基于DEM的单窗算法及山区地表长波净辐射的计算

地表温度和长波净辐射是地表能量平衡中两个重要的能量项。首先对单窗算法应用于山区的可行性进行了分析,然后依据DEM和大气温度、湿度轮廓线对地表气温和湿度进行空间上的插值。在计算出每个像元上的气温值和湿度值基础上求算出单窗算法所需要的两个主要的大气参数分布图——大气平均作用温度分布图和大气透过率分布图,从而将单窗算法推广应用于地形起伏悬殊的山区,以计算各个高程上的地表温度。通过建立基于DEM的山地热辐射传输模型,计算每个像元来自于周围地形的热辐射分量,引用大气向下长波辐射公式计算其分量,并依据长波辐射平衡方程计算山区各个像元的长波净辐射。     

黄河流域蒸散量分布式模拟

针对传统区域蒸散计算模型中净辐射及其各组成要素的计算直接采用国外经验公式或点上观测资料空间内插的不足,利用基于中国气象站观测资料建立的净辐射及其各组成要素的计算公式和遥感反演的地表反照率,以黄河流域作为研究区域,在考虑地形起伏和下垫面多样性等地表非均匀性因素的基础上,实现了黄河流域净辐射及其各组成要素的分布式模拟;在印证流域尺度存在蒸散互补相关关系的基础上,将净辐射、气温、水汽压等系列要素分布式拟合结果与基于区域蒸散互补理论的AA（Advection-Aridity model）模型耦合,实现了黄河流域蒸散量的分布式模拟。与基于水量平衡的黄河流域多年平均蒸散量空间分布图对照表明,二者趋势分布吻合很好,分区验证的最小相对偏差为1.14%,最大为26.80%,全流域平均相对偏差为1.50%,且分布式蒸散拟合结果更加细致地体现了蒸散量的空间变化情况。集成的区域蒸散分布式模型,以蒸散互补理论为基础,考虑了区域蒸散对近地层大气的反馈作用,仅以数字高程模型和常规气象站观测数据为输入项,应用方便。     

不同土壤热通量测算方法的比较及其对地表能量平衡闭合影响的研究

土壤热通量是地表能量平衡的重要分量,对其测算方法的研究对理解能量平衡过程具有十分重要的意义.利用2010年馆陶站土壤热通量等相关观测数据对多种测算土壤热通量的方法:实测土壤热通量和热储存量的结合方法(PlateCal)、热传导方程校正法(TDEC)、谐波分析法(HM)、平均土壤热电偶法(TCAV)、耦合热传导—对流法(ITCC)获取的地表土壤热通量进行了对比分析,并且采用最优方法计算馆陶站2008-2010年的地表土壤热通量,分析了该站土壤热通量日、季节变化特征.主要结论如下:①PlateCal和TDEC法分别为获取土壤热通量的最优观测与计算方法,而HM,TCAV和ITCC法计算结果均不理想;②PlateCal与TDEC法对地表土壤温度均不敏感,而HM法对地表土壤温度则比较敏感,各种地表土壤热通量的观测与计算方法均对土壤湿度敏感;③馆陶站冬小麦、玉米覆盖地表及地表裸露时期的地表土壤热通量均呈现典型的日、季节变化特征,与净辐射变化趋势一致;④考虑热储存后,可将馆陶站2010年各月地表能量闭合率提高4％～11％,对2008-2010年的年能量平衡闭合率提高3％～5％.     

地表温度和地表辐射温度差值分析

依据实验数据,研究利用标准黑体源对红外辐射计测定值进行标定的方法;分析天空比辐射率的变化特性;计算天空环境辐射,与长波辐射计测定值进行比较;推算考虑天空环境辐射和地表比辐射率后的地表温度,研究地表温度与地表辐射温度的差值。结果表明：①地表辐射温度未经标准黑体源标定与标定后的差值绝对值在0.1～1℃之间;②天空比辐射率的变化范围为0.75～0.85,不同下垫面天空比辐射率日变化趋势非常一致;③用空气温湿度计算的天空环境辐射与长波辐射计测定值的差值较小,相对误差平均为3.1%,但是天空37°热红外辐射计观测值与长波辐射计测定值差值较大,相对误差平均值达到38.1%;④地表温度高于地表辐射温度,差值在0.2～1.5℃之间。     

黄土高原地表能量闭合特征及土壤通量参数化

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站)2008年夏季晴天的湍流、 辐射、 土壤温度和通量梯度观测资料, 确定了晴天土壤热参数, 并结合土壤热流量板测量的温度积分法把实际测量通量推算到地表; 讨论了典型黄土高原沟壑区土壤热量储存对地表能量闭合率的影响; 建立了计算地表土壤热通量的模型. 结果表明: 黄土高原典型沟壑区夏季晴天平均土壤热容量为1.23×10⁶ J5m^-35K^-1; 能量平衡方程中, 以5 cm 埋深处HFP01SC热流量板观测值 (G₅) 表示土壤热通量时, SACOL站地表能量闭合率为75.7%. 采用温度积分法, 将HFP01SC的直接测量结果校正到地表(G_s)后, 地表能量闭合率可以达到81.8%; 0~5 cm土壤层的热量储存对能量平衡的贡献为6.1%. 模型计算得土壤热通量(G_m)与G_s之间的线性回归斜率为0.973(显著性水平为0.1‰). (H+LE)与(R_n-G_m)进行线性回归, 得到地表能量闭合率为81.7%. 表明模型与温度积分法计算计算土壤热通量非常接近, 但通过参数化方法计算时仅需要知道R_n即可.     

黑河中游间作灌溉农田的能量平衡

利用布设在黑河流域中游的张掖绿洲区的一套自动气象观测系统在2004年作物生长期内的完整资料,分析了黑河中游春小麦和玉米间作农田生态系统的辐射收支,在此基础上选用波文比能量平衡法(BREB)进行了能量平衡计算.结果表明:间作作物-土壤系统截获的太阳短波辐射占太阳总辐射的比例从生长初期的0.81持续增加到生长末期的0.86;净辐射在生长初期较小,生长中期第一阶段增幅大,至第二阶段达到最大,生长末期降低;净辐射占太阳总辐射的比例与净辐射的变化相似.能量平衡中,净辐射的消耗以潜热为主,占70%左右,感热能量占20%,土壤热通量占净辐射总值的10%.不同生长阶段的能量平衡差异较大,能量平衡在不同生长阶段呈现出不同的日变化特征.     

基于遥感的黄河三角洲农作物需水时空分析

以黄河三角洲为研究区域,系统地提出了用多种分辨率遥感影像进行区域蒸散反演,结合气象数据,进行不同时空条件下农作物需水的分析.通过反演地表反照率、地表温度、地表比辐射系数等参数,进一步计算出地表净辐射通量、土壤热通量、显热通量,根据地表能量平衡方程进行了蒸散的遥感反演;利用5个时相的NOAAAVHRR数据和一个时相的TM数据反演了1999年7～9月的蒸散,并利用TM影像反演的蒸散结果,提高了NOAA气象卫星蒸散反演结果的空间分辨率,大大增加了遥感蒸散反演的实用性.利用6个时相的遥感数据反演的蒸散结果及计算的日潜在蒸散数据对1999年7～9月黄河三角洲各灌区农作物的需水总量进行了时空分析.     

黄土高原砂壤土冻融过程的观测和模拟

针对黄土高原冬季陆面过程,使用兰州皋兰地区冬季观测资料和水热耦合模式(SHAW),进行了观测资料和数值模拟分析.结果表明:冬季,黄土高原地区入射的太阳辐射较小,降水稀少,空气干燥,12月、 1月及2月的月平均气温均低于0℃,净辐射很小,积/融雪期间,净辐射出现了负值.地表能量分配中感热潜热都很小,但感热相对潜热占主要地位,在无降水时期日平均潜热通量几乎都在10W·m-2以下.水热耦合模式对地表能量中短波净辐射和长波净辐射模拟较好,感热通量和潜热通量的模拟存在一定的偏差.模式对浅层30cm和40cm土壤温度及土壤湿度模拟较为成功,模拟值对观测值的相关性较高,相关系数均达到0.87以上.土壤温度模拟偏高,土壤湿度的模拟稍偏低.     

兰州马衔山多年冻土区地表能量平衡特征分析

利用兰州马衔山多年冻土区2010年7月1日到2011年6月30日的气象资料, 采用气象梯度法计算了该地区的感热通量和潜热通量, 结合净辐射分析了该地区的地表能量平衡特征.结果表明: 马衔山多年冻土区净辐射呈现明显的年变化特征, 净辐射值较青藏高原西大滩地区略大, 而较唐古拉地区小; 净辐射冬春季主要转化为感热, 而夏秋季主要转化为潜热, 这一特点与青藏高原唐古拉和西大滩地区类似; 潜热年平均值略大于感热年平均值, 这与马衔山多年冻土区沼泽湿地的保护作用及充足的水分条件有关.此外, 地下冰的存在有效地保护了该地区的多年冻土.     

青藏高原林芝与四川盆地温江地区晴天辐射和能量平衡特征

分析了2008年青藏高原林芝地区与四川盆地温江地区无降水条件下地表辐射、 湍流通量和地表反照率的日变化及月际变化特征, 并探讨了季风过程对其产生的影响.结果表明: 林芝与温江地区地表辐射和湍流通量都具有明显的日变化和月际变化周期, 季风期受云的影响, 日循环规律变得不是非常规则.季风对林芝地区地表能量分配影响极大, 季风前感热通量占主导地位, 季风期和季风后(夏、 秋节)潜热通量是净辐射的主要消耗项; 温江地区全年潜热在净辐射的分布中占主导地位, 感热通量的作用和土壤热通量相当. 林芝地区年平均地表反照率为0.21, 温江地区年平均仅为0.14; 季风前(3-5月)、 季风中(6-7月)和季风后(8-9月), 林芝地区的地表反照率分别为0.20、 0.19和0.20, 温江地区的地表反照率分别为0.13、 0.11和0.14.     

不同蒸散发计算模型在新疆喀什地区的适用性及对比分析研究

为分析不同蒸散发模型在新疆喀什地区的适用性,结合国内常用两种蒸散发计算方法,应用区域实测蒸发数据,按照年、月、季三个时间尺度分析两种方法计算的适用性和精度。结果表明:VIC模型在年尺度上适用性好于P-M模型,但在夏季和秋季尺度上,P-M模型好于VIC模型,各模型在夏季蒸发计算上好于其他季节。研究成果对于喀什地区蒸发计算提供重要的方法参考。     

SRA1B情景下中国主要作物需水预测

分析气候变化下中国主要作物需水规律,有助于从粮食安全与水资源可持续利用角度应对气候变化。根据IPCC提供的SRA1B情景下大气环流模式MIROC3.2的输出,利用FAOPenman-Monteith公式计算参考作物腾发量;根据FAO作物系数、SAGE作物分布与柯本气候分类,得到计算单元的作物系数,根据参考作物腾发量与作物系数估算作物需水量;考虑需水与有效降水旬尺度的随机匹配,预测SRA1B情景下未来50年中国各地区主要作物的灌溉需水量。结果表明,参考作物腾发量总体上呈上升趋势,全国平均增加约8%;作物需水量总体上呈增加趋势,东北地区平均增加约10%;灌溉需水量总体上呈增加趋势,东北与华南增加显著。分析表明,SRA1B情景下气温升高是作物需水量增加的主要原因,降水的增加使华北地区灌溉需水量的增加不显著,降水的减少使东北与华南灌溉需水量显著增加。     

半干旱地区蒸散发时间尺度扩展方法对比分析

蒸散发量(ET,evapotranspiration)的时间尺度扩展是遥感反演区域ET的关键。为评价由瞬时潜热通量经时间尺度扩展方法计算日蒸散发量的可靠性,利用美国西南部半干旱地区的Walnut Gulch实验流域草地站点的波文比系统实测数据,分析评价蒸发比法、简化蒸发比法、作物系数法、简化参考作物系数法、正弦关系法、冠层阻力法和修正冠层阻力法共7种蒸散发时间尺度扩展方法的估计效果,统计结果显示,7种蒸散发时间尺度扩展方法总体趋势具有一致性,存在着一定的规律性,采用10:00~14:30的瞬时值估计较为接近实测蒸发值。正弦法、简化参考作物系数法及简化的蒸发比法的模拟精度较高(相对均方根误差在20%左右),比较适合于估算半干旱地区的日蒸散发量。对具有相近气象、气候、下垫面条件和空间尺度数据且具有充足气象观测资料的地区,推荐采用基于简化作物系数的时间尺度扩展方法开展从小时到日的ET时间尺度扩展,对于缺少气象观测资料的类似地区,推荐采用正弦法和简化的蒸发比法进行时间尺度扩展。     

基于混合遗传算法估计van Genuchten方程参数

van Genuchten(VG)方程是最常用的土壤水分特征曲线方程,其参数取值的精度直接影响到土壤水分运动方程计算的精度.该文建立了VG方程参数的优化模型,构建遗传算法与Levenberg-Marquardt算法相结合的混合遗传算法对其进行求解,并进行了数值试验.结果表明采用混合遗传算法比普通遗传算法不但提高了收敛效率,而且收敛迭代次数也大大减少;采用混合遗传算法估计参数的精度比非线性单纯形法和阻尼最小二乘法要高一些,而且不需要给参数初值.因此,混合遗传算法可以作为估计VG方程参数的一种新方法.     

贡嘎山暗针叶林区森林蒸散发特征与模拟

通过对贡嘎山森林区的蒸发实验观测,利用修正的Penman-Monteith公式对地面和冷杉林蒸散进行模拟,并与水面实际观测资料进行对比。结果显示:控制该区蒸散的主导因子是太阳有效辐射、大气温度以及植被类型;对裸地、灌草、森林模拟的年内变化过程与水面蒸发的实际观测值趋势一致,分别在4月和9月出现两个明显的蒸发高峰。原始Penman公式可以用于裸露地面和短草地面的蒸发计算,然而对森林蒸散发应采用Penman-Monteith公式模拟,其模拟结果显示,在非生长季节森林蒸散发低于非森林地面,而在森林生长季节的蒸散发比非林地要高,其变化差异在±25%之间。因此修正的Penman-Monteith公式是森林地区水量平衡计算的有效工具。     

Estimating cotton coefficients using multi-temporal remotely sensed images in Alar irrigated region,NW China

Irrigation is critical for oasis agriculture in Alar irrigated region, Northwestern China. The reference evapotranspiration (ET₀) estimation using a modified Penman-Monteith method recommended by FAO is a baseline for rational irrigation scheduling. Thus, crop coefficients (K_c) were estimated using a ratio between reference and observed evapotranspiration. Then, we analyzed the relationship between temporal crop coefficients (K_c) and synchronized normalized difference vegetation index (NDVI) derived from multi-temporal remotely sensed images. The results showed that reference evapotranspiration increased from spring to summer hereafter decreased gradually to winter with the peak of ET₀ ranging from 8 to 9 mm/day. A closely linear relation between NDVI and K_c of cotton was finally acquired with a coefficient of determination of 0.94. An acceptable accuracy of this model by comparing observed and simulated evapotranspiration illustrated the credibility of this model. This paper provides a scientific approach to estimate regional crop coefficient and evapotranspiration.     

黑河流域山前绿洲灌溉农田蒸散发模拟研究

基于Penman-Monteith蒸散公式, 应用土壤-植被-大气系统水分和能量传输理论对Shuttleworth-Wallace蒸散模型的参数进行改进, 得出解析计算农田作物蒸腾和土壤蒸发的双源模型. 对黑河流域山前绿洲农田春小麦生长期土壤蒸发、作物蒸腾以及总蒸散过程进行了模拟研究. 对模型的计算结果以田间观测和水量平衡方法进行验证, 误差目标NSE=0.98, 说明该模型用于农田蒸发和蒸腾的计算是合理的. 对影响蒸发和蒸腾的主导因子净辐射、叶面积指数、土壤含水量进行了相关性分析, 得出三者的变化对土壤蒸发、作物蒸腾的影响. 通过不同时期日蒸散发量变化特征的分析, 表明土壤、冠层两个界面对能量和水汽传输的交互影响效应显著.     

黑河中游地区湿草地蒸散量试验研究

干旱区湿草地蒸散量的估算对区域草地生态环境建设、草场的科学管理和湿地保护等具有重要的意义.但目前为止,对湿草地蒸散的观测和研究非常少.以气象观测资料为基础,采用不同的方法估算了黑河中游湿草地的参考作物蒸散量(ET₀),并对5种方法计算结果进行了对比.结果表明,除Priestley-Taylor法外,其余几种方法计算结果十分接近,相关性好.用FAO Penman-Monteith公式计算结果对ET₀的变化作了分析:在一个完整年度内,试验地ET₀为1193.9mm,日均3.26mm·d^-1.在牧草不同生长季节,ET₀变化剧烈,非生长期、生长初期、生长中期、生长末期分别为0.92mm·d^-1、2.13mm·d^-1、5.33mm.d^-1和2.52mm·d^-1,其蒸散量分别占全年蒸散总量的7.85%、5.02%、70.90%和16.23%.ET₀在2月中下旬迅速增大,4月增大幅度最大,此后进一步增大直到7月达到最大,随后逐步减小,在11月中旬随着牧草生长期的结束降至年最低值.确定了牧草非生长期、生长初期、生长中期、生长末期的K_c分别为0.30、0.40、0.90和0.88,计算的牧草地年实际蒸散量为962.0mm,日均2.63mm·d^-1.     

三度体重力矢量的有限单元法正演计算

以重力位在场源内部满足泊松方程为依据,以重力矢量满足第三类边界条件为切入点,推导了与三度体重力矢量满足的边值问题相对应的变分问题,进而利用有限单元法实现了对变分问题的求解.立方体模型试验结果表明:文中提出的新的系数矩阵存储方式较之传统方式能够更有效地节约存储空间,且为利用预条件共轭梯度技术更加快速地求解线性方程组提供了保障;重力矢量的计算精度与边界长度及单元网格的边长息息相关,其计算效率则主要取决于所要计算的节点总数和大型稀疏线性方程组求解算法的优劣;一般情况下,当单元的边长小于场源体边长的1/10、边界长度大于场源体长度的7.5倍时,能够获得理想的结果.     

基于能量平衡的蒸散发遥感反演模型研究

提出了基于能量平衡方法遥感反演蒸散发的计算模型。采用经验、半经验公式反演计算了模型中各参数。利用提出的净辐射折算系数、波文比,结合Sequin和Itier理论推导了日蒸散发量计算的经验模型,并考虑了温度对瞬时蒸散发量的的影响,提高了全天蒸散发量计算的精度。对于不同地区只要调整净辐射折算系数便可解决由蒸散发瞬时值求算全天值的困难。通过对黑龙江省进行数值试验,证明该模型具有很强的实用性,并且可为旱情监测系统运行提供依据。