土壤水分是控制地-气界面水文循环和能量守恒的重要变量。微波遥感和陆面模式是获取全球和区域尺度土壤水分产品的主要手段。根据成像波段划分，微波遥感产品以X波段（8–12GHz）、C波段（4–8GHz）和L波段（1–2GHz）为主，分别代表地表以下约1cm、2cm和5cm深度的土壤体积含水量信息。微波遥感反演土壤水分的基本原理是液态水和固态土壤颗粒的介电常数差异，依次校正地表温度、植被含水量和地表粗糙度后计算土壤介电常数，反演土壤水分含量。2015年以来，SMAP是迄今为止总体精度最高的土壤水分产品，无偏均方根误差可达到0.04cm3·cm–3；1978年以来，ESA CCI是迄今为止时间序列最长的土壤水分产品。鉴于土壤水分反演过程复杂，涉及的假设条件众多，土壤水分产品的真实性检验及在此基础上的算法改进具有重要意义。针对这一问题，实验室刘元波研究员团队范兴旺副研究员，联合安徽省气象科学研究所、中国科学院大气物理研究所和河海大学等相关科研人员，取得如下研究成果： （1）微波遥感土壤水分产品精度（随机误差）受土壤盐分影响，在干旱半干旱农耕区尤为严重，由此导致的不确定性可达0.005–0.01cm3·cm–3，与土壤盐分含量成正比。土壤盐分影响在春夏季节较为显著，频繁发生的降水事件将表层盐分淋洗至深层土壤，作物生长季蒸散发增强又可导致深层土壤盐分发生表聚，表层土壤盐分的动态变化直接影响土壤水分反演精度。由于微波穿透深度的差异，土壤盐分对L波段SMAP产品的影响程度较大，但X波段和C波段AMSR2产品对土壤盐分的响应更为迅速。该研究首次在全球尺度上证实和量化了土壤盐分对微波土壤水分遥感反演精度的影响。
（2）遥感土壤水分产品的系统误差受多种要素共同影响。基于全球加密观测站点数据研究发现，SMAP产品在晴天无云条件下具有更高的精度，且下午轨道（6p.m.）产品的精度优于上午轨道（6a.m.）产品，这一发现挑战了已有研究结论，认为“日出前的地表更易于形成土壤-植被冠层等温条件，有利于土壤水分遥感反演”。在云天条件下，SMAP土壤水分产品普遍存在高估现象，与可能存在的降水事件有关。研究结果证实了基于SMAP土壤水分产品计算土壤蒸发的可靠性。与此同时，土壤水分产品的系统误差受土壤湿度（与微波穿透深度成反比）、植被和土壤温度参数的共同影响，但单一要素的解释程度低于54%。
（3）以安徽省气象站点观测土壤水分数据为参考，系统分析了16种主要遥感产品和5种陆面模式产品的精度。研究发现，遥感产品在水系发达和地形起伏地区的精度较差，且可用数据量较少，陆面模式产品在数据时空连续性上具有显著的优势。遥感产品精度可能受到水体校正精度和地形效应影响，较为严格的质量控制方案大大减少了可用数据量。陆面模式产品普遍使用高精度降水驱动数据，对降水事件的响应能力较强，但遥感产品能够捕捉灌溉事件，用于研究人类活动对水循环过程的影响。尽管可用数据量较少，SMAP仍是捕捉灌溉信号的最佳产品。
以上研究获得国家自然科学基金面上项目和安徽省重点研究与开发计划项目资助，研究成果发表在IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing和Journal of Hydrology等遥感和水文学顶级期刊。论文链接：
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9792453
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169422007259
https://www.mdpi.com/2072-4292/14/14/3339
图1. 全球耕地、旱地耕地和盐渍化旱地耕地土壤水分产品误差
图2. 基于全球加密观测站点数据的SMAP土壤水分产品验证结果。从左到右分别为SCA-H（单通道水平极化）算法、SCA-V（单通道垂直极化）算法和DCA（双通道）算法；上排为上午轨道产品，下排为下午轨道产品。
图3.（a）半湿润区耕地，（b）湿润区耕地和（c）林地土壤水分产品验证结果
