三江平原毛苔草沼泽蒸散量模拟研究

提高湿地蒸散量估算精度对于研究湿地水分和能量平衡以及区域气候特征具有重要意义。利用Penman、FAO Penman-Monteith、Priestley-Taylor、Blaney-Criddle、Hargreaves、Mc-Cloud、Linacre和Makkink模型,模拟三江平原毛苔草(Carex lasiocarpa)沼泽蒸散量。结果表明,采用FAO推荐的作物系数时,各模型模拟蒸散量明显高于涡度相关系统测量值,平均高估92.8%。利用实测数据修正作物系数后,除Makkink模型外,其余模型的模拟精度都明显提高,其中,基于能量平衡的Penman、FAO Penman-Monteith和Priestley-Taylor模型的模拟结果明显优于基于温度的Blaney-Criddle、Hargreaves、Mc Cloud和Linacre模型。在基于能量平衡的蒸散模型中,Priestley-Taylor模型的模拟结果最接近实测值;在基于温度的蒸散模型中,Hargreaves模型的模拟结果最接近实测值。     

小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)群落蒸散发模拟

基于2016、2017年生长季原位气象监测数据,利用Shuttleworth-Wallace(S-W)模型模拟了科尔沁沙地主要固沙植物小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)群落的蒸散发,对蒸散组分进行了拆分,并利用涡度相关系统对模拟蒸散发值进行了验证。结果表明:2016、2017年生长季小叶锦鸡儿群落蒸散发量分别为345.4、325.2 mm,土壤蒸发量分别为93.8、83.8 mm,植被蒸腾量分别为251.6、241.4 mm,土壤蒸发占总蒸散发分别为27.2%、25.8%。30 min尺度上模拟值与实测值一致性较高,模拟精度大体表现为晴天阴天雨天。持续干旱和降水后,小叶锦鸡儿蒸腾耗水规律明显不同,持续干旱时期小叶锦鸡儿保持较低的蒸腾耗水,且具有明显的"午休"现象,连续降水后小叶锦鸡儿"午休"消失,蒸腾耗水增强。饱和水汽压差是影响小叶锦鸡儿蒸散发的主要因子。     

分布式水文模型结合遥感研究地表蒸散发

地表蒸散发是研究土壤-植被-大气系统水热平衡的关键因子。用改进的DHSVM分布式水文模型对汉江上游子午河流域蒸散发进行模拟。根据流域特点,主要进行TM遥感数据的大气校正和几何校正,在此基础上得到叶面积指数和土地覆盖等地表参数;再利用GIS技术基于DEM求出坡度、坡向和地形指数等因子。分析了蒸散发时空分布特征,表明日尺度蒸散发空间分布差异较大。初步验证了结果,表明模型在中国典型湿润区小流域取得较好效果。     

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。     

《亚洲中部干旱区蒸散发研究》出版

由中国科学院新疆生态与地理研究所陈曦研究员等编著的《亚洲中部干旱区蒸散发研究》一书由气象出版社于2012年2月出版。本书基于细致、深入的蒸散发理论研究,同化站点观测数据与多源遥感系列数据,从叶片、冠层、群落、流域和区域五个尺度提供了干旱区无资料和缺资料地区蒸散发计算参数方法,解决区域下垫面非均质性的蒸散发计算问题,通过地面涡度相关仪器观测资料分析,提出了瞬时蒸散发的日尺度扩展方法。全书共分为7个章节:亚洲中部干旱区的地理位置和     

DLM-FvCB模型光合能力关键参数季节性参数化方案及模拟效果评估

选取包含9种植被功能型的15个通量塔观测数据（60站点年）,采用控制变量法,分别在月尺度和年尺度上对25℃时最大羧化速率（V_cmax25）进行优化,并利用未参与参数反演的站点年数据集定量评估这2种参数化方案的模拟效果。研究发现：① 在参数的季节变异方面：9种植被功能型的V_cmax25均呈现明显的季节性波动。V_cmax25的波动幅度为：冬季>秋季>春季>夏季,不同植被类型季节变化幅度相差不大,而寒带植被V_cmax25季节变化幅度接近温带植被的2倍;② 对生态系统初级生产力（GPP）估算的影响方面：V_cmax25季节性参数化方案显著提高了GPP的模拟能力和模拟精度,其中森林和灌木冬季提升最显著（R²提高了35.7%,RMSE降低了23.24%）,春秋季次之,夏季最小。然而,对于C₃草地,DLM无论采取V_cmax25季节性参数化方案还是年尺度参数化方案,均为系统低估GPP。     

基于Shuttleworth-Wallace模型的小泊湖和沙柳河河源区湿地蒸散发模拟研究

陆面蒸散发是生态系统水收支和能量平衡的重要过程,量化蒸散发各组分,对揭示高寒湿地生态水文过程具有重要意义。利用2015年植物生长季的青海湖湿地的监测数据,运用Shuttleworth-Wallace模型,对地处青海湖湖滨的小泊湖湿地和北岸的沙柳河河源区湿地的蒸散发组分进行拆分和模拟。研究结果表明,模拟的蒸散发量与实测值的一致性指数达到0.91;经拆分,在日尺度上,小泊湖和沙柳河河源区湿地植被蒸腾量占蒸散发量的比例(ET_c/ET)平均值分别为16.4%和27.37%,植物生长季逐日ET_c/ET变化曲线呈单峰型,土壤蒸发量占蒸散发量的比例(ET_s/ET)变化趋势与ET_c/ET的变化趋势相反;在整个植物生长季内,小泊湖和沙柳河河源区湿地植被蒸腾量的模拟值分别为74.33 mm和68.84 mm,土壤蒸发量分别为329.43 mm和176.47 mm;表明土壤蒸发是湿地水分消耗的主要方式,其中,小泊湖湿地有明显的水分亏缺,沙柳河河源区湿地有少量水分盈余。     

基于SWAT-MODFLOW耦合模型的巴音河中游泽令沟盆地地表水−地下水转换关系研究

为准确刻画资料缺乏、地表水–地下水转换频繁的泽令沟盆地地表水?地下水不同时空尺度上的转换关系,利用河道径流数据、遥感蒸散发数据、地下水位观测数据等对SWAT-MODFLOW耦合模型进行率定和验证,在此基础上对泽令沟盆地水循环过程进行模拟分析。结果显示：① SWAT-MODFLOW耦合模型模拟效果较好,率定期和验证期月径流量的R²≥0.73,NSE≥0.67,PBIAS在?20%~20%。其各子流域实际蒸散发的R²均大于0.91,NSE均大于0.85,PBIAS在?10%~10%。此外,模拟地下水位与实测值误差在0.6 m以内,R²为0.94。② 地表水补给地下水的河道占整个河道长度90.31%,年平均补给量占年总交换水量的50.20%;季节尺度上,补给的最大值出现在7月,为331043.31 m³/d,最小值出现在12月份,为41208.33 m³/d。地下水对地表水的补给量较为稳定,季节性变幅在?2.5%~2.5%,年际变幅处于?6.5%~0.6%之间。     

新疆焉耆盆地农田耗水有效性评价

西北干旱地区受监测资料匮乏等因素,难以实现区域尺度的水资源消耗效用评价。使用MODIS遥感数据驱动混合双源梯形蒸散发模型（HTEM）,对焉耆盆地陆面蒸散发的时空过程进行了连续模拟,并对灌区耗水量进行有效性评价。结果表明：（1）2013—2020年焉耆盆地灌区多年平均蒸散发为624.4 mm,其中作物生育期4—10月蒸散发占全年的89.6%。（2）焉耆盆地灌区植被蒸腾与土壤蒸发多年平均分别为508.9 mm和115.5 mm,各占总蒸散发的81.5%和18.5%。（3）焉耆盆地灌区多年平均蒸散发耗水量13.82×108m3,其中高效、中效和低效耗水分别占总耗水量的81.5%、5.6%和12.9%,且耗水有效性与植被覆盖度密切相关。在区域尺度以时空连续的方式揭示了焉耆盆地灌区蒸散发水分消耗的有效性,可为干旱区水资源管控提供可靠的理论依据。     

SWH双源蒸散模型模拟效果验证及不确定性分析

SWH模型是在经典Shuttleworth-Wallace双源蒸散模型的基础上发展起来的蒸散模型。过去的研究结果表明在站点尺度上SWH模型表现出较高模拟精度,但有关模型对主要参数及驱动变量的敏感性以及模型模拟的不确定性来源等缺乏深入理解与认识。本文通过与51个陆地生态系统站点多年的蒸散观测数据对比,在季尺度、年尺度上验证了全国范围内SWH模型的模拟效果,并分析了关键参数和驱动变量对模型不确定性的贡献大小。结果表明：SWH模型在区域尺度上取得了较好的模拟效果,模拟蒸散与实测值R²均在0.75以上。模型各参数中,冠层导度估算涉及的两个参数对蒸散模拟不确定性影响较大;驱动数据中,归一化植被指数对蒸散模拟不确定性影响较大。尽管部分数据（如降水）因插补存在较大的误差,但总体上气候驱动数据对蒸散模拟的不确定性的贡献仍低于NDVI。     

参考作物蒸散量计算方法的比较研究

应用FAO Penman-Monteith公式、Priestley-Taylor公式、Makkink公式、Penman公式和FAO-24 Blaney-Criddle公式等5种方法计算了奈曼地区的参考作物蒸散量,对5种方法的计算结果进行了比较研究,结果表明Penman公式和FAO-24 Blaney-Criddle公式得到的参考作物蒸散量与FAO Penman-Monteith模型结果相近,Priestley-Taylor公式和Makkink公式的计算结果偏差较大,导致不同模型计算偏差的原因是5种模型各自选用了不同的辐射项和动力项计算式。     

华北山区短时段参考作物蒸散量的计算

短时段参考作物蒸散量的估算是研究华北山区小尺度范围内的水分循环和转化的重要环节.因受观测条件的限制,北方半湿润半干旱山区短时段参考作物蒸散量的研究相对较少.本文利用FAO Penman-Monteith公式、FAO Penman修正式和Priestley-Taylor公式对华北山区东台沟小流域观测到的4个月的气象数据进行了逐日的参考作物蒸散量计算,结果显示,FAO Penman修正式的计算值比FAO Penman-Monteith公式的计算值平均偏大16%左右,而且经过统计分析,它们具有很好的相关性,即在代表流域内使用FAO Penman修正式计算出参考作物蒸散量之后,再乘以一个折算系数(如0.84),即可得到与FAO Penman-Monteith公式的计算值较为相近的结果;而Priestley-Taylor公式的计算值与FAO Penman-Monteith公式的计算值相比,差异比较显著.分析其原因,我们认为是由于Priestley-Taylor公式没有考虑空气动力项对参考作物蒸散量的影响.因此,如果在华北山区使用Priestley-Taylor公式计算参考作物蒸散量,必须根据季节对公式中的常数项α重新进行修正.本文通过对2003年8月～2004年8月期间逐日计算得到的ET0(P-T)和ET0(P-M)值进行对比分析后,给出了修正后的不同季节的α值,为华北山区计算作物蒸散量提供了依据.     

黄河上游地区几种参考作物蒸散量计算方法的适用性比较

验证参考作物蒸散量模拟方法的适用性,对于加强水资源管理和指导生态建设具有重要理论意义和应用价值。根据黄河上游地区50 a来10个站点的逐日气象资料,以FAO推荐的Penman-Monteith（P-M）方法为标准,验证11种参考作物蒸散量计算方法在该区域的适用性。分别在月尺度和年尺度计算了各方法与P-M方法之间的相关性和均方根误差,结果表明：基于辐射的Priestley-Taylor和Makkink方法与P-M方法具有一致性,在黄河上游地区具有较好的应用前景;Priestley-Taylor方法更适宜于在月尺度上计算整个区域的参考作物蒸散量,而Makkink方法在高寒地区的生长季的适用性更强。基于温度的Thornthwaite、McCloud、Blaney-Criddle和Holdridge方法在黄河上游地区的适用性较差,低估了ET₀,主要原因是其无法反映研究区域气温低但辐射强的气候特征。     

绿洲-荒漠过渡带芨芨草地SPAC系统蒸散与多环境因子关系分析

利用波文比能量平衡法对天山北麓绿洲荒漠过渡带芨芨草地的夏季蒸散量进行测定,采用通径分析与相关分析相结合的方法探讨了蒸散与主要环境因子之间的关系,建立了适合该地区的蒸散预测模型。结果表明：（1）各种环境因子对蒸散影响的大小排序为：净辐射Rn）>土壤热通量（G）>空气温度（T_气）>空气相对湿度（RH）>5 cm土壤温度（T_{土-5 cm}）>实际水汽压（ea）>风速（V_wind）>5 cm土壤含水率（S_{土-5 cm}）;（2）各因子通过[Rn]对蒸散产生的间接作用都大于其自身直接作用,反映出净辐射是制约蒸散大小的主导因子,是决定干旱区蒸散量的关键;（3）土壤热通量对蒸散的直接负效应远小于通过其他因子的间接正效应,出现其直接负效应与综合效应相反的结果;（4）建立并经过检验的蒸散预测模型表明：与温暖湿润区蒸散依靠水、热并重情况不同的是,极端干旱区主要依靠热量因子强度的增加,才能有较大的蒸散量。     

额济纳绿洲生长季参考作物蒸散发敏感性分析

敏感性分析是预测气象变量扰动引起的参考作物蒸散发变化的重要途径。以额济纳绿洲为研究区,运用FAO56 Penman-Monteith模型计算了额济纳绿洲1988—2007年生长季参考作物的日平均蒸散发,并计算其对气温、风速、太阳辐射和相对湿度的敏感系数。结果表明,额济纳绿洲生长季参考作物日平均蒸散发的敏感性系数波动较大;其中,参考作物蒸散发对太阳辐射最为敏感,其次是气温,最后是风速和相对湿度。利用敏感性系数能较好的预测参考作物蒸散发对太阳辐射、气温、风速和相对湿度扰动产生的响应。     

区域尺度蒸散发遥感估算——反演与数据同化研究进展

遥感技术近年来在估算区域尺度蒸散发中应用广泛。不同方法在驱动数据、模型机理和适用范围往往存在很大差别。鉴于此,阐述了基于传统方法空间尺度扩展的遥感模型,经验统计公式,特征空间法,单源、双源垂向能量平衡余项法等几类的遥感蒸散发反演方法,简要介绍了三温模型、非参数化模型、半经验模型、集成模型等常用模型。同时,分析了遥感数据同化实现连续估算区域蒸散发的主要思路,综述了基于能量平衡和基于复杂过程模型的数据同化的原理、方法演进及常用同化算法等。最后,探讨了各类区域蒸散发遥感方法的优劣、展望了模型机理完善、不确定性研究、结果验证等与蒸散发直接反演和数据同化相关的研究方向。     

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。     

冠层表面阻力与环境因子关系模型及其在蒸散估算中的应用

建立了一个华北平原冬小麦群体冠层表面阻力与环境因子关系的模型。根据该地区冬小麦生态系统的一组波文比-能量平衡观测资料,用非线性最优化方法模拟冠层表面阻力与太阳辐射、气温、空气饱和差和土壤含水量等环境因子的关系,得到模型四个参数的拟合值。用另外两组观测资料验证该模型的预测能力。结果表明,该模型能较好地模拟表面阻力,拟合度分别为0.93和0.67.将该模型应用到Penman-Monteith蒸散公式,发现蒸散的模拟值与实测值的拟合度达0.9以上,相对偏差小于5%.通过比较发现,该模型对蒸散的预测精度高于空气动力学方法。     

科尔沁湿草甸参考作物蒸散发模拟分析

为探明气候变化下干旱半干旱地区湿草甸参考作物蒸散发(ET₀)影响因子,使用FAO 56 P-M模型对科尔沁湿草甸ET₀进行模拟,利用涡度相关系统对模型的适用性进行评价,并通过通径分析及指标敏感性分析对ET₀的影响因子进行辨识。结果表明:(1)小时尺度模拟精度最高,日尺度次之,月尺度较差,小时尺度上晴、阴、雨3种天气条件下模拟效果不同,晴天最优,阴雨天较差。(2)ET₀年内变化呈单峰曲线状,生长季明显高于非生长季,集中在3—10月,占全年89.79%。生长季典型晴天ET₀逐小时分布特征遵循倒“U”单峰型变化规律。(3)通径分析结果显示,对ET₀的通径系数以及对回归方程估测可靠程度E的总贡献均表现为VPD(饱和水汽压差) > T_min(最低气温) > R_n(冠层表面净辐射)>u₂(2 m高度风速),即VPD为影响ET₀最重要的因子;指标敏感性分析中,在去除VPD后引起的E变化最大,说明ET₀对VPD的变化最为敏感,其次为u₂、T_min和R_n。     

泾河流域上游景观尺度植被类型对水文过程的影响

选择具有土石山区的泾河流域上游为研究对象,应用生态水文模型SWIM对上游景观尺度下各植被类型水文效应进行了模拟,并针对上游土石山区和黄土区分海拔段进行了植被分布的水文格局影响分析。结果表明：泾河流域上游的森林、农田、草地各植被类型的蒸散及组分、径流深和土壤深层渗漏各水文过程具有显著差异,不同区域（土石山区和黄土区）的同一植被类型的各水文过程明显不同;同时,植被景观格局存在区域和海拔差异,这使得不同区域和海拔段的各水文过程有所不同。如在土石山区,以森林为主的海拔段2 250-2 922 m降水量和蒸散量均最大（分别为641 mm和484 mm）,以农田、草地和森林均有分布的海拔段1 750-2 250 m降水量较大（590 mm）,但蒸散量最低（仅为434 mm）;而在较为干旱的黄土区（降水量为514 mm）以农田和草地为主两个海拔段（1 026-1 350 m和1 350-1 750 m）的蒸散量较高（分别为458 mm和440 mm）。另外,从各水文过程要素与降水的比值看,两个区域之间差异比较明显,但同一区域不同海拔段间差异不明显。