区域蒸散的遥感研究进展

蒸散是土壤蒸发和植物蒸腾的总称。蒸散的空间差异明显,进行全球及区域地表蒸散研究的最为行之有效的方法就是综合利用遥感、水文、气象及田间试验数据来估算蒸散。蒸散的遥感估算方法大致可分为三类,即统计经验法、能量平衡余项法和数值模型法。其中,统计经验法和能量平衡余项法的应用最为广泛,而数值模型则是近年来的研究热点。这三种方法各有优缺点:统计经验法计算过程简单,所需参数少,但是具有局地性;能量平衡余项法具备一定的物理基础,计算过程也不太复杂,但只能用于估算晴天条件下的区域蒸散;数值模型可综合利用不同来源、不同时空分辨率的各类地面数据和遥感数据,模拟各种天气条件下的区域蒸散,但是它的计算过程复杂,某些参数不易获取,距离实际应用还有很长的一段距离。     

基于SEBAL模型的别拉洪河流域典型生态系统蒸散量估算

蒸散发是水量平衡和能量平衡的重要环节,传统的计算方法只能以点为基础进行计算.为排除蒸散发空间变异特性的影响,在遥感技术的基础上,引入了基于地表能量平衡原理的SEBAL模型,对别拉洪河流域典型生态系统的日蒸散情况进行了计算模拟,获取了相关地面特征参数及日蒸散量,并根据地表实测温度和涡度相关系统测量的蒸散量对遥感估算结果进行了验证,验证结果表明2008年三期估算结果的地表温度误差分别为1.57K、0.72 K、1.73 K左右,2006年一期估算蒸散量的误差为12.86%,说明SEBAL模型的精度能够满足蒸散量遥感估算的要求.在此基础上,结合土地利用数据分析了研究区不同土地利用方式下的蒸散量分布情况.结果表明不同土地利用下的日蒸散量并不相同,其中水体和植被覆盖较好的地区的蒸散量较高,而没有灌溉措施的旱田的蒸散量较低.不同生态系统日蒸散量的空间分布不仅和灌溉条件有一定关系,而且也受气候条件的制约.     

地表遥感蒸散发模型研究进展

蒸散发(Evapotranspiration,ET)包括植被蒸腾与土壤蒸发,是地表能量平衡与水量平衡的重要组成部分,也是陆面过程研究的关键参数。卫星遥感技术的兴起,使获取大尺度非均匀下垫面的地表特征参数成为可能,一系列旨在精确估算地表实际蒸散量的遥感模型由此应运而生,以满足局地、区域乃至全球尺度蒸散发估算的需求。通过分析净辐射通量和地表与近地面大气层湍流热通量交换的方式,将遥感蒸散发模型分为单层模型和双层模型,总结其模型原理,讨论典型模型的优缺点及适用条件,分析蒸散发反演存在的遥感模型精度的图像范围依赖性和分辨率依赖性、时间尺度扩展及不确定性、模型验证以及地表辐射温度和阻抗5个问题。指出今后应加强地表温度反演精度、时间尺度扩展、有云日地表蒸散发、地面观测等方面的研究。     

基于Penman-Monteith方程的蒸散发算法及应用

P-M模型是基于Penman-Monteith方程发展起来,用于计算有植被覆盖的陆面蒸散量的模型。P-M模型理论基础扎实、模拟精确度高,被广泛应用于森林或草原植被的蒸散量计算。目前利用P-M模型开展植被蒸散量的研究主要集中在草地、农田等均一下垫面,而对于森林植被等复杂下垫面情况的研究相对较少,针对其特点需要对模型进行修正。研究表明,运用P-M模型估算植被潜在腾发量与实测值接近,结果比其它估算模型准确度高,可以推广应用。同时,修正模型的模拟精度主要取决于计算净辐射、空气动力学阻力和冠层阻力的准确性,因此有进一步提高模拟精度的研究空间。     

几种蒸散模型在玉米农田蒸散量计算中的应用比较

模拟蒸散的物理过程,计算农田蒸散量是进行生态系统水资源评价和管理的重要手段,同时也是气象部门进行土壤湿度预报的首要条件.本研究以玉米农田为研究对象,基于涡度相关法观测的蒸散实测资料,比较分析了基于常规气象数据的蒸散模型(Hargreaves法、Priestlev-Taylor法、FAO-Penman-Monteith法)和基于气象梯度数据的蒸散模型(波文比法、梯度法、生态系统过程模型模拟)的模拟精度.结果表明:①Hargreaves法、Priestley-Taylor法和FAO-Penman-Monteith法日蒸散的模拟结果较为一致,总体上高估20%～26%,其中Priestley-Taylor法模拟结果最优;②生态系统过程模型模拟的农田日蒸散精度较高,但模型中涉及的物理过程和参数较多,在实际应用中难于获取;③波文比法在波文比小于0.4且仪器精度较高时可以得到较准确的估算值.研究同时还指出,仪器的安装高度及高差设计对梯度法估算蒸散十分重要.     

运用表观热惯量遥感地表蒸散——以河北省易县崇陵流域为例

现有遥感地表蒸散的方法是基于地表热量平衡方程,先求出地表净辐射通量、土壤热通量和显热通量,再用余项法求出潜热通量。地表净辐射通量和显热通量的计算需空气温度、风速和地表粗糙度等非遥感参数,并且涉及到空间插值问题,由此增加了估算的复杂性并降低了估算的精度。引入反映地物固有热特性的物理参数一表现热惯量,结合地表辐射温度,充分利用遥感较易获取的这两个参数来估算地表蒸散,可弥补上述不足。利用河北省易县崇陵流域卫星过境同步观测的地面资料,以2007年5月28日过境的LANDSAT／TM作为数据源,尝试利用表现热惯量来遥感地表蒸散的新途径。首先根据像元表现热惯量和地表辐射温度等遥感参数反演出像元的大气下行辐射,进而估算出地表净辐射通量;其次,利用表现热惯量估算出波文比,再根据波文比时地表净辐射通量进行切割,然后代入地表热量平衡方程中,直接估算出地表潜热通量;最后,计算出崇陵流域日地表蒸散量,并获取其空间分布图。这种方法避开了估算显热通量的中闻环节,可操作性更强。     

中国陆地生态系统通量观测网络研究进展

以中国生态系统研究网络 (CERN)为依托 ,在中国科学院重大知识创新项目和国家科技部 973计划的支持下 ,中国陆地生态系统通量观测研究网络 (ChinaFLUX)于 2 0 0 2年建立运行。该网络通过采用多种手段和方法 ,对土壤、植被和大气的各种要素 ,以及生态系统碳循环与水循环的多种关键过程进行综合观测。Chin aFLUX的建立填补了欧亚大陆通量观测的空白区域 ,增加了生态系统类型的代表性 ,为开展陆地生态系统碳、水循环和能量传输过程的综合研究提供了有效的数据集和实验研究平台。ChinaFLUX自 2 0 0 2年 8月启动以来已经取得以下进展 :(1…     

MODIS数据湿地组分蒸散遥感模型

针对鄱阳湖地区湿度大且地表复杂多变的特点,从地表能量平衡出发,简化了陆-气相互作用的复杂过程,通过分析影响湿地蒸散的关键因子,建立了基于组分净辐射、组分土壤热通量、组分温度的湿地组分蒸散遥感模型.利用MODIS数据对鄱阳湖湿地的蒸散进行试验,根据TM分类图像得到了基于MODIS数据的1km各地类组分比率图像;在计算组分净辐射时,充分考虑到不同地表组分间对净辐射的作用差异,用组分比率、组分温度和组分反照率得到了各组分净辐射;在此基础上,得到了鄱阳湖湿地蒸散的分布.通过用余项法、实测数据和历史资料对新模型反演结果进行验证,结果表明,该模型能比较客观地反映鄱阳湖湿地蒸散分布状况.     

典型山地蒸散发时空变化模拟研究

基于考虑了水资源开采利用方案和农作物生长的新型陆面模式CLM_CERES,利用CMIP5多模式集合数据集驱动该模式,使用基于全球通量观测网络(FLUXNET)的地表蒸散发估算数据("MTE"数据)对模拟结果进行验证,系统分析了中国典型山地(太行山地、横断山地、黔桂喀斯特山地)基准期(1951-2005年)和预估期(2006-2060年)蒸散量时空变化。结果显示:三个区域CLM_CERES模拟蒸散量与MTE数据在月尺度上均具有较好的相关性,相关性均在0.76~0.88之间。1951-2060年太行山地和横断山地总蒸散量呈显著增加趋势,增幅分别为0.9806和0.7569mm/a(P0.001),以植被蒸散为主,黔桂喀斯特山地总蒸散量无显著增加趋势,以土壤蒸发为主;三个区域蒸散量的季节变化均呈现单峰曲线,峰值位于5-9月。太行山地和横断山地蒸散量的空间分布主要受气候和地形影响,黔桂喀斯特山地受其特殊的地表、地下水二元结构影响,对蒸散量的响应机制相对复杂。     

几种实际蒸散计算方法在土壤水分模拟中的应用

在田间试验的基础上，将较为常用的Penman和Priestley-Taylor参考蒸散模式的修正模型、实际蒸散模式中常用密集植被状况下的Penman-Menteith模式和稀疏植被状况下的Shuttleworth-Wallace模式计算的玉米蒸散结果进行比较，并利用不同气候年型的土壤水分观测资料对土壤水分变化进行模型，发现干燥年型几种蒸散模型和模拟效果均好于湿润年型，尤其是动力模型。在湿润年份Penman修正模型的模拟效果好于Priestley-Taylor修正模型；在干燥年份玉米旺盛生长季Shuttleworth-Wallace模式的拟合效果好于Penman-Menteith模式；但在湿润年份Penman-Menteith模型在叶面积较大时模拟效果较好。相对而言，参考蒸发修正模型中含有土壤水分参数，对土壤水分变化较大时模拟的稳定性较差。模拟结果表明，使用环境要素模拟土壤水分变化在一定时间长度内效果较好，时间过长可造成较大的累积误差。     

利用NOAA数据估算黄河三角洲区域蒸散量

蒸散(发)量是水资源相互转化过程中非常重要但又难以定量确定的要素之一.SEBS(Surface Energy Balance System)模型是20世纪末期发展起来的利用遥感数据计算区域蒸散(发)量的重要模型,利用该模型可以在较少地面信息的情况下获得蒸散(发)量的区域分布信息.本文采用SEBS模型,利用NOAA数据对我国重要的粮食和石油生产基地黄河-三角洲区域蒸散发量进行了研究.结果表明,黄河三角洲黄河两岸、黄河故道和滨海等地蒸散发量较大,年平均蒸散发量570mm～860mm,蒸散发量的峰值出现在6、7、8几个月份,每年的元月份是蒸散发量的低值期.计算结果与实际情况相符,说明遥感手段研究黄河三角洲的区域蒸散发量是可行的,与传统方法相比,遥感方法具有无可比拟的优越性.     

汾沁地区蒸散模拟及其时空变化特征

蒸散是水循环和能量循环的重要过程,也是连接土壤-植被-大气系统的关键纽带。气候变化背景下,蒸散的时空分布研究可为地区水资源合理配置及应对气候变化提供科学基础。本文基于结合GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）数据的水量平衡方法模拟黄土高原汾沁地区2003—2015年蒸散量,并分析其不同时间尺度的变化特征,结果表明：①结合水储量变化的水量平衡方法与忽略水储量变化的水量平衡方法模拟所得蒸散相比,前者时间序列上波动更平稳（变异系数、标准差、极端值分别减少0.12,5.50mm,3.20%）,可更精确地反映汾沁地区实际蒸散在年和季节尺度上的变化规律;②研究区2003—2015年均蒸散量为530.19mm,空间分布上由北向南大致增加,年际波动较平稳（变异系数为0.08）,其中2010年蒸散量最低（478.22mm）,2011年蒸散量最高（614.57mm）;③季节尺度上,夏季平均蒸散量最高（263.36mm）,占全年蒸散量的49.67%,波动较平稳;冬季蒸散量最低（19.50mm）,离散程度较大;④汾沁地区2003—2015年蒸散变化主要受温度、降水的影响,其年际波动主要与降水相关。     

汉江上游流域蒸散量计算方法的比较及改进

利用汉江上游流域13个气象站的气象观测数据,对SWAT2000模型内嵌的3种潜在蒸散量计算方法:①Penman-Monteith(PM)法、②Pristley-Tayler(PT)法和③Hargreaves法以及FAO Penman-Monteith(FAO PM)法、DeBruin法进行了蒸散量(ET0)计算方法的分析和评价.以气象站实测小型蒸发数据经过折算得到的陆面潜在蒸散量为标准,对模拟蒸散量结果进行检验,根据相关系数、解释方差、确定性系数以及相关曲线斜率等4个指标的比较,详细讨论了各方法的适用性及模拟精度,认为5种方法中PM法和FAO PM法模拟精度最高.但是进一步分析发现FAO PM法存在部分中间气象参量计算错误以及存在与实测数据偏差较大的情况,会影响到水文过程中其它子过程的模拟.因此选择PM法作为汉江上游流域蒸散量计算的首选方法,并通过数据分析提出利用高程对模拟结果进行修正,提高了蒸散量模拟的精度.     

基于MODIS数据的甘南草原区域蒸散发量时空格局分析

针对甘南草原生态系统水资源压力日益增大及草原退化的形势,本研究采用理论基础坚实、区域应用限制小、反演陆面蒸散发量较为合理准确的SEBS(Surface Energy Balance System)模型。在此基础上,将新一代对地观测数据MODIS应用于反演甘南草原区域地表蒸散发(Evapotranspiration,ET),并对甘南草原区域7月份的日均ET进行了反演,分析了2000年和2009年间该区域ET的时空分布格局和发展变化。同时,采用图像剖面线分形的方法描述研究区遥感ET的局部以及微观的结构特征,了解遥感ET分布的空间差异和变化趋势。研究表明:该区域日均ET总体上是减少的,其中一些区域变化幅度较大,减少了50%左右;其中,在地表水含量丰富的吉木都塘草原风景区和桑科草原风景区以及西库乎鹿场附近的黄河支流、尕海自然保护区、科才苦河、白龙江、拱坝河及洮河的水体周围,ET量才有7.00mm左右,主要与该区域水资源的减少有关。     

基于机器学习的日尺度短波净辐射气候资源遥感反演研究

日尺度地表短波净辐射（DNSSR）是大部分陆面过程模型、全球环流模型、陆-气交换过程模型和各种水文模型的重要输入参数,在自然资源调查、生态环境监测、能量平衡研究等领域具有重要的研究意义和实用价值。本文通过匹配MODIS双星遥感观测和FLUXNET日尺度地面观测数据,筛选出包含18个自变量总计15531对的有效样本,利用机器学习的随机森林方法构建了日尺度DNSSR遥感反演模型,并利用地面实测数据对模型结果进行了真实性检验。结果表明,构建的日尺度DNSSR遥感模型的偏差Bias为-0.1 W/m²,均方根误差RMSE为27.8 W/m²,决定系数R²为0.90,表现出良好的精度。基于此过程,得到MODIS双星反演的DNSSR全球分布结果,并与不同季节下再分析ERA5数据扩展得到的DNSSR数据进行了对比,发现两者全球分布特征基本一致,且均与太阳能量随季节变化分布特点密切相关。为进一步证实验证的结果,将ERA5和地面站点实测数据作了进一步的对比,结果从侧面证实了本文构建的MODIS的DNSSR产品精度远高于ERA5的DNSSR,而且其产品空间分辨率也有了极大提升。研究结果证明,本文提出的基于MODIS双星观测与机器学习的日尺度DNSSR反演模型具有反演精度高、空间分辨率高、具备时间连续性等优点,能够有效移植至其他气候资源的遥感反演。     

不同冠层类型的陆地植被蒸发散模型研究进展

科学的水资源管理必须准确地估算陆地生态系统的植被蒸发散量及其水分平衡。因此，植被蒸发散量的估算模型开发一直是陆地生态系统的生态学过程和水资源管理研究的重要领域。该文在依据植被冠层结构特征对自然陆地生态系统的植被类型进行分类的基础上，综合地评述了不同植被冠层类型、不同区域尺度的植被蒸发散模型的研究进展。依据自然陆地生态系统植被冠层的垂直结构和群落的覆被程度，我们将其划分为单层封闭冠层（OLCC)、单层疏松冠层（OLS/CC)、多层封闭型冠层（MLCC)及多层疏松冠层（MLS/CC)4种类型。进而，我们给出了适用于估算这4种类型植被冠层蒸发散的单涌源模型（SSMs)、双涌源模型（DSMs)和多涌源模型（MSMs),并进一步阐述了这些模型中所使用的各种表面阻力的概念及其相互关系，还详细地讨论了植被蒸发散模型中各种阻力的测量和估算方法。     

蓝水绿水资源量估算方法及时空分布规律研究

蓝水绿水资源量统一纳入水资源评价与管理中有助于解决水资源短缺问题。本文通过对现有估算方法的分析,认为SWAT模型是可以有效估算蓝水绿水资源量的工具之一,在此基础上,以伊洛河上游卢氏流域为例,建立了SWAT模型估算蓝水绿水资源量,并分析了流域蓝水绿水资源量的时间、空间分布规律。研究结果表明：①卢氏流域1991年-1997年蓝水绿水资源总量是传统水资源量的9倍以上;②蓝水绿水年内分布特点为汛期最高,冬季最低,且绿水流为绿水主要组成部分;③绿水贮存能力在植被覆盖良好的区域较大。蓝水绿水概念为水资源高效利用提供了科学依据,决策者可以根据蓝水绿水时空分布规律,在不同时期、不同区域采取不同的水资源管理方式,从而达到最优的水资源利用模式。     

基于DEM模型和气候学计算的滇南山区太阳总辐射空间化

地形和地势引起的温度、热量、水分差异是局地自然地理环境空间格局分异的内因所在,而太阳总辐射是地表物理、化学、生物等过程的主要能源,是理解或解释陆地表层格局的重要基本参数。本研究结合太阳总辐射的两种主要气候学计算模式Angstrom模型和Bristow-Campbell模型,以DEM、月均温差、月平均日照百分率以及地理纬度、赤纬等为基础数据,通过潜在太阳总辐射的空间化实现和太阳总辐射的气候学推算两个过程,成功实现了云南省中南部山地的多年平均1月~12月太阳总辐射的空间化;通过两个有多年太阳总辐射数据的站点实测数据检验,模拟结果良好：各月太阳总辐射平均误差率均小于10%,平均为3.69%;同时,也提供了一个可以借鉴到其它山地丘陵区的太阳总辐射空间化模式。