青藏高原融雪期积雪反照率特性分析

积雪反照率是影响地—气辐射能量平衡的重要地表参数之一。结合青藏高原的积雪消融特点，研究了2018年2~3月青藏高原28个观测点的反照率空间差异，并分析了影响反照率的表层积雪参数，结果表明：融雪期青藏高原的积雪反照率均值为0.72，高原东北部的青海地区观测点的反照率均值高于西藏南部地区，不同区域积雪反照率值内部差异不同；西藏南部地区的水汽来源和较快的积雪消融过程导致该区域反照率低于青海地区；地表被斑状雪覆盖的观测点具有较低的反照率值（小于0.5）；多云天气条件下，短时间的云层遮挡对反照率影响很小，积雪反照率几乎保持不变。     

青藏高原融雪期积雪反照率特性分析

积雪反照率是影响地—气辐射能量平衡的重要地表参数之一。结合青藏高原的积雪消融特点,研究了2018年2～3月青藏高原28个观测点的反照率空间差异,并分析了影响反照率的表层积雪参数,结果表明:融雪期青藏高原的积雪反照率均值为0.72,高原东北部的青海地区观测点的反照率均值高于西藏南部地区,不同区域积雪反照率值内部差异不同;西藏南部地区的水汽来源和较快的积雪消融过程导致该区域反照率低于青海地区;地表被斑状雪覆盖的观测点具有较低的反照率值(小于0.5);多云天气条件下,短时间的云层遮挡对反照率影响很小,积雪反照率几乎保持不变。     

基于ART模型的MODIS积雪反照率反演研究

积雪反照率是研究局地或全球的能量收支平衡和气候变化中的重要参数,遥感反演为积雪反照率的获取提供了便利的手段。积雪反照率大小主要取决于积雪的自身物理属性(雪粒径、形状和污染物等因子)以及天气状况,遥感反演反照率大多基于双向反射模型(BRDF),积雪BRDF模型常使用积雪辐射传输模型获得。采用考虑了雪粒径、粒子形状以及污染物影响的渐进辐射传输理论(ART)模型,建立了MODIS积雪反照率反演算法,得到了MODIS 8d合成积雪反照率产品。将此算法应用于具有均一积雪地表的格陵兰岛地区,并使用GC-Net实测数据进行了验证,反演的总均方根误差(RMSE)为0.018,相关系数(r)为0.83,结果表明考虑了积雪特性的ART模型能够较好地反演积雪反照率,而且反演需要的参数较少。     

青藏高原冰川、积雪与地质灾害空间观测研究态势分析

气候变化带来的一系列严重问题越来越成为人类关注的焦点。21世纪初启动的世界气候研究计划(WCRP)新的核心计划——气候与冰冻圈计划(Climate and Cryosphere,CliC),使得冰冻圈研究成为国际热点的标志。由于青藏高原冰川积雪对气候变化的敏感性,以及地质灾害常发的特殊性,近年来中国、印度、美国、日本、德国等国家部署了一系列研究计划和研究项目,发表了大量的青藏高原冰川、积雪和地质灾害空间观测机理与应用的论文。通过文献计量分析这些论文可以反映出国际上青藏高原冰川、积雪与地质灾害空间观测研究的进展和发展态势。以SCIE中检索到的2000~2015年间与青藏高原冰川、积雪与地质灾害空间观测研究相关的论文、研究综述和学术会议论文等相关文献为基础,分析了国际地球关键带研究的总体研究概况、主要研究主体(国家和机构)分布和不同时期的研究主题和热点、学科领域分布、研究合作及未来发展态势等特征。     

青藏高原积雪对气候反馈的初步研究

积雪具有很高的反照率,能反射回绝大部分的太阳短波辐射;同时,积雪是热的不良导体,其热阻隔性会抑制地表的长波辐射。因此,积雪的积累和消融会强烈地改变大气层顶的辐射平衡,进而对气候产生反馈。采用ERA-Interim再分析资料和MODIS去云积雪产品,通过改进的偏辐射扰动思想,对青藏高原地区2001~2010年积雪影响下大气层顶的辐射能量收支状况进行模拟,计算对应的积雪辐射强迫,并在此基础上估算积雪反馈。结果表明:研究区99.5%以上地区的大气层顶辐射平衡为负,即积雪对气候存在正的辐射强迫,年平均辐射强迫为3.97 W·m-2。时空分布特征表明,积雪辐射强迫的年际差异不大,但空间差异很大,其空间分布与积雪覆盖率有很强的正相关关系,在绝大多数情况下,短波反照率辐射强迫对积雪辐射强迫起着决定性作用,且青藏高原的积雪反馈强度约为9.35 W·m-2·℃-1。     

被动微波遥感在青藏高原积雪业务监测中的初步应用

积雪范围、积雪深度和雪水当量等参数的遥感监测与反演对气候模式的建立以及积雪灾害的评估具有重要意义。被动微波遥感在这些参数的反演方面具有明显优势,但目前尚未应用到青藏高原地区的积雪遥感业务监测上来。2001年10月至2002年4月,利用SSM/I数据对青藏高原地区的积雪范围和积雪深度进行了实时监测,为西藏、青海遥感应用部门提供逐日的雪深分布图。对这次监测的总效果进行了分析和评价,并对发生在青海省内一次较大的降雪过程进行了遥感分析,结果表明:SSM/I反演的积雪范围变化趋势与MODIS结果总体上较为一致;SSM/I的雪深监测结果为当地遥感部门对大于10 cm的雪深做出正确判断提供了重要信息,是对雪灾定位的重要信息源。     

青藏高原MODIS积雪面积比例产品的精度验证与去云研究

MODIS积雪产品的精度验证和去云处理是积雪监测研究的基础。首先利用青藏高原典型地区的ETM+数据作为“真值”影像,对MODIS积雪面积比例(FSC)产品在无云条件下的精度进行验证,发展了一个基于三次样条函数插值的去云算法,并采用基于“云假设”的检验和地面站积雪覆盖日数(SCD)检验两种方法对去云算法的精度进行了分析评价。结果表明:MODIS FSC产品在青藏高原地区具有较高的精度,与FSC“真值”相比,其平均绝对误差、均方根误差以及相关系数分别为0.098、0.156和0.916;去云算法能够有效地获取云遮蔽像元的FSC信息,平均绝对误差为0.092,用新生成的无云MODIS FSC产品计算得到的SCD与地面观测值具有较高的一致性(87.03%),平均绝对误差为3.82 d。     

基于环境信息和回归模型的青藏高原MODIS积雪面积比例产品制备

积雪面积比例（Fractional Snow Cover, FSC）是定量描述单位像元内积雪覆盖面积（Snow Cover Area, SCA）与像元空间范围的比值,可为区域气候模拟、水文模型等提供积雪分布的定量信息。MODIS FSC产品是根据经验模型计算得到,并没有考虑地形、植被和地表温度等环境因素的影响,在青藏高原的验证精度低。针对此问题,考虑青藏高原地区环境因素（地形、植被、地表温度）对FSC制备的影响,基于多元自适应回归模型（Multivariate Adaptive Regression Splines, MARS）和线性回归模型分别建立FSC制备的非参数回归模型和经验回归模型。用Landsat 8地表反射率的数据和SNOMAP算法制备FSC的参考数据集。选取一部分参考数据集作为模型的训练数据集,另一部分作为模型的检验数据集。研究结果表明：MARS方法估计FSC的精度明显高于线性回归模型和原有的MODIS FSC制备方法。MARS的总体R、RMSE、MAE分别为0.791、0.103、0.058。在线性回归模型中精度最高的总体R、RMSE、MAE分别为0.647、0.128、0.072。MODIS 原有FSC制图方法的总体R、RMSE、MAE分别为0.595、0.221、0.170。考虑了环境信息的MARS方法更加适用于青藏高原地区FSC制备。本研究为制备青藏高原地区更高精度的FSC数据提供了新思路。     

EASE-Grid投影对青藏高原雪水当量产品的验证影响分析

本文介绍EASE-Grid 3种投影的定义,利用地面实测数据和理论方式开展不同投影下AMSR-E雪水当量(SWE)产品的精度验证对比分析,研究其不同投影导致误差产生的原因。验证对比结果表明,青藏高原地区北半球方位角等积投影和全球圆柱体等积投影对于验证结果具有很大影响。理论分析结果表明,我国青藏高原地区在全球圆柱体等积投影下网格发生的形变较小,更适合采用全球圆柱体等积投影。进一步研究表明,AMSR-E亮温数据轨道采样点落入北半球方位角等积投影和全球圆柱体等积投影对应网格差异较大。雪水当量产品验证结果的误差包含了算法误差和投影带来的误差。在开展大尺度遥感反演时,应根据具体研究区所处的纬度范围及研究目的,选取适合的投影方式以降低投影引起的误差。     

青藏高原1982~2015年FPAR时空变化分析

植被吸收利用太阳光合有效辐射比率反映了植被固碳释氧能力,根据青藏高原GIMMS NDVI3g（1982~2015年）和MODIS NDVI（2001~2015年）数据,采用非线性半理论半经验模型进行FPAR反演及时空变化分析。结果表明：①2001~2015年GIMMS NDVI3g和MODIS NDVI反演FPAR在空间分布上具有较高的一致性,相关系数为0.82（P<0.01）,年际变化趋势一致至少6年的区域占80%;②青藏高原FPAR受坡度和海拔影响较大,其中15~35坡度FPAR变化最快,700~2 100 m海拔区间FPAR值最大;不同坡向对应的FPAR除南坡方向偏低外其他方向差异不大。③1982~2015年青藏高原四季FPAR时空变化研究中,冬季FPAR年际变化最明显,约78.5%的区域表现为增长趋势;秋季FPAR下降区域最多,但超过71.5%区域变化不显著;④基于MODIS NDVI和GIMMS NDVI两数据反演的所有植被类型的FPAR都在2012年间出现小幅度下降趋势,且不同植被类型FPAR的年际变化趋势各不相同。     

藏北那曲地区地面与MODIS反演的地表反照率对比分析

利用藏北高原那曲地区反照率地面观测资料分析了其日内、月均和季节变化特点,在此基础上,与同期的MODIS/Terra反演结果进行了对比分析。结果表明:藏北那曲地区晴天地表反照率日内变化明显,主要表现为早晚高,变幅大,中午低,变幅小的"U"形变化特点。早晨太阳高度角低,反照率高,日内随着太阳高度角的增加反照率逐渐降低,下午14:00~15:00反照率达到日内最小值,之后随着太阳高度角的降低,反照率上升明显。夏季日内最高反照率出现在早晨8:00,其他季节则基本上在下午18:00。太阳高度角同样是影响地表反照率季节性变化的主要原因,两者呈极显著的反相关关系,相关系数为-0.91。冬季平均地表反照率最高,为0.28,其次是春秋两季,均为0.23,夏季最低,为0.19。MODIS/Terra在上午12:00左右过境时反演的地表反照率与地面观测值之间存在很好的一致性,两者平均值都为0.22,相对误差9.60%,绝对误差和均方根误差(RMSE)均为0.02,而在13:00左右过境时,卫星反演值较观测值存在系统性偏小特点,平均偏小14.29%,相对误差为16.45%,绝对误差0.04,均方根误差0.05。此外,MODIS反演的地表反照率比地面观测值日际波动大。若不考虑积雪,冬夏两季地表反照率的空间差异小,而春秋两季空间差异较大,这主要与研究区地面植被类型及其季节性空间分布特征有关。     

卫星遥感西藏高原积雪时空变化及影响因子分析

积雪是气候变化的指示器,其变化对地球能量和辐射平衡以及水分循环产生深刻的影响。研究积雪与气候变化的关系是气候变化区域响应的最好实证。利用2000年3月~2011年2月共11 a的MODIS雪盖产品数据、1979~2010年逐日雪深被动微波遥感数据、DEM数据以及地面气象观测数据,通过GIS空间分析及地统计分析功能,系统分析西藏高原雪深、雪盖和雪线的时空变化规律及其对气候变化的响应关系。研究表明:研究区雪深的分布形成了四周山地积雪深度大,中部腹地雪深小的空间格局。1979~1999年平均雪深呈极显著增加趋势,线性倾向率为0.26 cm/10a,1999~2010年则呈下降趋势。逐像元回归分析结果显示,研究区年积雪深度呈增加趋势的像元数占全区像元总数的76.9%,有减少趋势的仅占23.1%;雪盖面积变化总体呈缓慢波动减少趋势,线性倾向率为-3.89万km²/10a;7、8月在中东部念青唐古拉山、南部喜马拉雅山、冈底斯山和昆仑山等山脉一带以及高原腹地局部地区仍存在大面积常年积雪;雪线年平均呈微弱上升趋势,线性倾向率为6.54 m/10a,各季节平均雪线中,秋季雪线的变化对年平均贡献最大;雪线空间分布呈现从东南向西北逐步升高的态势。积雪参数与气候因素的相关分析表明,雪深春秋季主要受风速和日照时数影响,夏冬季则分别是降水量和风速;气温是影响四季积雪覆盖面积的主导因素,春秋季雪线与气温分别呈正相关和负相关。     

青藏高原地区被动微波遥感反演地表温度算法验证

近年来,青藏高原地区的水热平衡成为关注的焦点,而地表温度是陆表过程模型的重要输入参数之一。被动微波遥感在地表温度反演上已经取得了一些进展。本文重点用被动微波数据反演地表温度算法对青藏高原地区的数据做不同下垫面的地面验证和分析,包括Mao(2005)、Richard(2003)、Zhao(2011)3种算法。研究表明:Richard(2003)的单通道算法能够适应低矮植被地区,反演精度高;Zhao(2011)算法在裸土地区的反演精度更高;而Mao(2005)算法出现了低估的情况。研究发现3种算法的绝对误差随不同时间降雨的变化呈现相同的波动趋势,即反演精度受到降雨的影响,降雨量增大,温度反演误差变大;降雨之后,随着地表逐渐干燥,土壤水分逐渐减小,误差随之减小。     

基于GLASS数据的青藏高原2001—2018年蒸散发时空变化分析

准确认知青藏高原蒸散发时空变化特征,为当地可持续农业的水资源规划及理解高原气候变化具有重要现实意义。研究基于GLASS陆表潜热通量产品,采用Mann-Kendall趋势分析方法,结合青藏高原生态地理分区方案,分析了2001—2018年青藏高原蒸散发的时空变化特征及其与气温、降水和植被的关系。结果表明：(1)GLASS ET产品可以较好地表征青藏高原蒸散发的时空分布特征;(2)青藏高原多年平均蒸散发为296.52 mm,整体上呈现出东南高西北低的空间格局,其中东喜马拉雅南翼最高（690.94 mm）,柴达木盆地最低（163.47 mm）;(3)近18 a来,青藏高原蒸散发年际变化呈波动性上升,只有东喜马拉雅南翼在下降;(4)研究期间,青藏高原蒸散发以显著性增长趋势为主,占47.44%,主要位于高原东部边缘和中西部腹地,呈显著性减小趋势的地区占3.82%,主要集中于东喜马拉雅南翼;(5)蒸散发的空间分布在干旱区与气温呈负相关,在湿润区呈正相关,与降水空间格局总体呈正相关;(6)蒸散发与NDVI的空间分布呈较好的正相关,与NDVI的变化趋势相关性较为复杂,大部分呈正相关,小部分呈负相关。     

青藏高原冻土温度64通道监测系统设计

为了服务青藏高原铁路建设需要,本文在分析青藏高原冻土水热物理特性基础上,研究了冻土测试专用热敏电阻的非线性特性,通过实验逐点测试传感器温度值并进行分段拟合,得到热敏电阻的阻温关系曲线。结合青藏高原恶劣自然环境,设计了一种适应于青藏高原不同深度冻土温度监测系统。引入四线制方法,巧妙地设计了64通道温度监测电路,实现了不同深度冻土温度监测功能。根据测试精度要求,提出一种温度校正方法,解决了热敏电阻测量不稳定,信号畸变等问题。经过系统性能分析与实验室测试,结果表明系统能够满足不同深度冻土温度监测精度要求,功耗较低,具有良好的工作性能。