基于能量平衡原理的潜在蒸散发模型构建

为深入探索气候变化背景下更为精确的潜在蒸散发计算方法, 在淮北平原五道沟水文水资源实验站开展了3组小型蒸渗仪试验, 通过结合平流运动动力项并引入地表净辐射修正参数, 基于能量平衡原理提出一种新的潜在蒸散发模型。结果表明: ① 3组蒸渗仪实测数据中, 2组不同加水方式下的草地覆被蒸散发相关性较好(R=0.95);②新的潜在蒸散发模型在有草地覆被的2组试验中模拟结果的纳什效率系数(E_NS=0.85)和均方根误差(E_RMS=0.83)均优于现有Penman系列等经验方法; ③模型更适用于有草地覆被条件下的蒸散发估算, 在淮北平原地区具有较强的适用性与优势。该模型能够提高区域潜在蒸散发模拟精度, 为流域水循环过程模拟及水资源利用提供科学参考。     

区域蒸散发遥感估算方法及验证综述

蒸散发是地表水热平衡的重要参量,也是农作物生长状况和产量的重要指标。与传统的蒸散发计算方法相比,遥感技术经济、适用、有效,在非均匀下垫面的区域蒸散发监测上具有明显的优越性。系统回顾了5种常用的区域蒸散发遥感估算方法,包括经验统计模型、与传统方法相结合的遥感模型、地表能量平衡模型、温度—植被指数特征空间模型以及陆面过程与数据同化等,分析了这些模型的最新研究进展及各自的优缺点,并对地表蒸散发的地面验证方法进行了概述。最后简要分析了区域蒸散发遥感估算存在的问题,并展望了其未来发展趋势。多源遥感数据协同反演与非遥感参数遥感化、蒸散发模型改进与多模型集成、陆面过程与遥感数据同化、遥感蒸散发估算及地面验证中的尺度问题与空间代表性问题研究等将会是未来区域蒸散发研究中的重点发展方向。     

基于水文模型的蒸散发数据同化实验研究

流域蒸散发定量估算一直是水科学领域的研究前沿,水文模型和遥感反演是当前估算区域蒸散发的常用手段。研究通过数据同化,集成水文模型和遥感模型的优势,耦合遥感蒸散发到水文模型中以实现多源数据下的蒸散发数据同化。选择北京市沙河流域为研究区,分布式时变增益水文模型作为模型算子,基于集合卡尔曼滤波同化算法,利用双层遥感模型模拟的蒸散发同化水文模型,并基于地面通量站观测的日蒸散发进行验证。结果表明,同化结果与观测数据相比平均绝对百分比误差较同化前减少,精度进一步提升,且当遥感观测输入频繁时精度改善明显。研究证明基于水文模型的蒸散发数据同化系统,是一种可实现输出精度更高和时序连续的区域蒸散发的新型模式。该成果将进一步丰富创新蒸散发估算的学科内容,为准确理解区域水循环规律提供科学依据。     

近40年来青藏高原典型高寒草原和湿地蒸散发变化的对比分析

青藏高原地表蒸散发是决定亚洲水塔水储量变化的关键要素.在快速升温背景下,长时间尺度的青藏高原地表蒸散发如何响应气候变化亟需深入探讨.以青藏高原两种典型高寒生态系统(草原和湿地)为研究对象,以野外观测和互补蒸散发模型为研究手段,利用常规气象资料驱动互补蒸散发模型,应用于青藏高原的典型资料稀缺地区,并就模拟结果进行验证评估,揭示了两种典型高寒生态系统近40年的蒸散发变化特征.结果 表明,校正参数后的非线性互补蒸散发模型可较为准确地模拟两种下垫面的蒸散发,亦即该模型在青藏高原资料稀缺区具有较好的应用潜力.1973-2013年,青藏高原典型高寒草原蒸散发呈不显著的增大趋势,而高寒湿地则以2.0 mm/a的速率显著增大.相关分析表明,高寒草原和湿地蒸散发的年际变化主要与水汽压(即空气湿度)有关.阶段性分析发现,1970s至1990s末期,两种生态系统蒸散发皆在波动中逐渐增大;而1997年以后,高寒草原和高寒湿地蒸散发的变化模式表现出明显差异:前者在波动中逐渐减小,后者则持续增大至2000s中期.造成这种差异的原因可归结为高寒湿地受冰川融水的影响,土壤含水量可维持在较高的水平,加之2000s高寒湿地的水汽压和日照时数增大,使得该时段内地表蒸散发仍呈增大之势,亦即上游的冰川融水对下游的湿地蒸散发有重要影响.结果 表明,空间距离较近的两种典型高寒生态系统,由于所受水源补给不同,局地蒸散发对气候变化的响应模式可能有较大差异.     

水分蒸散发研究国内外进展与趋势

蒸散发(evapotranspiration)是联系大气过程和陆面水文过程的关键环节,对区域/流域水循环过程和水量平衡具有重要影响。然而,随着全球气候变暖和人类活动的影响,近年来全球各地区(潜在)蒸散发及其对气象要素的响应发生了显著变化。如何精确测定和估算蒸散发已成为定量研究水循环响应全球气候变化的重要内容。本文从蒸散发理论方法的发展、国内外蒸散发的变化趋势及影响因素、蒸散发的时空变化及敏感性分析三个方面进行综述,总结了目前国内外蒸散发的主要估算模型。估算和测定蒸散发的主要方法有水文学法、微气象学法、植物生理学法、遥感方法和SPAC综合模拟法。本文综述了各种蒸散发估算、测定方法的适用性和优缺点,基于敏感性和趋势分析重点总结了蒸散发的变化趋势及影响因素。研究表明,全球范围内不同地区均出现"蒸发悖论"现象,潜在蒸散发或蒸发皿蒸发量呈减少趋势,日照时数和风速是影响蒸散发变化的主要因素。本文系统的对比分析可以为研究气候变化条件下的水循环过程及对水资源的影响、大气—土壤—植被系统的水文循环机理、农业管理等提供重要的科学依据。     

利用SEBAL和改进的SEBAL模型估算黑河中游戈壁、绿洲的蒸散发

蒸散发是干旱、半干旱地区内陆河流域水分消耗的主要途径, 利用遥感估算流域尺度上的蒸散发对内陆河流域水循环和水资源的合理利用具有重要的指导意义. 基于2012年开展的黑河流域生态-水文过程综合遥感观测联合试验(HiWATER)的观测资料和高分辨率的ASTER影像, 分别利用 SEBAL 模型和改进的SEBAL(M-SEBAL)模型估算黑河中游不同时期戈壁、绿洲等不同下垫面的蒸散发, 通过涡动观测数据对比分析了SEBAL模型和M-SEBAL模型估算戈壁、绿洲蒸散发的精度. 结果表明: SEBAL模型在绿洲低估感热通量, 高估潜热通量; 在戈壁高估感热通量, 低估潜热通量. M-SEBAL 模型充分考虑不同下垫面地表辐射温度与植被覆盖度之间的关系, 能很好地反映不同植被覆盖区域的湍流通量的异质性, 估算黑河中游戈壁、绿洲蒸散发的精度高于SEBAL模型.     

基于实测资料对日蒸散发估算模型的比较

利用设置于江西省南昌县的新型高精度自动蒸渗仪,于2007年9月1日至2008年8月31日的实测陆面实际蒸散发过程,检验了面蒸散发互补关系模型CRAE (Complementary Relationship Areal Evapotranspiration)、GG模型 (Granger-Gray)、平流-干旱模型AA (Advection-Aridity)3个逐日路面实际蒸散发模型在不同时间尺度上的计算精度,并对计算误差的影响因素进行了讨论.结果表明:该地区实测年蒸散发量为746.1 mm,采用各模型的推荐经验参数对该地区蒸散发的估算结果误差较大,普遍干旱条件下蒸散发的计算值比观测值偏小,而湿润条件下的计算值偏大.通过对各模型的经验参数进行调整,各模型对年蒸散发量的计算精度大为提高,但逐日蒸散发过程的计算精度改进效果有限,在7日的时间尺度上,计算结果显著优于逐日的计算结果,在此时间尺度下,AA模型仍存在一定的系统误差,CRAE模型的估算精度相对较差,GG模型的总体计算效果相对最好.根据与蒸渗仪观测结果的对比分析,根据区域特征进行参数调整后的模型,需要在7日及更长时间尺度上,蒸散发模型的估算结果较为可靠.上述研究对全面认识陆面实际蒸散发特征、理解各蒸散发模型在不同时间尺度上的模拟能力、正确认识气候变化条件下的水循环特征具有重要意义.     

黑河流域山区植被带草地蒸散发试验研究

利用Penman-Monteith(PM)、 ASCE-Penman-Monteith(ASCE-PM)和Priestley-Taylor(PT)公式以及两个小型蒸渗仪SW10与N6的实际观测,计算了黑河流域山区试验草地2002年夏季的蒸散发. PM与PT方法验证了其中的一个小型蒸渗仪SW10的蒸散量, 也能验证小型蒸渗仪N6的蒸散量. 研究表明, 这种小型蒸渗仪在测算内陆河山区草地蒸散量的适用性比较强. 热量平衡要素计算结果表明, 山区草地的热量主要消耗于蒸散发.     

基于SEBS模型和Landsat 8数据的黑河下游蒸散发时空特性分析

对黑河下游地区蒸散发量的估算及其时空特性的研究,有助于进一步了解流域水循环,合理利用水资源,防止生态环境进一步恶化。利用SEBS模型估算了黑河下游额济纳绿洲2014年15天的日蒸散量,将SEBS估算的日蒸散与不同下垫面5个站点的EC实测值进行对比,其均方根误差和确定性系数分别为1.2 mm、0.85（5个站点）,0.5 mm、0.96（2个站点）,表明SEBS模型的结果是合理的,可以适用于黑河下游额济纳绿洲地区的地表蒸散量的估算。同时分析了黑河下游蒸散发的时空变化规律,结果表明,黑河下游额济纳绿洲地区,蒸散发在时间上存在明显的季节变化规律：夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季;空间上呈现明显的沿河分布的趋势。不同土地覆被类型蒸散发有相似的季节变化特征,但其季节变化幅度并不相同,规律为：水体 > 耕地 > 灌丛地 > 草地 > 裸土地 > 沙地。     

用卫星遥感热红外数据估算大面积蒸散量

从能量平衡方程出发,将试验场实测地表热红外温度及各项气象要素,用冠、气温度差方法,求得局部地区的蒸散量;进而与卫星热红外温度数据相配合,估算大面积作物的蒸散发和蒸散量分布。经验证,该方法的研究结果与实测值有较好的相似性.     

干旱地区内陆河流域水文问题的研究实践与展望

过去，干旱地区内陆河流域水文研究主要偏重于山区水文，注重山区来水及径流分析，而很少涉及灌区问题和生态问题，对绿洲水文和荒漠水文的研究十分缺乏。以新疆为例，通过对干旱地区河流的基本特征和水文机理的分析研究，从径流形成、水资源开发利用、生态环境保护三位一体，即从全流域水文循环的角度出发，提出了以山区水文、绿洲水文、荒漠生态水文为三大构成要素的干旱地区内陆河流域水文系统的新概念，并基于干旱地区内陆河流域水文问题的研究实践，提出了各自领域的研究内容和方向，进一步拓宽了水文问题的研究领域，对水文学科的研究与发展提出了新的思路，注入了新的内容。     

The characteristics of water resources and the changes of the hydrological process and environment in the arid zone of northwest China

 Water resources in the arid zones of northwest China mainly come from mountain areas and then flow to and disappear in the piedmont plains. These water resources, with inland river basins as the geographic unit, form relatively independent ecosystems and the surface runoff flowing out of the mountain mouth becomes the only water source available for the middle and lower reaches of these basins. Both the ecosystem stability and sustainable development depend on the surface water and groundwater resources of these inland river basins. Over the last 50 years, exploitation of water and land resources in the arid northwest regions of China has been expanding, forming 390.07×10⁴ ha of irrigation oases, with construction of 622 reservoirs of different sizes with a total storage capacity of 65.5×10⁸ m³ ensuring the sustainable development of industrial and agricultural production. In the meantime it has also caused a series of environmental changes. Discharge of the majority of rivers has been drastically reduced (even dried up), river courses have been shortened, and terminal lakes contracted or dried up. Land desertification and soil salinization has developed rapidly. Vegetation is degrading and biodiversity is decreasing, as compared with the early 1950s; the natural grassland area is decreasing by 16–75.4%. Economical and high-effective use of water resources and harmonization of eco-environment benefits with economic benefits are the fundamental ways to achieve sustainable development of arid northwest China. Received: 20 January 1999 · Accepted: 4 May 1999     

黑河流域典型景观植被带陆面过程同步观测研究

为了解内陆河流域不同尺度内与水循环及生态过程有关的水分、热量分布规律,在黑河流域上中下游选取3个典型植被景观带建立观测场,并布设环境观测系统(ENVIS)进行环境要素的同步观测.结果表明,山区森林草地灌丛复合生态区陆面是冷性湿润的下垫面,中游绿洲荒漠接触带是干性、较湿润的下垫面,下游荒漠河岸林景观带是干热性的下垫面.     

黑河中游盆地南部山区地下水对平原区侧向径流补给量的估算

山区地下水对平原区的侧向径流补给量是一个长期争议且悬而未决的难题,这个量在西北内陆干旱盆地,被估算得或很小或很大。在总结前人研究的基础上,采用地质水文地质调查、物探、钻探、抽水试验、地下水动态观测、水化学测试、盆地地下水水位统测和综合研究等技术方法,查明了黑河中游盆地南部山盆交接带的地质构造接触关系、地层岩性接触关系及梨园河口白垩系风化壳含水层结构和水文地质参数。通过山区不同流域等级的地表水与地下水转化关系分析,将山区地下水对平原区侧向径流补给带划分为大中型河流河谷补给段和小微型河流或冲沟群流域构成的浅山带补给段。河谷补给段勘探资料较为丰富,多用达西断面流方法计算;针对浅山带补给段极为缺乏勘探资料的实际,以梨园河口断面径流量为参照,构建了浅山带岩性、汇水区面积、降水量等3 个变量的山区地下水对平原区侧向径流补给量的估算方法。估算出黑河中游盆地南部山区浅山带地下水对平原的侧向径流补给量为0.40×108 m3/a,河谷段基岩侧向补给量为0.07×108 m3/a;推算出河谷段第四系地下水补给量为0.30×108 m3/a;3 项补给量之和为0.77×108 m3/a,占盆地地下水资源量的3.0%。该研究为西北内陆干旱盆地山区地下水对平原区侧向径流补给量的估算提供了一个可供借鉴的实例。     

四个概念性水文模型在黑河流域上游的应用与比较分析

首先结合新安江模型、TopModel、HBV模型和Sacramento模型机理,从模型结构的土层划分、土壤水分计算、蒸散发计算、产流区不均匀性的考虑、产流机制、下渗机制等多个方面进行了理论上的比较,然后选择黑河流域上游为研究区,结合模拟结果对这四个概念性水文模型在黑河上游山区流域应用情况,从土壤水分、蒸散发、径流过程和各径流组分四个方面进行了分析比较。结果显示,概念性水文模型对黑河干流上游山区径流模拟有较好的模拟效果,但是对土壤水分、蒸散发等水文过程只能描述其变化趋势,难以定量,同时,我们还可以得出在所用四个模型中,HBV模型在黑河干流上游山区出山口的径流拟合中有和其他3个模型相当的Nash-Sutcliffe效率系数,并且在枯水期的表现也好,适用性最好。     

概念性水文模型在出山径流预报中的应用

根据HBV水文模型的基本原理，建立了西北干旱区内陆河出山径流概念性水文模型。该模型反映了我国西部山区流域的径流形成特征，将山区流域划分为高山冰雪冻土带和山区植被带两个基本海拔景观带来对山区径流的形成和汇流过程进行模拟计算，以常规气象站的月气温和降水量为模型的初始输入，模拟计算月出山径流量。应用该模型对河西走廊黑河祁连山北坡的山区流域水量平衡进行了模拟计算，并对年径流和逐月分配进行了预报。结果表明，从枯水年到丰水年，降水量、蒸发量、径流量和径流系数均增加，而冰川融水和积雪融水对出山径流的补给比重则减少，这表明了冰雪融水对径流的具有调节作用。黑河山区流域径流系数远比干旱内流区的平均值大，但要小于全国的平均径流系数。所提出的内陆河山区流域出山径流的模拟和预报模型对年径流量和月分配的预报具有较好的精度，可用于黑河以及其他西北干旱区内陆河出山径流的预报，为内陆河流域中下游的水资源分配和开发利用提供依据。     

内陆河流域山区水文与生态研究

以河西走廊黑河干流山区流域为例,从山区水文循环、水文与生态系统以及径流形成和预测等方面讨论山区流域水文和生态相互作用研究的有关问题。山区降水的空间和时间分布规律和固态、液态降水组成变化主要受制于海拔和地形的影响,而不同海拔和地形条件下的下垫面不同土地覆被和复杂的空间异质性则主要影响蒸散发量。对内陆河山区流域的水文小循环的研究,有助于进一步研究和认识内陆河流域上、中、下游水文和生态系统的相互联系问题。至今,对山区水文过程与生态系统的相互作用问题的研究还非常薄弱,需要研究山区森林草地生态系统在山区水文循环中的作用以及在维持和保护山区生态和环境中的作用和意义。内陆河流域山区水文过程复杂而综合性强,须加强对山区径流形成机理的多学科交叉研究,不断改善出山径流对气候变化和人类活动响应过程的模拟和预测水平。     

中国冰冻圈水文未来变化及其对干旱区水安全的影响

受气候变暖持续影响, 中国冰冻圈水文过程正在发生着显著变化。在梳理已有过去冰冻圈融水变化基础上, 重点分析了冰冻圈融水径流未来变化特点, 尤其是对冰川融水拐点及温升2 ℃阈值情况下, 到2050年和21世纪末, 冰川融水的可能变化进行了辨析, 进而研判了冰冻圈水文变化对流域、 重点是干旱区内陆河流域水安全的影响。研究表明, 中国未来大部分流域冰川融水径流总体呈现减少趋势, 并呈现冰川径流持续减少、 在不久的将来出现峰值和持续增加三种情况; 单条冰川融水可能会出现拐点, 而且拐点是否出现和出现的时间与升温速率和冰川面积大小有关; 在流域尺度上, 冰川覆盖率较大、 大型冰川面积占比较高的流域, 到2050年融水径流持续稳定增加; 冰川规模较小的流域, 冰川径流峰值早已出现; 介于上述两种情况之间的大多数流域, 冰川融水峰值在2020 - 2030年相继出现或变化呈现不显著增加或减少, 相对稳定; RCP情景温升2 ℃阈值下, 到21世纪末, 西北干旱区冰川融水量减少34% ~ 74%。冰冻圈水文变化导致水源涵养能力下降、 径流补给量减少、 对水资源的调节作用减弱、 流域径流变化幅度增加、 发生旱涝的风险增加、 春汛提前进而影响用水制度。     

The ecological features and significance of hydrology within arid inland river basins of China

 Hydrology and ecology are two important factors affecting the rational utilization of limited water resources within the arid inland basins of China. They depend on, are influenced by, and interact with each other. But, the functions and significance of the hydrological ecology vary from upper through intermediate to lower reaches. Abundant rainfall and large runoff in the upper regions favor the vegetation growth, and the bushy vegetation helps conserve water resources. The large-scale reclamation in the intermediate regions leads to many sustainable oases, but with severely changed hydrological conditions and destroyed ecological systems. Human activities result in the degradation of the vegetation and declination of the ecological system at the intermediate and lower regions. It is necessary to establish study approaches to ecological hydrology in arid inland river basins. Received: 30 October 1997 · Accepted: 26 May 1998