考虑下垫面特征的土壤水时间稳定性和升尺度方法

Affected by the climate and the spatial heterogeneity of vegetation, soil, topography, etc. in the underlying surface, soil moisture varies greatly in space and time. How can we find out the law of spatial and temporal distribution of soil moisture, its relationship with the underlying surface factors, and the establishment of upscaling methods of soil moisture? The issue has important research value for the hydrological simulation, water resource evaluation, remote sensing retrieval and so on. In this research, a typical watershed in the mountainous area of Huai River basin is studied. We use the advanced observation techniques such as the UVA (unmanned aerial vehicle), ERT (electrical resistivity tomography), etc. to obtain the underlying surface information of vegetation, soil and topography. The soil moisture is monitored. In virtue of the distributed hydrological model considering the combination of many hydrologic features, e.g., hydrology, topography, soil, vegetation, the temporal and spatial distribution of soil moisture and its impacts under the conditions of underlying surface are analyzed in the watershed. On this basis, the temporal stability method will be developed, and the dynamic soil moisture upscaling method (DSMU) based on the simulation data and ground observation information is explored. Our research provides the scientific basis for revealing the spatial and temporal distribution of soil moisture and verifying large-scale soil moisture products of satellite remote sensing.

受气候以及下垫面植被、土壤、地形等空间异质性影响，土壤水时空变化大，如何寻找出土壤水时空分布规律及其与下垫面因素之间的关系，并建立土壤水升尺度方法，对水文模拟、水资源评价、遥感反演等具有重要研究价值。本研究将选择淮河山区典型流域，综合运用无人机、电阻率成像法等现代观测技术，获取植被、土壤、地形等下垫面信息，开展土壤水监测，借助考虑水文、地形、土壤、植被等多要素综合作用的分布式水文模型，分析流域土壤水时空分布及其受下垫面条件的影响程度。在此基础上发展时间稳定性方法，探索基于土壤水模拟信息和地面观测信息的土壤水动力升尺度方法（DSMU）。本研究可为揭示土壤水时空分布规律和验证卫星遥感大尺度土壤水产品等提供科学依据。

受气候以及下垫面植被、土壤、地形等空间异质性影响，土壤水时空变化大，寻找土壤水时空分布规律及其与下垫面因素之间的关系，建立土壤水升尺度方法，对水文模拟、水资源评价、遥感反演等意义重大。由此，本项目（1）选择了美国七个小流域、中国黑河八宝河小流域收集整理了研究区下垫面植被、土壤、地形数据，统计了下垫面特征的空间分布，利用地面土壤水实际观测资料分析了流域的时间稳定及其控制因素，揭示了土壤水分动态与下垫面植被、土壤、地形之间的内在关系；（2）借助了分布式水文模型DHSVM进行建模，成功刻画下垫面条件对土壤水分动态影响，利用模拟出的土壤水空间分布结构分析了土壤水分动态与下垫面植被、土壤、地形特征之间的关系，遴选出了可以代表流域平均土壤水分状况的代表性点，发展了基于时间稳定性理论和分布式水文模型的土壤水动力升尺度方法，探索了有效估算流域平均土壤含水量先验信息的途径，为大面积土壤水分观测方案的优化与设计提供了科学指导，也为卫星遥感大尺度土壤水产品验证等提供了理论依据；（3）利用遥感获取的土壤水数据，在全国不同气候区五个流域，开展了土壤水分的时间稳定性特征对比，采用增强回归树算法量化了地面高程、地形湿度指数、土地利用类型、土壤的粘粒含量、土壤容重、在蒸散发、植被叶面积指数、降水量等一系列环境要素对流域的土壤水分时间稳定性特征的相对贡献度，从而揭示了不同的气候条件下下垫面复杂环境条件对土壤水时空分布格局的影响机理。基于本项目研究成果，已发表了学术论文6篇，培养研究生2人，参与申报发明专利1项、在编教材1部，完成了预期各项目标。