黄河源区地面观测土壤湿度升空间尺度转换研究

The soil moisture is an essential variable, which need to be considered in climatology, meteorology, agriculture and drought monitoring, etc.. As a result of the advances in science and technique, the long term soil moisture time series ground observation and regional soil moisture estimate from satellite remote sensing and numerical simulation are potential, while the validation of these soil moisture products by using ground point soil moisture measurements are challengeable. The proposed project is to develop an Algorithm for Upscaling Point Measured Soil Moisture by using time series statistic, deviation analysis, cumulative distribution function matching as well as an Auto-Regressive and Moving Average Model. The regional soil moisture is to be estimated by using developed soil moisture model and the European Space Agency Soil Moisture and Ocean Salinity mission (ESA/SMOS) observed brightness temperature. The regional soil moisture is also to be simulated by using land surface model (CLM4.0), the comparisons among these three soil moisture results are conducted in this research, and the representatives of ground measured soil moisture is to explored by this comparisons. The proposed project would make contribution to the research investigation on the soil moisture ground measurement, soil moisture estimate from satellite remote sensing and numerical simulation of soil moisture, and promote the thus, development of the relevant discipline.

土壤湿度是气候学、气象及农业干旱灾害监测等学科中的一个重要参量。随着科学和技术进步，通过观测获取地面长时间序列土壤湿度已成为可能，而利用卫星遥感技术和数值模式可以获得大范围有一定空间分辨率的土壤湿度。但如何利用土壤湿度观测值，验证卫星遥感模型估算和陆面过程模式模拟的土壤湿度已成为相关研究的难点。本项目提出利用平稳时间序列统计均值和方差分析、累计概率分布函数匹配方法以及自回归移动平均模型，发展地面站点观测土壤湿度升空间尺度转换算法，结合"黄河源区玛曲土壤湿度观测网" 观测土壤湿度，通过空间尺度转换算法获取有空间代表性的有效土壤湿度时间序列。利用卫星遥感模型，结合欧洲空间局土壤湿度与海洋盐度卫星数据估算黄河源区土壤湿度；利用陆面过程模型模拟黄河源区土壤湿度，并将这些结果进行对比分析，探讨地面观测土壤湿度的空间代表性。本项目研究将会促进土壤湿度观测、卫星遥感和数值模拟等相关学科的发展。

在本项目和荷兰基金委（NOW）项目“Modeling Freeze-Thaw Processes with Active and Passive Microwave Observations”的共同资助下，我们在黄河源区地面观测土壤湿度升空间尺度转换研究中取得了较好的成果，获得了黄河源区土壤湿度数据长时间序列，并与国内外同行科学家共享试验观测数据，发展从土壤湿度观测网中选取最佳代表性的土壤湿度观测站点方法，建立了土壤湿度的升尺度算法。具体包括：1）基于站点观测土壤湿度升空间尺度研究取得阶段性成果，取得了黄河源区长时间序列的土壤湿度数据，数据被国内外同行科学家广泛使用，被“国际土壤湿度网”纳入主要观测站，为其他相关科学研究提供地面“真值”，具有重要的科学价值。2）土壤冻融过程特性微波辐射观测试验研究持续开展，目前该试验观测设备正常运转。收集的数据已经在土壤冻融过程监测和卫星遥感土壤冻融状态研究中发挥了重要的作用，相关论文也在高影响学术刊物上发表，产生了一定的科学影响力。3）发展了地面观测站点选取方法及其土壤湿度升空间尺度的算法，为不同深度土壤湿度演变机理研究提供了数据支持，为强化管理土壤湿度观测网中不同站点的维护管理提供了技术支撑，为模式模拟结果和卫星遥感产品验证提供了地面“真值”主要支撑，对黄河上游水资源管理具有非常重要意义。4)研发了高寒地区冻土含冰量监测和水面蒸发测量的新技术，有效推动了冻土含冰量野外观测技术方面的发展，提高了湖面蒸发量观测精度。基于以上研究发表学术论文23篇，获得两项发明专利授权。.在项目执行期间，研究团队科研活动较多，学术交流活跃，共同主办本领域国际科学大会的分会（AOGS2017/HS10），与国内外同行交流科研成果，接待国外科学家来华访问，开展学术交流活动，共同组织野外观测试验，共同发表学术论文，有两名科研人员晋升为副研究员，培养毕业硕士学位研究生一名，博士学位研究生三名。完成了项目申请书中提出的研究任务，实现了预期的目标。