HUBEX试验期间淮河流域陆面过程特征的初步分析

通过分析淮河流域能量与水份循环试验(HUBEX)1998～1999年巡回通量观测资料,发现在半湿润季风气候区,对于地表能量平衡而言潜热和感热通量在大多情况下是同等重要的,对于旱地和水田潜热甚至更主要,这与干旱、半干旱地区感热占主导地位完全不同.在晴空条件下,各层土壤温度均表现出一定的日变化特征,且其变化幅度随深度递减,在60cm深处温度日变化已减弱到1℃以下.另外60cm深度也是土壤含水量变化的转折点,因此在该区域可近似把60cm深度作为临界层.同时该流域土壤含水量的垂直廓线随天气背景和土壤类型的不同而不同,且在蒋集站6月份明显存在最大土壤含水量层.     

基于GIS的河北省雪灾致灾危险性评价

为了解河北省雪灾致灾风险水平,通过气候概率分布模式和GIS技术,研究了不同重现期下雪灾致灾强度大小及分布特征,以评估河北省雪灾致灾因子危险性.结果表明:河北省大部分地区积雪深度≥5 cm的年平均日数为6~8 d.全省年平均最大日积雪深度总体表现为西北高、东南低,张家口东北部及承德局部地区可达8.6 cm以上.河北中部地区的年均最大日降雪量相对较低,而北部张家口和承德地区则超过9.1 mm.在张家口—承德交界以及唐山地区,30年一遇积雪深度达44 cm,50年一遇高达66 cm,降雪强度跨度区间为暴雪、大暴雪和特大暴雪,其中特大暴雪高危险区主要在保定以北地区.随着重现期的增加,积雪深度与降雪量的强度与影响范围增大,致灾因子高危险区主要分布在地势较高的河北西部山区和北部张家口承德地区,相对平原而言,山区或坝上等地区气温偏低,持续低温不利于积雪融化.     

玛纳斯河流域积雪遥感地面同步观测

积雪作为冰冻圈主要组成部分,是全球能量和水循环的重要环节.利用卫星遥感技术获取的高时空分辨率的积雪分布和状态信息对寒区水资源管理、经济发展和社会稳定具有重要意义.目前,利用高分辨率光学和合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)卫星数据能够实现积雪覆盖范围的识别和雪层物化参数的反演,但识别和反演的精度在高寒山区条件下受地形影响严重.为改进现有识别和反演模型在山区条件下的适应性,以新疆天山北坡玛纳斯河流域为研究区,分别在2013年冬季积雪期和2014年春季融雪期进行了两次与SAR卫星同步的野外积雪观测,为山区积雪识别和积雪参数反演获取了地面实测光谱和积雪参数数据.对两次积雪观测的目的、方法和初步结果进行介绍.观测初步结果显示了积雪在研究区内空间分布不均一,季节性差异性明显,为后续通过高分辨率遥感手段获取山区积雪参数时间和空间变异性提供了基础.     

玛纳斯河流域山区积雪反射光谱特征分析

以新疆玛纳斯河流域为研究区,利用三次野外观测获取的山区积雪光谱数据(波段范围为350~2500nm),分析研究区内的典型地物光谱曲线特征,以及新雪、污化雪、陈雪和风吹雪的反射特性,探讨污染物类型和浓度、雪层含水量、雪粒径、雪与枯草混合物对积雪反射特性的影响,为山区积雪识别提供依据.结果表明:受污染物、雪层含水量、雪粒径、雪与枯草混合物等因素影响,污化雪、陈雪、雪与枯草混合物的光谱曲线兼有积雪与非雪地物的反射特性;在可见光波段,污化雪、陈雪的反射率有不同程度的下降,但是依然高于非雪地物的反射率;在近红外波段,新雪、污化雪、陈雪、风吹雪、雪与枯草混合物的光谱曲线在1020nm、1250nm处均出现积雪特有的吸收谷,在1080nm、1320nm、2246nm波段均出现积雪特有的反射峰.另外,污染物在降低积雪反射率的同时,使得污化雪在可见光波段的光谱曲线呈现上升趋势,即呈现污染物自身的光谱曲线特征,与其它类型的积雪形成明显对比,是区分污化雪与其它类型积雪的关键所在.     

玛纳斯河流域山区积雪的C波段SAR图像表征

首先利用光学遥感数据识别新疆玛纳斯河流域山区积雪时空分布信息,然后利用C波段合成孔径雷达图像分析非积雪期、积雪期、融雪期的积雪和无积雪覆盖地表在不同下垫面类型、不同局部入射角、不同极化条件下的后向散射系数差异、后向散射系数变化情况和干涉相干性差异,结果表明:(1)在积雪期,积雪与无积雪覆盖地表后向散射系数相近,在融雪期,积雪覆盖地表后向散射系数比无积雪覆盖地表低5~10dB;(2)从非积雪期到积雪期,HH、VV极化的后向散射系数变化较小,HV、VH极化的后向散射系数降低2~4dB;(3)从积雪期到融雪期,积雪覆盖地表HH、VV极化的后向散射系数降低约2dB,HV、VH极化的后向散射系数变化不明显,无积雪覆盖地表HH、HV、VH、VV极化的后向散射系数增加2~3dB;(4)从非积雪期到融雪期,积雪覆盖地表HH、HV、VH、VV极化的后向散射系数降低约2dB,无积雪覆盖地表HH、VV极化的后向散射系数增加1~2dB,HV、VH极化的后向散射系数变化不明显;(5)HH、VV极化方式下积雪覆盖地表相干系数明显低于无积雪覆盖地表.SAR(Synthetic Aperture Radar)图像表征分析结果对积雪及其物理状态的雷达识别研究提供科学依据.     

玛纳斯河流域山区雪粒径HJ-1卫星反演

雪粒径是影响雪面能量收支和表征积雪状态的重要参数,利用遥感手段定量反演雪粒径信息对雪水当量估算、流域水资源管理和局地气候变化研究等具有重要意义.针对新疆玛纳斯河流域山区积雪表层粒径地遥感反演,以渐近式辐射传输模型为基础建立雪粒径反演模型,利用HJ-1卫星多光谱数据得到玛纳斯河流域山区冬季积雪期和春季融雪期的雪粒径反演结果,并利用地面实测数据对反演结果进行验证,最后分析雪粒径随海拔的分布特征.结果表明:建立的雪粒径反演模型能够较好地描述雪粒径与卫星遥感信号间的定量关系;雪粒形状对反演结果影响较大,当选择适当的雪粒形状时,雪面粒径反演值与实测值较为吻合;海拔对雪面粒径的分布影响较大.     

埋管形式对水热式桥面融雪的影响

应用有限元程序建立了数值模型,利用有限差分法对稳态工况下的桥面融雪过程进行热力仿真分析,以山区温泉水为热流体介质研究了环境温度为-5℃、表面风速为2 m/s、水温为15℃条件下埋管间距、埋管深度对融雪过程中桥面温度分布及热流密度的影响规律.结果表明:埋管周围等温线分布较密,热流密度较大;埋管深度与埋管间距对桥面温度与热流密度分布的均匀性有较大的影响,较小的埋管深度与埋管间距有利于提高桥面表面温度并具有较大的热流密度,促进融雪进程和速率.综合考虑融雪效果、施工、经济性等多方面的因素,建议埋管深度为2cm,埋管间距为15cm.     

考虑积融雪的BTOPMC模型及其在岷江上游流域的应用

对于有积雪覆盖地区的径流预报来说,积雪融雪模型至关重要,它直接影响着水文模型的适用范围和模拟精度.建立了一种基于温度指标的可用于缺资料流域的积融雪模型,并与分布式水文物理模型BTOPMC进行耦合.通过在岷江上游流域的应用发现,考虑积融雪过程的BTOPMC模型平均纳希效率系数达到75.26%,而原BTOPMC模型平均纳希效率系数仅69.58%,提高了5.68%.通过比较径流模拟曲线发现,考虑积融雪后的BTOPMC模型在积雪期和融雪期的模拟流量与观测流量更为接近.     

物理性分布式水文模型参数灵敏度分析在Bukuro流域的应用

以日本Bukuro流域为例,运用Morris筛选法结合误差评价基准,对自主构建的径流-融雪耦合分布式水文模型中物理参数进行灵敏度分析.结果表明:影响降水-径流过程的土壤参数灵敏度由大至小依次为土壤垂直剖面第一层层厚、横向透水系数、垂向渗透系数、糙率;影响融雪过程的融雪参数灵敏度由大至小依次为容积传输系数、温度修正系数、积雪层表面漫反射因数;土壤垂直剖面第一层参数主要影响径流量的计算值,而土壤第二层参数值会影响模拟结果与观测值之间的时间差.本研究方法可为物理性分布式水文模型构建、验证及其在中小尺度流域应用中的参数率定提供借鉴.     

基于融雪TOPMODEL模型对玛纳斯河流域径流的模拟

冰川融雪是玛纳斯河流域径流形成的主要组成部分,为反映流域的实际情况,需考虑融雪的计算。本文采用基于融雪的TOPMODEL模型模拟玛纳斯河流域的日降雨径流过程,为克服传统度-日法所忽略掉的太阳辐射等因素,运用考虑辐射因素的温度指标法计算融雪量,模型中的地形指数统计曲线由几何锥面内切圆算法得出,并采用GLUE法分析模型参数的不确定性。模拟结果表明:地形指数在中高山区分布比较密集,降雨发生时更易产生径流;改进的温度指标法计算的确定性系数较好。说明利用改进后的融雪量算法耦合模型更适合玛纳斯河山区的日径流模拟,融雪量算法的改进不仅使模型在干旱区流域有一定的适用性,对TOPMODEL模型精度的提高具有参考价值。     

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.     

新疆西天山积雪稳定期不同下垫面雪物理特性对比

利用上海精创单双通道温湿度记录仪、Snow Fork雪特性分析仪和雪筛等仪器采集的积雪物理特性数据,对比了天山积雪雪崩站积雪稳定期不同下垫面条件下的积雪物理特性.结果表明:实验区内雪层平均温度林地最高,水泥路面最低;雪层剖面最底层的日平均温度草地最高,水泥路面最低;水泥路面温度梯度最大,林地的雪层温度梯度最小,且林地积雪剖面上层的暖中心出现时间滞后于草地和水泥路面1 h;水泥路面、草地、林地的平均含水率依次递增,分别为0.18%,0.19%,0.20%;雪层日平均相对湿度变化与雪层温度和含水率变化大致相同;草地、水泥路面、森林的上覆积雪的平均密度依次递减,分别为0.15,0.14,0.13g/m~3.林地雪层剖面上部的雪密度最小,但中部和底部的都高于草地和水泥路面的;林地的新雪质量分数最小,粗颗粒雪所占比例最大;而草地底部的深霜发育优于水泥路面和林地.     

积雪温度和深度变化特征分析

根据能量守恒原理,考虑太阳短波辐射、大气和地面的长波辐射、潜能、感热传输以及下垫面的热传导等能量之间的平衡,并考虑雪层中的温度分布,建立了一种应用气象站观测数据进行积雪表面温度和深度预测的模型。应用浙江省新昌县气象站2004年12月30日19时到2005年1月2日20时、2005年3月12日19时到3月13日10时逐时的各气象要素资料进行模拟分析,并与该时段内所测得的积雪表面温度和深度进行对比,发现日落后到日出前积雪表面温度预测值和实测值误差在1.5℃以内;在日出到日落之间用于雪面温度观测的水银温度表受太阳辐射直接照射影响,读数明显偏大,并出现正值;积雪深度预测值和实测值误差在2cm以内。因此,该模型对积雪表面最低温度和积雪深度预测具有较好的应用价值。     

基于能量平衡法的融雪模型多时间尺度模拟

选择基于能量平衡法的融雪模型,对不同时间尺度的融雪模型进行比较。尝试采用小时模型进行日温模拟,分别用线性模型和正弦-指数模型模拟温度的变化。选择三江源区18个气象站中测得积雪最多的清水河气象站、甘德气象站、达日气象站的实测资料对模型模拟结果进行验证,结果表明:基于小时尺度的融雪模型比日模型的模拟精度高;线性模型对资料要求不高,并且能更好地模拟积雪消融的过程。     

多伦多地区温度与臭氧剖面的激光雷达与SAGEⅡ卫星测量结果比较分析（Ⅰ）

对加拿大多伦多地区SAGEⅡ卫星及激光雷达探测资料,对2种观测系统所获得的大气温度及臭氧垂直分布进行了比较分析.结果表明①由2种观测系统测量的温度廓线有很好的一致性,特别是在15.5～35.5*!km的垂直区间;②在15.5～40.5*!km的垂直区间,2种观测系统的臭氧混合比的绝对误差的变化范围体积分数是±2×10-6;③大约35*!km以下,由激光雷达获得的臭氧数密度具有较高的精度,反之类推.特别,在包括臭氧数密度极大值层的21.5～35.5*!km范围内,8个剖面平均的相对误差趋于零,其垂直平均值为0.96±7.64%(1σ).     

高寒沙地柠条群落土壤水分空间分布特征研究

为探讨治理50余年人工植被恢复区地表0～100 cm深度范围内土壤水分的空间分布特征,文中选取典型高寒干旱荒漠区——共和盆地西北部沙珠玉沙区不同年代栽植的典型固沙植物—柠条(Caragana korshinskii)沙丘,采用植被样方调查和烘干法分析该地区土壤水分的空间分布特征。结果表明:(1)植被恢复年限越长,土壤含水量越低;(2)通过分析土壤水分与植被盖度的关系,发现在一定的土壤含水量条件下,植被盖度维持在一定的水平;(3)土壤含水量具有明显的季节性,与降水量的变化几乎同步;(4)各植被恢复区的土壤水分垂直分布存在季节差异性,主要表现为降水引起的表层10 cm土壤水分的变化。由此可见,植被盖度与土壤水分空间分布特征相关性对理解与探讨沙地人工生态系统稳定性机理有着重要作用。     

半干旱地区土壤湿度变化特征

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)站2006年5月至2009年12月5～80 cm的土壤体积含水量间隔半小时的数据,分析了半干旱地区土壤湿度变化特征.结果表明:5～40 cm土壤湿度有明显的季节变化,呈现出三高三低的变化特征,80 cm土壤湿度季节变化不明显;土壤湿度浅层比深层波动大,5～80 cm各层土壤体积含水量平均日较差依次为1.08％,0.57％,0.25％,0.11％,0.04％,相比于10 cm土壤体积含水量5.71％的方差,80 cm的方差只有2.69％;土壤湿度大小因土壤深度、季节和天气背景不同而有所差异,春、夏、秋季土壤湿度随深度加深呈降低型,冬季呈现增长型;随着深度的加深,上下层土壤湿度的相关性逐渐减弱,滞后时间在增加,滞后时间最短为3.5h,最长为35 h.     

2022冬奥会雪上项目选址遥感分析

河北省张家口市崇礼区主办了2022年第24届冬奥会的大多数雪上项目.利用ASTER GDEM数据和2001—2015年的MODIS积雪覆盖、积雪深度数据以及气象数据，经过格式转换、重采样、投影变换和插值，对张家口市崇礼区的高度、坡度、积雪面积、积雪深度和气温进行分析.结果表明，崇礼区的最大高程差为1 338 m,坡度为0°～63°(99.45%为0°～35°).崇礼区北部和东部的积雪覆盖度较大，最大达到79.2%,西南部积雪覆盖度较小，最小为5.3%.2001—2015年崇礼区积雪深度总体上为增加趋势，东北部积雪深度较大，最大为3.8 cm,西南部积雪深度较小，最小为1.3 cm.崇礼区的东南部坡度较高，西北部的坡度较低，高程东部高、西部低，所以雪上项目的比赛场地主要分布在崇礼区的东部.2001—2015年崇礼区冬季平均气温呈逐渐降低趋势.冬奥会举办时间选在2月，主要是因为2月的平均气温为-6.20℃,比12月和1月略高，对参赛选手的反应速度和观众的舒适度更加有利，而且2月的积雪深度为2.80 cm,比12月和1月厚，更适合进行滑雪比赛.     

松嫩平原北部季节冻土冻融过程及热量传递规律

为深入了解松嫩平原北部季节冻土冻融过程及热量传递规律,同时为东北寒区工程及寒区农业的土体环境的高效利用提供科学依据。基于松嫩平原北部季节冻土原位监测,开展季节冻土温度变化特性及分层热通量变化规律研究。结果表明：深度小于50 cm土体温度日变化明显,土体温度季节差异随着土体深度增大而减小。2017年3月3日达到最大冻深(164 cm),4月22日为最终融化日期,最终融化深度为130 cm。不同深度土体温度对地表温度响应呈滞后效应,随着土体深度的增加,滞后时间延长;季节冻土在冻融期内浅层土体受到净辐射的影响,热量交换极其频繁;随着土层深度的增加,净辐射的作用减小,热量在土体中传递的损耗增加,热量交换程度减弱,在冻结期,土体损失的热量大于吸收的热量。在整个冻融期内保持负值,冻深线以下土体中的热量持续向上传输,表明160 cm深度以下土体持续对冻土层传递热量。     

基于MODIS数据的博斯腾湖流域地表温度空间格局

为了辨析博斯腾湖流域地表温度时空分布对不同下垫面的响应特征,基于MODIS数据,利用分裂窗算法反演研究区的不同季节地表温度并对反演结果进行精度检验。结果表明:(1)MODIS地表温度产品在博斯腾湖流域的精度良好,可利用流域地表温度的空间格局研究;(2)博斯腾湖流域四季地表温度变化显著,春季温度分布在-17.02~31.52℃之间,夏季温度分布在-9.99~56.04℃之间,秋季温度分布在-16.45~37.31℃之间,冬季温度分布在-32.42~10.79℃之间;(3)不同土地利用地表温度的分布总体上沙漠/沙地的地表温度均值最高,旱地、裸岩等次之,积雪、草甸最低。内陆湖流域内地表温度和土地覆盖类型存在明显的时空差异性,在极端干旱地区绿色植被对温度降低具有一定的调节作用。