模型产品
全球蒸散发
项目概述
这项研究的目的是为区域/全球水平衡变化的研究提供一个全球范围内具有高量化精度的、长期的（1983 – 2013年）每日蒸散发（ET）记录。我们应用基于卫星遥感蒸散发（ET）算法来评估全球陆地蒸散发情况。该算法使用改进的Penman-Monteith方法同时结合由植被覆盖指数（NDVI）确定的生物群落特有的冠层电导来量化冠层蒸腾和土壤蒸发过程，并且使用Priestley-Taylor方法对开放水域蒸发进行量化。通过使用AVHRR GIMMS NDVI数据集，NCEP / NCAR再分析（NNR）日表面气象数据集以及NASA / GEWEX表面辐射预算（SRB）太阳辐射输入数据集，该算法已经在全球范围内广泛应用。我们团队对基于植被覆盖指数（NDVI）的冠层电导模型进行参数化，参数化的过程使用了可以代表主要全球植被类型的全球通量网（FLUXNET）的通量数据，然后使用额外的独立通量塔的测量结果验证全球蒸散发算法。全球蒸散发的结果能够捕获在全球范围内观测到的空间和时间变化情况，同时，该结果(RMSE=186.3 mm yr-1; R2=0.80)可以很好地与从流域尺度水量平衡计算推断的蒸散发进行对比。这些数据为评估蒸散发气候学，陆地水和能量预算以及长期水循环变化情况提供了一个相对长期的、具有高量化精度的全球蒸散发记录。
出版物
Zhang, K., J.S. Kimball, R.R. Nemani, S.W. Running, Y. Hong, J.J. Gourley, and Z. Yu, 2015. Vegetation Greening and Climate Change Promote Multidecadal Rises of Global Land Evapotranspiration, Scientific Reports, 5, 15956; doi: 10.1038/srep15956.
Zhang, K., J.S. Kimball, R.R. Nemani, and S.W. Running, 2010. A continuous satellite-derived global record of land surface evapotranspiration from 1983-2006. Water Resources Research doi:10.1029/2009WR008800.
Zhang, K., J.S. Kimball, Q. Mu, L.A. Jones, S.J. Goetz and S.W. Running, 2009. Satellite based analysis of northern ET trends and associated changes in the regional water balance from 1983 to 2005. Journal of Hydrology 379, 92-110.
元数据
| 空间分辨率 | 1°或8km |
| 行 | 2091 |
| 列 | 4950 |
| 西北纬度经度 | 89.2234 -179.9954 |
| 东南纬度经度 | -62.8494 180.0046 |
iCRESTRIGRS
integrated Coupled Routing and Excess Storage and Transient Rainfall Infiltration and Grid-Based Regional Slope-Stability模型介绍
这项研究的目的在于研发一个可由基于卫星或雷达定量降雨估算系统驱动的洪水和滑坡耦合预报模型系统。iCRESTRIGRS模型是一个基于物理机制、耦合水文过程和土力学过程的分布式洪水-滑坡预报模型。其模拟空间分辨率可以从米级到百公里级，这取决于能否获取高分辨率的输入数据和基础数据，模型的时间分辨率可以达到10分钟，同样也取决于能否获得高分辨率的输入数据。iCRESTRIGRS模型不仅能够模拟重要的水文过程（包括蒸散发、产流、汇流等），也可以计算每个网格的坡面稳定性。该耦合模型包括CREST水文模型和TRIGRS边坡稳定模型两个部分。
CREST model CREST模型是一个基于网格的分布式水文模型，利用可变下渗能力曲线（VIC）将净雨分为地表径流和入渗，采用多线性水库法分别模拟地表和地下网格到网格的径流路径，当地表径流流至下一个网格时，继续使用VIC产流理论将其划分为入渗和坡面漫流。模型中使用SCE-UA算法自动率定分布式模型参数。
TRIGRS model TRIGRS模型通过使用包含非饱和层和饱和层的双层系统来计算由于降雨入渗造成的瞬时孔隙压力变化以及伴随的安全系数的变化。该模型将地下水面之上的非恒定、非饱和、垂直入渗的解析解与地下水面之下的压力变化的扩散解通过非饱和带底部的瞬时潜水位联系起来。模型计算的孔隙压力随后用于一维边坡稳定性的计算，估测边坡失稳的时间和位置。TRIGRS模型假设降雨在每个网格以最大入渗率下渗。它同样也有一个简单的地表径流路径方案来判断多余的地表水是在邻近下坡网格入渗还是向更远的网格流动。
在该耦合模型中，CREST模型计算所有的水文过程和变量，包括植被截留、入渗、产流、水流路径、多余地表径流的再入渗，同时提供了初始状态条件，例如土壤湿度和潜水深。TRIGRS模型则利用CREST模型提供的参数和初始状态计算孔隙压和边坡的稳定性。最终可以得到区域的水文要素过程以及边坡是否失稳，对洪水和滑坡进行预报。
出版物
Zhang K, Xue X, Hong Y, Gourley JJ, Lu N, Wan Z, et al. iCRESTRIGRS: A coupled modeling system for cascading flood-landslide disaster forecasting [J]. Hydrology & Earth System Sciences Discussions. 2016:1-23.
元数据
| 降雨 | 基于站点和雷达观测的定量降雨估算产品 |
| 蒸散发 | 基于实测ET资料的卫星遥感日数据 |
| 数字高程模型 | USGS, 3″ DEM数据 |
| 土地覆盖 | 30-m国家土地覆盖数据库 |
| 土壤类型 | 国家土壤地理数据库 |
| 径流 | USGS径流观测资料 |
| 滑坡灾害 | 北卡罗莱纳地质调查局滑坡资料 |
P-LSH 算法
算法介绍
P-LSH算法全称为基于过程的陆表蒸散发/热通量算法。该算法通过耦合Penman-Monteith方法与由植被覆盖指数（NDVI）确定的生物群落特有的冠层电导度来量化冠层的蒸腾，用改进的PM方法来量化土壤蒸发，以及使用Penman方程对开放水域的蒸发进行量化。在该项研究中，为了解释不同风速和大气CO2浓度对各个模型空气动力传导度和冠层气孔通导度的影响，我们对基准算法做了以下几点改进：（1）通过使用MOSES陆表方案中CO2约束函数确定大气中CO2浓度的增加对冠层气孔通导度的影响；（2）使用地表风速计算空气动力传导度；（3）用Penman方程代替基本算法中的Priestley Taylor法估算开放水面蒸发和潜在蒸发（PET），以考虑地表风速变化对开放水域蒸发的影响。
出版物
Zhang, K., J.S. Kimball, R.R. Nemani, S.W. Running, Y. Hong, J.J. Gourley, and Z. Yu, 2015. Vegetation Greening and Climate Change Promote Multidecadal Rises of Global Land Evapotranspiration, Scientific Reports, 5, 15956; doi: 10.1038/srep15956.
元数据
| 地表气象日数据 | NCEP再分析资料 |
| 卫星遥感辐射数据 | NASA地表辐射数据集 |
| 降雨径流资料 | GPCP, GPCC, CRU, 径流月值数据集 |
土壤水产品
简介
基于多源卫星数据的高时空分辨率土壤湿度监测包括：多卫星土壤湿度反演及时空重建、高分辨率时空连续土壤湿度反演。首先构建土壤湿度微波反演模型，通过光亮温度与发射率转换、植被和地表粗糙度影响量化与消除、土壤介电常数与发射率关联反推、土壤含水量与土壤及介电常数关联反推一系列的模块开发与计算，实现土壤湿度的遥感反演，再将不同卫星源（包括SMAP、SMOS、AMSR2和风云系列卫星）提取的土壤含水数据进行整合、拼接，产生空间分辨率为0.25°的全国陆表土壤湿度日产品。然后构建基于物理机制和过程的土壤湿度计算模型（Soil Water Balance Model: SWBM），通过下渗计算模块、实际蒸散发计算模块、坡面流下渗模块、土壤层之间水分交换模块、土壤水渗漏模块一系列模块的开发与计算，实现0.05°空间分辨率土壤含水的推算。最后采用跨尺度数据融合方法对SWBM模型推算的土壤含水同卫星遥感反演获取的0.25°产品进行数据融合，从而产生0.05°高时空土壤湿度产品。既实现高空间分辨率土壤含水的获取，又充分采用卫星遥感信息保证反演精度。
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GTOPMODEL
Grid-and-TOPgraphy-Based Hydrological MODEL模型介绍
GTOPMODEL通过假设土壤饱和水力传导度随深度的增加呈指数递减和地下水面平行于地表面，推导出反映单元汇流带平均土壤缺水量与单个栅格土壤缺水量之间关系的基本方程；根据单流向法从DEM提取排水网格，建立栅格间的拓扑关系，将流域划分成单元汇流带，在此基础上进行逐栅格产流计算，栅格在垂向分3层：植被及根系截留层、土壤非饱和层和土壤饱和层；最后根据D8法计算每个栅格的出流方向，生成排水网络并建立栅格演算次序矩阵，利用Muskingum水流演算法将水流逐栅格演算至流域出口，得到出流过程。
出版物
张珂, 李致家, 包红军. 2005. GTOPMODEL模型与TOPMODEL模型比较. 河海大学学报(自然科学版). 2005(05):509-12.
元数据
| 降雨 | 雨量站观测资料 |
| 径流 | 次洪资料，时段1小时 |
| 数字高程模型 | USGS的30″×30″DEM数据 |
| 土壤类型 | 分辨率1°，来自NOAA卫星 |
| 土地覆盖 | 分辨率30″，来自USGS |
CRESLIDE
Coupled Routing and Excess Storage and SLope-Infiltration-Distributed Equilibrium模型介绍
该研究的目标是在一个基于物理的综合水文和滑坡模拟连续体中利用卫星遥感数据来解读气候和地表过程。将滑坡预报模型作为模块，综合到CREST水文模型中以提高SLIDE模型的性能，并提供暴雨触发型滑坡的耦合预报系统。该模型解决了长期以来滑坡模拟和预测的缺陷。 CRESLIDE旨在通过与水文模型（CREST）的耦合来改善原始滑坡模型（SLIDE），并提供一个用于预测风暴触发的滑坡的综合系统。该模型为张珂教授在俄克拉荷马大学就职期间与科研团队合作研发。
CREST model CREST模型是用来模拟水文过程的基于网格的分布式水文模型。模型中降雨产流过程从冠层截留开始，在降雨通过冠层后，多余的降水到达地表，根据可变下渗曲线（VIC）将这部分降水划分为地表径流和入渗。模型假定点入渗能力在区域内的变化符合一定的规律。地面和地下径流根据饱和土壤水力传导度进一步进行划分，然后利用多线性水库方法在每个时间步长上对地面和地下径流在网格与网格之间的路径进行模拟。CREST模型耦合了产流过程和径流方案，能够更好的表示地表和地下径流的交互关系。
CREST模型和SLIDE模型最重要的中间变量是入渗，利用CREST模型计算降雨的植被截留、地表径流和入渗等，得到对滑坡有影响的“有效”降雨，再将CREST模型计算得到的水文状态和通量变量，例如土壤含水量和入渗，作为SLIDE模型的直接输入，可以计算边坡的安全系数，进而判断滑坡是否发生。
出版物
He X, Hong Y, Vergara H, Zhang K, Kirstetter PE, Gourley JJ, et al. Development of a Coupled Hydrological-geotechnical Framework for Rainfall-induced Landslides Prediction [J]. Journal of Hydrology. 2016,543.
元数据
| 降雨 | 空间分辨率4km，降雨分析产品 |
| 蒸散发 | 北美区域再分析产品 |
| 数字高程模型 | 30m分辨率 |
| 土地覆盖 | 马里兰大学全球土地覆盖数据 |
| 土壤类型 | 国家土壤地理数据库 |