HiWATER

黑河流域生态-水文过程综合遥感观测联合试验

Heihe Watershed Allied Telemetry Experimental Research
实验计划
实验介绍 总体设计 试验区 基础实验 专题实验 应用实验 产品与方法研究 Hiwater信息系统
  • 黑河流域生态-水文过程综合遥感观测联合试验(简称“黑河生态水文遥感试验”,英文名称Heihe Watershed Allied Telemetry Experimental Research,简称HiWATER),由国家自然科学基金委员会重大研究计划“黑河流域生态-水文过程集成研究”(以下简称“黑河计划”)和中国科学院“西部行动计划”联合发起组织,以黑河流域已建立的观测系统以及2007~2009年开展的“黑河综合遥感联合试验”成果为基础,联合多学科、多机构、多项目的科研人员,计划于2012~2015年在黑河流域开展的一次卫星和航空遥感及地面观测互相配合的多尺度综合观测试验。 试验的总体目标是显著提升对流域生态和水文过程的观测能力,建立国际领先的流域观测系统,提高遥感在流域生态-水文集成研究和水资源管理中的应用能力。其中,在基础观测方面的具体目标包括:
    (1)建立支持流域科学研究和水资源综合管理的流域观测系统。
    (2)精细观测流域水循环各分量,获取水循环各分量的多尺度观测数据。
    (3)获取理解内陆河流域生态系统动态变化的多尺度观测数据。在遥感产品和真实性检验方面的目标包括:
    (4)在综合试验基础上,制备一套支持流域-生态水文集成研究的高精度遥感产品。
    (5)开展真实性检验试验,验证遥感模型及遥感产品。在应用方面的目标是:
    (6)将综合观测数据和遥感产品用于上游寒区分布式水文模型、中游地表水-地下水-农作物生长耦合模型、下游生态耗水模型,通过实证研究提升遥感在流域生态-水文集成研究和水资源管理中的应用能力。

  • “黑河生态水文遥感试验”在黑河流域选择3个重点试验区开展加强和长期观测试验。选择黑河上游干流流域作为寒区水文试验区,在流域、八宝河子流域和葫芦沟小流域三个尺度上开展观测研究;在中游的人工绿洲-河岸生态系统-湿地-荒漠复合体内,选择两个典型的区域――盈科灌区与大满灌区、以及平川灌区作为中游人工绿洲试验区;在下游沙漠戈壁-额济纳胡杨林-戈壁-尾闾湖区,选择额济纳核心绿洲至西北方向的乌兰图格嘎查为下游天然绿洲试验区。加强试验将在2012年首先从中游展开,并顺次开展上游和下游加强试验,全流域持续观测期从2013年到2015年,航空遥感数据获取主要在2012年夏季。“黑河生态水文遥感试验”由基础试验、专题试验、应用试验、产品与方法研究和信息系统组成。基础试验是以建设观测系统,提供基础数据,提升观测能力,发展观测方法为目标的观测试验,具体包括航空遥感试验、流域水文气象观测网、生态水文无线传感器网络和定标与真实性检验四个部分。专题试验是针对特定的水文或生态过程,而组织开展的综合性加强试验。目前,已设计了“非均匀下垫面多尺度地表蒸散发观测试验”,但在“黑河生态水文遥感试验”执行期间,还将根据特定的科学目标,组织开展土壤水分等其他专题试验。应用试验的目标是针对流域上、中、下游各具特色的生态-水文过程,以综合观测试验为手段,检验和标定生态-水文模型,实证遥感产品和其他观测数据在流域生态-水文集成研究和水资源管理中的应用能力,包括:上游寒区遥感水文试验、中游灌区遥感支持下的灌溉优化配水试验、下游绿洲生态耗水尺度转换遥感试验。产品与方法研究是在基础试验、专题试验和应用试验的支持下,开展全流域生态-水文关键参量遥感产品生产,发展尺度转换方法,开展多源遥感数据同化研究,具体包括水循环遥感产品、生态过程关键参量遥感产品、尺度转换方法、多源遥感数据同化。“黑河生态水文遥感试验”信息系统包括卫星遥感数据收集、数据质量控制和自动综汇系统。

  • 以具有高寒与干旱区伴生鲜明特征的黑河流域为试验区,选择3个重点试验区开展加强和长期观测试验。(1)上游寒区试验区:选择黑河主干流上游(10,009 km2)及大野口流域(70 km2)为重点试验区。在干流山区流域、子流域(八宝河流域)、小流域(葫芦沟和大野口)三个尺度上开展观测试验。八宝河流域是黑河流域干流的上游子流域之一。八宝河发源于峨堡东的景阳岭,自东向西河流长约105 km,流域面积约2452 km2,介于100°06.00′~101°09.05′E,37°43.01′~38°19.02′N之间;流域海拔在2640 ~ 5000m之间,属大陆性高寒山区气候,年平均气温1°C,年降水量为270-600 mm。植被覆盖以天然草地为主,包含高山和高寒草甸/草原等类型,流域西部山区分布有少量灌木林和青海云杉林,4200 m以上有常年积雪和永久冰川;冻土现象相当发育,多年冻土分布下限大约在3600 m。八宝河流域是结合遥感开展冻土水文研究的理想流域。在该子流域内重点观测获取空间分布的积雪和冻土水文模型的驱动数据和模型参数。葫芦沟流域,位于黑河流域上游西支。该流域内分布有几乎所有的寒区典型下垫面类型,包括高山草原、高山草甸、沼泽化草甸、河谷灌丛、山坡灌丛、青海云杉、祁连圆柏,并且季节性冻土、多年冻土、高山寒漠、积雪和冰川共存。流域内已建立黑河上游生态水文试验研究站,主要开展寒区水文、寒区生态和寒区生态水文研究工作。大野口流域,是一个独立水系,大野口水库以上汇水面积为70 km2,主要树种为青海云杉。中科院寒旱所内陆河流域研究站及甘肃省祁连山水源涵养林研究院在大野口流域内设置有多处森林水文观测设施。(2)中游人工绿洲试验区:在中游的人工绿洲-河岸生态系统-湿地-荒漠复合体内,选择两个典型的区域--盈科灌区与大满灌区、以及平川灌区作为核心观测区,两个区都属大陆性干旱气候类型,光照充足,降水稀少,蒸发强烈。其中,盈科与大满灌区位于黑河流域中游张掖市黑河主干道以东沿岸,海拔在1400~1600 m之间。盈科与大满灌区是流域中游人工绿洲区域灌溉基础设施最完备的灌区,以河灌为主、井灌为辅。灌区主要种植小麦、制种玉米、大田玉米、蔬菜瓜果等作物。灌区内密布干、支和斗渠等各级灌溉渠系。灌区主要种植小麦、制种玉米、大田玉米、蔬菜瓜果等作物。平川灌区位于黑河流域中游临泽县境内,海拔1350~1500 m,面积约450 km2。平川灌区的主要特点是地表与地下水交换复杂,是开展地表地下水交换研究的最佳选择。灌区渠系水利用系数仅为0.517,田间水利用系数仅为0.878,渠首引进的有限水量在输水过程中和田间均造成大量损失,致使灌溉水利用系数仅为0.454。主要农作物以制种玉米为主,还有大田玉米、小麦、蔬菜、棉花、蕃茄等。(3)下游天然绿洲试验区:在下游沙漠戈壁-额济纳胡杨林-戈壁-尾闾湖区,选择额济纳核心绿洲至西北方向的乌兰图格嘎查为试验区,其中,额济纳核心绿洲二道桥东至七道桥典型河岸林区域为核心观测区。下游额济纳旗属于极端干旱气候区,多年平均降水量不足45 mm,多年平均潜在蒸发量为3755 mm,下游额济纳绿洲是天然的绿洲生态系统,其结构简单并极度脆弱,植被稀疏,以分布于河道两岸的乔木胡杨和灌木柽柳为主。在以上3个重点试验区内,按不同的试验目标嵌套布置核心观测区、观测小区和观测(采样)单元,开展多尺度观测试验。

  • 航空遥感试验 流域水文气象观测网 生态水文无线传感器网络 定标与真实性检验

    航空遥感包括以下试验内容:(a)开展激光雷达(LiDAR)、红外广角双模式成像仪(WIDAS)、成像光谱仪和CCD像机的航空遥感试验,利用激光雷达航空遥感获取葫芦沟流域的DEM,分辨率为1 m;结合激光雷达和航空高光谱遥感数据开展高分辨率植被功能型、土地利用、种植结构和植被结构参数制图,分辨率为1-5 m;发展和改进地表温度、发射率、叶面积指数、粗糙度、反照率、亚像元积雪面积比例等关键生态水文变量/参数的遥感反演和估计方法。(b)开展L, K和Ka波段微波辐射计航空遥感试验,获取高精度的亮度温度数据,研究多频率、多极化机载微波辐射计反演雪深和雪水当量的方法。研究利用机载微波辐射计反演地表土壤水分、监测地表冻融循环的方法;针对植被和地表粗糙度对微波观测的影响,发展和改进土壤水分反演方法。

    依托黑河流域内现有的气象、水文站以及长期定位站,在上、中、下游试验区新建3 个超级站,新建8 个、改建4个、协同4 个普通站,形成由超级站-定位站-普通站-气象站-水文站组成的流域水文气象观测网。其中超级站开展连续3年的观测试验,普通站(16个)进行1个水文年的连续观测,同时收集3年的黑河流域气象站、核心水文站和3个定位站的水文气象观测数据。为流域有关生态-水文-大气模型研究提供更有代表性的模型参数、驱动数据及更高精度的验证数据。普通站的观测项目包括:四分量辐射、降水、多层土壤温湿度、风温湿压、地表温度、土壤热通量与平均土壤温度。超级站的观测项目在普通站的基础上增加:(a)多尺度蒸散发的观测(蒸渗仪、涡动相关仪与波文比系统、大孔径闪烁仪);(b)风温湿梯度和光合有效辐射。图1是一个超级站布设示意图,其中,蒸渗仪、波文比系统、涡动相关仪、气象塔放置在观测场中间,大孔径闪烁仪的发射与接收器架设在两端,大孔径闪烁仪的光径路线长度大于1.5个MODIS像元,即1.5km以上,并且垂直于当地主风方向。大孔径闪烁仪的源区内设置无线传感器网络,观测影响蒸散发的关键地表参数传感器,如土壤温度、地表温度与叶面积指数等。在以上仪器配置的基础上,还将根据不同站的特点,增设观测仪器。如上游阿柔站以土壤冻融为主要观测目标,将布设密集的土壤湿度、温度和水势探头, 以细致了解冻融锋面迁移等土壤冻融—融化过程。为了提高降水量的测量精度,在中游大满超级站、上游阿柔超级站附近分别选取开阔平坦、阴坡和阳坡的位置,建立降水的对比观测场,对当前黑河流域使用的主要降水观测仪器进行对比,得到各种雨量计的降水校正系数。通过以上对比观测,评估降水的类型、雨雪量计的口径与型号、地形等对降水测量精度的影响;探索风环境对降水测量—特别是对降雪测量的影响。利用降水量对比观测结果对雨量计和雨雪量计观测结果进行校正。同时,依托无线传感器网络,获取多点的降水量观测值,实现高精度的区域降水量估计。黑河中游地表水和地下水多次转化是内陆河流域独特的水文现象。因此,在出山口冲积扇区段、灌溉渠系和供水系统,以及相应的水文地质单元区段设置径流观测。具体在中游草滩庄与黑河大桥之间、黑河大桥、平川桥、高台桥、罗城桥布设水文观测断面,加密观测黑河中游干流的河川径流。测量方案是利用水位计(压力式或超声波)测量连续水位变化;利用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)获得精确流量,建立水位—流量关系,最终利用水位估算出流量。

    构建现代化的无线传感器网络,度量生态水文模型所需的若干关键的驱动、参数和模型状态的空间异质性;形成自动化的遥感真实性检验系统。将在黑河上游八宝河流域、中游盈科与大满灌区、下游额济纳旗三个试验区,以无线传感器网络为纽带,高效集成试验区内密集分布的、异构传感器的各种气象、水文及生态观测项目,建立自动化的、智能化的、时空协同的、各观测节点可远程控制的多尺度、多层嵌套的生态水文传感器综合观测网络,全面提高流域水文和生态过程的综合观测能力和观测自动化水平。开发基于web的无线传感器网络软件平台,实现对野外自动观测数据的统一传输和入库,以及对各种节点观测行为和仪器状态的远程控制。

    获取用于航空和卫星遥感数据辐射定标、大气校正和几何校正所需的地面观测数据,支持遥感数据预处理。开展地基遥感试验,系统地获取黑河流域不同地表覆被类型的热红外波段发射率及积雪和冻土的微波辐射特征。针对关键生态-水文过程的航空和卫星遥感产品,依托传感器网络,并辅之以必要的地面同步和加密观测,获取用于遥感产品真实性检验的地面观测数据集。

  • 蒸散发观测极具挑战性,和能量平衡闭合、通量尺度上推等复杂问题均有密切联系。在“黑河生态水文遥感试验”中,我们设计了密集的涡动相关仪、大孔径闪烁仪与自动气象站的矩阵方式观测试验,力求捕捉地表-大气水热交换的三维动态特征。为理解蒸散发过程,揭示地表蒸散发的空间异质性及其影响因子,实现非均匀下垫面地表蒸散发的尺度扩展提供基础观测数据;也为蒸散发遥感估算模型的发展与验证等提供像元尺度的地面真值。观测方案是:在黑河流域中游核心绿洲区设立30km×30km、5.5km×5.5km 两个嵌套试验区。在30km×30km试验区内,构建“一横一纵”的观测系统,包括1个超级站、4个普通站,各配置一台涡动相关仪。在5.5km×5.5km 试验区内,根据作物结构、防护林朝向、村庄与道路分布、土壤水分与灌溉状况等将该区域划分成17个小区,每个小区内架设一台涡动相关仪和自动气象站。3台大孔径闪烁仪贯穿矩阵区域中间3×3 个MODIS 像元。在大满超级站,架设1台大孔径闪烁仪横跨两个MODIS像元。光径路线中间设置1个40米气象塔作为超级站。利用稳定同位素技术开展单点连续以及多点同步的土壤蒸发与植被蒸腾的分割观测。利用热扩散液流测量系统观测树木蒸腾量。

  • 上游寒区遥感水文试验 中游灌区遥感支持下的灌溉优化配水试验 下游绿洲生态耗水尺度转换遥感试验

    开展针对性的综合观测试验,验证和标定包含了冻土过程的寒区分布式水文模型;通过航空-地面遥感试验验证复杂地形条件下的亚像元积雪面积比例产品算法,发展积雪面积和雪水当量之间的动态函数关系;以降水同化产品作为主要驱动之一,将积雪面积和土壤水分遥感产品同化到寒区水文模型中,改进山区径流——特别是春季径流的预报精度。寒区遥感水文试验主要在流域尺度和网格尺度进行。流域尺度试验在黑河上游、八宝河流域以及葫芦沟小流域开展: ①黑河上游试验区以获取时间和空间分布的积雪水文与冻土水文模型驱动为主要目标,模型参数以卫星遥感手段为主,验证数据主要为径流观测和遥感可反演/估算的表层水热状态变量;②八宝河子流域以获取高分辨率驱动、空间分布的模型参数(土壤和植被)、高密度的径流为主要观测目标;③葫芦沟小流域以获取高精度的驱动数据、模型参数、模型状态变量为主,获取积雪水文和冻土水文模型的发展、验证和改进所需的完整数据集。网格尺度试验:应对一维或网格尺度的积雪与冻土水热过程,分别建立积雪和冻土综合观测场。积雪试验场选择葫芦沟小流域内较为平坦的场地,以积雪积累与消融中的质量和能量平衡过程观测为重点,重点考虑积雪面积和雪水当量的空间变化;冻土试验场选择阿柔超级站,以土壤水热过程观测为重点,尤其是土壤的冻融循环过程。

    在黑河中游围绕灌区尺度上的核心生态水文过程,结合地面气象观测站点、无线传感器网络以及航空和卫星遥感观测,开展综合地面观测获取灌区尺度的生态水文过程关键参量数据集;发展和改进地表水-地下水-农作物生长耦合模型,在植被类型分布、植被覆盖度、物候期、NPP、土壤水分等遥感产品的支持下,利用数据同化方法,将地表水-地下水-农作物生长耦合模型的应用扩展到灌区尺度,实现对灌区尺度水资源供需状况和农作物长势的实时监测和短期预测,在此基础上优化灌溉管理,提高水利用效率。观测试验方案将针对地表水-地下水-农作物生长耦合模型的需求,在不同尺度上开展模型驱动、参数和状态变量的观测。灌区水平衡是核心的观测目标。方案是:以灌区为空间单元,以农业年为时间单元,观测灌区水量平衡的各分项,包括灌区范围内的降水量、进入灌区的地表水灌溉水量、进入灌区的地下水测向流量、灌区内的蒸散发量、灌区内外的地表排水量和流出灌区的地下水测向流量、渠道蒸散发量。此外,还将系统地开展灌溉方式调查,主要包括灌溉的轮期、亩均灌溉量、田块的灌水深度、田块的沟垄高度、田块的下渗时间、灌溉水温等。同时,利用航空遥感获得高分辨率的渠系结构分布和作物种植结构遥感产品,为实现地表水-地下水-农作物生长耦合模型的尺度扩展提供基础数据。

    开展生态耗水的多尺度综合观测试验,验证和标定从单株→冠层→群落→区域的蒸散发尺度转换方法;开展航空激光雷达遥感试验,获取尺度转换所需要的核心植被结构参数(树高、胸径、叶面积指数、植被覆盖度、植被类型等);在遥感数据的支持下,精确计算河岸林生态系统耗水量。试验方案的核心是航空激光雷达遥感试验及生态耗水多尺度观测试验。其中,航空激光雷达试验的方案如图所示。在开展航空遥感的同时,将在核心观测区选择胡杨、柽柳分布比较密集的典型区域,布设多个胡杨和柽柳样方,进行地面同步观测,获取单株胡杨和柽柳的结构参数,包括树高、胸径、冠幅、生物量等,利用地面实测数据标定和验证航空激光雷达反演结果,最终得到下游河岸林生态系统植被结构参数。生态耗水多尺度观测试验的方案是:在核心观测区建立生态耗水加密观测场,观测破碎景观背景下的多尺度(单株、群落、冠层和区域)冠顶蒸散发和CO2通量动态特征。具体观测包括:①单株尺度植物蒸散发特征观测:利用树干液流技术动态监测植被蒸腾速率日变化特征;②冠层尺度碳、水通量观测:在典型植被样方和裸土样方上架设多套涡动相关系统和自动气象站,观测典型植被冠层及裸土蒸散发和CO2通量及微气候特征; ③区域尺度:架设LAS观测系统,观测胡杨、柽柳、裸土斑块异质下垫面条件下的平均蒸散发量。同时,在LAS和涡动相关仪源区内,利用无线传感器网络加密观测土壤水分和土壤温度。由此,形成从单株到冠层、群落、区域的立体观测场,为利用遥感估算蒸散发模型、陆面过程模型或生态耗水经验模型实现生态耗水的尺度转换,提供多尺度的标定和验证数据。

  • 水循环遥感产品 生态过程关键参量遥感产品 发展和验证尺度转换方法 多源遥感数据同化

    基于端元自动获取技术的非线性光谱混合分析模型,发展一种适用于黑河上游山区复杂地形条件下的MODIS积雪覆盖比例提取算法,形成规范化的算法软件,并制备500m分辨率的逐日积雪面积比例产品。利用ASAR全球模式后向散射数据和MODIS植被指数产品,发展监测地表土壤水分的时间序列变化检测算法,制备黑河流域1km分辨率的地表土壤水分遥感产品。以中尺度大气模型WRF为骨架,分两层嵌套同化被动微波遥感及多普勒雷达和地面降水观测资料,制备1-5km分辨率逐小时降水产品。在地面-航空-卫星同步试验的支持下,开展以上产品的真实性检验和质量评估。

    针对黑河流域上中下游地形、植被类型和植被结构的差异,制备黑河流域的植被类型分布图,揭示黑河流域不同植被的物候变化特征,从而获取高精度的流域植被覆盖和净初级生产力等表征植被结构与生长过程的关键参数。主要研究要点包括:①利用高分辨率数据结合地面调查数据实现全流域的植被类型分布制图;②选用适合黑河流域的优化算法对已有的植被冠层方向性辐射模型和经验模型进行参数反演,并增加植被生长信息进行约束,根据数据空间分辨率不同,研究1公里的植被覆盖度产品生成算法;③建立时间序列的LAI/VI数据集,针对流域上中下游不同植被类型,研究相应的物候提取和表达方法;④在现有NPP算法基础上,针对黑河流域的特点,研究温度胁迫与水分胁迫因子的遥感提取方法,开展适合本区域的NPP算法应用研究。在算法研究基础上,开发形成标准化的参数产品生产软件,并制备全流域生态过程关键参量遥感产品,在地面-航空-卫星同步试验的支持下,开展以上产品的真实性检验和评估。

    针对黑河流域生态-水文过程的多时空尺度转换理论与方法问题,研究关键生态-水文过程参量(雪水当量、土壤水分、反照率、叶面积指数、地表温度、发射率)多尺度时空异质性的数学描述与尺度转换理论,研究非均质像元遥感辐射传输模型的尺度效应机制与尺度转换理论,研究基于先验知识的多尺度地表参量遥感反演模型的尺度效应与尺度转换理论,研究多尺度定量遥感产品的尺度转换模型与多尺度真实性检验框架,发展这些参量的遥感反演尺度转换方法。

    发展黑河流域陆面/水文数据同化系统,在流域综合模型的动力学框架内同化多源遥感观测以及其他观测资料,全面和准确地估计陆地水循环的主要分量和生态系统生产力各分量,生成全流域空间分辨率为1km、时间分辨率为1小时的同化数据集。

  • 卫星遥感数据收集 数据质量控制和自动综汇系统

    通过中欧“龙计划”项目及与国内外其他遥感机构的合作,免费获取多种高时空分辨率遥感资料。具体在二个层次上开展卫星遥感数据的获取:(a)配合基础试验、专题试验和应用试验的卫星遥感数据获取;(b)针对全流域遥感产品生产和为流域生态水文同化系统积累遥感观测数据源的卫星遥感数据获取。

    高度重视数据的质量控制,实现全过程的数据质量管理。在试验前编写观测规范、完成人员培训、仪器比对与标定,建立无线传感器网络的数据自动综汇,实现数据的自动采集、传输、发布以及对各种观测节点的远程控制。在观测试验过程中,同周期完成数据的质量控制、元数据和数据文档制备以及大部分数据的入库;落实技术巡检和数据规范化措施。在试验后期完成数据处理、数据汇交、数据入库,并通过“黑河计划”数据中心发布与共享试验数据。

试验区地图
合作交流

“黑河生态水文遥感试验”热忱欢迎国内外相关研究机构和个人的参与,欢迎合作者自带仪器和相关试验经费参与试验。参与的程序如下:  合作者(参与试验的小组或个人)围绕“黑河生态水文遥感试验”的总体设计,提出自己拟解决的科学问题、研究方案、数据和观测需求并说明自己所能匹配的仪器、人员等,提交试验计划和研究目标,试验计划通过试验总体组评估后,合作者按试验的总体安排参与试验,并有权获取试验计划中相应的观测数据。

前期实验

前期实验为“黑河综合遥感联合试验”是由中国科学院西部行动计划(二期)项目“黑河流域遥感 -地面观测同步试验与综合模拟平台建设”与国家重点基础研究发展计划(973计划)项 目“陆表生态环境要素主被动遥感协同反演理论与方法”共同设计并组织实施。是在流 域尺度上开展的,以水循环及与之密切联系的生态过程为主要研究对象的大型航空、卫星遥感与地面同步观测科学试验...

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合作单位