用NOAA卫星气象资料计算复杂地形下的流域蒸散

本文提出一种采用NOAA卫星AVHRR和地形高度等资料,估算流域蒸散的方法。NOAA AVHRR资料用于地表覆盖分类,据此可得出各类下垫面由可能蒸发转换成实际蒸散的折算因子。该资料还可用于计算地面反射率和气温,本文利用与卫星象元相匹配的1.2'经纬度网格上的海拔高度资料将流域内少数气象站观测的气象要素作为高度的函数插到此网格上,然后用改进的彭曼模式计算了甘肃省河西内陆河10个流域中各类下垫面的蒸散和蒸发。然后与少数雪面和高山草甸区实测的资料以及用水份平衡方法估算的相应流域的蒸散比较,验证了用此方法估算逐月流域蒸散量的可靠性。     

祁连山中部亚高山草地作物系数估算

利用Lysimeter蒸散仪于2011-2014年对祁连山中部黑河上游天涝池流域亚高山草地实际蒸散量进行观测。用FAO Penman-Monteith模型对草地参考蒸散量进行估算,根据草地植被高度结合气象数据,以估算日尺度作物系数,以估算的作物系数与模拟的参考蒸散量计算草地实际蒸散量,并用观测值进行验证。结果表明：FAO改进后的作物系数计算方法适合该区域草地作物系数的计算;以FAO Penman-Monteith模型估算的日蒸散量为0.50~7.26 mm,生长季日均蒸散量有年际变化,2011年 > 2014年 > 2012年 > 2013年。总体来看,土壤蒸发总量年际变化不大,影响蒸散量年际变化的主要部分是植被的蒸腾。     

毛乌素沙地蒸散量的遥感研究——以内蒙古乌审旗为例

地表蒸散量的准确估算对全球气候变化研究以及水资源的科学管理意义重大。本文以毛乌 素沙地腹地---内蒙古乌审旗为例, 应用基于互补相关原理的平流- 干旱模型, 结合1km 分辨率 的NOAA/AVHRR、MODIS 反照率资料和气象资料, 对乌审旗1981~2003 年的地表蒸散量进行了 估算, 并对其时空分布进行了分析。结果表明: (1) 乌审旗多年平均年蒸散量为252mm, 变化在 200~310mm 之间, 从西北向东南递增; 多年平均年蒸散量的相对变率在10%~24%之间, 从西北 向东南递减; 逐年蒸散量分布趋势基本一致, 都是从西部地区向东部地区递增。(2) 以2002 年为 例, 按照土地利用/土地覆盖类型划分, 蒸散量最大的是水体, 耕地次之, 再次是草地和林地, 沙地 最小。(3) 蒸散量年际变化大, 最大年份在300mm 以上, 最小年份在200mm 左右; 从年内变化看, 蒸散量呈“单峰”正态分布, 一年内蒸散量主要集中在6~9 月份。(4) 通过误差分析可以看出, 乌审 旗蒸散量的模型估算值比实际测量值偏低, 大约低9%左右。     

1960—2017年艾比湖流域实际蒸散量与气象要素的变化特征

传统估算蒸散发的方法大都基于局地尺度,而在生态水文发生剧烈变化的资料稀缺流域背景下,充分考虑流域下垫面的空间变异性的陆面过程模型为流域长时序、大尺度及连续模拟实际蒸散量提供了新途径。以艾比湖流域为研究区,应用可变下渗能力模型（VIC）模拟1960—2017年艾比湖流域的水文过程,探讨研究区值实际蒸散发量的年、月、日时空变化规律,并运用小波分析方法对5个气象要素及研究区实际蒸散发量的模拟值进行多尺度特征分析,结果表明：① VIC在温泉和博乐的径流纳什效率系数（NSE）分别为0.09和0.23,模拟效果较为满意;VIC实际蒸散量的模拟值与理论计算值,R²达0.80,均方根误差（RMSE）为31.76 mm a^-1,NSE为0.32,模拟效果相对较好;② 时间尺度上,艾比湖流域58 a来年际实际蒸散量呈上升趋势,年均实际蒸散量以1.03 mm a^-1的速率递增;月值和日值蒸散量均呈单峰趋势;且年代际变化中5—7月的实际蒸散量在20世纪90年代和21世纪呈现下降趋势,20世纪70年呈现上升趋势,而其余月份无明显变化;③ 空间分布上,艾比湖流域内实际蒸散发量总体上呈现高海拔及其附近地区蒸散强烈,从春季到夏季,强蒸散区由西北向东南转移,年实际蒸散量空间分布与春夏季分布一致;④ 艾比湖流域实际蒸散发量与各气象要素在时频域中均存在1~4个显著性周期,且在一定尺度的周期上,平均风速、平均温度以及日照时数超前于实际蒸散量变化,而年降水量和相对湿度滞后于实际蒸散量变化,受降水影响实际蒸散发1965年和2003年发生1 a周期的“强—弱”转换,受相对湿度影响实际蒸散量在1965年和2008年发生2~4.5 a周期的“强—弱”转换。     

梭梭柴林地蒸散量估算模型的研究

在前人工作的基础上选用Prietley和Taylor的湿润表面蒸发量与相对土壤湿度, 对1992~1994年新疆莫索湾治沙站蒸渗仪的实测资料, 用数理统计方法建立了梭梭柴林地蒸散量的估算模型, 并且检验了该模型的效果。该模型只需常规气象资料和土壤湿度资料, 计算简便, 具有较高的精度, 适应于干旱地区使用。     

泾河上游流域实际蒸散量及其各组分的估算

利用分布式生态水文模型SWIM,基于泾河上游(泾川测站以上) 植被、土壤、气象和水文数据对研究区进行了水文过程的模拟,从而估算了流域的实际蒸散量及其各组分。结果表明：SWIM模型能够较好的模拟泾河上游流域的水文过程,模拟的流域多年(1997-2003 年) 平均实际蒸散量为443 mm,其中土壤蒸发量为259 mm,植被蒸腾量为157 mm,冠层截持量为27 mm。石质山区的森林覆盖区和非森林地的年蒸散总量在整个流域分别具有最大值和最小值,为484 mm和418 mm;黄土区实际蒸散量介于二者之间,平均为447 mm。森林覆盖地区土壤蒸发明显小于其它区域,而蒸腾和冠层截留明显大于其它区域。年内蒸散量主要集中在5-8 月份,占全年总蒸散量的60%,且冠层蒸散比例较大达63%。整个流域湿润年份较干旱年份蒸散量增加了78 mm,其中土壤蒸发增加最多,其次是冠层蒸腾,冠层截留蒸发最小。     

基于互补相关原理的区域蒸散量估算模型比较

利用黄河流域1981~2000年期间的气象、水文资料,结合卫星遥感信息和数字高程模型,检验了平流-干旱、CRAE (Complementary Relationship Areal Evapotranspiration)、Granger等互补相关模型在不同时间尺度、不同气候类型区域上的计算精度,讨论了不同气候因子对计算误差的影响,并分析了模型参数的变化规律。结果表明：平流-干旱模型、CRAE和Granger模型估算的年蒸散量除了干旱年份外,误差都在10%以下。平流-干旱模型估算的月蒸散量比较合理,而CRAE模型与Granger模型都存在冬季月蒸散量估算过高的问题。平流-干旱模型与Granger模型的水量平衡闭合误差空间分布比较一致,计算效果是比较理想的,而CRAE模型的水量平衡闭合误差比较大。互补相关模型在湿润和干旱的条件下以及在可利用能量比较高和比较低的条件下,计算效果比较差。互补相关模型的经验参数在不同年型、不同气候类型区域有不同的最优值。     

干旱区芦苇蒸散量计算模式研究

从蒸散量和水面蒸发量之比与主要根系层平均含水率的关系出发,利用在中国科学院阿克苏水平衡试验站芦苇试验小区监测的土壤水分和蒸散资料,建立了干旱区芦苇蒸散量的计算模式,并利用芦苇实际蒸散量的测量值,对模式进行了验证。结果表明,模式计算精度较高,可以作为计算干旱区芦苇蒸散量的一种计算方法而使用。     

滹沱河上游山区近50年蒸散变化及主要影响因子分析

准确估计流域蒸散,掌握其变化趋势和主要影响因子,对科学认识流域水文循环规律以及管理流域水资源具有重要意义。利用傅抱璞年蒸散量公式计算滹沱河上游山区及其子流域1958-2007年逐年蒸散量,并利用Mann-Kendall-Sneyers等方法分析了流域蒸散趋势和突变特征,及其主要影响因子。结果表明在滹沱河流域傅抱璞公式能够较好的拟合蒸散。50 a来全流域及各子流域年均蒸散呈下降趋势。降水对蒸散起控制作用,相对湿度在流域部分地区显著影响蒸散(α=0.05)。     

近14a新疆南疆绿洲地区地表蒸散与干旱的时空变化特征研究

利用2001—2014年MOD16蒸散产品数据、MOD13植被[WTBX]NDVI[WTBZ]数据以及常规气象资料，基于植被指数、地表净辐射、气温优化改进混合型线性双源遥感蒸散模型，拟合地表蒸散分析实际蒸散（ET）、潜在蒸散（PET）时空动态变化特征，结合气象站实测蒸发皿数据验证MOD16数据在绿洲地区的适用性。进一步定义蒸散干旱指数（EDI）并计算△EDI进行研究区干旱特征分析，为大面积特殊地形蒸散估算研究和干旱监测提供一定依据。结果表明：（1） MOD16产品数据与研究区实测蒸发皿数据的相关性很好，通过0.01显著性检验，基于MOD16数据估算南疆绿洲地区蒸散量检验可行。（2） 2001—2014年均蒸散量总体变化不大，四季差异明显，ET与PET空间变化趋势相反；ET、PET年均差值较大，绿洲地区地表缺水情况严重。（3） EDI指数绿洲地区年均值总体偏大，△EDI对旱情的反映和干旱程度的判断比较可靠。     

A general model for estimating actual evaporation from non-saturated surfaces

Based on energy balance equation and mass transfer equation, a general model to estimate actual evaporation from non-saturated surfaces was derived. Making use of two concepts, "relative evaporation" and "relative drying power", a relationship was established to account for the departure from saturated conditions. Using this model, the actual evaporation (evapotranspiration) can be calculated without the need of potential evaporation estimation. Furthermore, the model requires only a few meteorological parameters that are readily and routinely obtainable at standard weather stations. Based on nearly 30 years data of 432 meteorological stations and 512 hydrological stations in China, in combined with GIS, nine typical river basins were selected. Using the data of the selected river basins, the model was tested. The results show that the actual evaporation rate can be estimated with an error of less than 10% in most areas of China, except few years in the Yellow River Basin.     

A general model for estimating actual evaporation from non-saturated surfaces

Based on energy balance equation and mass transfer equation, a general model to estimate actual evaporation from non-saturated surfaces was derived. Making use of two concepts, “relative evaporation” and “relative drying power”, a relationship was established to account for the departure from saturated conditions. Using this model, the actual evaporation (evapotranspiration) can be calculated without the need of potential evaporation estimation. Furthermore, the model requires only a few meteorological parameters that are readily and routinely obtainable at standard weather stations. Based on nearly 30 years data of 432 meteorological stations and 512 hydrological stations in China, in combined with GIS, nine typical river basins were selected. Using the data of the selected river basins, the model was tested. The results show that the actual evaporation rate can be estimated with an error of less than 10% in most areas of China, except few years in the Yellow River Basin.     

基于极限学习机的干旱区潜在蒸发量模拟

准确地模拟干旱区潜在蒸发量,对区域水资源的合理开发利用与生态环境保护具有十分重要的意义。以极限学习机（ELM）模型为基础,以古浪河流域的乌鞘岭、古浪两个典型气象观测站点为对象,将气象因子的不同组合作为输入参数,构建了适合当地的潜在蒸发量模型。利用构建的模型对乌鞘岭、古浪气象观测站点的月潜在蒸发量进行了模拟,将模拟结果与支持向量机（SVM）模型模拟结果进行了对比,发现ELM模型在干旱区月潜在蒸发量模拟中有更好的适用性,可为干旱地区潜在蒸发量的估算提供新方法和思路,是资料有限条件下潜在蒸发估算的有效方法。     

福建省区域尺度太阳总辐射模拟估算研究

比较了3种以常规地面气象资料为基础估算太阳总辐射的气候学估算模型(晴天辐射模型、天文辐射模型和MTCLIM气候模型),并以2004年福建省仅有的福州站和建瓯站太阳总辐射实测值进行验证.研究结果表明:以晴天总辐射为基值计算太阳总辐射估算模型的精度最高,运用该模型在ARCGIS支持下对福建省太阳总辐射进行空间插值,拟合了福建省区域尺度太阳总辐射月总量和年总量的空间分布,为省区域尺度生态系统碳循环模型,水文模型及植被净第一性生产力的估算研究提供了重要的空间表达参数.     

福建省区域尺度太阳总辐射模拟估算研究

比较了3种以常规地面气象资料为基础估算太阳总辐射的气候学估算模型(晴天辐射模型、天文辐射模型和MTCLIM气候模型),并以2004年福建省仅有的福州站和建瓯站太阳总辐射实测值进行验证.研究结果表明:以晴天总辐射为基值计算太阳总辐射估算模型的精度最高,运用该模型在ARCGIS支持下对福建省太阳总辐射进行空间插值,拟合了福建省区域尺度太阳总辐射月总量和年总量的空间分布,为省区域尺度生态系统碳循环模型,水文模型及植被净第一性生产力的估算研究提供了重要的空间表达参数.     

土体水分潜在蒸发确定方法研究进展

以相关领域关于土体蒸发模型研究成果为基础,结合岩土工程蒸发过程的特点,对确定土体潜在蒸发量方法的发展及现状进行介绍,并对每种理论模型的适用条件及参数的确定等进行分析。结果显示：（1）特定的地区、气候条件下,通过多种理论模型对比分析,确定相对合适的理论模型估算潜在蒸发量是必要的。（2）气象参数的区域性很明显,即使是具有相似气候特征的小区域,不同气象站提供的气象资料反演的气象参数也不相同,故根据气象资料反演得到的气象参数要进行修正。（3）现有蒸发测量技术应用于岩土工程的蒸发测量中有待进一步深入研究发展。提出该课题在岩土工程领域今后的研究方向,包括土体稳定蒸发阶段蒸发机制、蒸发的滞后效应、夜间土体水分变化对蒸发的影响、通用蒸发模型的建立及实测蒸发量的尺度效应等。     

塔里木河流域白杨农田防护林蒸散量估算模型

以水面蒸发量为基础,利用多年的白杨农田防护林试验资料,建立了塔里木河流域白杨农田防护林蒸散量的两种估算模型,并利用白杨林实际蒸散量的测量值,分别对两种模型进行了验证。结果表明,从总体上来说,模型(Ⅰ)计算精度较高,但两种模型的相对误差都不是很大,都可以作为计算塔里木河流域白杨农田防护林蒸散量的方法而使用,但要根据具体情况加以应用。     

水文循环模拟中蒸散发估算方法综述

为选取基于水文循环估算蒸散发方法提供依据, 首先对常用水文模型中蒸散发估算方法进行回顾, 根据其物理机理的强弱性, 将水文模型中蒸散估算方法分为整体折算法和分类汇总法。当前水文模型中整体折算法占较大比重, 它们之间的差异有两点:一是潜在蒸散发估算方法不同;二是土壤干燥度折算函数不同;研究表明:由于水文模型存在不确定性及Penman-Monteith 方法具有较高资料要求, 致使模拟中使用该方法与使用其它简化经验公式相似或更差的水文循环模拟效果。所以对于不同水文模型, 如何选取与之复杂程度相兼容的潜在蒸散发估算方程和土壤干燥度折算函数来降低模型的不确定性需进一步讨论。在此基础上, 预估基于水文循环估算蒸散发方法朝着复杂机理化和简单实用化两个方向发展。     

Applicability evaluation of the SWIM at river basins of the black soil region in Northeast China: A case study of the upper and middle Wuyuer River basin

In this paper, we selected the middle and upper reaches of the Wuyuer River basin in the black soil region of Northeast China as the study area. We adopted the soil and water integrated model (SWIM) and evaluated the parameter sensitivity using partial correlation coefficient. We calibrated and validated our simulation results based on the daily runoff data from Yi’an hydrological station at the outlet of the river basin and the evaporation data recorded by various weather stations from 1961 to 1997. Following evaluation of the modeling data against the observed data, we present the applicability of SWIM in the river basin of the black soil region, and discuss the resulting errors and their probable causes. Results show that in the periods of calibration and validation, the Nash-Sutcliffe efficiency (NSE) coefficients of the monthly and daily runoffs were not less than 0.71 and 0.55, and the relative errors were less than 6.0%. Compared to daily runoffs, the simulation result of monthly runoffs was better. Additionally, the NSE coefficients of the potential monthly evaporation were not less than 0.81. Together, the results suggest that the calibrated SWIM can be utilized in various simulation analyses of runoffs on a monthly scale in the black soil region of Northeast China. On the contrary, the model had some limitations in simulating runoffs from snowmelt and frozen soil. Meanwhile, the stimulation data deviated from the measured data largely when applied to the years with spring and summer floods. The simulated annual runoffs were considerably higher than the measured data in the years with abrupt increases in annual precipitation. However, the model is capable of reproducing the changes in runoffs during flood seasons. In summary, this model can provide fundamental hydrological information for comprehensive management of the Wuyuer River basin water environment, and its application can be potentially extended to other river basins in the black soil region.     

1960-2009年横断山区潜在蒸发量时空变化

以横断山区20 个气象站1960-2009 年逐日气象数据为基础,应用1998 年FAO 修正的Penman-Monteith 模型分析了横断山区潜在蒸发量的变化,在ArcGIS 环境下通过样条插值法分析了潜在蒸发量变化的时空分异,并对影响潜在蒸发量变化的气象因素进行了讨论,结果表明：年潜在蒸发量自20 世纪60 年代中期以来呈波动减小趋势,20 世纪80 年代中期之后减小趋势更加明显,2000-2009 年呈增加趋势。潜在蒸发量的年际变化倾向率为-0.17 mm a^-1,从空间分布来看,北部、中部、南部都呈减少趋势,倾向率由北向南逐渐减小。从季节来看,秋季和冬季潜在蒸发量呈增加趋势,春季和夏季呈减小趋势,春季减小趋势大于夏季,秋季增加趋势大于冬季。气温上升、风速和日照时数的降低是横断山区潜在蒸发量减少的主导因素,风速和日照时数的下降导致春季和夏季潜在蒸发量减小,气温上升导致秋季和冬季潜在蒸发量增加。