黑河流域生态-水文过程综合遥感观测试验：水文气象要素与多尺度蒸散发观测

黑河流域长序列、高密度、多尺度水文气象要素的观测对生态-水文过程研究意义重大，并将促进对尺度问题、地表能量平衡与水循环闭合问题的认识。本项目拟依托流域内现有的常规水文、气象站与定位站，通过新增与改建超级站和普通站，形成由超级站-定位站-普通站-常规站构成的，覆盖上、中、下游的水文气象综合观测网，为流域有关生态-水文-大气模型研究提供更有代表性的模型参数、驱动数据及更高精度的验证数据。在黑河流域中游盈科灌区以涡动相关仪+大孔径闪烁仪观测矩阵、自动气象站+无线传感器网络为主，结合稳定同位素观测，开展卫星、航空遥感和地面密集观测站网一体化的非均匀下垫面多尺度地表蒸散发、关键地表参数与水文气象要素的观测，揭示地表蒸散发的空间异质性特征、尺度效应及影响因子，为非均匀下垫面地表蒸散发尺度转换方法的研究及相关遥感模型的发展等提供地面真值。

地表蒸散发是流域水循环的重要组成部分，决定着地表与大气间水分和能量交换，显著影响下垫面的气候和环境条件，对流域生态-水文过程研究有着重要的意义。本项目选择黑河流域为研究区域，开展了2012年5-9月黑河中游非均匀下垫面地表蒸散发的多尺度观测试验，构建了30km×30km和5.5km×5.5km两个嵌套的通量观测矩阵。由22台涡动相关仪、21套自动气象站、8套大孔径闪烁仪、3组热扩散液流计、2台宇宙射线土壤水分观测系统以及1套同位素的原位观测系统等组成。该试验为揭示非均匀下垫面上地表蒸散发的时空异质性、地表蒸散发的遥感估算模型优化与验证以及尺度扩展方法等研究奠定了基础。构建了覆盖黑河流域上、中、下游主要地表类型的水文气象观测网（3个超级站、18个普通站），开展了中游径流观测，并运行了三年（2013-2015年），显著地提升了对流域生态-水文过程的观测能力。制定了一套完整的、可操作的观测系统维护、数据处理与质量控制、数据发布与共享的规程，对所有观测数据进行了严格的质量控制；相关观测数据集已在“黑河计划数据管理中心”（http://www.heihedata.org）上正式发布，共3553人次的下载，服务约102个研究项目（黑河计划项目28个）。这些数据集为流域生态-水文集成模型的研制提供了更精确的驱动数据、模型参数与验证数据，同时也保障了“黑河计划”的流域生态-水文集成研究。同时，本项目利用相关观测数据研究了地面观测的不确定性（辐射、感热、潜热与碳通量、降水量等），并发展了相应的校正方法；发展与检验了地表蒸散发、土壤水分等卫星像元尺度“地面真值”的获取方法，在地表蒸散发尺度扩展方法等方面取得了一定的突破；优化了地表蒸散发遥感估算模型（单源、双源与数据同化模型），在黑河流域开展了应用；利用稳定同位素技术对中游绿洲春玉米的茎秆水、土壤水以及灌溉水δ18O进行了观测和分析，发现：在玉米生长季中，玉米蒸腾、土壤蒸发分别占蒸散量比例为86.8%、12.4%；约39% (265 mm)的灌溉水和雨水渗入80 cm以下土壤，不能被玉米利用。本项目发表论文50篇，其中SCI论文30篇（第一标注20篇）；在审SCI论文5篇（第一标注2篇）；其中有2篇SCI文章被ESI评为高被引论文。形成了一支由北师大、寒旱所、雨根公司组成、分工协作的8人野外观测队伍。培养博士生 6名，硕士生16名。