面模式模拟的土壤湿度资料可作为观测资料的重要补充,广泛应用于业务和科研。利用国家气象信息中心提供的2012年中国区域226个站点逐小时的土壤湿度观测资料,对中国气象局陆面同化系统(CLDAS)和全球陆面同化系统(GLDAS)四个陆面模式输出的土壤湿度产品进行了比较与评估,结果表明:1五个模式均可以模拟出中国区域土壤湿度的空间分布状况,但是从模拟值与观测值的偏差和相关系数来看,CLDAS的土壤湿度产品优于GLDAS;2从对选取的五个研究区域土壤湿度的模拟状况来看,CLDAS好于GLDAS,仅在江淮和西南地区的模拟存在轻微的偏差;3 CLDAS在中国区域的土壤湿度模拟上存在一定的优势,这对于土壤湿度研究和业务应用都具有积极的意义。     

CLDAS和GLDAS对中国区域土壤湿度的模拟与评估

土壤湿度是气候变化的重要影响因素之一,但是土壤湿度观测资料的缺乏严重制约了与之相关的研究,陆面模式模拟的土壤湿度资料可作为观测资料的重要补充,广泛应用于业务和科研.利用国家气象信息中心提供的2012年中国区域226个站点逐小时的土壤湿度观测资料,对中国气象局陆面同化系统(CLDAS)和全球陆面同化系统(GLDAS)四个陆面模式输出的土壤湿度产品进行了比较与评估,结果表明:①五个模式均可以模拟出中国区域土壤湿度的空间分布状况,但是从模拟值与观测值的偏差和相关系数来看,CLDAS的土壤湿度产品优于GLDAS;②从对选取的五个研究区域土壤湿度的模拟状况来看,CLDAS好于GLDAS,仅在江淮和西南地区的模拟存在轻微的偏差;③CLDAS在中国区域的土壤湿度模拟上存在一定的优势,这对于土壤湿度研究和业务应用都具有积极的意义.     

区域气候模式RegCM3产流方案的改进及数值试验

用改进的水文模型与详细陆面方案、大气模式耦合的区域气候模式模拟研究了夏季风气候陆面水文、气候特征．针对区域气候模式RegCM3中陆面方案BATS地表产流方案的不足，将更符合观测实际地考虑入渗和降水非均匀性的地表产流方案VXM并入BATS，利用改进后的区域气候模式模拟了我国1990、1991和1998年的夏季风气候，并采用我国160站的月降水资料及UNH-GRDC（University of New Hampshire，USA-Global Runoff Data Center）月径流资料对1990、1991模拟结果进行了验证．结果表明，地表产流方案的改进对区域气候模式RegCM3模拟降水的影响不大，但模拟的径流有较大提高目与实测更为一致．     

基于Landsat TM影像的陆面参数反演综合研究

本文在借助很少辅助数据的情况下,开展了利用Landsat5 TM遥感影像提取南京地区的植被指数、土地覆盖、反照率、叶面积指数、植被覆盖度和陆面温度等6种陆面参数的研究,获得了南京地区地表特征的空间差异状况。这项工作不仅为南京地区的陆面过程及大气边界层研究提供了必要的地表参数,而且对于中小尺度陆面过程研究中地表特征数据获取具有一定的参考意义。     

一次暴雨天气对陆面参数扰动的敏感性数值影响

为检验暴雨天气过程对地表参数扰动的敏感性,应用WRF2.2,给定其中的NOAH陆面模式参数(地表反照率、地表粗糙度、最小叶孔阻抗、土壤最大容积水含量)一系列初始扰动,模拟了2007年7月7～9日的南京暴雨过程.试验结果表明,此次暴雨天气过程对陆面参数的扰动比较敏感,尤其是对土壤最大容积含水量以及地表反照率扰动的影响更为明显.陆面参数的扰动首先改变感热、潜热、动量等通量,更主要的是通过陆气相互作用,改变大气底层水汽输送的环流形势,从而对暴雨强度和范围产生重要影响.     

基于陆面过程模式的热红外卫星遥感影像模拟

遥感服务于气象、气候领域的一个关键环节就是建立地表过程模式与遥感数据之间的联系,利用过程模式的可靠输出参数来模拟卫星影像,并与真实的观测数据进行对比.本文建立了一个以通用陆面过程模式(CLM)相关参数为地表输入信息,以再分析大气廓线为大气输入信息的卫星影像模拟系统,以期通过模拟数据与真实卫星数据的比较,为模式背景场、强迫场的修订及预报精度的提高服务.模拟结果表明,对于由植被和土壤等组成的自然地表,模拟的热红外卫星信号主要取决于过程模式输出的地表温度,模拟的地表方向性辐射温度与模拟的大气层顶部表观辐射温度相关性高达0.99.模拟到的表观辐射温度与AVHRR影像对应的辐射温度差异比较大,最大值超过30 K,大多数像元温差分布在-20～20 K之间.温差在高海拔地区普遍比较大,这可能是由于CLM对高海拔地区的温度估计偏低导致的.     

干旱荒漠区土壤水热特征和地表辐射平衡年变化规律研究

利用2000年9月1日至2001年8月31日期间“我国西北干旱区陆气相互作用野外观测试验”在敦煌荒漠取得的陆面过程观测资料,研究了干旱荒漠地表温度、土壤热量通量、土壤湿度和地表辐射分量、地表反照率等物理量的日循环和年循环特征及其影响机制,分析了地表温度极值特征和冻结时段、土壤热量输出和输入特征及土壤湿度的变化规律,探讨了干旱荒漠区土壤水热特征和地表辐射平衡特征所隐含的气候学意义,揭示了土壤水热特征和地表辐射平衡特征与气候和环境的关系．     

基于RS的陆面温度反演研究进展

陆面温度(LST)是研究地表和大气之间物质交换和能量交换的重要参数,利用遥感方法反演陆面温度已经成为重要的获取陆面温度的途径.回顾了热红外遥感研究,阐述了地表温度反演原理,比较了2种主要的地表温度反演方法,并重点对针对Landsat TM数据的3种温度反演算法进行了对比.利用遥感研究地表温度将向着精确化的方向发展,如何利用反演出的精确地表温度将是更加重要的工作.     

基于波谱数据库先验信息的地表参数同化反演方法

我国典型地物波谱数据库的构建为地表参数反演提供了先验信息,而时间序列遥感观测数据则能够提供反演目标参数的动态变化信息．文中将描述植被冠层反射的遥感辐射传输模型与描述作物生长变化的过程模型结合,提出了综合利用时间序列遥感观测数据和波谱库所提供的参数先验信息对农作物生长过程中的关键结构参数叶面积指数（LAI）进行反演的方法．时间序列遥感观测数据能为目标参数LAI的反演提供更多信息,而作物生长模型的引入则能够对反演过程中LAI的变化趋势进行约束．实验结果表明,利用地物波谱库中提供的参数先验信息结合时间序列遥感观测数据,采用变分数据同化算法可以明显提高具有时间变化特征的地表目标参数反演精度．     

绿洲-荒漠过渡带陆面温度与地表能量关系分析

 以实测气象资料为基础,通过波文比能量平衡法对芨芨草地地表能量进行计算,深入探讨了不同天气条件下陆面温度变化规律及其与地表能量的关系特征,建立了适合新疆准噶尔盆地东南部绿洲 荒漠过渡带的陆面温度预测模型。结果表明：① 受不同天气地表能量特征差异的影响,晴天表层土壤（5 cm、10 cm、15 cm）温度变化呈“S”型曲线,雨天与晴天相似,只是振幅减小,而阴天呈直线下降特征。其中,晴天表层土温峰值出现时间由地表向下呈现每5 cm 2.5 h的滞后性。不论何种天气,40 cm及其以下深层土温几乎没有日变化。② 各地表能量分量与表层土壤温度均表现出相关系数值随土壤深度的增加而不断减小,至20 cm负相关性达到最大。③ 各能量分量对土壤温度的影响程度表现为：土壤热通量（G）最大,其次为净辐射（Rn）和感热（H）,潜热（LE）最小。④ 除H外,不同天气条件下各能量分量与土壤温度相关性均表现为晴天>平均>阴天>雨天,土温对能量变化的反应强度（回归系数）也大体表现出相同的规律。⑤ 经过检验的陆面温度预测模型表明：湿热性能量因子（LE）对干旱区绿洲 荒漠过渡带陆面温度的影响微弱。     

疏勒河流域夏季土壤含水量时空变化

以中国西北干旱区的疏勒河流域为研究区,利用MODIS遥感数据、全球陆面数据同化系统和实测数据等,基于遥感反演及统计降尺度方法获取疏勒河流域2001-2017年夏季土壤含水量数据,开展疏勒河流域夏季土壤含水量的时空变化分析.结果表明, 2001-2017年疏勒河流域夏季土壤含水量整体呈上升趋势.流域干流上游和中下游灌区土壤含水量最高.除敦煌灌区及上游高寒区土壤含水量存在不显著下降趋势外,其余区域主要呈上升趋势.夏季土壤含水量呈6月<7月<8月的趋势,且6月土壤含水量的增加趋势最显著.整体来看,流域土壤含水量随海拔升高而增加,耕地土壤含水量普遍高于草地和林地.     

山区复杂地形条件下GF-1卫星遥感雪面反射率计算

针对山区遥感影像计算雪面反射率的难点,采用各向异性校正与地形校正相结合的方法,将研究区不同坡面方向的雪面反射率归一化至平坦地表垂直观测方向上的雪面反射率,以消除地形影响.其中,各向异性校正采用二向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)模型;地形校正采用山地辐射传输模型.遥感影像选用新疆玛纳斯河流域的高分一号卫星(GF-1)宽幅相机数据.利用同步观测的积雪光谱数据对此方法的校正能力进行验证,结果表明此方法能够消除大部分地形和大气的影响;计算的雪面反射率在非阴影区与阴影区均与实测数据相一致;该方法可为山区积雪的光学遥感研究提供技术支撑.     

遥感陆面温度

陆面温度在地气相互作用过程中扮演着十分重要的角色唯有遥感可以提供二维陆面温度分布信息，鉴于“分裂窗口”方法求取海面温度已进入业务运行，那么能否依赖“分裂窗口”数据求解陆面温度叱？长期以来人们为此急论不休。为了使方程组封闭，许多人希望于中红外我能提供更多的信息，然而中红外的使用必然会引发新问题，其一是太阳直接辐射的影响如何消除；     

基于MODIS的祁连山区陆面温度反演算法比较

基于MODIS影像,利用7种分裂窗算法对祁连山区的陆面温度参数进行了反演.通过算法间直方图对比、算法间RMS误差分析,认为Becket-Li(1990)的算法比较适合本研究区的陆面温度反演.不仅和其他算法反演结果的相对误差较小,精度上可以保证,而且算法简单,不用考虑大气水汽含量对算法造成的误差影响.通过分裂窗算法误差估计,研究区分裂窗算法反演地表温度的精度为0.5～2.7℃,其中水体和冰川积雪的估算误差较小,而植被和裸土的混合地表误差较大.     

蒸散发遥感估算方法的研究进展

传统的估算蒸散发的方法虽然能够获取相对准确的均匀下垫面的蒸散发,但大多局限于点或田间尺度,难以反映蒸散发的空间异质性.遥感作为一种高效的空间信息获取和处理手段,被认为是估算陆面蒸散发的有效途径.近30多年来,随着技术的进步,发展了从简单的经验公式到结合陆面过程模型的陆面数据同化系统等基于遥感数据估算蒸散发的方法.本文总结了遥感估算地表蒸散发各种方法的输入数据、假设、原理、优缺点,并概括了遥感估算陆面蒸散发存在的主要问题和发展趋势.     

基于CLM模型的植被覆盖变化对黄土高原气温和降水的影响研究

黄土高原位于我国第二阶梯,地理环境复杂,生态环境脆弱。本文结合GIMMS/NDVI遥感数据与气象站点观测资料开展诊断分析研究,并将其与模型模拟试验相结合,通过这种方法来研究黄土高原地区植被覆盖与气温和降水之间的作用关系。研究结果表明,黄土高原地区的NDVI、气温和降水量均具有明显的季节变化特征;1982—2006年,区域滑动平均NDVI、气温和降水的线性变化斜率分别为5E-04/10a、0.061℃/10a和-0.492mm/10a;研究区域内NDVI与气温和降水的同期滑动平均相关系数分别为0.459和-0.23,且均存在较明显的空间差异。应用CLM陆面过程模型的模拟结果表明,植被覆盖增加后,植被覆盖发生变化地区的净短波辐射有所增加,净长波辐射有所减少,导致地表吸收净辐射有增加趋势;研究区域内的感热通量和潜热通量均有所增加,且潜热通量的增加更为明显,这可能对植被覆盖增加后气温的降低产生一定影响;研究区域内的土壤含水量和地表蒸散均呈增加变化,这可能导致降水增加。但是,植被覆盖增加对区域气温降低和降水增加的影响作用有限。     

多尺度大气边界层与陆面物理过程模式的研究进展

本文以大气边界层物理、大气动力学、土壤物理、水文学和生物物理等理论为基础,研发了一系列适用于不同时空尺度的大气边界层与陆面物理过程模式：（1）基于地表能量和水分平衡方程,构建了新一代北京大学陆面物理过程模式（Land Surface Physics Process Model of Peking University,LSMPKU）;（2）基于城市街谷冠层结构以及相应物理过程,构建了北京大学单层城市冠层模式（Modified SingleLayer Urban Canopy Model of Peking University,UCMPKU）;（3）基于计算流体力学理论,构建了北京大学街区尺度模式（Block Scale Model of Peking University,BSMPKU）．通过模拟研究表明：上述模式在各自的时空适用尺度上均能很好地模拟出相应尺度上的主要大气物理过程,在与其他同类模式的对比实验中表现出明显的改进和提高．     

陆面资料精度对东莞地区WRF模拟结果的影响

为建立东莞地区空气质量模拟的气象场,基于WRF模式耦合Noah陆面过程,使用不同空间精度(3 s、30 s、120 s)的陆面资料,分析对东莞地区夏季气象场模拟结果的影响差异.结果表明:WRF模型提高陆面资料精度后,东莞地区近地面气温的模拟精度均有发生变化,白天的最高温度时间为下午16:00,最低温度时间为早上6:00.白天气温模拟值高于气象观测值(过大评估),而晚上地面气温处于过小评估.白天夜晚气温模拟效果产生差异原因是,建筑物外表对辐射的截留,白天热岛较强,地面2m高度处热岛范围扩大,同时建筑物的存在使得城市湍流动能扩大,导致模拟区温度升高;而傍晚到早上东莞地区地面风速较大平均值大于4.5 m/s以上,风向属于内陆风主要为北风和东北风,都促进地面温度快速下降,导致晚间地面气温过小评估.陆面资料对地面风速模拟的误差影响较大,提高陆面精度(30 s→3 s)后,模拟风速误差改善明显,但模拟风速值还是大于观测值处过大评估.因此,为提高东莞地区WRF模型气象场模拟效果,后期还需进一步研究多因子协同作用对WRF模拟效果的影响.