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.     

考虑干旱水分胁迫的地表通量遥感估算

为提高地表能量平衡系统(SEBS)模型在干旱水分胁迫条件下估算地表通量的精度,引入归一化植被水分指数(NDWI)作为干旱水分胁迫信息,以线性、指数、S曲线3种不同形式结合到SEBS模型的kB-1系数中,使得kB-1随着水分胁迫的增加而减小,从而提高SEBS模型估算地表通量的精度。以黑河流域盈科绿洲为研究区域,选取2008—2009年的气象和通量观测数据对模型进行标定和验证。研究结果表明:存在干旱水分胁迫时,与原始SEBS模型相比,考虑干旱水分胁迫信息的SEBS模型能够更为准确地估算地表通量。这种方案能够较为有效地改善原始SEBS模型低估感热通量高估潜热通量的现象,将感热通量的偏差减小35 W/m2,潜热通量的偏差减小25 W/m2。     

考虑干旱水分胁迫的地表通量遥感估算

为提高地表能量平衡系统（SEBS）模型在干旱水分胁迫条件下估算地表通量的精度,引入归一化植被水分指数（NDWI）作为干旱水分胁迫信息,以线性、指数、S曲线3种不同形式结合到SEBS模型的kB-1系数中,使得kB-1随着水分胁迫的增加而减小,从而提高SEBS模型估算地表通量的精度。以黑河流域盈科绿洲为研究区域,选取2008—2009年的气象和通量观测数据对模型进行标定和验证。研究结果表明:存在干旱水分胁迫时,与原始SEBS模型相比,考虑干旱水分胁迫信息的SEBS模型能够更为准确地估算地表通量。这种方案能够较为有效地改善原始SEBS模型低估感热通量高估潜热通量的现象,将感热通量的偏差减小35 W/m2,潜热通量的偏差减小25 W/m2。     

基于蒸散发数据同化的径流过程模拟

采用集合卡尔曼滤波算法,以遥感反演的蒸散发作为观测数据,构建一种基于新安江模型的蒸散发同化系统;根据同化后的蒸散发,采用粒子群算法估计新安江模型的土壤张力水蓄量,进而改进模型的径流模拟效果。选取地表能量平衡系统模型进行汉江流域蒸散发（ET_SEBS）反演,采用基于GRACE水储量距平数据的水量平衡蒸散发（ET_GRACE）进行验证,结果显示ET_SEBS总体表现好于蒸散发产品ET_GLDAS、ET_Zhang、ET_MODIS,且相关系数（R）、均方根误差（E_RMS）、偏差（B）为0.93、11.93 mm/月、-3.47 mm/月,表明SEBS模型能够较好地估算蒸散发。将同化方案在旬河流域进行应用,结果显示同化后径流的纳什效率系数（E_NS）为0.85,较同化前0.81明显提高,且模型对枯水期径流的低估问题有一定改善,对径流峰值模拟效果提高明显。     

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。     

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。     

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.     

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。     

格尔木河流域山前平原区蒸散量的分布特征

格尔木河流域干旱少雨,蒸发强烈,为格尔木地区经济发展提供水资源保障。蒸散发是干旱内陆地区地表水及地下水排泄的主要方式,准确估算研究区长时间序列的蒸散量时空分布及其影响因素,对研究区水资源合理开发利用及生态环境保护具有重要意义。传统的蒸散量估算方法难以获取大尺度时空范围参数且估算结果误差较大。文章以格尔木河流域山前平原区为研究区,应用连续序列的MODIS数据及GLDAS气象数据基于SEBS模型估算格尔木河流域山前平原区蒸散量,利用线性回归法及Mann-Kendall显著性检验法分析其连续时间序列内的变化趋势,分析其影响因素。结果表明:研究区蒸散量从2001到2016年总体呈增长趋势,盐沼平原及山前戈壁砾质平原大部分地区蒸散量变化在16年间呈稳定不变状态,盐湖区和绿洲平原呈显著增长趋势。研究区16年间不同地貌蒸散量夏季增减幅度均远大于其他三季,冬季变化幅度最小。     

夏季黑河流域蒸散发量卫星遥感估算研究

依据空气动力学方法和蒸散发量时间尺度扩展方案,利用MODIS资料和气象资料,计算中国西北内陆河黑河流域复杂地形下,2004年夏季7月蒸散发量空间分布及总量。利用Landsat-5TM资料对比分析发现,估算地表水热传输过程时,采用高分辨率遥感资料的估算结果受下垫面非均匀性影响程度,明显小于采用中分辨率资料。通过"金塔实验"湍流观测资料验证表明,利用高分辨率资料估算日蒸散发量的相对误差在10%以内。对月蒸散发量计算分析表明,黑河流域海拔2000m以上祁连山区,7月平均蒸散发量是海拔2000m以下山前地区的2.2倍,而山前平原区绿洲(NDVI>0.10区域)平均蒸散发量又是荒漠戈壁地区的12.3倍。因此,流域中下游绿洲地区特别是农业灌溉区是夏季主要水资源消耗区。     

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。     

宁夏沿黄经济区蒸散量变化特征及水均衡方法验证

在干旱的内陆地区,蒸散是地表水和地下水主要的排泄方式之一,准确估算地表蒸散量为干旱区水资源合理开发利用、生态环境保护提供理论依据。基于MODIS遥感数据,应用SEBS模型估算了宁夏沿黄经济区2001—2014年的区域蒸散量,分析了其影响因素,并应用水均衡原理对蒸散量计算结果的可靠性进行了验证。结果表明:沿黄经济区的年蒸散量在2001—2014年间总体上是逐渐增加的,从2001年的434.27 mm增加为2014年的517.82 mm;研究区主要的蒸散量为耕地蒸散量,农业占据了全区近2/3的耗水量;SEBS模型与水均衡原理计算的蒸散量结果吻合度较高,很好地验证了SEBS模型计算区域地表蒸散量的可靠性。     

用卫星资料反演中国西北地区东部蒸散量的遥感模型

根据定西干旱气象与生态环境试验基地的麦田微气象观测和研究区的124个气象站常规资料,结合NOAA-16/AVHRR的资料,采用地表能量平衡算法的卫星遥感模型估算了中国西北地区东部4～8月的日蒸散量及其区域分布,并按气候和土地利用类型分别统计灌溉农田、干旱草地、冬春小麦农田、针阔混合林、常绿林和沼泽草甸等不同地表的蒸散量平均值和标准差,揭示了作物不同生育期自南到北由湿润的常绿林区至半干旱雨养农田直到干旱的荒漠地带的蒸散递减的分布特征.模型探索了卫星遥感无法得到近地层气温的难点,从而提高计算精度.经试验区54站蒸发皿推算的日蒸散量检验,相对误差为16.6%,与定西用LI500型CO₂/H₂O通量仪实测的日蒸散量误差仅16.2%.结果表明计算的蒸散量与实测值在整个试验区内有良好的一致性.     

黑河实验(HEIFE)能量平衡和水汽输送研究进展

It is a review about advance of research on energy budget and transportation of water vapour in the HEIFE area. A basic model, the cold island in oasis and the inverse humidity phenomenon in desert, about interaction of oasis with desert environment is established. The major disturbance of the oasis to observation in the desert is the latent heat flux that is an ignored value in the energy budget on ground surface in the desert. Consequently, it is representative of the arid region to have measured energy budget at the gobi station and desert station in the HEIFE area.     

水均衡法验证蒸散量计算的可靠性——以张掖盆地为例

蒸散量的计算方法有很多种,表面能量平衡系统(SEBS)是近年来应用较为广泛的计算蒸散量的方法之一。SEBS是应用卫星对地观测的可见光、近红外和热红外波段资料,结合实测气象数据或大气模式输出数据,根据表面能量平衡原理估算不同尺度的地表大气湍流通量,从而估算地表相对蒸散的一种方法。将水文数据与遥感数据相结合,运用SEBS方法对张掖盆地的区域蒸散量进行了估算,并在水均衡原理的基础上,对蒸散量计算结果的准确性进行了验证。结果表明:SEBS方法计算的蒸散量与水均衡法计算出的蒸散量结果吻合较好,从而验证了SEBS方法计算盆地蒸散量的准确性。     

黑河实验（HEIFE）能量平衡和水汽输送研究进展

总结了黑河实验中能量和水汽交换特征研究进展。建立了绿洲同包围它的沙漠环境相互作用基本模型，即绿洲的冷岛效应和沙漠的逆湿现象。绿洲对沙漠观测的主要干拢是沙漠能量平衡中的一个小量，即可以忽略不计的潜热通量。所以黑河实验沙漠和戈壁站能量平衡的基本特征对干旱地区有一定的代表性。     

黑河流域山前绿洲水量转化模拟研究

利用数字高程数据、遥感解译成果、地下水和水文气象资料,建立了一个基于GIS网格的黑河中游山前绿洲地区分布式水文模型.模拟结果表明,黑河流域中游山前绿洲地带的降水几乎完全消耗于蒸散发,且大约70%的山区地表径流补给也消耗于蒸散发.蒸散发以中游森林为最多,草本植被蒸散发同植被覆盖度呈正比.天然植被覆盖度同降水量的多少呈正比,在当地气候条件下,降水是天然荒漠植被类型和分布的控制因子.