基於多源數據同化方法的地表水熱通量估算研究

《基於多源數據同化方法的地表水熱通量估算研究》是依託北京師範大學，由徐同仁擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於多源數據同化方法的地表水熱通量估算研究
• 依託單位：北京師範大學
• 項目負責人：徐同仁
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

地表水熱通量的準確估算對全球變化研究、水資源規劃與管理及節水農業等意義重大。本項目以海河流域、黑河流域中游觀測數據及衛星遙感數據為基礎，利用擴展傅立葉變換方法（EFAST）對通用陸面模型（CoLM）進行全面定量地不確定性分析，確定模型誤差來源。針對地表水熱通量，構建可同化多源數據（遙感數據及地面觀測數據）的同化系統。通過發展雙通道數據同化策略，在不同的時間尺度上分別最佳化模型參數和狀態變數，提高陸面過程模型地表水熱通量預報精度，生成高精度的、時空連續的地表水熱通量數據，並利用海河流域、黑河流域中游矩陣多尺度地表水熱通量觀測數據對系統進行驗證，實現地面觀測、遙感估算與模式模擬的集成。套用該數據同化系統分析地表水熱通量及關鍵模型參數的時空變化特徵。

結題摘要

地表水熱通量的準確估算對全球變化研究、生態水文過程研究、水資源規劃與管理等非常重要。數據同化方法通過融合觀測數據與過程模型，可以更準確地獲取時空連續的地表水熱通量。本項目在執行期間發展了多個針對地表水熱通量的數據同化系統，將多源遙感數據同化到陸面過程模型中，實現了多源遙感數據與陸面過程模型的集成。首先利用全局敏感性分析方法對陸面過程模型中的參數集進行分析，篩選出了模型中對地表水熱通量模擬較敏感的參數；發展了雙通道數據同化策略，通道一可以在周尺度上最佳化模型植被參數，通道二可以在日尺度上最佳化模型土壤水分，並利用最佳化後的植被參數和土壤水分精確模擬出地表水熱通量；將從光學到微波光譜波段遙感數據（反照率、葉面積指數、地表溫度、土壤水分）、以及極軌和靜止衛星數據同化到陸面過程模型中，實現了多源遙感數據與陸面過程模型的集成；本項目採用了現在較流行的集合卡爾曼濾波同化算法、SCE_UA、變分同化方法構建同化系統，並對它們的表現進行了評價；發展了基於變分數據同化方法的單源/雙源同化模型，對它們進行了廣泛的比較和驗證，發現在中等植被覆蓋條件下，雙源同化模型表現明顯優於單源同化模型；利用雙源變分同化模型（TVDA）將地表蒸散發分割為土壤蒸發和植被蒸騰，並與TSEB模型進行比較，發現：TVDA模型由於可以在同化視窗內充分利用觀測數據，因此表現優於TSEB模型；將晴好日區域遙感地表蒸散發同化到P-M方程中，實現了遙感地表蒸散發的時間尺度擴展。已發表學術論文7篇，其中國際SCI檢索論文4篇（另有1篇SCI論文投稿到Journal of Hydrometeorology雜誌）、EI雜誌論文1篇、國核心心期刊2篇；獲得軟體著作權1項；申請國家專利1項。培養碩士研究生2名。參加國內會議3人次、國際會議1人次。