基于水文模型的蒸散发数据同化研究进展

本文系统综述了基于水文模型的蒸散发数据同化研究,阐述了蒸散发作为非状态变量构建数据同化演算关系的难点和瓶颈,并系统分析了利用当前各种通用水文模型进行蒸散发同化的可行性.基于此,尝试提出了一种易于操作且具有水循环物理机制的蒸散发同化新方案,该方案利用具有蒸散发—土壤湿度非线性时间响应关系的分布式时变增益模型(DTVGM),并进一步完善DTVGM蒸散发机理,构建基于DTVGM水文模型的蒸散发数据同化系统.该新方案将为区域蒸散发精确模拟提供新的思路和借鉴.     

区域土壤植被系统蒸散发二源遥感估算

针对干旱半干旱复杂地形区地表起伏、覆被不均一、植被稀疏的特征,论文对N'95二源遥感模型中地表净辐射计算方案以及地表反照率、零平面位移、动量粗糙长度、热量粗糙长度、动量和热量的稳定度校正项、土壤表面的空气动力学阻抗等算法有针对性地进行了修改.利用修改后的N'95模型,选择位于黄土高原的地表起伏大,植被稀疏的陕甘宁交界区为研究区,计算了研究区的土壤蒸发、植被蒸腾和土壤一植被总蒸散发;并利用附加阻抗法计算实际蒸散发的方法对N'95二源模型法遥感估算结果进行了间接精度评价,比较验证表明N'95二源模型法估算的蒸散发结果合理,精高较高.     

洛河流域蒸散发遥感反演及其与各参数的相关性分析

利用ETM数据和地表热量平衡模型估算洛河流域的蒸散发量,并结合地面实测资料进行检验,然后综合分析蒸散发量与土地利用/覆被、地表参数、地形参数的关系。研究发现,不同下垫面的蒸散发能力有一定的差别,其中水体和林地的日蒸散发量最大;蒸散发量与NDVI、植被覆盖度以及高程等参数呈线性相关,而与地表温度呈指数相关,与叶面积指数呈对数相关。     

基于SEBS模型的干旱区流域蒸散发估算探究

水资源在干旱区的经济社会发展中占据着举足轻重的地位,被利用的水资源通过蒸散发进入大气,定量估算区域的蒸散发对区域的水资源分配管理、旱情监测等具有一定的指导意义。应用SEBS模型估算了2015年5~9月艾比湖流域的蒸散发,按照流域的分水岭划分研究区范围,根据土地覆被类型将研究区划分为乔木林地、灌木林地、牧草地、耕地、水域及其他6大类,分析了流域内蒸散发的时间与空间变化以及不同土地覆被的蒸散发情况。结果表明：（1）整体而言,流域范围内日均蒸散量在生长季内呈单峰型分布,7月中旬达到顶峰,平均值为4.35 mm·d^-1,最大值为5.63 mm·d^-1,对气温的变化最敏感。（2）研究区蒸散发的高低分布与土地覆被类型分布存在高度一致性,日均蒸散量大小依次为：水域 > 耕地 > 牧草地 > 乔木林 > 其他 > 灌木林。（3）蒸散发在不同土地覆被具有不同的峰值分布,乔木林的峰值分别出现在1.20 mm和6.80 mm左右,灌木林的峰值分别出现在3.5 mm和6.00 mm左右,牧草地分别出现在4.00 mm和6.80 mm左右。耕地、水域的峰值分别在6.60 mm、7.20 mm左右。（4）SEBS模型在干旱区流域具有较高应用价值。     

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。     

基于遥感和SEBAL模型的塔里木河干流区蒸散发估算

运用1985 年、2000 年和2010 年遥感资料与SEBAL 模型估算了塔里木河干流区蒸散发。结果表明：该区蒸散发量较大,介于0~5.11 mm/d之间;靠近河道区蒸散发明显大于远离河道区;各土地利用/覆被类型蒸散发大小依次为：水体> 耕地> 林地> 草地> 未利用地> 居工地,主要与其植被覆盖度和水分供给条件有关;而日总蒸散发大小顺序为：草地> 未利用地> 耕地> 林地> 水体> 居工地,这与各土地利用/覆被类型面积密切相关。在1985-2010 年间,塔里木河干流区日总蒸散发量先减小后增大;上游平均日总蒸散发量为中游和下游的1.27 倍和1.42 倍。2000 年塔里木河干流区日总蒸散发比1985 年减少了6.80×10⁴ m³,原因是中游和下游日总蒸散发减小,而上游日总蒸散发量却增加了3.02×10⁵ m³。2010 年干流区日总蒸散发比2000 年高6.78×10⁵ m³,其中上游和中游日总蒸散发量增加了1.19×10⁶ m³,而下游却降低了5.16×10⁵ m³,主要受中上游地区绿洲耕地面积扩张,水资源开发量过大,下游来水量减少的影响。     

蒸散发测定方法研究进展

蒸散发过程是水文循环的重要环节, 也是全球能量交换的重要组成部分, 决定了土壤－植被－大气系统中水、热传输过程, 对其进行定量估算是评价陆地生态系统生产力、水源涵养能力、区域耗水及土壤水分运移的基础, 是全球气候变化研究的重要内容。本文根据蒸散发测定思路和方法的不同, 将蒸散发测定按照实测法和模型法两类方法进行总结, 系统回顾了实测法和模型法的不同算法, 评述不同方法的原理和优劣, 并总结和分析了目前蒸散发测定工作中应重点研究的内容, 指出未来蒸散发估算的发展方向, 以期为相关研究的开展提供参考。     

水文循环模拟中蒸散发估算方法综述

为选取基于水文循环估算蒸散发方法提供依据, 首先对常用水文模型中蒸散发估算方法进行回顾, 根据其物理机理的强弱性, 将水文模型中蒸散估算方法分为整体折算法和分类汇总法。当前水文模型中整体折算法占较大比重, 它们之间的差异有两点:一是潜在蒸散发估算方法不同;二是土壤干燥度折算函数不同;研究表明:由于水文模型存在不确定性及Penman-Monteith 方法具有较高资料要求, 致使模拟中使用该方法与使用其它简化经验公式相似或更差的水文循环模拟效果。所以对于不同水文模型, 如何选取与之复杂程度相兼容的潜在蒸散发估算方程和土壤干燥度折算函数来降低模型的不确定性需进一步讨论。在此基础上, 预估基于水文循环估算蒸散发方法朝着复杂机理化和简单实用化两个方向发展。     

森林流域蒸散发的控制要素与区域差异探讨

森林蒸散发是影响河川径流的重要因素,但是森林影响蒸散发的机理和综合效应评价一直存在很大的分歧。本文从植物的光谱反射特征出发,分析了影响森林流域蒸散发的能量收支特征和水分的蒸发耗散关系,指出流域蒸散发的数值是由蒸发潜力和供水能力这两个因素的最小值决定的,并在此基础上提出了流域蒸散发计算的分布式模型。按照该模型,可以统一解释在湿润地区(南方)、干旱地区(北方)和半湿润地区森林变化前后的蒸散发差异,为森林蒸散发计算中长期存在的分歧提供了统一的理论解释和分析模式。     

基于MOD16数据的渭河流域地表实际蒸散发时空特征

基于流域水量平衡法,利用水文数据和气象数据对渭河流域MOD16-ET(实际蒸散发)数据进行精度验证; 利用2000-2012年MOD16-ET数据和GIS技术定量分析了渭河流域(分为干流、泾河、北洛河3个子流域)地表实际蒸散发年际和年内的时空变化特征。结果表明:(1) 3个子流域的实测降水空间插值结果与MOD16-ET估算结果比较,相对误差平均值为8.36%,渭河干流误差较小,其他2个子流域误差相对较大; (2) 3个子流域上游至下游的ET剖面线变化不同,明显受地表覆盖类型影响; (3) ET值年内分布大致呈单峰型格局,季节变化特征为夏季(177.14 mm)> 秋季(105.22 mm)> 春季(92.97 mm)> 冬季(77.50 mm); (4) 基于栅格尺度的ET值年际变化特征空间分布,各子流域下游以降低趋势为主,渭河中游和上游以升高趋势为主,北洛河、泾河中游和上游以基本不变趋势为主,具体影响因素的定量分析仍需MODIS资料的时间累积。     

地表蒸散遥感反演双层模型的研究方法综述

通过遥感方法反演表面温度来计算地表蒸散量是定量遥感的一个很有潜力的应用领域。这种方法已成功地应用于植被完全覆盖的地表蒸散的监测,然而对于植被稀疏的地区,利用该方法模拟通量和观测通量之间存在很人的差异。产生这种差异的原因是假设辐射表面温度可以用来代替空气动力学温度。在这种假设条件下,植被完全覆盖的地表的通量计算能够得到较为满意的结果,但对于稀疏植被地表却是不成立的。对此,国内外许多学者提出了将土壤和植被分开计算的双层模型以求得到更加准确的通量结果。介绍了当前国内外几种常用的地表蒸散遥感估算双层模型,讨论了这些模型的物理基础和假设并讨论了目前双层模型在计算通量时存在的一些问题和难点,并对今后的工作重点和研究方向提出了建议。     

中国西北地区蒸发散量计算的遥感研究

自然陆面区域蒸发散的教育处是一个复杂的问题，在利用遥感资料求取地表特征参数的基础上，首先建立了2种极端条件下（裸露地表和全植被覆盖）的裸土蒸发和全植被覆盖蒸散计算模型，然后结合植被覆盖度给出非均匀陆面条件下的区域蒸发散计算方法，实测资料验算表明该模型具有较高的计算精度，最后利用该模型对我国西北5省区的蒸发散量进行了计算，并对该研究区蒸发散的特点进行了分析。     

基于互补相关原理的区域蒸散量估算模型比较

利用黄河流域1981~2000年期间的气象、水文资料,结合卫星遥感信息和数字高程模型,检验了平流-干旱、CRAE (Complementary Relationship Areal Evapotranspiration)、Granger等互补相关模型在不同时间尺度、不同气候类型区域上的计算精度,讨论了不同气候因子对计算误差的影响,并分析了模型参数的变化规律。结果表明：平流-干旱模型、CRAE和Granger模型估算的年蒸散量除了干旱年份外,误差都在10%以下。平流-干旱模型估算的月蒸散量比较合理,而CRAE模型与Granger模型都存在冬季月蒸散量估算过高的问题。平流-干旱模型与Granger模型的水量平衡闭合误差空间分布比较一致,计算效果是比较理想的,而CRAE模型的水量平衡闭合误差比较大。互补相关模型在湿润和干旱的条件下以及在可利用能量比较高和比较低的条件下,计算效果比较差。互补相关模型的经验参数在不同年型、不同气候类型区域有不同的最优值。     

应用遥感方法估算区域蒸散量的制约因子分析

遥感方法估算区域蒸散量应用比较广泛的有两种,一种是完全以地表热量平衡方程为基础．用遥感方法估算出净辐射、土壤热流量和显热通量,然后用余项法求出蒸散量;另一种是以Penman—Monteith方程为基础．结合地表热量平衡方程,直接估算出蒸散量。本文根据国内外的研究现状,对应用遥感方法估算区域蒸散量的制约因子进行了深入的分析,这些制约因子包括(1)图像信息源;(2)反照率、比辐射率和表面温度等地表参数的遥感反演精度;(3)空气动力学阻抗和表面阻抗模型;(4)估算结果的验证方法(5)时间尺度的扩展问题。分析结果表明：长期以来由于这些因子中所涉及到的许多关键技术和难点问题都没得到很好的解决,因而极大地制约着应用遥感方法估算区域蒸散量的发展。通过对制约因子的分析．可以有助于高精度遥感蒸散模型的建立。     

陇西黄土高原陆面蒸散的遥感研究

该文以陆面能量平衡过程为基础,基于定量遥感的理论,提出了适合半干旱区(陇西黄土高原)的陆面蒸散估算遥感模型(SEBS)。结合该区域的NOAA/AVHRR数据、气象观测数据、土地利用数据和地形高程(DEM)数据,依据定量遥感的理论和技术,计算反照率、陆面温度、植被指数和地表比辐射率四个重要地表特征参数。应用SEBS模型,估算了该区域的陆面蒸散量。结果表明：该研究具有较好的理论和实践意义,为陆面过程、植被生产、生态环境保护与生态重建等研究提供科学依据。     

Spatial Patterns in Surface Energy Balance Components Derived from Remotely Sensed Data

A relatively simple modeling approach for estimating spatially distributed surface energy fluxes was applied to two small watersheds, one in a semi‐arid climate region and one in a sub‐humid region. This approach utilized a combination of ground‐based meteorological data and remotely sensed data to estimate ‘instantaneous’ surface energy fluxes at the time of the satellite or aircraft overpasses. The spatial resolution in the watershed grid cells, which was on the order of 100‐400 km, was selected to be compatible with ground measurements used for validation. The model estimates of surface energy fluxes compared well with ground‐based measurements of surface flux (typically within approximately 40 Wm^?2). The model accuracy may be slightly less for bare soil surfaces due to an overestimation of the soil heat flux. In addition to demonstrating the feasibility of computing spatially distributed values of surface energy fluxes, these maps were used to qualitatively infer the dominant factors controlling the energy fluxes for the time period shortly following precipitation events in the basins. For the semi‐arid watershed, values of sensible heat flux varied considerably over the watershed and displayed a pattern very similar to that of the spatially variable cumulative precipitation for at least one to eight days prior to the image acquisition. Due to the large fraction of exposed bare soil in a semi‐arid ecosystem, even very small precipitation events had a strong influence on the pattern of sensible heat fluxes observed shortly after the event (less than 24 hours). For the sub‐humid watershed, the fluxes tended to be more uniform across the watershed, and were influenced by a combination of precipitation total and land cover type.     

基于数据同化技术的延河流域绿水模拟研究

分别利用分布式时变增益水文模型（DTVGM）和分布式耗水过程模型（DEPM）对延河流域延安水文站以上区域进行水文过程模拟,并应用拓展卡尔曼滤波(EKF)算法对2个模型的绿水(实际蒸散发)模拟结果进行同化处理,从而优化了研究区的绿水量并得出绿水的空间分布规律。结果表明：在整个模拟期,DTVGM的月尺度效率系数（NSCE）达到了0.83,水量平衡相对误差为-1.97%,模型能够较好地模拟研究区的水文过程;DEPM的水量平衡相对误差为-1.81%,能较好地模拟流域的水量平衡;DTVGM和DEPM模拟的流域2010年平均绿水量分别为378.52 mm和375.55 mm,空间分布格局相似。与站点观测值比较,DTVGM和DEPM模拟绿水的NSCE分别是0.76和0.59,DEPM的结果具有更多的空间变化信息。同化结果表明EKF算法能综合优化2个模型的模拟结果,同化后DTVGM模拟研究区的平均绿水量为376.34 mm,NSCE为0.78;同化后研究区绿水标准差为40.37 mm,比同化前增加了7.79 mm,绿水空间分布体现了更多的空间变化信息,同时,空间分布时格局也更加合理。     

湿地蒸散测算方法进展

湿地是地球上三大生态系统之一 ,蒸散是湿地生态系统的重要水文特征 ,是能量和水分的主要消耗途径 ,因此研究湿地蒸散对分析湿地水量平衡、热量平衡以及水资源估算等都具有十分重要的意义。通过总结国内外湿地蒸散量的测算方法 ,如Thornthwaite公式、Penman Monteith模型、Prestley Taylor模型、三江平原沼泽湿地蒸散经验模型、涡度相关法和遥感方法等 ,提出在湿地特定的自然条件下 ,经验模型法在湿地蒸散中的应用要比在其它陆地生态系统蒸散研究中的应用更为准确。