6套格点土壤水分数据集在内蒙古自治区的适用性评价

[目的] 评价6套多源格点土壤水分数据的适用性,为内蒙古地区陆—气耦合研究、干旱监测和气候变化背景下陆地水资源监测等提供科学的土壤水分精度信息和选择依据。[方法] 以内蒙古地区2016—2020年5—9月63个气象台站逐旬0—10 cm土壤水分监测资料为基础,以相关系数、平均绝对误差和均方根误差为指标,系统评价了土壤水分主被动探测计划（SMAP）、欧洲航天局气候变化倡议（ESA）、中国气象局陆面数据同化系统（CLDAS）、欧洲中期天气预报中心第5代ERA5和ERA5Land以及美国全球陆面数据同化系统NOAH等6套格点土壤水分资料在内蒙古的精度和时空变化。[结果] ①6套格点土壤水分资料均可以较好地再现内蒙古土壤水分“东湿西干”的空间分布特征,SMAP在空间上与观测数据吻合最好,其余五套资料普遍高估了土壤水分。②从内蒙古及其3个气候分区土壤水分的时间序列统计特征来看,6套土壤水分格点数据较好地表现出了观测土壤水分的时间变化趋势,除了SMAP与实测最为接近外,其余五套数据在内蒙古自治区、区内半湿润区和半干旱区普遍偏湿,且ERA5和ERA5Land高估较多,在区内干旱区,SMAP,ERA5和ERA5Land与观测更为接近。③6套格点土壤水分资料在内蒙古及其3个分区均与观测值具有极显著的相关系数,SMAP,ESA,CLDAS,ERA5和ERA 5Land数据与实测数据的相关性明显优于NOAH,SMAP数据的平均绝对误差和均方根误差显著小于其他5套数据集。[结论] 格点6套土壤水分数据在内蒙古的适用性各异,SMAP数据质量总体上较其他五套资料最优,适用性最好,ESA数据其次,NOAH数据相对最差。     

不同深度土壤水分同化产品在川西高原的应用

[目的]评估不同深度土壤水分同化产品的适用性,为川西高原有关气候变化、生态环境建设等研究提供土壤水分数据选择的科学依据。[方法]以气象自动观测站的土壤水分值作为参考,评价了中国气象局陆面同化系统CLDAS-V 2.0和全球陆面同化系统GLDAS-Noah土壤水分产品在川西高原的精度,并分析了土壤水分产品对降水过程的反应以及降水对土壤水分产品精度的影响。[结果]①GLDAS和CLDAS数据均与参考值具有极显著的相关性(p<0.01),GLDAS数据与参考值的相关性整体好于CLDAS数据;②2套土壤水分产品在研究区表层和浅层的误差均较小,其中,表层土壤水分的误差大于浅层,GLDAS数据的误差小于CLDAS数据。两套数据都存在对土壤水分的高估,且在无降水情况下对土壤水分的高估比有降水的情况更突出;③2套数据在表层和浅层都表现出与降水一致的变化过程,且土壤水分的变化均滞后于降水量的变化,GLDAS数据对降水变化的反应比CLDAS数据更加灵敏,但CLDAS数据因具有较高的空间分辨率而对川西高原土壤水分的空间分异特征表现得更好。[结论]两套土壤水分产品表层和浅层数据在川西地区的适用性都较好,GLDAS数据质量总体较CLDAS数据更好,但CLDAS数据在对土壤水分空间分异的表现方面更具优势。     

FY-3B/3C和AMSR2土壤含水量产品在锡林郭勒草原地区的适用性评价

土壤表层含水量存在于陆-气界面，是模拟全球水文、能源和碳循环及其相互作用的一个重要变量，对于气候和地球系统研究至关重要。为了评价风云三号B星（FY-3B）、风云三号C星（FY-3C）、先进微波扫描辐射计（AMSR2）土壤含水量产品在锡林郭勒草原以及不同土地覆盖类型的精度和适用性，本文基于2014-2019年生长季的地面观测数据，应用时间序列相关性（R）、均方根误差（RMSE）、平均偏差（Bias）和无偏均方根误差（ubRMSE）分析了这三种网格产品的可靠性。结果表明：（1）在日尺度上，FY-3B和FY-3C土壤含水量产品高估了陆地表层含水量，AMSR2低估了土壤含水量；各项评价指标表明三种土壤含水量产品均能够捕捉锡林郭勒草原表层土壤含水量的时间变化趋势。（2）在月尺度上，与AMSR2相比，FY-3B和FY-3C土壤含水量产品的月度分布与实测土壤含水量分布较为一致。（3）在生长季尺度，3种卫星土壤含水量产品能够反映各草原亚型的土壤含水量状况；FY-3B和FY-3C土壤含水量产品在植被覆盖较高的地区适用性较好，AMSR2在植被覆盖较低的地区可靠性较好，3种产品在监测土壤含水量方面具有互补功...     

风云三号卫星微波遥感土壤水分产品在山东地区的适用性分析

风云卫星微波遥感土壤湿度产品在农业应用中，尤其是在作物监测和干旱预警中发挥着重要作用，对其产品可靠性的评估至关重要。本研究以中国气象局的自动土壤水分观测站土壤湿度数据为参考，系统分析了山东地区2018年FY-3B和FY-3C卫星反演2级土壤湿度产品的质量及其时空分布，并与SMAP和SMOS卫星反演3级土壤湿度产品进行对比。使用EASE-Grid投影方法的转换方程进行空间匹配，将卫星的格点转换成经纬度后，自动站对应的卫星观测结果由其周围4个观测格点结果加权平均得到。对自动站数据去除异常值后，将卫星过境时刻数据与自动站小时数据进行时间匹配。结果表明，在山东地区FY-3B、FY-3C和SMAP与自动站观测数据时间一致性较好，均方根误差（RMSE）约0.09m³·m⁻³，相关系数（R）大于0.3。SMAP无偏均方根误差（ubRMSE）可以达到0.05m³·m⁻³，说明其去除系统误差之后有较高的应用价值，而SMOS在山东地区的适用性不如SMAP。同时，FY-3B、FY-3C和自动站的相关性和误差有明显的季节变化，FY-3B和FY-3C往往高估5、8和9月的土壤湿度，与冬小麦和夏季玉米的成熟期对应，而在其余时间会低估，这可能是因为风云卫星使用的X波段探测深度较浅，其结果受表层植被的影响较大；而SMAP和SMOS使用的L波段探测较深，其结果受表层植被影响较小。该发现说明，未来风云卫星土壤湿度的反演算法可以通过优化植被的影响来获得更精确的反演结果。     

基于微波遥感的土壤水分反演估算研究进展

土壤水分是地表和大气水热过程交换的重要纽带，对于农业生产、生态规划、水资源管理等具有十分重要的意义。微波遥感具有基本不受天气条件影响，具有较好探测植被覆盖下的土壤信息和土壤水分变化趋势等优势，成为目前遥感精确反演土壤水分的热点。本文整理了现有全球尺度的基于微波遥感的土壤水分产品；分析比较了土壤水分反演中主动微波遥感、被动微波遥感、主被动微波协同技术的原理、特点、适用范围和关键技术进展：主动微波遥感和被动微波遥感的 优势分别在于高空间分辨率和高时间分辨率，高空间分辨率可以很好捕捉地表细微的空间信息特征，但囿于土壤水分与后向散射系数之间的复杂关系，特别是植被、地表粗糙度等对雷达后向散射系数的干扰，使得反演土壤水分的精度不高，因而根据现实情况选取不同散射模型以及利用多源数据协同是目前改善精度的研究热点。而高时间分辨率可以实现全球及大尺度下的土壤水分监测，但是很难满足小尺度或者小区域范围的实际研究需求，为了能使实测数据在空间上得以较好匹配，提出多种降尺度方法。结合以上两种微波遥感方式的优劣，依托更为丰富的数据源、相对成熟的观测技术来对两者进行融合以提取更多的水分信息，以提升反演精度或者获得长时间序列数据。在目前的方法中，土壤水分反演在小尺度下表现出良好的性能，但在全球尺度上会出现数据缺失、适用性不强、反演精度不高以及反演过程过于复杂等诸多问题，可以借助多种观测方式（多极化、多角度、多波段）、多时相重复观测、在原有模型上引入新的算法以及数据同化等方面着手进行改进，同时全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System, GNSS） 中长期稳定、高时空分辨率的L波段微波信号在陆面遥感领域的快速发展也为我国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System, BDS）的发展提供了借鉴，展现出在土壤水分反演方面的巨大潜力。     

桂西北环境移民迁入区不同利用方式坡地土壤水分动态变化

土壤水分是土地开发利用和生态环境建设的关键性限制因子。利用2006年4—9月土壤水分定位观测数据，研究了桂西北环境移民迁入区坡地开发后不同利用方式土壤水分的时空动态变化规律。结果表明，不同土地利用方式间土壤储水量变化与降雨量变化基本一致；在时间尺度上，不同月份各利用方式土壤储水量差异显著，0-1m平均储水量依次是坡耕地〉园地〉荒草地〉灌丛〉林地；在空间尺度上，不同利用方式土壤储水量为中等变异，在表层（0-20cm）荒草地和灌丛的土壤储水量较大，在深层（60-100cm）坡耕地和园地土壤储水量较大；不同土地利用结构土壤水分从坡顶到坡脚呈增加趋势，但修筑梯田的坡地较自然坡地土壤水分沿坡面变化幅度小。     

澜沧江流域卫星产品降尺度与融合方法

卫星降水产品具有覆盖范围广、更适用于无资料区域的优势,但分辨率较低、精度不足,为获取高时空分辨率、高精度的降水数据,需对卫星产品进行降尺度,并与地面观测数据融合,以提高数据质量。以澜沧江流域为例,在综合考虑地形、地理和植被等要素的基础上,建立地理加权回归（geographic weighted regression,GWR）模型对热带降雨测量卫星（tropical rainfall measurement mission,TRMM）和基于人工神经网络的遥感降水估计-气候数据记录（precipitation estimation from remotely sensed information using artificial neural networks-climate data record,PERSIANN-CDR）产品进行空间降尺度,再采用集合卡尔曼滤波算法,将地面气象站点经反距离加权插值法（inverse distance weighted,IDW）插值后的数据作为融合算法观测值,对降尺度后的TRMM、PERSIANN-CDR数据进行融合,以进一步提高降水数据精度。结果表明：...     

基于有效含水量的土壤水分监测点布设的空间分层采样方法

为了优化灌溉实践,构建准确估计平均土壤水分的监测点布设准则,该研究引入有效含水量（Available Water Capacity, AWC）作为辅助变量,结合经典统计学和地统计学构建了一种基于辅助变量空间自相关的分层采样方法（Stratified Sampling Method Based on Spatial Autocorrelation of Auxiliary Variables,SSAV）,克服直接以土壤水分为变量时受其强时空变异影响的弊端,并在田块尺度进行试验。结果表明：0～40和0～80 cm土层的AWC服从正态分布;在90%置信区间,采样误差为10%时研究区内0～40和0～80 cm土层的监测点数目分别为7个和6个;基于SSAV布点法估计土壤水分的相对误差变化范围为–23.23%～35.15%,较简单随机布点（Simple Random Sampling,SRS）法减小了26.48%。标准差的平均值为4.78%,较SRS降低了17.30%。基于SSAV的0～40和0～80 cm两个土层的估计值和观测值之间的平均均方根误差RMSE为0.010 4 cm3/cm3,基于SRS的RMSE为0.012 0 cm3/cm3,显著性检验P<0.001,SSAV显著提高了对土壤水分的估计精度和准度。SSAV为获得区域平均土壤水分提供了省时、省力、低成本的监测点布设方案,为农业水资源管理和提升农业用水效率提供了保障。     

晋西黄土残塬沟壑区不同植被类型土壤水分动态研究

采用时域反射仪（TDR）于2005年在晋西蔡家川流域对刺槐、油松等8植被类型样地进行了土壤水分动态研究,研究结果表明:在2005年,0~200 cm土壤水分含量平均值变化过程除农地外,不同地类土壤水分变化特征差异性小,研究期内土壤水分日平均值按从大到小排列顺序为:农地、侧柏、次生林、油松、果园、刺槐×油松、刺槐×侧柏、草地、刺槐;在季节变化中,可将其分为三个时段:土壤水分消退期、土壤水分稳定期、土壤水分积累期。人工林与果园、农地、草地、次生林相比土壤水分调节作用较强;在日尺度上各样地土壤水分受降雨量及降雨分布影响。在样地土壤水分剖面垂直变化上土壤的剖面结构分为土壤水分弱利用层、土壤水分利用层、土壤水分调节层;农地、次生林、油松、侧柏、侧柏×刺槐、草地、果园土壤水分含量随深度变化趋势属于增长型;刺槐、刺槐×油松属于减少型。     

黄土高原坡地表层土壤饱和导水率和水分含量空间变异特征

表层土壤水分含量和饱和导水率对深层土壤水分的动态的变化具有重要的决定作用。在黄土高原坡地（50m×360 m）范围内进行网格（10 m×10 m）取样,用地统计学方法研究表层（0～30 cm）土壤饱和导水率和水分含量的空间变异特征。结果表明：1）坡地表层土壤密度变化规律为坡下位大于坡上位,土壤饱和导水率变异系数为0.37,属于中等变异强度;2）饱和导水率和自然对数化的饱和导水率在360 m尺度内均不具备空间结构特征,是纯随机变量,线性有基台模型适用于描述表层土壤水分的分布特征,水分分布存在明显的块金效应,并且随滞后距离的增加半方差变大;3）饱和导水率和水分含量从坡上位到坡下位均呈现波浪式变化,饱和导水率大的采样点土壤水分含量低,反之则高。     

CCI多传感器组合土壤水分产品在青藏高原不同地区的适用性

青藏高原的土壤水分通过对水循环和对生态系统的作用,对区域乃至全球气候的变化起着重要的影响。由于该地区缺失长期和大规模土壤水分的现场观测,遥感产品成为地球系统模型的有用数据集。其中,欧洲航天局(European Space Agency, ESA)发布的气候变化倡议(Climate Change Initiative, CCI)土壤水分产品已在全球范围内广泛应用。研究使用3个网络的原位测量土壤水分数据评估CCI(主动、被动、主被动组合)产品在青藏高原地区的适用性,这3个网络分别代表青藏高原的半湿润(玛曲)、半干旱(那曲)和干旱(狮泉河)气候条件。结果表明,CCI3种产品都能捕捉到青藏高原生长季土壤水分时间变化规律和东南高西北低的空间分布特征。其中主被动组合产品在3个网络的相关性都是最高的。在以高寒草甸为主的半干旱地区,CCI主被动组合产品反演土壤水分具有较高的精度,与实测数据相关系数高达0.870,均方根误差小于0.06,但在高密度植被区有所低估,裸露地表有所高估。从空间分布来看,主动产品过高估计了青藏高原土壤水分,被动产品显示土壤水分空间分布变化范围过大,最大值达0.98 m~3/m~3,主被动组合产品在空间上(0～0.65 m~3/m~3)最接近青藏高原土壤水分实际分布情况。研究结果可以为CCI产品在青藏高原的应用与研究提供参考。     

CLDAS融合土壤湿度产品在东北地区的适用性评估及订正

通过计算CLDAS的0-20cm土壤相对湿度融合产品与农业气象观测站逐旬10cm土壤相对湿度观测值的相关性和偏差,综合分析CLDAS在东北地区的适用性。结果表明：CLDAS融合土壤相对湿度能较合理地反映东北地区10cm深度土壤相对湿度的空间分布,但是在对极值的描述上有所欠缺,其中CLDAS对辽宁西部和黑龙江西南部的土壤相对湿度模拟偏高较明显,而在黑龙江的东北部地区对实际土壤相对湿度的模拟偏低;总体上,CLDAS融合土壤相对湿度资料在东北地区的适用性由西南向东北方向递减,在吉林和辽宁省的适用性更好。回归订正和7旬滑动平均订正法对CLDAS产品的误差订正表明,订正结果大大提高了CLDAS产品的精度,其订正后产品可以应用于土壤湿度干旱监测业务。     

基于FY-3 VIRR的温度植被干旱指数在陕西省的应用及其IDL实现

以FY-3可见光红外扫描辐射计（VIRR）L1数据为信息源,对FY-3 VIRR L1数据在陕西省云检测、地表温度、温度植被干旱指数（TVDI）等反演方法进行本地化研究,同时使用IDL程序语言研制了FY-3 VIRR L1数据预处理、云检测、地表温度反演、TVDI指数法反演土壤干旱程度等应用程序,以实现利用温度植被干旱指数（TVDI）对陕西省土壤干旱程度的监测,并对检测结果进行数据反演。反演结果表明,利用FY-3 VIRR L1数据生成的TVDI与20cm土壤相对湿度具有良好的负相关性,相关系数在-0.535左右;TVDI能较好地反映陕西省土壤干旱状况,在延安、关中、陕南的TVDI反演结果与实际旱情一致性较好,但在植被覆盖较差的榆林部分地区,反演结果与实际旱情差异较大。     

黄土高原典型切沟土壤水分时空分布特征及其影响因素

研究切沟土壤水分及干层时空分布特征,有利于提高地区水资源利用效率及植被恢复效益。以神木市六道沟小流域典型切沟为研究对象,对土壤水分状况进行定位监测,分析沟底、沟缘和沟岸土壤水分时空分布、干层分布特征及其影响因素。结果表明:沟底土壤含水率由沟头至沟口呈明显增加趋势。沟底、沟缘和沟岸0~480 cm剖面土层平均含水率分别为17.1%、13.5%和14.4%。沟底0~480 cm剖面土层平均储水量为80.54 cm,沟缘及沟岸分别为67.49 cm和71.05 cm。地形和土壤质地是影响土壤储水量的主要因素;土壤储水量与距沟头距离、土壤黏粒、粉粒含量呈极显著正相关。沟底、沟缘和沟岸均有干层出现,且主要集中在靠近沟头位置,平均厚度和起始深度分别为243 cm和257 cm,平均含水率为9.5%。沟底、沟缘和沟岸干层平均厚度分别为100 cm、286 cm和331 cm。研究结果可为该区域土壤水资源管理和土壤水库评价提供理论依据。     

金沙江下游季节性干旱区紫色土坡耕地土壤水分变化特征

土壤水分是季节性干旱区农业生产的限制因子,研究紫色土坡耕地土壤水分变化特征有助于解决坡耕地的生态水文型干旱问题。以金沙江下游季节性干旱区紫色土坡耕地为研究对象,使用PR2/6土壤剖面水分测定仪在雨季对5°、10°、15°、20°、25°、30°坡面10、20、30、40、60、100 cm土层的土壤体积含水量进行连续监测,分析紫色土剖面含水量变化特征。结果表明:坡耕地土壤水分随时间的变化特征可分为四个阶段:6月初至6月底为土壤水分恢复期,7月初至8月中旬为土壤水分快速补充期,8月中旬至8月底为土壤水分消耗期,9月初至9月底为土壤水分回升期。土体剖面含水量自上而下呈现逐渐增加的趋势,且各层含水量都具有显著的差异性和相关性。6个监测点最大含水量均出现在100 cm处,为19.67% ~ 33.82%,最小含水量大多出现在20 cm处,为3.07% ~ 11.71%。土壤含水量变异系数自上而下逐渐降低,10 cm处土壤含水量变异系数最大,为8.67% ~ 56.28%,100 cm处最小,为0.68% ~ 14.76%;土壤含水量随着坡度的增加总体上呈减小趋势,在0 ~ 60 cm土层,10°监测点的土壤含水量最高,为12.20% ~ 20.40%,在0 ~ 100 cm土层,25°监测点的土壤含水量较低,为4.28% ~ 19.22%。降雨和坡度对土壤含水量均有显著影响,二者对土壤含水量的影响随土层深度的增加而减弱。研究结果对紫色土坡面水资源高效利用及提高农业生产力具有重要意义。     

聚丙烯酰胺对沙化草场土壤水分的影响

研究了施用不同剂量的聚丙烯酰胺后,0-20 cm土层的土壤含水量、不同天气情况下的土壤含水量以及观测期始末土壤含水量的变化,结果表明:几种处理中,施用剂量为75 kg/hm~2的处理土壤含水量最高;观测后期与观测前期比较以75 kg/hm~2处理土壤含水量相差最小;10—20 cm土层土壤含水量降幅小于0—10 cm土层。     

基于二次多项式回归模型的黑河流域TRMM数据降尺度研究

在不同空间尺度下分别建立TRMM 3B43降水数据与数字高程模型（DEM）和归一化植被指数（NDVI）的二次多项式回归模型,将2001—2013年黑河流域TRMM降水数据的空间分辨率从0.25°提高到1 km,并利用流域内9个气象站点实测数据对降尺度结果进行了检验。结果表明:降尺度方法不仅提高了TRMM数据的空间分辨率,数据的精确程度也有所提高;与传统线性回归模型降尺度方法相比,基于二次多项式回归模型获得的降尺度结果更接近于实测值,其结果更为准确;模型建立的尺度对最终降尺度结果精确性具有较大影响,0.50°是基于DEM和NDVI对黑河流域TRMM降水数据进行降尺度的相对最优尺度。     

黄土丘陵区深层干化土壤中节水型修剪枣树生长及耗水

黄土丘陵区人工林地深层土壤干层是否影响后续植物的生长是众多学者关心的热点。该文在砍伐23 a生旱作山地苹果园地后休闲4 a又栽植枣树,连续3 a观测干化土壤中枣树的生长及土壤水分变化,研究采用节水型修剪的再植枣林的生长及耗水情况。结果表明,前期23 a生苹果园地已使0~1 000 cm深土壤干化,休闲4 a后0~300 cm土层水分得到恢复,300~500 cm范围为中度偏重亏缺,500~700 cm为中度亏缺,700~1 000 cm为轻度亏缺;3龄枣树时开始采取节水型修剪,0~300 cm土层有效水分被消耗34.97%,至4龄时0~300 cm范围内前期恢复的土壤水分已消耗殆尽;在此情况下采取节水型修剪的枣树仍可保持良好生长,产量及其水分利用效率均高于相同水分条件下的常规修剪枣树,产量可达正常水分条件下枣树的1.39倍以上,产量水分利用效率可达1.52倍以上。研究结果证明节水型修剪是半干旱区深层干化土壤中枣树克服雨量不足和土壤水分亏缺的一条有效途径。