气象卫星降水数据在时间尺度上的精度检验

利用相关系数法及散点斜率法研究气象卫星降水数据在时间尺度上的精度检验。以黑河流域为研究区,利用25个水文站点的实测降水量在年尺度、月尺度和日尺度上验证了气象卫星降水数据的精度。结果表明:在整体上,气象卫星年降水数据和月降水数据与站点实测降水数据相关性很好,在月尺度上相关系数可以到达0.962,数据精度较高,数值上比站点实测降水量偏低,偏差相对较小。气象卫星日降水数据与站点实测降水数据相关性很差,数据精度较低,偏差相对较大。就单个站点而言,大部分站点相关系数较高,但偏差较大。     

寒区春季融雪期表层土壤湿度变化与影响因素分析

为探究寒区春季融雪期表层土壤湿度时空变化及其影响因素,以松嫩平原黑土区为研究区,利用遥感和GLDAS模拟同化数据集,以温湿指数作为辅助指标,通过一元线性回归、相关分析、滑动平均及相对贡献率法,分析了融雪期表层土壤湿度时空变化特征,揭示了表层土壤湿度变化的具体驱动因素。结果表明：32年来,融雪前期表层土壤湿度空间分布均呈减小趋势,融雪后期则呈南增、北减趋势;整体而言,融雪前期表层土壤湿度主要受积雪影响,后期主要与降雨及总降水变化密切相关,只有在积雪和降雨较少的地区,温度的蒸发作用才会相对明显;融雪前期表层土壤湿度多年变化主要由温度变化趋势驱动,积雪多年变化趋势对土壤湿度变化起到一种限制作用,降雨和总降水变化趋势决定了融雪后期表层土壤湿度的变化方向;从相对贡献率分析可知,融雪前期温度的升高和降雪的减少将导致表层土壤湿度的降低趋势放大一倍,但融雪后期降雨变化趋势的积极作用在一定程度上会影响春播前期土壤湿度暖干化的反馈过程,从而对陆气间水分交换产生积极影响。     

引黄灌区枸杞地土壤电导率空间格局及条件模拟

土壤电导率是影响土壤养分有效性和化学反应的重要因素,研究土壤电导率空间分布特征对探索该区土壤盐渍化程度和肥力质量特征等具有重要意义。运用地统计学方法对引黄灌区枸杞地土壤电导率空间分布特征进行研究。结果表明,土壤表层电导率属中等空间相关性,20~40和40~60 cm深度电导率为强烈空间相关性,其空间分布差异主要源于坡度、植株密度以及土壤管理模式等因素的影响。普通Kriging、与p H值协同Kriging法的估值范围均小于实测数据,均值略高于实测数据。序贯高斯条件模拟的土壤表层电导率范围、均值以及变程均与实测值相近,而20~40和40~60 cm深度下土壤电导率模拟结果与实测值存在一定差异,其范围和均值低于实测数据,变程大于实测数据,其误差来源于序贯高斯模拟过程中独特的Kriging算法及高斯特性。     

基于统计降尺度的长江上游流域降水和气温的时空变化趋势研究

基于长江流域宜昌站以上集水区的气象站实测数据,采用等距离累积分布函数法(Equidistance Cumulative Distribution Function Method,EDCDFm),对国际耦合模式比较计划第5阶段(Phase Five of the Coupled Model Intercomparison Project 5,CMIP5)的2种排放情景下(RCP4.5,RCP8.5)8个气候模式模拟的降水和气温进行统计降尺度。在此基础上,采用平均绝对误差、相对偏差和相关系数评估EDCDFm模拟结果与历史阶段(1961-2005年)实测站点数据的模拟精度,并对长江上游流域降水和气温的变化进行趋势分析。结果表明EDCDFm降尺度的模拟结果与实测值的拟合程度高,月降水相关系数达到0.89以上,月平均气温的相关系数在0.98以上;2种排放情景下,长江上游未来时期(2010-2099年)的降水、气温均呈增加趋势,且气温显著性增加。     

不同降水降尺度方法在天山西部区域的适用性评估

为能更好地提高外源数据的可靠性与适用性,丰富基础资料匮乏地区可用的数据源,以天山西部区域的伊宁、尼勒克和昭苏站作为典型代表站,基于实测降水数据和NCEP/NCAR再分析数据,采用人工神经网络ANN、极限学习机ELM、长短期记忆神经网络LSTM、支持向量机SVM、组合简单平均CSAM和组合支持向量机CSVM方法建立统计降尺度模型,评估不同降尺度方法在降水降尺度方面的适用性。研究结果表明:(1)由于降水影响因素的多重性、实测站点降水的差异性,不同降尺度方法的优劣性存在一定的差异,且率定期与验证期最优降尺度方法可能出现不对应的情况;(2)实测站点降水量越大,降尺度效果越好;降水量年内变化越不均匀,降尺度效果越差;(3)由于实测站点冬季降雪事件的发生影响了降尺度的效果,总体降雪量越多,降尺度效果越差;(4)极端降水事件频发,影响到降尺度的效果,降低了降尺度结果的可靠性与精度。总体上,研究区ELM、LSTM和CSVM模型具有一定的优越性,其中CSVM组合模型在季节、年降水方面模拟效果最好,ELM模型在月降水分布方面模拟效果最好。     

昆明地区玉米需水量及灌溉用水量研究

基于CROPWAT模型,利用昆明地区气象数据、玉米生育期数据和土壤数据,模拟研究1980-2012年玉米生育期需水量和灌溉用水量年际变化特征及气象要素对其的影响。结果表明:1980-1999年玉米需水量和灌溉用水量呈现微弱下降的趋势(p=0.22,p=0.06);1999-2012年玉米需水量和灌溉用水量呈上升趋势为(p0.01),多年平均玉米需水量和灌溉用水量分别为354.5和64.0mm。玉米需水量与温度、风速和日照时数呈正相关而与降水量和相对湿度呈负相关;灌溉用水量与温度、风速和日照时数呈正相关而与降水量呈负相关。逐步回归分析表明气温、风速和日照时数的组合可以预测年尺度上玉米需水量的变化趋势;气温、风速和降水的组合可以预测年尺度上灌溉用水量的变化趋势。     

贵州喀斯特区域土壤湿度变化规律研究

利用2011-2015年贵州喀斯特区域53个土壤湿度自动观测站逐日土壤湿度观测及气象台站观测资料,应用EOF分析了10~100 cm土壤湿度空间分布特征以及与可能蒸散和降水的关系,结果表明:(1)10~20,30~50,60~100 cm空间分布较为相近,威宁、沿河、正安、印江、思南地区各层土壤湿度较小,铜仁、安顺、都匀地区均较大。(2)10~50 cm土壤湿度7、9月中旬相对偏低,3、5月中旬居中,11、1月中旬偏高; 60~100 cm土壤湿度相差不大。(3)10~100cm土壤湿度场方差累计贡献率超过98%,第一主分量最大值在黔西北及东南等地区,最小值在黔西地区;(4)镇远、纳雍、凤冈春季可能蒸散对土壤湿度的影响较小;夏季可能蒸散对10~50 cm影响的滞后时间为一旬,60~100 cm相关性较低;秋季可能蒸散对10~50 cm土壤湿度滞后一或两旬,与60~100 cm滞后不明显;冬季可能蒸散对10~50 cm土壤湿度的影响较小。(5)春季,镇远降水对10~60 cm土壤湿度影响的滞后时间为两旬,纳雍降水对土壤湿度影响不明显,凤冈春季降水对10~30 cm土壤湿度滞后时间为当旬或一旬;夏季镇远、纳雍、凤冈降水对10~30 cm土壤湿度滞后当旬或一旬;秋季镇远、纳雍、凤冈降水对土壤湿度影响不明显。冬季镇远、凤冈降水对10、20 cm影响滞后时间为一旬。     

DEM超分辨率重构对梯田坡度提取的影响研究

坡度对地表水文、土壤侵蚀、土地利用规划有着重要的影响,区域尺度上的坡度通常基于数字高程模型(DEM)提取。区域尺度上,高分辨率坡度数据由于DEM获取途径、方式等原因,较难获得,通常通过超分辨率重构(又称降尺度变换)得到。以黄土高原地区水平梯田地形为研究对象,基于无人机摄影测量技术,生成不同分辨率的DEM数据并提取坡度,设计并给出了基于稀疏混合估计对DEM数据进行超分辨率重构的方法及流程,并与最近邻法、双线性插值法、三次卷积插值法比较,结果表明所提方法在空间分布和误差方面上均优于其他方法。     

贵州省2001—2015年植被覆盖NDVI时空演变及其对SPEI的响应

引起植被覆盖变化的气候因子占据主导地位。研究探讨了贵州省近15年来植被指数长时间序列的变化特征、基于标准化降水蒸散指数（SPEI）的干旱时空变化特征及两者之间的相关关系,可为区域植被覆盖保护与恢复提供一定的理论依据。选择2001—2015年MODIS NDVI（1 km）及19个气象站点气温、降水数据,采用一元线性回归的方法探究贵州省近15年来植被覆盖NDVI在年、月尺度下时空演变特征,及其与气温、降水和标准化降水蒸散指数（SPEI）的相关关系。结果表明:贵州西北至东南地区多年平均NDVI呈低中高分布格局,p<0.01上的生长速率为0.051/（10 a）,呈显著增加的趋势;多年平均气温、降水量的空间分布从西北到南方向呈现出低-中-高的特征,其易发生干旱的地区主要集中在贵州的西北地区,干旱在区域内的空间差异较大,黔西北、黔西南地区为易旱集中区;年均NDVI与年均SPEI、年均气温和年均降雨量的相关系数均为正值,表示NDVI与其响应因子具有一定的相关性,但与SPEI的相关性不显著,与气温和降水的相关性在p<0.01上呈显著性的正相关,且相关系数均大于0.5以上,相关程度较高;1—6月大致（p<0.01显著）呈现不显著的负相关,7—9月和11月表现为除9月（p<0.01显著）外均呈现不显著的正相关。      

基于粒子滤波和多变量权重的冬小麦估产研究

为了构建能够反映作物长势的综合性指标以及准确估测作物产量,采用粒子滤波算法同化CERES-Wheat模型模拟和基于Landsat数据反演的叶面积指数(Leaf area index,LAI)、地上生物量和0~20 cm土壤含水率,获取冬小麦主要生育期以天为尺度的变量同化值,分析不同生育时期的LAI、地上生物量和土壤含水率同化值与实测单产的相关性,并应用熵值的组合预测方法确定不同状态变量影响籽粒产量的权重,进而生成综合性指数,并分析其与实测单产的相关性。结果表明,LAI、地上生物量和土壤含水率同化值和田间实测值间的均方根误差(Root mean square error,RMSE)以及平均相对误差(Mean relative error,MRE)均低于这些变量模拟值和实测值间的RMSE和MRE,说明数据同化方法提高了时间序列LAI、地上生物量和土壤含水率的模拟精度。基于不同状态变量的权重生成的综合性指数与实测单产间的相关性大于单个变量与实测单产间的相关性;基于综合性指数构建小麦单产估测模型,其估产精度(R2=0.78,RMSE为330 kg/hm2)分别比基于LAI、地上生物量和土壤含水率建立模型的估产精度显著提高,表明构建的综合性指数充分结合了不同变量在作物估产方面的优势,可用于高精度的冬小麦单产估测。     

基于GIS的水量平衡模型在黄土高原地区土壤水分模拟中的应用

应用修正后Vrsmarty水量平衡模型对黄土高原地区2001-2010年间的土壤水分变化规律进行模拟。该模型综合考虑了土壤质地、植被类型、蒸发、降水等因素。模拟结果表明:黄土高原地区平均土壤水含量年内呈"正弦"曲线的变化规律,6月份土壤水含量最低为36.9mm,随着雨季到来,10月达到最高为74.3mm,而后逐渐降低。土壤水变化趋势可分为西北和东南两个区。西北区降雨量少,蒸散量大,全年土壤水含量很低,为1～40mm;东南区受降雨和蒸散周期性的变化的影响,土壤水变化周期性明显,秋末最高达200～240mm,夏初最低为60～100mm。全区的年平均降水为435.8mm,从东南向西北逐渐减少。全区年平均参考作物蒸散量为1 072.7mm,呈现出西北和东南偏高,东北和西南偏低的趋势。     

黄土高原半干旱区退耕还林对土壤微量元素的影响

为了探明黄土高原半干旱区退耕还林对土壤微量元素(Cu、Zn、Mn、Mo、Fe)含量的影响及其与影响因子间的关系,以甘肃省关川河流域退耕还林地和农地为研究对象,使用有效性评价、通径分析等方法研究土壤微量元素与土壤环境变量间的关系。结果表明:退耕后土壤微量元素含量随土层深度增加而减少,在表层土壤中呈一定的富集现象。退耕地Cu、Mn、Mo的有效性指数高于Zn、Fe,侧柏林地有效性综合指数高于云杉林地。偏相关分析显示,退耕还林区土壤微量元素有效态含量的主要影响因素为土壤有机质、全钾、全氮与土壤含水率;回归分析显示,土壤环境因子可解释38.1%~73.8%有关土壤微量元素含量的变异;通径分析表明,土壤全钾对土壤微量元素的直接作用最大,土壤全氮对微量元素的间接作用最大;决策分析表明,土壤全钾与土壤有机质是退耕还林区微量元素含量的决策变量,而土壤含水率是土壤微量元素的限制变量。     

Soil water dynamics and deep soil recharge in a record wet year in the southern Loess Plateau of China

Terrestrial water cycles are influenced by hydrologic and textural properties of the deep loess layer in the Loess Plateau. Analyses of soil water profile distributions are needed to understand the regional water cycle processes and to guide agricultural production and sustainability. The objective of this study was to quantify the extent of deep soil water recharge and soil water profile dynamics during 1987-2003, especially in a record wet year of 2003, in common cropping systems in a semiarid-subhumid region of the southern Loess Plateau. The Chinese Ecological Research Network (CERN) site and a long-term rotation experiment site in a flat tableland were selected for this study. Soil moisture profiles were measured by a neutron probe to a depth of 6 m in 2003. The precipitation of 954 mm at the Changwu County Meteorological Station in 2003 was 63.4% higher than the long-term average (584 mm), and was a record high since 1957. Although cropping systems affected deep soil water recharge, the persistent dry soil layer formed between 2- and 3-m depths in croplands, resulting from many years of intensive cropping, was fully replenished in all cropping systems in 2003. Further frequency analysis indicated that the desiccated layer between 2- and 3-m depths would be fully recharged at least once in about 10 years for all existing cropping systems excluding continuous alfalfa. This finding should alleviate concerns about the formation of a permanent deep-soil desiccation layer as well as its potential impact on the long-term sustainability of the existing intensive cropping systems in the region.     

黄土高原南北样带不同土层土壤容重变异分析与模拟

为探明黄土高原南北样带土壤容重空间分布特征,为土壤水文过程模拟与预测提供水力参数,采用经典统计学方法,分析了样带不同土层深度(0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm)土壤容重的空间变异特征,并用多元逐步回归、传递函数方程和一阶自回归状态空间模型方法分别对土壤容重的空间分布进行了模拟。结果表明:样带0~20 cm深度土壤容重的变异为中等程度变异,20~40 cm为弱变异。状态空间方程转换系数表明,不同土层深度土壤容重的影响因素不同,0~10 cm主要为有机碳含量、黏粒和砂粒体积分数,10~20 cm为有机碳含量、黏粒和砂粒体积分数和降水量,20~40 cm为黏粒和砂粒体积分数、降水量和土地利用。状态空间模型的模拟效果均优于经典统计的多元逐步回归方程和传递函数方程,基于黏粒和砂粒体积分数、降水量和土地利用的状态空间模型可以解释样带20~40 cm容重92.3%的变异。一阶自回归状态空间模型可用于田间条件下土壤容重分布特征的预测。     

基于近红外傅里叶特征提取方法的土壤含水率检测

以湖北地区的3种土壤为研究对象,利用偏最小二乘法建立了处理后样品的土壤含水率分析模型,模型预测值与标准值的决定系数为0.995,交叉验证预测均方差为0.801%,模型预测决定系数为0.992,预测均方差为0.912%,利用该模型预测黄土高原地区黄绵土含水率误差均大于4%.利用近红外光谱傅里叶变换特征提取方法对湖北地区黄棕壤、稻田土和潮土建立土壤含水率PLS预测模型,模型决定系数为0.988,交叉验证预测均方差为1.106%,且该模型预测黄绵土的误差均在2%左右,精度较传统模型有较大提高.     

陕北黄土高原雨养区谷子棵间蒸发与田间蒸散规律

为了提高黄土高原雨养区谷子的降水利用效率,该文利用中型称重式蒸渗仪和微型蒸渗仪并结合谷子整个生育期内生物指标的动态变化过程,对神木六道沟流域谷子棵间蒸发与田间蒸散规律进行了研究。结果表明,Logistic模型可以很好地模拟谷子株高和盖度的变化,模型计算值与实测值的相关系数均达到0.99。神木六道沟流域的降水总量和谷子的耗水量基本持平,在谷子抽穗期到灌浆期出现了阶段性的缺水。在谷子整个生育期内谷子棵间蒸发占总耗水量的44%。叶面积指数、0～10 cm土层土壤含水率与棵间蒸发与田间蒸散比值间均呈指数函数关系,其决定系数均在0.8以上,且呈现出极显著的相关性。研究为当地合理利用有限水资源和提高水分利用效率提供理论支持。     

云南省土壤墒情变化特征分析

分析云南省土壤墒情变化特征。利用2008-2012年云南省13个土壤墒情监测站的土壤重量含水量和日降水数据,分析其土壤墒情的时空变化特征。结果表明:滇东南和西北部的土壤墒情较高,而滇中的土壤墒情较低。不同深度的土壤含水量呈显著线性相关,且整体上表现为深度越深土壤含水量越大。土壤含水量与降水量大致呈正相关;土壤含水量最大值出现在6-10月,且基本上滞后降水最大月份1个月;土壤含水量最小值出现在1-4月。     

黄土丘陵区浅沟表层土壤粘结力状态空间模拟

为探明黄土丘陵区土壤粘结力沿浅沟分布的空间差异性及其影响因素,运用线性回归模型和状态空间方程模拟了土壤粘结力在浅沟不同部位的分布。结果表明:沿着浅沟分水线、沟坡和沟底,土壤粘结力呈中等程度变异,主要受海拔高度、粘粒、砂粒含量和容重的影响;粘结力与海拔高度、粘粒、砂粒含量、容重均存在显著的空间自相关性和较好的交互相关关系;状态空间方程对粘结力的空间模拟效果要优于线性回归模型,其中采用单因素粘粒含量的状态空间方程结果最好,纳什效率系数NSE为0.968,可以解释粘结力空间变异的97.2%。     

黄土高原坡面刺槐林土壤水分有效性分析

通过定位观测并引入土壤水分有效性标准,对黄土高原刺槐林不同地理位置、不同坡向和不同时期土壤储水量进行了分析,结果表明,由南向北,土壤储水量有效性递减,刺槐林0~600 cm土壤水分的有效性淳化和延安表现为中效,延安为轻度亏缺;米脂表现为难效,为中度亏缺。在不同坡向间阴坡土壤水分的有效性最高,阳坡最低,半阴坡和半阳坡介于二者之间;在1~8月份土壤水分的有效性逐渐降低,9~12月土壤水分得到恢复,有效性提高。     

黄土丘陵区土壤粒径分布单重分形和多重分形特征

利用单重分形和多重分形方法定量分析黄土丘陵区土壤粒径分布(PSD)特征,同时分析土地利用方式对PSD分形参数的影响。结果表明:研究区PSD呈现出非均匀分布,具有多重分形特征,PSD多重分形谱f(α)-α为不对称的上凸曲线。容量维数D0与土壤质地相关性不明显,信息维数D1、关联维数D2和多重分形谱宽Δα均与粘粒体积分数呈极显著正相关(P<0.01)。土地利用方式对粘粒、粉粒、砂粒体积分数和Dsilt值有显著影响(P<0.01)。多重分形分析为详细描述PSD提供了精确的方法和途径。