基于地表水循环遥感观测的黑河流域水平衡分析

流域内水循环各环节的水量及其时空分布是不断变化的,掌握流域水循环与水平衡状况是进行流域水资源合理开发利用的重要基础。以2000—2019年黑河流域水文显著变化期为研究时段,综合应用TRMM与GPM卫星观测的降水量、遥感估算的蒸散发量等数据并结合气象站点、水文站点等观测数据,对流域降水、蒸散发与径流等水循环要素的水平衡进行了分析。结果表明:祁连山区是主要产流区,向中游年均下泄水量约为45.11×108 m3。其中,消耗于中游的年均量约为29.92×108 m3,约占66%;补充下游的年均量约为15.19×108 m3,约占34%。民乐—张掖盆地是黑河中游水资源消耗的主要区域,年均消耗的上游来水和当地降水量达43.97×108 m3,约占中游消耗量的75%;中游农田蒸散发年均消耗水量约20.3×108 m3,占总消耗量的35%;上游区降水量增加是黑河干流出山口径流量增加的主因,对径流量增加的贡献率为96%,导致年均径流增加0.35×108 m3,潜在蒸散发对径流增加几乎没有贡献。根据目前黑河干流上游径流量变化与中游水资源消耗现状,如果未来水文周期变化导致上游径流减少,中下游用水矛盾凸显的风险较大。地表水循环遥感观测可作为流域水平衡分析的方法之一,分析流域地表水水资源的空间分布状况、揭示水资源变化趋势与原因,支撑水资源合理配置,陆面实际蒸散发是水平衡分析不确定性的主要来源,准确估测不同类型下垫面实际蒸散发量是提升分析可靠性的关键。基于互补相关的陆面实际蒸散发估算方法相对简单,但其中用于计算湿环境蒸散发量的Priestley-Taylor公式中乘性经验系数受地形影响空间变异很大,区域上采用统一数值会对结果造成不可忽视的影响。     

寒旱区草地不对称增温现象对蒸散发的影响分析

选取1981—2020年海拉尔河流域及周边地区气象站点观测资料, 结合水文数据, 利用适用于植被稀疏下垫面的BTOP(Block-wise use of TOPMODEL)分布式水文模型估算区域蒸散发量, 进而在不对称增温现象影响下, 分析其对蒸散发的影响特征。结果表明: ①流域内1981—2020年不对称增温现象显著, 主要表现为因夜间温度升幅较大为主的昼夜不对称增温及地表温度升幅较大为主的地气不对称增温; ②影响蒸散发的主要气象因子依次为相对湿度、风速、地气温差、地表温度和昼夜温差, 且相对湿度、昼夜温差及地气温差与蒸散发量变化趋势相反, 其中相对湿度及风速影响强度年际变化平稳, 温度因子影响强度则逐年增强; ③不对称增温对于流域蒸散发量的影响逐年增强, 地表增温速率的增强是造成地气不对称增温的主要原因, 在此影响下, 区域蒸散发呈现减小趋势, 故在探究蒸散发量变化原因时, 温差变化不可忽视。     

Budyko假设对松花江流域实际蒸散发的模拟研究

基于Budyko假设,考虑土壤水蓄变量因子,改进流域水热耦合平衡方程,验证了Budyko假设在松花江流域的适应性,分析了松花江流域实际蒸散发(ET_a)的时空变化特征及其驱动机制。主要结论如下:(1)以1995～2006年作为模型参数率定期,2007～2012年作为模型检验期,用P-ΔS代表陆面蒸散发的水分供应条件,结果表明,增加土壤水蓄变量因子,提高了模型对实际蒸散发的模拟精度。(2)在α=0.1的显著性水平下,1995～2012年各汇水区ET_a均没有趋势性变化;ET_a在空间上由西向东逐渐增加,存在明显的地带性。(3)降水对ET_a的贡献量空间变化与潜在蒸散发、降水、土壤水蓄变量对ET_a总贡献量空间变化一致,表明松花江流域的水分条件是影响实际蒸散发的主导因素。     

典型岩溶区潜在蒸散发变化及其影响因素

蒸散发过程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。岩溶区,地表生态环境脆弱,对气候变化响应敏感,蒸散发可能是联系大气、水、热交换和碳循环的关键生态水文过程。准确地估算蒸散发对于深入研究岩溶水循环响应气候变化、碳循环、生态修复等具有重要作用。本文选择典型岩溶区桂林市为研究对象,基于1951~2015年桂林市气象站逐日气象数据,采用Penman- Monterith方法计算了潜在蒸散发量,利用Mann- Kendall非参数检验法和相关性分析研究桂林市潜在蒸散发的变化趋势及其影响因素。研究结果表明,桂林市潜在蒸散发具有明显的年、年际和季节尺度变化特征。1951~2015年桂林市潜在蒸散发呈显著的减小趋势,变化速率为-8. 02 mm/10a;夏季、秋季和冬季潜在蒸散发呈下降趋势,而春季呈微弱的上升趋势;夏季潜在蒸散发的显著减小是影响年蒸散发下降的主要原因;桂林市潜在蒸散发在1967和2003年左右发生突变;通过Mann- Kendall趋势检验和相关性分析得出,桂林市平均气温、最高、最低气温呈显著的上升趋势,而风速、相对湿度、日照时数呈显著的下降趋势;日照时数是影响桂林市潜在蒸散发变化的主要因素,其次是风速。     

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.     

基于CAS-ESM2的青藏高原蒸散发的模拟与预估

利用GLEAM V3.3a实际蒸散发资料,评估了中国科学院地球系统模式(CAS-ESM2)对青藏高原蒸散发的模拟性能,并给出了模式对未来气候变化情景下高原蒸散发变化的预估.结果 表明:CAS-ESM2可以较好地模拟出青藏高原蒸散发的空间分布与季节循环特征,以及1981-2014年蒸散发的增加趋势,但趋势的幅值相对观测偏弱.未来预估试验结果显示,4种不同未来共享社会经济路径(SSPs)情景下青藏高原蒸散发均普遍增加,其中SSP585情景下的增加最为显著,且喜马拉雅山脉地区蒸散发的增加量值最大.相较于1995-2014年历史时期,年均蒸散发在2041-2060年增加46.3～65.8 mm,增幅为13.4％～19.0％;2081-2100年,年均蒸散发增加75.7～151.1 mm,增幅为21.7％～43.6％.影响蒸散发未来变化的因素具有区域性差异,高原中部和南部受气温变化影响更大,而柴达木盆地、羌塘高原中部受降水变化影响更大.     

Budyko框架下黄河流域蒸散发时空变化影响因素研究

蒸散发是水循环过程中的重要环节,研究蒸散发时空变化影响因素,有利于认识区域水资源的时空分异规律。黄河流域地处干旱半干旱地区,水资源短缺且时空分布不均,水问题突出。在黄河流域分析蒸散发对变化环境的响应,揭示气候变化、植被季节性和物候变化的水文水资源效应,对地区水资源可持续发展和规划管理等具有重要的理论意义和现实意义。基于多元自适应回归样条(MARS)非参数模型,采用黄河流域内30个子流域的全球监测与模型研究组(GIMMS)制作的第三代归一化植被指数(NDVI_3g)数据集、气象数据、土壤数据、土地利用/覆盖数据以及地形地貌数据,在Budyko框架下分析了水热耦合控制参数■与环境变量因子的关联性,探讨了变化环境对流域蒸散发的影响机制。结果表明：(1)流域水平衡关系的空间变异与流域水热耦合季节性、地形地貌空间变异性、降水的季节性特征(平均暴雨深度和降水变异系数)显著相关。(2)年际尺度上：流域水热的不同步性是影响流域水平衡年际分异最重要的气候季节性指数,水热的不同步性增大,流域的蒸散比减小,产流增加;降水越集中、年内变异程度越高、降水的季节性越明显,流域蒸散比越小;植被的...     

基于多源卫星观测的中国土壤湿度时空特征分析

为了揭示中国表层土壤湿度的时空分布特征及主要影响因子,通过SMAP、SMOS、AMSR2、FY3B和FY3C 5个卫星平台的遥感信息,采用集合平均法合成了2015-2016年中国25 km、逐日表层土壤湿度信息,通过比较5套产品之间的差异来分析卫星产品的不确定性,分析了中国土壤湿度的空间和季节分布特征以及同降雨量和蒸散发量的关联。结果表明:中国表层土壤湿度呈较明显带状分布,与干湿气候带的分布基本一致,总体由西北向东南和东北增加;土壤湿度在大部分地区呈现明显季节变化,主要表现为夏高冬低,不同地区的季节变化特征有所不同;中国60%以上地区,土壤湿度受同步和前期降雨量的强控制影响;中国87.5%的地区土壤湿度和蒸散发呈显著正相关和强依存关系。     

金沙江流域实际蒸散发遥感重建及时空特征分析

通过构建基于重力卫星的实际蒸散发重建方法来获取高精度的实际蒸散发信息,为研究气候变化下的水循环规律提供关键信息。利用GLDAS陆面模式同化数据对GRACE重力卫星水储量观测数据进行空间降尺度,通过水量平衡法,重建了金沙江流域2002-2016年的子流域尺度实际蒸散发月序列。结果表明:①基于重力卫星观测与水量平衡方法重建的实际蒸散发（ET_Recon）与ET_PLSH、ET_Jung和ET_MODIS3种遥感反演产品相比有较高的可靠性,其中与ET_PLSH的相关性最高（r=0.82）,与ET_Jung的平均差和均方根差最小。②研究区年均实际蒸散发为410.8 mm/a,空间分布上由西北向东南递增,年际变化上呈增加趋势。③季节尺度上,实际蒸散发夏季最高,呈逐年增加趋势;冬季最低,波动较平稳。     

青藏高原多年冻土退化对蒸散发的影响

青藏高原作为“亚洲水塔”对气候变化极为敏感,研究气候变化下青藏高原多年冻土退化对蒸散发的影响有助于理解多年冻土地区水文过程对气候变化的响应情况。基于Budyko-Fu假设,构建了考虑多年冻土活动层厚度变化的水热耦合模型,建立了符合青藏高原多年冻土区的模型参数化方案,通过设置情景假设探讨了多年冻土退化对蒸散发的影响。模拟结果表明:1982—2018年青藏高原多年冻土区平均年蒸散发为275.6 mm,空间分布由东南向西北递减;研究区年蒸散发整体上以3.57 mm/a的速率上升。多年冻土活动层加深会引起蒸散发的增大,忽略冻土退化因素将导致约2.2%的蒸散发低估。冻土退化对蒸散发的影响呈现显著的空间异质性,土壤有效含水量和植被覆盖度越低的地区,蒸散发对冻土退化的响应越敏感。     

变化环境下渭河流域水资源演变规律分析

渭河是黄河最大的支流,它是黄河中下游主要洪水来源区之一,也是黄河主要的产沙区之一.伴随气候变化、人类对水资源的开发利用活动加剧、大规模水土保持工程建设以及其他人类活动影响,渭河流域水资源的演变规律发生很大的变化.本文基于水资源二元演化模型研究了渭河流域的水资源演变规律,分析的水资源演变规律不仅包括狭义水资源,还包括广义水资源.本文所指的狭义水资源就是传统的水资源,即地表、地下水资源;广义水资源不仅包括狭义水资源,还包括直接为人类和生态系统所利用的降水.对1956～2000年渭河流域水资源演变过程进行了模拟,模拟结果表明,主要受降水减少和人类活动影响,1980～2000年地表水资源比1956～1979年衰减了7.3%,不重复地下水资源增加了20.2%,狭义水资源量减少了2.1%,直接为人类和生态系统所利用的降水减少了1.9%,广义水资源减少2.0%.考虑社会经济用水变化和土地利用变化,本文还预测了2020年水资源的演变趋势.经预测,2020年地表水资源量为81.6亿m3,比2000年少3.20亿m3;不重复地下水资源量为24.62亿m3,比2000年少0.28亿m3;狭义水资源总量为106.21亿m3,比2000年少3.48亿m3;直接为人类和生态系统所利用的降水为487.16亿m3,比2000年多3.05亿m3;广义水资源量为593.37亿m3,比2000年少0.43亿m3.     

基于MOD16的银川平原地表蒸散量时空特征及影响因素分析

地表蒸散发是陆地水文循环的重要组成部分,分析蒸散量时空变化特征是深入了解干旱区水文过程的基础。由于银川平原缺乏区域尺度实际蒸散量的长期观测,很难得到长时间序列蒸散量的时空变化特征。基于MOD16A3地表蒸散量数据及研究区内气象站点实测数据,采用Theil Sen Median趋势度分析、MK突变检验及CA-Markov模型等方法,从时间与空间的角度分析2004—2019年银川平原地表蒸散量的变化特征及影响因素,预测2024年地表蒸散量的发展趋势。研究结果表明:2004—2019年银川平原蒸散量年际波动总体是增加趋势,MK突变检验结果显示2010年是蒸散量时序数据的突变点;银川平原实际蒸散量与潜在蒸散量空间分布格局、变化趋势均存在明显的差异性,蒸散量在近16年呈增加趋势,潜在蒸散量呈减少趋势,符合干旱区蒸散发互补相关理论。采用CA-Markov模型对2024年银川平原地表蒸散量未来发展趋势进行预测,模拟结果显示在未来5年银川平原蒸散量仍呈增加趋势;蒸散量的时空变化受气候与人类活动的共同影响,蒸散量与气温、降水、日照时数呈正相关,与相对湿度呈负相关,土地利用结构影响年蒸散量的空间格局,呈现出水田>旱田>林地>草地>荒漠的规律。     

基于MOD16产品的淮河流域实际蒸散发时空分布

蒸散发是陆面过程中的重要环节,联系着陆面水循环和地表能量平衡.淮河流域地处中国南北气候过渡带,对淮河流域实际蒸散量时空变化的研究,有助于深入理解中国气候过渡带水循环对全球气候变化的响应.应用遥感技术对淮河流域MOD16_ET数据进行精度验证,并分析2000-2014年淮河流域蒸散发时空分布特征.结果表明:MOD16_ET产品在淮河流域内的精度总体上符合要求;淮河流域多年平均蒸散发的空间分布整体上呈南高北低,季节蒸散量的空间分布与年蒸散量的空间分布大体一致;近15 a淮河流域平均的实际蒸散量变化范围为531.7~634.0 mm,且存在不显著的下降趋势,实际蒸散量的季节变化大致呈单峰型分布,且季节变化较为明显,夏季(257.2 mm) >春季(143.7 mm) >秋季(120.7 mm) >冬季(66.6 mm);淮河流域西北部,夏、秋、冬三季的季节蒸散量变化速率对年蒸散量变化速率的贡献较大;淮河流域东部,春季的蒸散量变化速率占年蒸散量变化速率的比重较大.研究结果对于淮河流域内水资源短缺问题的解决、有限水资源的合理利用以及旱涝灾害的监测和预警有着重要的意义.     

科尔沁沙地典型区生长季蒸散发估算及其变化特征

为揭示科尔沁沙地典型区地表参数和蒸散发的时空分布以及变化特征,采用Landsat-7和气象数据,并结合METRIC(Mapping Evapotranspiration at high Resolution with Internalized Calibration)模型,分析了研究区净辐射(Rn)和蒸散发(ET)的时空变化、不同土地覆被类型ET特征及其影响因素。结果表明:(1)研究区典型土地覆被沙丘和草甸的Rn和ET估算值与涡度相关实测值拟合结果均良好,说明METRIC模型可以为研究区提供合理的ET估算;(2)研究区下垫面Rn和ET的时空分布情况为:各年Rn和ET在年内变化趋势相同,空间上不同土地覆被类型中水体的Rn和ET最大,农田和草甸次之,沙丘最小;(3)沙丘的CV值大于农田与草甸,表明年际间沙丘的ET波动较大,农田和草甸相对稳定,ET年际变化主要受气象因素的影响。     

长江源区高寒退化湿地地表蒸散特征研究

青藏高原作为“亚洲水塔”,对东亚乃至全球大气水分循环都有非常显著的影响.高寒退化湿地是高原上生态多样性的保证,也是水汽循环和地表径流的重要源地,其地气之间水分交换不但可以反映气候变化,而且也对生态环境保护具有重要意义.以长江源区隆宝滩湿地连续一年、每10分钟一次的观测资料为基础,利用FAO Penman-Monteith方法分析了长江源区高寒退化湿地蒸散量的变化特征及其与环境因子之间的关系.结果表明：1）牧草生长期,潜在蒸散量日、月变化特征显著;实际蒸散量整体表现为冬小、夏大,夏季蒸散贡献最大.2）观测期间,蒸散量远大于降水量,水分亏损严重,局地蒸散对降水的贡献较高.3）土壤温度对蒸散发过程影响显著,尤其是表层5 cm地温与蒸散发相关性较好,土壤湿度变化表明其为蒸散发过程提供了充足的水分.4）全年变化中,气温是影响蒸散的主要因素.晴天中,高寒退化湿地实际蒸散量与辐射具有几乎相同的变化趋势,气温对蒸散量影响较小,蒸散量与相对湿度呈现显著的反相关.     

鄂尔多斯盆地海流兔河流域地表蒸散发研究

基于陆地表面能量平衡系统对鄂尔多斯盆地北部海流兔河流域2012年蒸发量进行了反演,对蒸散发量的空间分布进行了分析并讨论了地下水位埋深对蒸发量的影响。结果表明:在枯水期海流兔河流域地表蒸散发的主要影响因素是地表土壤的含水率程度,而在丰水期的主要影响因素是植被覆盖状况和地表土壤的湿润程度;根据计算,海流兔河流域2012年总蒸散发量约为8.76×108 m3。     

1956—2010年中国水热季节性特征分析

流域水文平衡不仅决定于降水和潜在蒸散发总量,而且还受到其年内季节性变化特征的影响。收集1956—2010年中国743个国家级气象站逐日气候资料,采用FAO-Penman公式计算潜在蒸散发量,插值计算10 km网格日降水和潜在蒸发,进行水热季节性特征的变化分析。结果表明,82.8%的区域潜在蒸散发量均值有下降趋势,但减少量不大,同时其年内季节性特征没有显著变化。表征降水年内波动振幅的季节性指数在全国范围均有显著下降趋势,且北方流域更为明显,变化率最大的西北诸河达到6.4%/10 a;峰值时间和雨季长度则变化不显著。这种水热季节性的变化被认为会导致流域径流的减少,在今后中国径流变化的归因研究中,应该考虑降水季节性变化的贡献。     

玛纳斯河流域山前平原区蒸散发时空异质性分析

玛纳斯河流域气候干燥、蒸发强烈,准确估算蒸散发量对地下水资源评价及生态环境保护具有重要指导意义。以往蒸散发研究空间分辨率较低,已不能满足各水文地质分区景观格局演变引起的蒸散发细部变化研究,针对以往不足,文章基于SEBAL模型利用Landsat系列影像估算了近30年来玛纳斯河流域山前平原区蒸散发,并进一步探讨不同水文地质分区蒸散发时空分布特征及影响因素。结果表明,蒸散量空间分布按照水文地质分区呈现明显带状性,各水文地质分区日蒸散总量表现为戈壁带<荒漠带<绿洲带,时间尺度上全区蒸散总量呈上升趋势,且增大幅度逐渐变缓,各分区呈现绿洲带蒸散总量递增、戈壁带及荒漠带蒸散总量先减小后增大,各分区蒸散总量变化趋势是由各分区主地物类型蒸散量变化控制;通过对影响因素的分析可知日蒸散发量随气温的升高而升高,各地物日均蒸散发量与全区平均气温变化趋势一致;归一化植被指数与日蒸散发量在戈壁带与绿洲带呈现较好的正相关关系;地下水位埋深与日蒸散发量在绿洲带呈负相关,当地下水位埋深大于5. 5 m时,日蒸散发量趋于稳定。     

近50年来青藏高原及其周边地区潜在蒸散发变化特征及其突变检验

利用FAO Penman-Monteith方程和青藏高原及周边地区274个气象站逐日常规观测资料,结合中国生态地理分区方案,对1970—2017年高原及周边地区潜在蒸散发的空间格局及突变特征进行分析。结果表明:①除夏季和冬季外,研究区多年平均年和季节潜在蒸散发都呈现南北高、中部低的空间分布;月潜在蒸散发最大值和最小值发生时间表现出南早北晚的纬向差异。②研究区潜在蒸散发均值和趋势突变显著,但突变时间在区域间以及年和不同季节间均存在较大差异。其中,均值突变以正向突变为主,高原突变时间春季最早、冬季最晚;趋势突变主要表现为先降后升,高原年、春季、秋季和冬季潜在蒸散发的趋势转折时间由东北向西南推迟,至西南地区分别推迟约20、10、20和5年。比较而言,高原总体潜在蒸散发趋势转折时间较其周边地区滞后,年和四季分别推迟约5、1、12、5和4年。③显著的蒸发悖论只离散地存在于研究区内,主要发生在趋势转折(2007年)之前。研究结果可为进一步认识全球变暖背景下青藏高原及周边地区气候变化和生态水文过程提供科学依据。     

黄土高原北部土地利用变化对长期土壤水分平衡影响模拟

为探明土地利用变化对黄土高原长期土壤水分平衡的影响,利用校验的Hydrus-1D模型模拟黄土高原北部神木六道沟小流域1981—2050年农耕地—苜蓿草地—天然草地情景下0~4 m土壤水分变化过程,量化土壤储水量、深层渗漏和蒸散发等水文变量的演变特征。结果显示:①农耕地期间年降水的88%为蒸散发消耗,11%为渗漏损失。②苜蓿草地种植后6 a内,蒸散发大幅增加至年降水的108%,土壤水分负平衡,0~4 m土壤储水量以52 mm/a的速率降低;至7~13 a,年降水几乎全部被蒸散发消耗。③苜蓿草地转变为天然草地后,蒸散发量下降31%,土壤水分以45 mm/a的速率逐渐补给,之后年降水量的92%用于蒸散发,8%为渗漏消耗,土壤水分处于相对稳定状态。研究表明不同土地利用方式下的土壤水分平衡模式具有显著差异,种植高耗水植被可造成土壤水分负平衡,导致土壤干燥化,进而对土壤水分补给产生负面效应,改变植被类型可使土壤干层得到有效改善。