基于MODIS 数据的宁夏地表温度空间分布研究

在分析现有分裂窗算法的基础上,选择了一种适合于MODIS数据的简化分裂窗算法,针对MODIS的热红外波段数据,讨论了利用该分裂窗算法反演地表温度所需的亮度温度、大气透过率及地表比辐射率的计算方法,并对宁夏的地表温度进行了反演。结果表明,宁夏的地表温度从南到北表现出三个明显的区域,采用30 km×30 km的样区,对这三个区域的地表温度进行统计得出,南部山区的地表温度分布在19.7～35.3℃之间,且在这一温度段内分布均衡,平均地表温度为27.1℃;灌区的地表温度分布在25.9～37.1℃之间,且主要靠近低温区段,平均地表温度为29.3℃;中部干旱带的地表温度分布在31.2～48.9℃之间,且主要靠近高温区段,平均地表温度为45.8℃。这些特征与宁夏的陆面植被覆盖、地形特征等实际状况相符。     

MODIS数据反演地表温度的应用研究

在近年来提出的两种温度劈窗算法中,研究采用Sobrino等(2003)的辟窗算法和NDVI阈值法获取地表比辐射率,并结合Mao等(2005)劈窗算法中对大气水汽含量的估算,反演了山西省三个时相的地表温度。从反演的LST分布图上发现,该反演算法与LST产品比较符合。同时以其中的一个时相为例,利用LST产品对反演的精度进行了验证,结果发现反演值和产品二者的最大值、最小值和平均值的误差值分别为1.08℃、0.16℃和0.75℃,其均方根误差RMSE达1.30℃,具有较高的精度,从而表明该法反演地表温度的可行性,并化简了地表温度遥感估算的难度,在不依赖于地面实测资料的情况下,可准确快速地大面积遥测农业环境温度,有助于监测农业旱情。     

济南市地表参数变化及其热岛效应响应

基于Landsat遥感卫星影像反演济南市四个年份的地表温度,归一化处理后得到地表温度等级分布图,使用ENVI软件提取研究区各年份植被和不透水面等地表参数,分析相关地表参数的时空变化及其热岛效应特征响应和主要影响因素。结果表明:济南中心城区各地表参数在过去20余年间发生了较大变化,这些变化对城市热岛效应产生了重要影响并呈现关联形式,而植被覆盖面对地表温度变化的影响程度比不透水面更为明显。在此基础上提出一些城市规划管理措施以缓解热岛效应。     

基于MODIS 的沙漠化地区植被覆盖度提取模型的研究

目前常用的植被覆盖度遥感反演模型,受限条件较多,所用系数精度不高。针对上述问题,提出了利用研究区域的实测最大和最小植被覆盖度确定反演模型系数的方法和基于MODIS影像数据的地面实测验证方法。经用该方法对毛乌素沙地沙漠化地区的植被覆盖度进行反演,并同步监测该区域的地表覆盖度对反演结果进行验证,结果表明地面同步实测植被覆盖度与反演的误差绝对值平均值为0.04,反演方法精度较高。研究表明本文提出的利用MODIS影像数据反演沙漠化地区地表覆盖度的模型、地面验证方法切实可行,适合对沙漠化地区地表植被覆盖度大范围且快速的遥感监测。     

藏北高原地区辐射收支和季节变化与卫星遥感的对比分析

利用“全球能量与水循环亚洲季风之青藏高原试验”GAME/Tibet(GEWEXAsianMonsoonExperimentintheTibetanPlateau) 1 998年加强期 (IOP)观测资料 ,分析研究了藏北高原地区草甸下垫面在季风前、季风中、季风后的太阳短波向下辐射、大气长波向下辐射、地面长波向上辐射、地面短波向上辐射、净辐射及地表反射率等特征 ,得到了一些藏北高原地区草甸下垫面的辐射特征的新认识。利用文献的结果对其中的某些地表辐射平衡分量做了对比 ,结果显示遥感参数化得到的结果与地表观测值有很好的一致。     

SEBS模型在塔克拉玛干沙漠地区地表能量通量估算中的应用

利用SEBS(Surface Energy Balance System)模型,对塔克拉玛干沙漠及周边地区的地表能量通量进行模拟估算。通过修正适合于塔克拉玛干沙漠地表的参数化方案,结合该地区的MODIS遥感数据,将同期同化气象资料输入模型中,模拟出该地区的地表净辐射、地表土壤热通量、感热通量和潜热通量的空间分布。与塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站的实测数据对比,得出:1)SEBS模型在塔克拉玛干沙漠地区具有适用性;2)模型反演的沙漠腹地净辐射约为350W/m~2,感热通量在200W/m~2左右,潜热通量在±20W/m~2之间,其结果均与塔中站实测资料吻合较好。因此利用参数修正后的SEBS模型估计塔克拉玛干沙漠地区能量平衡各分量具有一定精度,可满足区域地表能量通量的计算要求。     

基于MODIS的亚像元雪表面温度反演方法研究

积雪表面温度的监测,对于气候变化研究、融雪径流预测预报、融雪性洪水防治等具有非常重要的意义。文中提出以像元雪盖率及林区本底数据为基础的混合像元组成结构假设,推导出了亚像元雪表面温度反演公式,并提出了一种基于像元雪盖率及林区本底数据的MODIS积雪像元地表平均比辐射率估算方法。实验表明,该方法相对传统组分温度反演方法简单且易于操作实现,一定程度上提高了MODIS的雪表面温度反演精度,特别是对于混合像元较为明显的区域。     

干旱区精河流域地表温度的模型反演研究

以精河流域绿洲为研究区,使用Landsat ETM⁺数据,采用单窗算法和普适性单通道算法对研究区地表温度进行反演,并将这两种算法的反演结果与研究区MODIS温度产品(MODIS LST)进行比较。结果表明：(1) 单窗算法和普适性单通道算法反演的结果总体趋势比较接近,研究区整体的平均温度相差约2k;(2) 采用改进型土壤调整植被指数(MSAVI)代替归一植被指数(NDVI)计算地表比辐射率可有效提高反演精度,并且同等条件下单窗算法的反演精度高于普适性单通道算法,两种算法的反演结果与MODIS LST的相关系数分别是0.9255和0.8651;(3) 在城镇区域,普适性单通道算法反演结果与MSAVI的相关性高于单窗算法,相关系数为0.8136,说明普适性单通道算法更适合干旱区大范围城镇地表温度的反演研究。     

MODIS热红外数据在乌鲁木齐市热岛研究中的应用

利用MODIS热红外数据,在完成几何校正、辐射定标、大气校正、云检测等数据预处理后,利用分裂窗算法反演得到乌鲁木齐2000-2005年1,4,7,10月的地表温度空间数据.在分析典型热温场的基础上,进行了热岛的季节和昼夜变化特征研究.结果表明:时间上,乌鲁木齐在夏季的白天和全年四季的夜晚均存在明显的城市热岛现象;空间上,乌鲁木齐城市和附近的戈壁、荒漠温度较高,近处的中山区和远郊的高山区温度较低,区域内温差较大、热岛强度高.乌鲁木齐城市热岛虽与其他大城市热岛特征在时空分布规律上有较多相似之处,但也有其自身的特性:干旱区城市郊区下垫面较多为戈壁荒漠,因此城市热岛效应在日间并不明显,相反有时会出现"城市冷岛"现象.     

青藏高原上空夏季水汽含量的时空分布特征

利用青藏高原地区1979-2008年14个探空站的观测资料以及同期的NCEP/NCAR再分析资料,采用线性趋势、Mann-Kendall突变检验和合成方法,分析高原上空夏季水汽含量的时空演变特征及影响高原水汽含量异常的大气环流等因子。结果表明：高原夏季水汽含量在空间上表现出随海拔高度升高而减少的分布特征,即高原东南部和东北部湿润,西北部干燥。近30 a来,高原夏季水汽含量整体上呈现出增加趋势,其中高海拔的西部干燥地区水汽含量的增加较东部湿润地区更加显著。高原夏季水汽含量偏多（少）年,高原地区整层水汽通量以辐合（散）为主,高原上空低层的位势高度以负（正）距平为主,高原地表温度整体上偏高（低）。     

Land surface temperature retrieval for arid regions based on Landsat-8 TIRS data:a case study in Shihezi,Northwest China

Scientific interest in geophysical information about land surface temperature （LST） is ever increasing, as such information provides a base for a large number of applications, including environmental and agricultural monitoring. Therefore, the research of LST retrieval has become a hot topic. Recent availability of Landsat-8 satel- lite imagery provides a new data source for LST retrieval. Hence, exploring an adaptive method with reliable ac- curacy seems to be essential. In this study, basing on features of Landsat-8 TIRS thermal infrared channels, we re-calculated parameters in the atmospheric transmittance empirical models of the existing split-window algorithm, and estimated the ground emissivity with the help of the land cover classification map of the study area. Further- more, a split-window algorithm was rebuilt by virtual of the estimation model of the updated atmospheric transmit- tance and the ground emissivity, and then a remote sensing retrieval for the LST of Shihezi city in Xinjiang Uygur autonomous region of Northwest China was conducted on the basis of this modified algorithm. Finally, precision validation of the new model was implemented by using the MODIS LST products. The results showed that the LST retrieval from Landsat-8 TIRS data based on our algorithm has a higher credibility, and the retrieved LST is more consistent with the MODIS LST products. This indicated that the modified algorithm is suitable for retrieving LST with competitive accuracy. With higher resolutions, Landsat-8 TIRS data may provide more accurate observation for LST retrieval.     

利用MODIS卫星资料监测内蒙古地区大气总水汽量方法研究

由于大气可降水量在人工影响天气、天气预报、气候影响、大气辐射传输等方面都具有非常重要的作用,所以准确精细地监测水汽优为显得重要。随着卫星技术的日益发展壮大,很多地球观测技术从地基观测逐步发展成空基观测。卫星观测时空分辨率很高,而且精度也在不断地提高,逐步成为最主要的地球观测手段。文中利用GPS资料和地面湿度参量(地面水汽压、地面露点)修正了利用地面湿度参量、地理纬度和海拔高度等参量计算大气总水汽量的关系式的基础上研究建立了适合内蒙古地区的MODIS卫星近红外通道监测大气总水汽量方法。     

论地表能量不平衡的原因及其解决办法

地表能量不平衡问题一直是困扰地-气相互作用的难点之一。总结国际和国内一些观测试验不同下垫面的能量平衡状况,介绍了表征地表能量平衡状况的常用统计方法,并对能量不平衡的不同因素进行了探讨。浅层土壤热储存,由气温变化、光合作用和植被热储存等引起的地上热储存,以及垂直平流都会影响地表能量平衡。此外,由于不同能量分量足迹的差异,不均匀下垫面会影响通量观测的代表性和准确性,而且还会诱发中尺度环流和大尺度涡旋等复杂大气运动,不平稳的大气状态和夜间非充分混合的湍流,同样会困扰湍流通量的观测。为此,在对湍流通量严格质量控制的基础上,从单点涡动相关（简称EC）系统的平流热通量修正、多点EC的通量空间平均和大孔径闪烁仪（简称LAS）等通量足迹较大的通量修正等方面,对能量不平衡问题提出解决办法。建议在湍流混合不充分时,利用Penman-Monteith公式计算地表潜热;并对EC水汽通量与蒸渗计观测的真实地表蒸散进行了简单讨论,提出了大型蒸渗计算地表潜热通量的可能试验方法。
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基于SEBAL模型与MODIS产品的松嫩平原蒸散量研究

利用MODIS的地表温度/比辐射率、植被指数、地表反照率3种产品,结合气象站点的观测资料,通过基于地表能量平衡方程的SEBAL模型估算了松嫩平原2008年5月16日、6月16日、7月13日、8月15日、9月13日不同下垫面的地表蒸散量,并采用涡动相关数据对模型估算结果进行验证,发现估算值与实测值的变化趋势大体一致,平均误差在20%以内,基本上可以满足区域蒸散研究的精度要求。此外,还通过GIS空间分析方法探讨了松嫩平原2008年生长季内不同时相蒸散量的时空分布特征,并分析了蒸散量土地利用类型的关系,结果表明松嫩平原蒸散量的空间分布在很大程度上受气候特征、土壤供水条件及土地利用类型的影响,各时相的蒸散量大致表现为从西南部向东北部逐渐增加的变化趋势,水体、林地、沼泽湿地具有较高的蒸散量,耕地、居工地次之,草地的蒸散量最低。     

Uncertainty assessment of potential evapotranspiration in arid areas,as estimated by the Penman-Monteith method

The Penman-Monteith(PM)method is the most widely used technique to estimate potential worldwide evapotranspiration.However,current research shows that there may be significant errors in the application of this method in arid areas,although questions remain as to the degree of this estimation error and how different surface conditions may affect the estimation error.To address these issues,we evaluated the uncertainty of the PM method under different underlying conditions in an arid area of Northwest China by analyzing data from 84 meteorological stations and various Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)products,including land surface temperature and surface albedo.First,we found that when the PM method used air temperature to calculate the slope of the saturation vapor pressure curve,it significantly overestimated the potential evapotranspiration;the mean annual and July–August overestimation was 83.9 and 36.7 mm,respectively.Second,the PM method usually set the surface albedo to a fixed value,which led to the potential evapotranspiration being underestimated;the mean annual underestimation was 27.5 mm,while the overestimation for July to August was 5.3 mm.Third,the PM method significantly overestimated the potential evapotranspiration in the arid area.This difference in estimation was closely related to the underlying surface conditions.For the entire arid zone,the PM method overestimated the potential evapotranspiration by 33.7 mm per year,with an overestimation of 29.0 mm from July to August.The most significant overestimation was evident in the mountainous and plain nonvegetation areas,in which the annual mean overestimation reached 5%and 10%,respectively;during July,there was an estimation of 10%and 20%,respectively.Although the annual evapotranspiration of the plains with better vegetation coverage was slightly underestimated,overestimation still occurred in July and August,with a mean overestimation of approximately 5%.In order to estimate potential evapotranspiration in the arid zone,it is important that we identify a reasonable parameter with which to calibrate the PM formula,such as the slope of the saturation vapor pressure curve,and the surface albedo.We recommend that some parameters must be corrected when using PM in order to estimate potential evapotranspiration in arid regions.     

中国西部地区气温资料的统计降尺度研究

利用再分析资料,通过降尺度方法可以获取陆面过程模型以及陆面数据同化系统所需要的气温、风场、比湿、辐射、降水等高质量驱动数据。通过气温资料的降尺度分析,以ERA-40再分析资料作为背景场,使用地统计学方法建立中国西部气温观测场的观测误差协方差,使用IV方法估计背景误差协方差,利用最优插值法生成了中国西部地区2000年空间...     

中尺度大气数值模拟及其进展

首先,以MM5,RAMS,WRF模式为例,简要介绍了各模式的动力学框架、物理过程以及应用情况,同时比较了当前国内外几种著名的中尺度数值模式性能。其次,归纳分析了积云、行星边界层和陆面过程3种主要的参数化方案。积云参数化方案按其发展过程分为对流调整、大尺度水汽辐合和质量通量3类方案,对各个方案的优缺点进行了总结;行星边界层参数化方案分为总体行星边界层、高分辨行星边界层参数化方案和大涡模拟3部分,概括了每种方法的特点;还分析了陆面过程参数化的发展过程、非均匀下垫面参数化和目前主要的陆面模式。然后,简要概括了客观分析方法和3类主要的资料同化方法。最后,对该领域存在的问题进行了阐述,并展望了中尺度大气数值模拟今后的发展趋势。希望通过对这些问题的综合分析,有助于进一步开展中尺度大气数值模拟的研究。     

Oasis cold island effect and its influence on air temperature: a case study of Tarim Basin,Northwest China

Oasis effect can improve the regional climate and habitability of an arid region. In this study, we explored the cold island effects of oases distributed along the edge of Tarim Basin by analyzing the oasis cold island effect(OCIE) intensity, spatial-temporal variation of OCIE, factors influencing the OCIE and impacts of OCIE on air temperature using geographical statistics and GIS methods based on the MODIS land surface temperature, land use/cover change(LUCC) and observed air temperature data. Results showed that all the oases in the Tarim Basin exhibited cold island effects, with the OCIE intensity highest in summer(-9.08°C), followed by autumn(-4.24°C) and spring(-3.85°C). The total area of oasis cold island(OCI) and the comprehensive OCIE index showed the same seasonal change trend as the OCIE intensity. However, the changing trends in areas of OCI with strong, medium and weak OCIEs were inconsistent across different seasons. Farmland and water areas were found to be the key contributors that affected the OCIE, and the area and aggregation metrics of these two land use/cover types directly contributed to the OCIE. By contrast, natural vegetation, such as forest and grassland, almost had no contribution to the OCIE. Simulation of observed air temperature data showed that if farmland is replaced by forest or grassland in the oasis, the mean, maximum and minimum air temperatures will increase significantly. This heating effect will be higher in summer(reaching 1.14°C to 2.08°C) and lower in spring and autumn. Moreover, the heating effect of farmland being replaced by forest will be higher than that of farmland being replaced by grassland. These results can provide a basis for understanding the cold island effect of oases in arid regions.