陆表能量与水分交换过程的遥感观测与模拟

《陆表能量与水分交换过程的遥感观测与模拟》以国家重大科学研究计划项目“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”为基础，以解决“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”这一关键科学问题为目标。《陆表能量与水分交换过程的遥感观测与模拟》首先介绍了陆表能量和水分交换过程的五大主要关键状态变量(地表辐射平衡、土壤水分、积雪、冻融及动态水体等)高时空高精度的遥感反演理论和方法；其次介绍了适合多时空尺度陆表能量水分交换过程模拟的高分辨率复杂地表蒸散发遥感估算模型、水热通量观测和模拟的尺度效应及尺度转换研究；*后介绍了基于遥感观测的陆面模式“面源”参数优化方法，将优化后的参数应用到陆面模式中以改进模式的模拟性能，并在青藏高原开展了高分辨率的区域陆-气耦合模拟应用，探究了陆面模式改进对改善陆-气交互作用模拟的贡献。

目录
序一
序二
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 面向的科学问题和国家重大需求 2
1.3 国内外研究现状和发展趋势 3
1.3.1 陆面模式发展及能量和水分交换过程的模拟研究现状及问题 4
1.3.2 遥感观测驱动的陆表能量与水分交换过程模拟研究现状及问题 7
1.3.3 数据同化研究中的问题和发展趋势 10
1.4 展望与小结 11
参考文献 12
第一部分 陆表能量与水循环关键要素的遥感观测
第2章 陆表土壤水分的遥感观测 19
2.1 土壤水分遥感概述 19
2.1.1 土壤水分观测方法与遥感原理 19
2.1.2 土壤水分被动微波遥感研究进展 27
2.2 多角度数据联合反演土壤水分 30
2.2.1 SMOS多角度亮温数据优化处理方法 31
2.2.2 SMOS植被光学厚度与土壤水分反演算法 33
2.2.3 算法验证分析 35
2.3 多通道数据协同反演土壤水分 42
2.3.1 多通道数据的信息度 42
2.3.2 多通道协同反演算法 45
2.3.3 算法验证分析 47
2.4 土壤水分产品的空间降尺度 53
2.4.1 主被动微波降尺度 54
2.4.2 高低频微波亮温降尺度 60
2.5 土壤水分长时序产品构建 66
2.5.1 时间尺度扩展方法 67
2.5.2 产品验证分析 69
参考文献 74
第3章 陆表积雪的遥感观测 81
3.1 积雪光学遥感原理 82
3.2 构建积雪覆盖度验证数据集 84
3.2.1 Landsat-8 OLI积雪覆盖度“真值数据”算法说明与精度检验 84
3.2.2 验证数据集建立流程及内容 87
3.3 三种MODIS积雪覆盖度产品验证 88
3.3.1 产品精度评价方法 90
3.3.2 精度评价结果 91
3.3.3 结果分析 99
3.4 MODIS积雪指数改进 107
3.4.1 归一化差值积雪指数(NDSI)的局限 107
3.4.2 通用型比值积雪指数(URSI) 108
3.4.3 积雪覆盖度与URSI及NDSI线性经验关系 108
3.4.4 积雪覆盖度与URSI及NDSI线性经验关系验证 111
3.5 基于风云二号静止气象卫星的积雪覆盖度监测算法 113
3.5.1 FY-2/VISSR数据 114
3.5.2 验证数据与辅助数据 114
3.5.3 FY-2/VISSR积雪覆盖度反演算法 115
3.5.4 FY-2 VISSR积雪覆盖度验证对比 117
3.6 基于新一代静止气象卫星积雪覆盖度反演算法 124
3.6.1 研究区与Himawari-8 AHI数据 125
3.6.2 Himawari-8积雪覆盖度反演算法?动态积雪指数法 127
3.6.3 Himawari-8积雪覆盖度反演流程 130
3.6.4 Himawari-8反射率角度校正 131
3.6.5 Himawari-8积雪覆盖度验证 135
3.6.6 Himawari-8积雪覆盖度的时空连续性 142
3.6.7 Himawari-8积雪覆盖度误差来源分析 143
3.7 静止气象卫星与MODIS融合的积雪覆盖度 146
3.7.1 基于风云二号静止气象卫星与MODIS积雪覆盖度融合算法 146
3.7.2 基于新一代静止气象卫星与中分辨率成像光谱仪积雪覆盖度融合算法 147
3.8 本章小结 149
参考文献 150
第4章 陆表冻融状态的遥感观测 154
4.1 陆表冻融状态遥感概述 154
4.1.1 陆表冻融过程观测方法与遥感原理 154
4.1.2 陆表冻融状态微波遥感研究进展 161
4.2 近陆表冻融状态遥感判别算法 164
4.2.1 全球近陆表冻融状态的判别分析 164
4.2.2 长时序陆表冻融状态的遥感判别 172
4.3 高分辨率陆表冻融状态遥感判别 176
4.3.1 单变量降尺度模型 176
4.3.2 双变量降尺度模型 179
4.4 本章小结 183
参考文献 184
第5章 陆表辐射的遥感观测 187
5.1 陆表短波下行辐射的遥感观测 187
5.1.1 引言 187
5.1.2 几种典型陆表短波下行辐射的验证与比较 188
5.1.3 短波下行总辐射与直射辐射的遥感估算 197
5.1.4 复杂地形区短波辐射量建模与反演 204
5.2 陆表长波下行辐射的遥感观测 209
5.2.1 引言 209
5.2.2 长波下行辐射的光学与微波融合估算方法 210
5.3 净辐射遥感估算 215
5.3.1 引言 215
5.3.2 算法 217
5.3.3 产品验证 219
5.3.4 应用分析 226
参考文献 229
第6章 全球逐日内陆水体时间序列制图 236
6.1 引言 236
6.2 算法开发 239
6.2.1 水体典型特征 239
6.2.2 数据 241
6.2.3 方法与原理 249
6.2.4 精度验证 262
6.3 验证结果 263
6.3.1 基于同步高分辨率卫星影像 263
6.3.2 基于专家样本 263
6.3.3 基于现有全球水体制图产品 266
6.4 数据产品 266
6.4.1 数据产品介绍 266
6.4.2 数据产品存在的问题 269
6.4.3 数据产品特色 273
6.5 本章小结 278
参考文献 278
第二部分 陆表蒸散发遥感估算及尺度转换研究
第7章 陆表蒸散发遥感 285
7.1 陆表蒸散发基本理论和测算方法 285
7.1.1 蒸散发机理 285
7.1.2 蒸散发观测方法 286
7.1.3 蒸散发遥感估算常用方法 287
7.2 陆表蒸散发过程分量遥感估算 289
7.2.1 植被蒸腾和土壤蒸发过程 290
7.2.2 冠层降水截留过程 299
7.2.3 冰雪升华过程 303
7.3 遥感观测陆表关键状态变量对陆表蒸散发估算的改进 308
7.3.1 遥感观测净辐射对蒸散发估算的改进 308
7.3.2 动态水体对蒸散发估算的改进 309
7.3.3 积雪覆盖度对蒸散发估算的改进 311
7.3.4 冻融状态对蒸散发估算的改进 313
7.4 全球蒸散发产品 315
7.4.1 全球蒸散发产品生产 315
7.4.2 全球蒸散发产品验证 316
7.5 本章小结 318
参考文献 319
第8章 陆表蒸散发观测和模拟的尺度效应与尺度扩展 325
8.1 陆表蒸散发观测和模拟的尺度效应概述 325
8.1.1 陆表蒸散发观测尺度效应 325
8.1.2 陆表蒸散发模拟的尺度效应 327
8.2 蒸散发地面观测到遥感像元尺度扩展 328
8.2.1 蒸散发观测到遥感像元尺度扩展概述 328
8.2.2 陆表蒸散发尺度扩展与真实性检验研究方法 329
8.2.3 尺度扩展与真实性检验结果分析 335
8.3 蒸散发模拟尺度效应分析及真实性检验 343
8.3.1 陆表蒸散发模拟尺度效应分析 343
8.3.2 陆面过程模型粗网格蒸散发模拟的真实性检验 349
8.4 本章小结 352
参考文献 353
第三部分 基于遥感观测的陆表能水循环模拟研究
第9章 遥感在陆表能水循环模拟中的应用 363
9.1 引言 363
9.2 陆面模型简介 364
9.2.1 陆面模型的发展历史 364
9.2.2 主流陆面模式简介 366
9.3 遥感在陆表能水循环模拟中的应用现状 368
9.3.1 遥感产品在驱动数据中的应用 368
9.3.2 基于遥感产品改善模型初始状态 370
9.3.3 遥感产品在模型参数中的应用现状 372
9.4 展望与小结 372
参考文献 373
第10章 基于遥感观测的陆面模式参数优化 377
10.1 单点CoLM陆面模式参数优化 377
10.1.1 多种抽样方法的比较 377
10.1.2 基于替代模型自适应抽样的多目标参数优化方法 380
10.2 黑河流域CoLM模式的区域参数优化 388
10.2.1 COLM参数优化实施方案 388
10.2.2 COLM单点模拟与参数优化 392
10.2.3 COLM黑河区域尺度参数优化 396
10.3 陆面模式CLM在全球尺度的参数敏感性分析和优化研究 400
10.3.1 陆面模式简介 400
10.3.2 可调参数与模拟变量 401
10.3.3 方法与数据 406
10.3.4 结果与分析 412
参考文献 429
第11章 基于遥感观测的陆表初始状态优化 433
11.1 引言 433
11.2 研究方法 435
11.2.1 预报和观测系统 435
11.2.2 水分平衡弱约束的同化系统 435
11.2.3 同化算法的改进 436
11.2.4 检验统计量 437
11.3 模型和数据 439
11.3.1 研究区域和观测资料 439
11.3.2 驱动数据 439
11.3.3 陆面模式 440
11.4 理想实验 440
11.4.1 实验设计 440
11.4.2 预报误差方差的扩大调整和垂直局地化 441
11.4.3 水分平衡约束 443
11.5 站点验证 444
11.6 区域验证 445
11.7 讨论与小结 446
11.7.1 预报误差方差的调整 446
11.7.2 偏差的校正 447
11.7.3 主要结论 447
参考文献 447
第12章 区域应用：青藏高原陆?气耦合模拟研究 452
12.1 引言 452
12.2 高分辨率陆面过程模拟及交叉验证 452
12.2.1 高分辨率陆面过程模拟 452
12.2.2 土壤水分观测 453
12.2.3 交叉验证 455
12.3 基于WRF对次网格地形拖曳力参数化方案的评估 459
12.3.1 模式设置 459
12.3.2 风速 460
12.3.3 2?M气温和气压 463
12.3.4 讨论 464
12.3.5 小结 467
12.4 TOFD对青藏高原夏季降水的影响 468
12.4.1 研究方法和数据 468
12.4.2 风场的模拟结果 469
12.4.3 讨论 471
12.4.4 小结 473
参考文献 473