第1章 绪论
　　1.1 研究背景
　　发生在地球表层的能量和水分交换过程直接控制了地球系统中三大自然循环(能量、水、生物地球化学循环)系统的时空分布特征，是地球系统科学研究中的重要科学前沿问题之一。地球表层的能量和水分交换是大气水热的重要源汇项，很大程度上决定了近地面的温湿度等大气状态变量；同时也影响了陆表状态(如土壤水分和温度等)的演变，是局地天气、气候的重要驱动因素。陆表能量和水分条件是控制生态系统发展的关键要素，其时空分布特征直接决定了全球生态系统的格局及其变化和演替，并影响了生物地球化学循环的进程。陆表是人类赖以生存和发展的主要空间，一系列的人类活动(如城市扩张、水利工程、土地覆盖/土地利用变化、大气成分变化等)直接影响了地球表层的能量和水分交换过程，并进而对地球系统和全球变化产生相互作用与影响。
　　地球表层的能量和水分交换过程是连接大气圈、水圈、岩石圈、生物圈之间及其内部物质和能量交换以及生物地球化学循环的中间纽带，因此也成为水文气象学、生态水文学、生物地球化学、环境化学和地理学等相关学科的中心和基础。深刻认识能量和水分交换过程的特征和变化规律是带动整个地球系统科学发展的至关重要的龙头问题。
　　人类活动造成的大气化学成分的变化使得1880～2012年的全球表面平均温度升高0.85℃(IPCCAR5报告)。依据Clausius-Clapeyron方程，地球系统的大气持水能力在温度每上升1?℃时会增加7%，因此温室气体的排放造成的全球变暖意味着更多的大气水分含量，而增加的水汽又会进一步强化温室效应。这将引起能量和水循环过程发生显著变化，从而影响陆表能量和水分交换过程。例如，北半球在全球变暖背景下年蒸发量逐步增加，而南半球蒸发量却在不断减少；全球平均陆地蒸散发在1998年之后却显示下降趋势。此外，在气候变化影响下发生变化的陆表能量和水分交换过程也会反馈给地-气系统，在不同的时空尺度上影响着区域和全球气候变化。一些关键陆表过程的变化可以触发气候系统发生不可逆转性的变化，如北极冰盖消融、多年冻土融化导致全球变暖加剧和生态系统的变化和演替。全球气候变化已经对地球系统和人类社会经济产生了明显深远的影响，威胁着人类的生存与社会经济的可持续发展。对全球气候变化的研究已经成为国际社会共同关注的重大环境问题和热点问题，也是人类社会面临的共同挑战之一(丁一汇和孙颖，2006；秦大河，2007)。深入研究不同覆盖类型的陆表与大气间的能量和水分交换过程，已成为全球气候变化研究的迫切需求。
　　近年来，随着全球变暖加剧，陆表能量和水分交换过程也在发生变化(区域降水机制的改变、蒸发作用的增强或减弱)，使得极端气象灾害的发生越来越频繁，成灾强度越来越严重。干旱、洪涝、暴雪以及热浪等灾害对人类社会构成了巨大威胁。极端气候事件的变化与水循环过程的加速密切相关，直接受水循环关键因素(大气水汽含量、降水强度、降雪和降雨转化出现的概率)变化的影响。地球表层的能量和水分交换过程研究是定量认识和理解全球能量和水循环过程的时空变异性、导致极端事件的机制及其时空变化特征的核心问题之一。
　　陆表的能量和水分交换过程通过改变区域气候和影响水文过程直接控制了陆表水和地下水的自我更新和淡水资源的可利用率，即水资源的可再生性。水资源是直接关系到国家的粮食安全的战略性资源。我国的水资源人均占有量不足世界平均水平的1/3，随着社会经济发展、人口增加以及水污染加剧，我国未来的水资源压力将成倍增加，水资源时空分布不均和短缺已成为制约社会经济可持续发展的瓶颈。因此，陆表的能量和水分交换过程研究关系到水资源可持续利用、粮食安全以及社会经济可持续发展等国家重大需求。
　　1.2 面向的科学问题和国家重大需求
　　本书所面向的科学问题就是：如何提高对全球和区域陆表能量和水分交换过程的时空分布特征及变化规律的观测、机理认识、模拟和预估能力及其对全球变化作用的认识？
　　为解决该科学问题，需要将观测与陆面模型这两大研究工具有机地结合起来，缺一不可。具体地，可以将上述科学问题细化为以下几个问题。
　　1.陆表能量和水分交换过程的关键控制状态变量的遥感监测科学问题
　　如何实现针对陆面过程模型的需求和当前遥感观测中存在的问题，综合多源遥感观测，发展和改进陆表能量和水分交换过程各关键控制状态变量(辐射平衡、土壤水分、积雪、冻融及动态水体等)的高时空分辨率和高精度的监测方法，以提高对其时空分布特征和变化规律的认识，并将这些控制状态变量作为边界条件直接引入不同尺度的陆面过程模型，以避免或减小这些控制状态变量所造成的模拟误差和不确定性？
　　2.陆表能量和水分交换过程的尺度转换问题
　　如何利用遥感观测的高时空分辨率关键控制状态变量，从主控陆表能量和水分交换过程的能量平衡、水分平衡及植物生理过程的机理出发，克服当前遥感陆表感热通量、潜热通量和蒸散发算法只适合于简单陆表条件、对关键控制状态变量(如土壤水分、积雪、冻融和动态水体)考虑不足等的缺点，提升模型对陆表能量和水分交换过程的模拟能力？
　　如何利用高时空分辨率的控制状态变量观测及陆表能量和水分交换过程模型的模拟，探究复杂非均一陆表环境下不同时空尺度对能量和水分交换模拟中的影响，揭示不同区域、不同尺度下能量和水分交换过程的特征和主控因子的尺度效应？如何提高对不同尺度转换机理的认识和发展尺度转换方法？
　　3.基于遥感观测的模式改进问题
　　如何利用高精度高时空分辨率的遥感观测解决耦合气候系统模式(FGOALS-g2，BNU-ESM等)中的陆面模式“点源、静态”的参数设置且与模型时空尺度不匹配问题，以及主观性误差的问题？如何综合利用多尺度遥感观测资料及尺度转换方法，发展基于遥感数据与模型时空尺度匹配的陆表面源参数优化方法？如何开发遵循能量和水量守恒的陆面数据同化方法，实现全球及区域不同时空尺度下陆表能量与水分交换过程的模拟能力和精度的提高？
　　4.对国家重大需求的贡献
　　实现全球和区域陆表能量和水分交换过程与全球变化的相互作用及其与地球系统能量和水循环相关的科学问题认识上的突破，有效提高解决国家重大需求的能力，在为解决我国重大的水资源问题提供前沿性科学基础，提高水资源可持续利用及生态与环境建设的宏观决策水平，增强可持续发展以及应对洪涝干旱、气候变化中的极端天气等自然灾害的能力等方面做出贡献。
　　1.3 国内外研究现状和发展趋势
　　陆地表面的能量和水分交换主要包括如下两个方面。
　　(1)陆表能量交换过程，包括垂直方向上(如上下行短波辐射、上下行长波辐射、热量湍流输送过程等)的物理交换过程以及水的相态变化(固态、液态、气态)所涉及的能量再分配及传输过程。陆表接收到的净辐射能量以湍流交换和热传递的方式分配到陆表感热、潜热通量以及用于陆表加热、深层土壤加热之中。全球地表辐射平衡是全球气候形成和变化的基本驱动力，直接决定了碳、水等生物地球化学循环过程，辐射平衡是研究一系列全球变化问题的基础，同时辐射各个分量也在检测和表征陆表变化、驱动全球及区域气候系统模式方面发挥着至关重要的作用(IPCC，2007)。
　　(2)陆表水分交换过程，包括水分在垂直方向(如蒸散发、凝结、降水、下渗等)和水平方向(如陆表径流、地下径流等)上的物理交换过程，以及水的相态变化过程(固态、液态、气态)。其驱动因素是太阳辐射和重力作用，两者为水循环提供了水的物理状态变化和运动的能量。大气降水会转化为陆表蒸散发、储存于土壤水中、补给地下水，形成陆表径流，并通过陆表蒸散发等过程进行水汽交换。陆地表面的能量和水分交换过程发生在占地球表面1/3的下垫面上，但由于下垫面条件复杂多变，因此其远比发生在海洋表面的海-气交互作用过程复杂，是地球气候系统的重要组成部分。
　　在全球变化背景下，陆表能量和水分交换过程及相关要素的时空分布状态及变化过程会表现出不同的响应特征。这种交换过程也会改变局地大气温度及湿度条件，因此对全球气候变化具有反馈作用(Jung et al.，2010)。由于能量和水分交换过程在全球气候和生态环境变化中的重要作用，一系列的国际科学研究计划[如国际水文计划(IHP)、世界气候研究计划(WCRP)及其子计划全球能量与水循环实验(GEWEX)、国际地圈生物圈计划(IGBP)及其子计划水文循环的生物圈方面(BAHC)、全球水系统计划(GWSP)、综合全球观测战略(IGOS)的全球水循环一体化观测研究计划(IGWCO)等]以大尺度水循环过程、陆面能量和水分循环过程、云与降水过程为研究目标，通过对地球表层能量和水分交换及循环的观测、模拟和分析，对全球能量和水循环开展了系统研究，取得了丰硕的研究成果。
　　但同时科学家也认识到目前存在的主要问题：对陆表能量与水分交换关键控制状态变量的时空分布及其变化特征的了解有限，从而阻碍了对各组分之间的物理过程以及人类活动对陆表能量和水分交换过程的影响机制的认识。一方面，*新的研究发现，地球系统中的一部分能量消失不知去向，这已经成为一个世界性的难题(Trenberth and Fasullo，2010)。全球气候模型研究表明，现有辐射产品中的误差导致全球蒸散发量被高估了20%左右(Yuan et al.，2010)。另一方面，IPCCAR4模拟结果表明(Waliser et al.，2007)，对于全球及区域尺度上温度的变化趋势，不同气候模式的模拟结果比较一致，仅在数值上存在一些差异；而对于一些缺乏观测的陆表水循环的状态变量(如土壤水分、降雨等)，不同气候模式的模拟结果在全球和不同区域都差异较大，其变化趋势(增加或减少)也不一致。可见，陆地表面的复杂性和控制状态变量时空分布的异质性，使得全球变化背景下的陆表能量和水分交换过程更为复杂，变化机制难以确定，这种变化与全球变化的相互作用也尚不明晰。因而，在全球变化背景下，对陆表能量与水分交换过程的认识和理解是全新且*具挑战的研究机遇。只有在准确认识和刻画陆表能量、水分交换过程关键控制状态变量的时空分布及其变化特征的前提下，才能揭示其变化规律与机理，完善能量水分交换过程模型，合理地模拟和预估地球表层能量水分交换过程对全球变化的作用。模拟和观测是解决该难题的两个*重要的手段，其研究现状和面临的主要问题如下所述。
　　1.3.1 陆面模式发展及能量和水分交换过程的模拟研究现状及问题
　　1.陆面模式的模拟研究现状与进展
　　自20世纪60年代发轫以来，陆面模式经历了三个发展阶段：第一代陆面模式以简单的半经验的能量分配“水桶”(bucket)模型(Manabe，1969)为代表，没有考虑植被的作用且假设全球陆地具有一致的土壤理化性质和土壤深度。第二代陆面模式中引入了土壤-植被-大气传输方案(Deardorff，1978)，发展了包括生物圈-大气圈传输模型(BATS)(Dickinson et al.，1986)和简单生物圈模型(SiB)(Sellers et al.，1986)在内的超过20个应用于全球大气环流模式(GCMs)的陆面模式。然而，第二代陆面模式存在以下不足：①忽略了网格之间水平方向上的相互作用；②将冠层简化为一片“大叶”；③仅考虑了土壤、雪和植被，而忽略了大陆冰川和湖泊；④预先给定植被类型以及覆盖度等信息。基于第二代陆面模式，通过结合植物生理学、生态学、水文学等学科的*新研究成果，第三代陆面模式对生物物理化学过程实现了更加合理的描述，对全球的陆表状态有了更加真实的表现。第三代陆面模式可以在统一的模型框架内描述陆表动量、能量、水分和碳通量的交换过程，解决了之前模式中存在的一些问题，如改进的简单生物圈模型(SiB2)(Sellers et al.，1996)考虑了光合作用与蒸散的联系；CoLM模型(Dai et al.，2003，2004)考虑了叶片的光照面和背光面，发展了“二叶模型”；CLM3.5模型加入了碳同化模块、动力植被模块以及考虑了地形影响的陆表产汇流和下渗的模块；CLM4.0(Oleson et al.，2010)则进一步加入了碳-氮循环的生物地球化学模型、城市峡谷模型、可即时

目录
序一
序二
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 面向的科学问题和国家重大需求 2
1.3 国内外研究现状和发展趋势 3
1.3.1 陆面模式发展及能量和水分交换过程的模拟研究现状及问题 4
1.3.2 遥感观测驱动的陆表能量与水分交换过程模拟研究现状及问题 7
1.3.3 数据同化研究中的问题和发展趋势 10
1.4 展望与小结 11
参考文献 12
第一部分 陆表能量与水循环关键要素的遥感观测
第2章 陆表土壤水分的遥感观测 19
2.1 土壤水分遥感概述 19
2.1.1 土壤水分观测方法与遥感原理 19
2.1.2 土壤水分被动微波遥感研究进展 27
2.2 多角度数据联合反演土壤水分 30
2.2.1 SMOS多角度亮温数据优化处理方法 31
2.2.2 SMOS植被光学厚度与土壤水分反演算法 33
2.2.3 算法验证分析 35
2.3 多通道数据协同反演土壤水分 42
2.3.1 多通道数据的信息度 42
2.3.2 多通道协同反演算法 45
2.3.3 算法验证分析 47
2.4 土壤水分产品的空间降尺度 53
2.4.1 主被动微波降尺度 54
2.4.2 高低频微波亮温降尺度 60
2.5 土壤水分长时序产品构建 66
2.5.1 时间尺度扩展方法 67
2.5.2 产品验证分析 69
参考文献 74
第3章 陆表积雪的遥感观测 81
3.1 积雪光学遥感原理 82
3.2 构建积雪覆盖度验证数据集 84
3.2.1 Landsat-8 OLI积雪覆盖度“真值数据”算法说明与精度检验 84
3.2.2 验证数据集建立流程及内容 87
3.3 三种MODIS积雪覆盖度产品验证 88
3.3.1 产品精度评价方法 90
3.3.2 精度评价结果 91
3.3.3 结果分析 99
3.4 MODIS积雪指数改进 107
3.4.1 归一化差值积雪指数(NDSI)的局限 107
3.4.2 通用型比值积雪指数(URSI) 108
3.4.3 积雪覆盖度与URSI及NDSI线性经验关系 108
3.4.4 积雪覆盖度与URSI及NDSI线性经验关系验证 111
3.5 基于风云二号静止气象卫星的积雪覆盖度监测算法 113
3.5.1 FY-2/VISSR数据 114
3.5.2 验证数据与辅助数据 114
3.5.3 FY-2/VISSR积雪覆盖度反演算法 115
3.5.4 FY-2 VISSR积雪覆盖度验证对比 117
3.6 基于新一代静止气象卫星积雪覆盖度反演算法 124
3.6.1 研究区与Himawari-8 AHI数据 125
3.6.2 Himawari-8积雪覆盖度反演算法?动态积雪指数法 127
3.6.3 Himawari-8积雪覆盖度反演流程 130
3.6.4 Himawari-8反射率角度校正 131
3.6.5 Himawari-8积雪覆盖度验证 135
3.6.6 Himawari-8积雪覆盖度的时空连续性 142
3.6.7 Himawari-8积雪覆盖度误差来源分析 143
3.7 静止气象卫星与MODIS融合的积雪覆盖度 146
3.7.1 基于风云二号静止气象卫星与MODIS积雪覆盖度融合算法 146
3.7.2 基于新一代静止气象卫星与中分辨率成像光谱仪积雪覆盖度融合算法 147
3.8 本章小结 149
参考文献 150
第4章 陆表冻融状态的遥感观测 154
4.1 陆表冻融状态遥感概述 154
4.1.1 陆表冻融过程观测方法与遥感原理 154
4.1.2 陆表冻融状态微波遥感研究进展 161
4.2 近陆表冻融状态遥感判别算法 164
4.2.1 全球近陆表冻融状态的判别分析 164
4.2.2 长时序陆表冻融状态的遥感判别 172
4.3 高分辨率陆表冻融状态遥感判别 176
4.3.1 单变量降尺度模型 176
4.3.2 双变量降尺度模型 179
4.4 本章小结 183
参考文献 184
第5章 陆表辐射的遥感观测 187
5.1 陆表短波下行辐射的遥感观测 187
5.1.1 引言 187
5.1.2 几种典型陆表短波下行辐射的验证与比较 188
5.1.3 短波下行总辐射与直射辐射的遥感估算 197
5.1.4 复杂地形区短波辐射量建模与反演 204
5.2 陆表长波下行辐射的遥感观测 209
5.2.1 引言 209
5.2.2 长波下行辐射的光学与微波融合估算方法 210
5.3 净辐射遥感估算 215
5.3.1 引言 215
5.3.2 算法 217
5.3.3 产品验证 219
5.3.4 应用分析 226
参考文献 229
第6章 全球逐日内陆水体时间序列制图 236
6.1 引言 236
6.2 算法开发 239
6.2.1 水体典型特征 239
6.2.2 数据 241
6.2.3 方法与原理 249
6.2.4 精度验证 262
6.3 验证结果 263
6.3.1 基于同步高分辨率卫星影像 263
6.3.2 基于专家样本 263
6.3.3 基于现有全球水体制图产品 266
6.4 数据产品 266
6.4.1 数据产品介绍 266
6.4.2 数据产品存在的问题 269
6.4.3 数据产品特色 273
6.5 本章小结 278
参考文献 278
第二部分 陆表蒸散发遥感估算及尺度转换研究
第7章 陆表蒸散发遥感 285
7.1 陆表蒸散发基本理论和测算方法 285
7.1.1 蒸散发机理 285
7.1.2 蒸散发观测方法 286
7.1.3 蒸散发遥感估算常用方法 287
7.2 陆表蒸散发过程分量遥感估算 289
7.2.1 植被蒸腾和土壤蒸发过程 290
7.2.2 冠层降水截留过程 299
7.2.3 冰雪升华过程 303
7.3 遥感观测陆表关键状态变量对陆表蒸散发估算的改进 308
7.3.1 遥感观测净辐射对蒸散发估算的改进 308
7.3.2 动态水体对蒸散发估算的改进 309
7.3.3 积雪覆盖度对蒸散发估算的改进 311
7.3.4 冻融状态对蒸散发估算的改进 313
7.4 全球蒸散发产品 315
7.4.1 全球蒸散发产品生产 315
7.4.2 全球蒸散发产品验证 316
7.5 本章小结 318
参考文献 319
第8章 陆表蒸散发观测和模拟的尺度效应与尺度扩展 325
8.1 陆表蒸散发观测和模拟的尺度效应概述 325
8.1.1 陆表蒸散发观测尺度效应 325
8.1.2 陆表蒸散发模拟的尺度效应 327
8.2 蒸散发地面观测到遥感像元尺度扩展 328
8.2.1 蒸散发观测到遥感像元尺度扩展概述 328
8.2.2 陆表蒸散发尺度扩展与真实性检验研究方法 329
8.2.3 尺度扩展与真实性检验结果分析 335
8.3 蒸散发模拟尺度效应分析及真实性检验 343
8.3.1 陆表蒸散发模拟尺度效应分析 343
8.3.2 陆面过程模型粗网格蒸散发模拟的真实性检验 349
8.4 本章小结 352
参考文献 353
第三部分 基于遥感观测的陆表能水循环模拟研究
第9章 遥感在陆表能水循环模拟中的应用 363
9.1 引言 363
9.2 陆面模型简介 364
9.2.1 陆面模型的发展历史 364
9.2.2 主流陆面模式简介 366
9.3 遥感在陆表能水循环模拟中的应用现状 368
9.3.1 遥感产品在驱动数据中的应用 368
9.3.2 基于遥感产品改善模型初始状态 370
9.3.3 遥感产品在模型参数中的应用现状 372
9.4 展望与小结 372
参考文献 373
第10章 基于遥感观测的陆面模式参数优化 377
10.1 单点CoLM陆面模式参数优化 377
10.1.1 多种抽样方法的比较 377
10.1.2 基于替代模型自适应抽样的多目标参数优化方法 380
10.2 黑河流域CoLM模式的区域参数优化 388
10.2.1 COLM参数优化实施方案 388
10.2.2 COLM单点模拟与参数优化 392
10.2.3 COLM黑河区域尺度参数优化 396
10.3 陆面模式CLM在全球尺度的参数敏感性分析和优化研究 400
10.3.1 陆面模式简介 400
10.3.2 可调参数与模拟变量 401
10.3.3 方法与数据 406
10.3.4 结果与分析 412
参考文献 429
第11章 基于遥感观测的陆表初始状态优化 433
11.1 引言 433
11.2 研究方法 435
11.2.1 预报和观测系统 435
11.2.2 水分平衡弱约束的同化系统 435
11.2.3 同化算法的改进 436
11.2.4 检验统计量 437
11.3 模型和数据 439
11.3.1 研究区域和观测资料 439
11.3.2 驱动数据 439
11.3.3 陆面模式 440
11.4 理想实验 440
11.4.1 实验设计 440
11.4.2 预报误差方差的扩大调整和垂直局地化 441
11.4.3 水分平衡约束 443
11.5 站点验证 444
11.6 区域验证 445
11.7 讨论与小结 446
11.7.1 预报误差方差的调整 446
11.7.2 偏差的校正 447
11.7.3 主要结论 447
参考文献 447
第12章 区域应用：青藏高原陆?气耦合模拟研究 452
12.1 引言 452
12.2 高分辨率陆面过程模拟及交叉验证 452
12.2.1 高分辨率陆面过程模拟 452
12.2.2 土壤水分观测 453
12.2.3 交叉验证 455
12.3 基于WRF对次网格地形拖曳力参数化方案的评估 459
12.3.1 模式设置 459
12.3.2 风速 460
12.3.3 2?M气温和气压 463
12.3.4 讨论 464
12.3.5 小结 467
12.4 TOFD对青藏高原夏季降水的影响 468
12.4.1 研究方法和数据 468
12.4.2 风场的模拟结果 469
12.4.3 讨论 471
12.4.4 小结 473
参考文献 473