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国家“973”项目:全球陆表能量与水分交换过程及其对全球变化作用的卫星观测与模拟研究
时间:2016-08-29

  一、项目概况                    

  该项目由施建成研究员任首席科学家,将研究全球问题的两大手段(模型和观测)有机地结合起来,以期提高对全球陆表能量和水分交换过程的模拟能力,揭示不同区域的时空特征及其对全球气候系统的影响。 

  项目于20151月份启动,下设三个课题:陆表能量水分交换过程关键控制状态变量的遥感监测研究,高分辨率陆表能量水分交换过程的机理与尺度转换研究,全球陆面模式优化、数据同化、陆气耦合模拟与预估研究。项目执行时间为2015年至2019年。 

  二、项目目标及关键科学问题 

  实现全球和区域陆表能量和水分交换过程与全球变化的相互作用及其与地球系统能量和水循环相关的科学问题认识上的突破,有效提高解决国家重大需求的能力,为解决我国重大的水资源问题提供前沿性科学基础,提高水资源可持续利用及生态与环境建设的宏观决策水平,增强可持续发展以及应对洪涝干旱、气候变化中的极端天气等自然灾害的能力等方面做出贡献。 

  项目拟解决的关键科学问题:如何提高对全球和区域陆表能量和水分交换过程的时空分布特征及变化规律的观测、机理认识、模拟和预估能力及其对全球变化作用的认识? 

  三、项目的研究特色与创新性 

  利用新型卫星观测和现有卫星观测中可靠的要素,开发对应算法,有效提高陆表能量和水分交换过程关键控制状态变量(土壤水分、冻融、净辐射、动态水体、积雪覆盖度)时空分辨率和精度,为提高其时空分布特征和变化规律的认识、促进陆表能量和水分交换过程模型的改进提供新的机遇。 

  通过改进陆表能量和水分交换过程的机理、模拟能力和精度,形成开展尺度转换研究所必须的高分辨率的观测和模拟能力,为解决当前能量和水分交换过程的尺度转换这一瓶颈问题提供途径。 

  发展基于遥感观测的陆面模式“面源”参数优化方法,降低次网格不均一性产生的影响,克服传统参数设定中主要依据植被功能型而忽视其在不同气候地理条件下的变异问题,提高陆面模式的模拟能力,并进一步开展陆气耦合模拟和未来情景预估研究,揭示陆表能量水分交换过程对全球变化的影响。 

  四、项目的主要进展情况 

  (一) 陆表能量水分交换过程关键控制状态变量的遥感监测研究 

  1土壤水分遥感监测 

  针对SMOS土壤水分反演官方算法存在多解的现象以及依赖大量辅助数据的问题,本项目针对植被和粗糙度的影响,分别进行了参数化优化。优化的反演算法最大优势是:不需要辅助数据,可反演得到植被光学厚度、土壤水分及地表有效粗糙度参数。 

   

  1.土壤水分反演值与实测值的对比,(aLW地区,(bYanco地区 

  2、积雪覆盖遥感监测 

  首先发展了基于风云二号静止气象卫星(FY-2DFY-2E)中国地区雪盖判识方法。在雪盖判识算法基础上,利用MODIS晴空下的积雪信息训练和发展静止星FY-2的积雪覆盖度反演算法研究,通过FY-2雪盖度与MODIS雪盖度融合,以及时空滤波、三次埃尔米特插值等重建方法,得到时空连续的积雪覆盖度产品。 

2. 2013124日中国地区MODIS雪盖度(a)FY-2E/VISSR雪盖度(b)、二者融合雪盖度(c)以及时间序列重建后雪盖度 

  3、高分辨率冻融状态遥感监测 

  本项目联合MODIS LSTAMSR-2的冻融分值,对被动微波冻融判别结果进行了降尺度,发展了高分辨率地表冻融判别方法。

 

  3. AMSR2 0.25度冻融判别结果()AMSR2+MODIS冻融状态判别结果(右) 

  4Daily尺度动态水体提取 

  针对MODIS 500m分辨率逐日反射率数据,基于光谱混合分析技术,结合水体分类后处理技术,开发了一套全自动水体提取流程。该算法很好地解决了光谱混合、云覆盖、阴影(包括山体和云阴影)对水提取的影响。 

   

  4. 2014年全球水覆盖天数 

  5、净辐射直接估算及云下长波辐射估算 

  基于根据站点实测、遥感反演及再分析资料,对基于短波辐射和其他信息的净辐射估算的经验及机器学习等模型进行对比分析,完成了净辐射经验估算模型的发展。同时,考虑到云对红外影像的影响,将光学数据与微波数据融合,实现了有云条件下长波上行辐射和下行辐射的估算。 

   

  5. 长波下行辐射估算

  (二)高分辨率陆表能量水分交换过程的机理与尺度转换研究 

  1、地表能量与水分交换过程模型的发展与改进 

  利用遥感观测的关键地表参数,通过引进土壤水分胁迫因子、雪面升华过程以及冠层截留等过程模拟,完善和提高了当前地表能量与水分交换过程模型的模拟能力。其中,将遥感观测土壤湿度引入植被蒸腾和土壤蒸发参数化中,提高了干旱-半干旱区灌溉区的模拟精度;首次利用遥感观测实现了冠层降水截留参数化,并考虑了亚像元内植被非均一性分布的尺度效应。 

  基于改进后的模型估算了西北干旱区黑河流域2009-2013年地表实际蒸散发空间分布,2010年改进前后的比较结果如图6所示,绿州灌溉农田实际蒸散发显著高于改进前的结果,改进了绿洲灌区地表蒸散发的低估现象。 

   

  6.改进前(左)后(右)2010年黑河流域地表实际蒸散发空间分布图 

  2、全球地表实际蒸散发的生产 

  项目估算了2008-2013年地表实际蒸散发及其分量,其时空分辨率是逐日1km(图7)。而MOD16产品空间分辨率为1km,时间分辨率为8天,而且在湿润地区存在高估现象,在干旱地区存在低估现象。本项目估算的全球地表实际蒸散发与其它主流产品具有良好的一致性,并具有时空分辨率高的优势(逐日、1km)。 

  

7. 全球2008-2013年平均地表实际蒸散发(mm yr-1)空间分布

    3基于地面观测的地表水热通量尺度转换方法研究 

  发展了从单站地面观测-高分辨率卫星像元尺度-粗分辨率陆面过程模型网格尺度的链路式验证方法。其中,首次利用黑河中游“非均匀下垫面地表蒸散发多尺度观测试验:通量观测矩阵”的观测数据,提出了一种基于站点观测,结合高分辨率遥感信息获取中高分辨率卫星像元尺度地表蒸散发“地面真值”的获取方法;利用高分辨率地表蒸散发模拟结果,开展了不同模型网格尺度下陆面过程模型模拟精度的尺度效应研究,提出了气象条件异质性及地表参数异质性的交互作用概念和分解方法。 

8. MODISTERRA)过境时刻、过境日像元尺度潜热通量的观测值 

  a:过境时刻,b:过境日) 

  (三)全球陆面模式优化、数据同化、陆气耦合模拟与预估研究 

  1、基于遥感资料的全球陆面模式参数优化 

  发展了基于高分辨率高精度遥感观测数据的陆面模式“面源”参数优化方法,能在区域和全球尺度上生产出与模型模拟时空尺度相匹配的参数集,增强了陆面模式对地球表层系统时空异质性的表达能力,提高了陆面模式的模拟能力和模拟精度,为全球/区域陆表能量和水分交换过程研究提供重要和可靠的工具。 

  2、构建青藏高原高分辨率陆气耦合模拟系统 

  通过耦合区域气候模式WRF和陆面模式CLM,构建了青藏高原高分辨率陆气耦合模拟系统,并通过引进同化后的土壤水分产品,改进了青藏高原的降水模拟。 

9. WRF模拟的高原(a)降水、(b)蒸发、(c)地表净辐射、(d)感热通量、(e)净短波辐射、(f)净长波辐射与NASA最新发布数据的比较 

  五、广泛的国内外合作交流 

  项目启动至今,项目成员参加国内、国际学术研讨、短期交流访问共计30余人次,邀请国内外知名专家参与项目研讨15人次,其中包括SMAP首席科学家Dara教授、美国EOS首席科学家Jeff Dozier教授等。 

  六、项目组织管理及阶段性产出 

  项目采用首席+3课题组长+3项目秘书(项目办公室)的高效组织管理模式。截至目前,项目层面组织启动、年度总结、进展、研讨等会议5次。出版简报6期,建立了项目网站(http://rswee973.slrss.cn),便于信息发布和资源共享。 

  20167月,项目举行了中期评估会议,专家一致认为项目圆满完成了前2年的研究任务和目标,并取得了可喜的成果。截至目前,项目共发表SCI论文28篇,申请专利3项,培养研究生24名,博士后2名。 

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