两种微波遥感土壤湿度资料分析比较及区域气候模式土壤湿度初始化

土壤湿度是反映土壤水分状况和揭示旱涝的一个重要指标，并能通过陆面和大气之间的能量和水分交换对天气气候系统产生影响，但是大范围的土壤湿度观测目前难以实现，微波遥感在土壤湿度监测上有明显优势，但是根据遥感数据只能得到表层的土壤水分布。因此，本课题分别选取一种主动（ERS/METOP）和被动（AMSR-E）微波遥感反演的土壤湿度资料，分析中国区域两种遥感数据与观测资料（降水和土壤湿度）的相关性及其季节变化和年际变化，并对干旱、半干旱、湿润和半湿润等不同气候区的遥感数据和观测资料分别进行比较；尝试考虑土壤、植被和地形参数的改进的土壤水反演方案，反演典型区域不同层次的土壤水分布，并用于区域气候模式的土壤湿度初始化，检验其对天气过程和短期气候模拟能力的影响。遥感数据的分析及反演应用，有助于利用遥感土壤湿度资料及时了解土壤水分动态变化，为干旱和洪涝灾害监测、政府决策及天气气候预测提供较为可靠的数据。

在降水和土壤湿度观测资料的基础上，分析了基于微波遥感的土壤水在中国区域的时空分布特征，揭示其与降水和土壤湿度观测值在不同时空尺度上的相关性，分析了遥感数据反映干旱和洪涝极端气候事件的能力，比较了ERS/METOP和AMSRE两种基于遥感的土壤水时空尺度上的差异，改进了利用微波遥感土壤水数据和观测资料反演不同层次土壤水分布，并用于区域气候模式的土壤湿度初始化，检验反演结果对极端气候事件和短期气候的模拟效果。结果表明：多年平均AMSRE日土壤水与降水的空间分布一致，表现为东南高西北低。中国尤其是东部地区降水与东亚季风紧密联系，AMSRE土壤湿度能反映降水的季节变化和与季风进退联系的雨带北进和南退。遥感反演的土壤水数据能很好地反映2007年7月淮河流域的洪涝灾害、2008年我国南方的冻雨灾害、2008年10月底到2009年2月上旬华北、黄淮等地的30年一遇的干旱，以及2009年秋季至2010年春季我国西南特大干旱等极端气候事件。ERS/METOP和AMSRE基于遥感的土壤水均能很好地反映中国区域降水从东南向西北递减的分布特征，也能反映降水雨带从华南向华北到东北、再南撤的变动趋势。区域气候模式模拟的多年平均土壤湿度表明ERS/METOP和AMSRE土壤水数据与模拟结果都有很好的一致性，但是由于ERS/METOP数据是对应的0-100厘米平均土壤含水量，而AMSRE的数据对应的是表层的土壤水分布，表层的土壤水变化幅度比较大，AMSRE和模拟的上层土壤水的空间一致性不及ERS/METOP。在基于遥感的土壤湿度数据分析的基础上，根据土壤特性（土壤凋萎系数、田间持水量和孔隙度等参数）以及植被、地形参数和多年平均降水分布、结合土壤水观测站点分布将模拟区域分区，反演中国区域不同层次的土壤水分布，并用于区域气候模式的土壤湿度初始化。模拟结果表明：基于微波遥感反演的不同层次土壤水分布能改善区域气候模式对气温和降水的模拟能力，由于AMSRE和ERS/METOP分别对应表层和深层的土壤水分布，ERS/METOP对极端气候事件和短期气候模拟的改善更为明显。因此，基于遥感的土壤湿度数据分析及反演和模拟应用，有助于利用遥感土壤湿度资料及时了解土壤水分动态变化，为干旱和洪涝灾害监测、政府决策及天气气候预测提供较为可靠的数据。