全球和區域土壤水分產(chǎn)品真實(shí)性檢驗研究獲得進(jìn)展
土壤水分是控制地-氣界面水文循環(huán)和能量守恒的重要變量。微波遙感和陸面模式是獲取全球和區域尺度土壤水分產(chǎn)品的主要手段。根據成像波段劃分，微波遙感產(chǎn)品以X波段（8–12GHz）、C波段（4–8GHz）和L波段（1–2GHz）為主，分別代表地表以下約1cm、2cm和5cm深度的土壤體積含水量信息。微波遙感反演土壤水分的基本原理是液態(tài)水和固態(tài)土壤顆粒的介電常數差異，依次校正地表溫度、植被含水量和地表粗糙度后計算土壤介電常數，反演土壤水分含量。2015年以來(lái)，SMAP是迄今為止總體精度最高的土壤水分產(chǎn)品，無(wú)偏均方根誤差可達到0.04cm3·cm–3；1978年以來(lái)，ESA CCI是迄今為止時(shí)間序列最長(cháng)的土壤水分產(chǎn)品。鑒于土壤水分反演過(guò)程復雜，涉及的假設條件眾多，土壤水分產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗及在此基礎上的算法改進(jìn)具有重要意義。針對這一問(wèn)題，中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所劉元波研究員團隊范興旺副研究員，聯(lián)合安徽省氣象科學(xué)研究所、中國科學(xué)院大氣物理研究所和河海大學(xué)等相關(guān)科研人員，取得如下研究成果：
（1）微波遙感土壤水分產(chǎn)品精度（隨機誤差）受土壤鹽分影響，在干旱半干旱農耕區尤為嚴重，由此導致的不確定性可達0.005–0.01cm3·cm–3，與土壤鹽分含量成正比。土壤鹽分影響在春夏季節較為顯著(zhù)，頻繁發(fā)生的降水事件將表層鹽分淋洗至深層土壤，作物生長(cháng)季蒸散發(fā)增強又可導致深層土壤鹽分發(fā)生表聚，表層土壤鹽分的動(dòng)態(tài)變化直接影響土壤水分反演精度。由于微波穿透深度的差異，土壤鹽分對L波段SMAP產(chǎn)品的影響程度較大，但X波段和C波段AMSR2產(chǎn)品對土壤鹽分的響應更為迅速。該研究首次在全球尺度上證實(shí)和量化了土壤鹽分對微波土壤水分遙感反演精度的影響。
（2）遙感土壤水分產(chǎn)品的系統誤差受多種要素共同影響?；谌蚣用苡^(guān)測站點(diǎn)數據研究發(fā)現，SMAP產(chǎn)品在晴天無(wú)云條件下具有更高的精度，且下午軌道（6p.m.）產(chǎn)品的精度優(yōu)于上午軌道（6a.m.）產(chǎn)品，這一發(fā)現挑戰了已有研究結論，認為“日出前的地表更易于形成土壤-植被冠層等溫條件，有利于土壤水分遙感反演”。在云天條件下，SMAP土壤水分產(chǎn)品普遍存在高估現象，與可能存在的降水事件有關(guān)。研究結果證實(shí)了基于SMAP土壤水分產(chǎn)品計算土壤蒸發(fā)的可靠性。與此同時(shí)，土壤水分產(chǎn)品的系統誤差受土壤濕度（與微波穿透深度成反比）、植被和土壤溫度參數的共同影響，但單一要素的解釋程度低于54%。
（3）以安徽省氣象站點(diǎn)觀(guān)測土壤水分數據為參考，系統分析了16種主要遙感產(chǎn)品和5種陸面模式產(chǎn)品的精度。研究發(fā)現，遙感產(chǎn)品在水系發(fā)達和地形起伏地區的精度較差，且可用數據量較少，陸面模式產(chǎn)品在數據時(shí)空連續性上具有顯著(zhù)的優(yōu)勢。遙感產(chǎn)品精度可能受到水體校正精度和地形效應影響，較為嚴格的質(zhì)量控制方案大大減少了可用數據量。陸面模式產(chǎn)品普遍使用高精度降水驅動(dòng)數據，對降水事件的響應能力較強，但遙感產(chǎn)品能夠捕捉灌溉事件，用于研究人類(lèi)活動(dòng)對水循環(huán)過(guò)程的影響。盡管可用數據量較少，SMAP仍是捕捉灌溉信號的最佳產(chǎn)品。
以上研究獲得國家自然科學(xué)基金面上項目和安徽省重點(diǎn)研究與開(kāi)發(fā)計劃項目資助，研究成果發(fā)表在IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing和Journal of Hydrology等遙感和水文學(xué)頂級期刊。論文鏈接：
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9792453
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169422007259
https://www.mdpi.com/2072-4292/14/14/3339
圖1. 全球耕地、旱地耕地和鹽漬化旱地耕地土壤水分產(chǎn)品誤差
圖2. 基于全球加密觀(guān)測站點(diǎn)數據的SMAP土壤水分產(chǎn)品驗證結果。從左到右分別為SCA-H（單通道水平極化）算法、SCA-V（單通道垂直極化）算法和DCA（雙通道）算法；上排為上午軌道產(chǎn)品，下排為下午軌道產(chǎn)品。
圖3.（a）半濕潤區耕地，（b）濕潤區耕地和（c）林地土壤水分產(chǎn)品驗證結果