青藏高原多年冻土区近地表及根系土壤水分产品精度验证工作取得进展

2021-10-27 发布 shijz

青藏高原广泛分布的多年冻土通过其独特的下垫面水热交换特征影响着区域水文和水循环过程。土壤水分是理解多年冻土区陆-气间能水交换过程的关键参数之一,是影响多年冻土状态、气候变化响应及区域生态特征的重要因子。青藏高原季节冻土区的土壤水分验证工作已开展近十年,但是多年冻土区的土壤水分产品验证工作相对较少。因此,准确评估多年冻土区土壤水分产品精度对青藏高原冰冻圈水文水循环过程研究具有重要的意义。

中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室青海藏北高原冰冻圈特殊环境与灾害国家野外科学观测研究站(以下简称格尔木站)联合南京信息工程大学和西南大学地理科学学院,基于格尔木站和黑河试验站提供的多年冻土区16个站点的长期观测数据 (图1),首次开展了10套近地表及根系土壤水分产品的验证工作。研究结果表明,青藏高原多年冻土区近地表、根系土壤水分产品精度整体较低。其中 ESA CCI, SMOS-IC 以及 SMAP-L4 近地表土壤水分产品表现较好;所有的近地表土壤水分产品都表现为湿偏差 (图2 和 图3)。SMAP-L4 和 GLDAS-Noah 根系土壤水分产品精度优于ERA5-Land,但所有的根系土壤水分数据均无法准确捕捉活动层冻结/融化时期根系土壤水分快速上升/下降的特征 (图4 和 图5)。进一步分析近地表、根系土壤水分产品的影响因素,发现近地表土壤温度精度较低以及射频干扰 (RFI) 是近地表土壤水分模拟不准确的重要原因。在冻结或融化时期,根系土壤水分产品无法准确模拟根系土壤水分动态变化特征的主要原因是其所使用的陆面模型对冻土相变过程考虑不足且缺乏对未冻水迁移过程的描述。与以往季节冻土区近地表土壤水分产品验证结果相比,本研究发现近地表土壤水分产品在青藏高原多年冻土区的精度有所下降(图6)。

该成果以 A first assessment of satellite and reanalysis estimates of surface and root-zone soil moisture over the permafrost region of Qinghai-Tibet Plateau为题发表于地学一区TOP期刊 Remote Sensing of Environment(IF=10.164)。中国科学院西北生态环境资源研究院格尔木站博士研究生幸赞品为论文第一作者。该研究是我站与南京信息工程大学合作的又一有较高显示度的成果。自2019年以来,我站与南京信息工程大学合作先后在ESSD、Geoderma、PPP、科学通报、中国科学院院刊、冰川冻土等国内外顶级学术期刊上先后发表有关青藏高原多年冻土变化、物理机制、影响等相关研究论文十余篇。该研究得到了青藏高原第二次综合科学考察项目 (2019QZKK0201)、国家自然科学基金项目(42171339, 41801247, 41830648, 42071094)和世界粮农组织佛兰德研究基金会(FAO)的共同资助。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.rse.2021.112666

图1 研究区站点分布情况(红色方框)及青藏高原已开展的土壤水分验证工作总结 (多开展于季节冻土区,以紫色、绿色、深绿色、橙色及橄榄绿方框表示)

图2 2016-2018年7-8月近地表土壤水分产品验证指标中值及可用数据量。(a)-(d) 分别代表相关系数、无偏均方根误差、偏差和斜率的中值,误差棒代表各验证指标在16个站点的标准差。(e)-(f) 展示了每个产品用于验证的最低和最高的数据量。

图3 2016-2018年7-8月QT12和QT13站点的地面观测与近地表土壤水分产品时间序列,日降水量用灰色条形图表示

图4 2016-2018年7-8月根系土壤水分产品验证指标中值及可用数据量。(a)-(d) 分别代表相关系数、无偏均方根误差、偏差和斜率的中值,误差棒代表各验证指标在16个站点的标准差。(e)-(f) 展示了每个产品用于验证的最低和最高的数据量。

图5 2016-2018年7-8月QT12、QT13、QT14和QT15站点的地面观测与根系土壤水分产品时间序列,日降水量用灰色条形图表示

图6 本研究与以往季节冻土区近地表土壤水分产品验证精度对比总结(本研究验证指标用蓝色五角星表示)

                                         图文:幸赞品    审核:吴通华