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。     

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。     

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。     

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。     

基于GLDAS-Noah模型的闽江流域实际蒸散发评估

以亚热带季风区的典型流域——闽江流域为研究区域,根据Penman-Monteith（P-M）公式和双作物系数法,计算了闽江流域内8个气象观测站点的实际蒸散量,并评估了GLDAS-Noah实际蒸散产品在闽江流域的适用性。在此基础上,基于GLDAS-Noah实际蒸散发数据,解读了2000—2019年闽江流域的实际蒸散量的变化特征。结果表明：① GLDAS-Noah实际蒸散发数据在闽江流域的适用性较好(R²>0.9,NSE>0.8);② 2000年以来闽江流域的实际蒸散发呈增加趋势（3.86 mm/a,P < 0.01）,且存在显著的季节差异,表现为冬季和春季的增加速率要大于夏季和秋季;③ 闽江流域冬季和春季蒸散发增加与气温密切相关,冬季蒸散发与冬季气温呈微弱正相关（ R = 0.27）,春季蒸散发的增加与春季升温密切相关（R = 0.79）。     

基于水文模型的蒸散发数据同化研究进展（英文）

Accurate estimation of evapotranspiration(ET),especially at the regional scale,is an extensively investigated topic in the field of water science. The ability to obtain a continuous time series of highly precise ET values is necessary for improving our knowledge of fundamental hydrological processes and for addressing various problems regarding the use of water. This objective can be achieved by means of ET data assimilation based on hydrological modeling. In this paper,a comprehensive review of ET data assimilation based on hydrological modeling is provided. The difficulties and bottlenecks of using ET,being a non-state variable,to construct data assimilation relationships are elaborated upon,with a discussion and analysis of the feasibility of assimilating ET into various hydrological models. Based on this,a new easy-to-operate ET assimilation scheme that includes a water circulation physical mechanism is proposed. The scheme was developed with an improved data assimilation system that uses a distributed time-variant gain model(DTVGM),and the ET-soil humidity nonlinear time response relationship of this model. Moreover,the ET mechanism in the DTVGM was improved to perfect the ET data assimilation system. The new scheme may provide the best spatial and temporal characteristics for hydrological states,and may be referenced for accurate estimation of regional evapotranspiration.     

基于SWH模型的青藏高原高寒草甸蒸散发及其组分变化分析

基于Shuttleworth-Wallace Hu（SWH）双源蒸散模型对青藏高原那曲、纳木错、藏东南站蒸散发进行估算,在结果验证良好基础上,对青藏高原蒸散发变化特征及各站主要影响因素进行了分析。结果表明：SWH模型在青藏高原3个草甸站适用性良好;年蒸散发介于388~732 mm之间,年内分布呈先增大后减小特征;3站蒸散发组分差异较大,那曲站和纳木错站土壤蒸发对蒸散总量的贡献分别为53%和56%,藏东南站蒸散发则几乎全部由植被蒸腾贡献,占比高达95%;植被叶面积指数为3站蒸散发最主要的影响因素,饱和水汽压差对藏东南站蒸散发影响也较大。研究结果可对青藏高原蒸散发及其组分时空格局与水循环过程研究提供科学依据。     

基于MOD16的山西省地表蒸散发时空变化特征分析

基于MOD16全球蒸散发产品和气象站点实测数据,运用变异系数法、Sen趋势法等研究了山西省2000—2014年地表蒸散发ET、潜在蒸散发PET的空间分布特征、变化趋势及影响因素。结果表明：① MOD16蒸散产品与气象站点实测蒸散发之间具有良好的时空相关性(R ²=0.90),其产品精度可以满足山西省蒸散发时空分布研究的要求;②山西省多年平均ET、PET分别为816.77、1608.46 mm,年内变化表现为先增高后下降的“单峰”型分布,二者差值在5月、6月最大,此时山西省最为干旱;③ 全省年平均ET呈现西北低、东南高的分布特征,PET呈西南高、东北低的分布特征,二者差值整体上较大,表现为全省地表水分比较缺乏,其中忻州、吕梁西部最为严重;④ 全省近15 a来ET和PET的年际变化都比较小,整体上全省PET在增加,ET在相对减少,意味着近15 a来干旱情况在加剧;⑤ ET、PET的时空变化与诸多气象因子相关,在空间尺度上与降水、相对湿度密切相关,在时间尺度上与气温、降水关系最为密切。     

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。     

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。     

A review on evapotranspiration data assimilation based on hydrological models

Accurate estimation of evapotranspiration (ET), especially at the regional scale, is an extensively investigated topic in the field of water science. The ability to obtain a continuous time series of highly precise ET values is necessary for improving our knowledge of fundamental hydrological processes and for addressing various problems regarding the use of water. This objective can be achieved by means of ET data assimilation based on hydrological modeling. In this paper, a comprehensive review of ET data assimilation based on hydrological modeling is provided. The difficulties and bottlenecks of using ET, being a non-state variable, to construct data assimilation relationships are elaborated upon, with a discussion and analysis of the feasibility of assimilating ET into various hydrological models. Based on this, a new easy-to-operate ET assimilation scheme that includes a water circulation physical mechanism is proposed. The scheme was developed with an improved data assimilation system that uses a distributed time-variant gain model (DTVGM), and the ET-soil humidity nonlinear time response relationship of this model. Moreover, the ET mechanism in the DTVGM was improved to perfect the ET data assimilation system. The new scheme may provide the best spatial and temporal characteristics for hydrological states, and may be referenced for accurate estimation of regional evapotranspiration.     

基于遥感数据的叶尔羌河流域水文过程模拟与分析

在西北荒漠-绿洲生态系统中,山区水循环对下游水资源管理具有重要作用。为了准确地理解高寒山区水文过程,以降水、温度和潜在蒸散发的遥感数据为模型输入,建立叶尔羌河流域的MIKE SHE模型。根据模型输出,从径流、积雪和蒸散发三方面探讨了流域的水文过程。结果表明：经校正后的遥感产品在叶尔羌河流域的水文模拟中取得了良好的应用效果,出山口卡群站日径流的效率系数达0.71,相关系数达0.85。河道的年平均径流深为146.66 mm,其中稳定的基流补给占21.3%。流域的年平均降雪231 mm,占总降水的74%左右;73.9%的融雪发生在7-9月,积雪主要分布于5000 m以上区域。蒸散发以7-9月中低山区植被覆盖良好的针叶林和草地为主。选用合适的方法对遥感数据进行验证和率定,有助于提高对资料缺失的高寒山区流域水文过程的认识。对不同水文要素进行分析验证,可更准确地理解水资源的转化、储存方式及其时空分布,以便为下游水资源管理提供依据。     

分布式水文模型的并行计算研究进展

大流域、高分辨率、多过程耦合的分布式水文模拟计算量巨大,传统串行计算技术不能满足其对计算能力的需求,因此需要借助于并行计算的支持。本文首先从空间、时间和子过程三个角度对分布式水文模型的可并行性进行了分析,指出空间分解的方式是分布式水文模型并行计算的首选方式,并从空间分解的角度对水文子过程计算方法和分布式水文模型进行了分类。然后对分布式水文模型的并行计算研究现状进行了总结。其中,在空间分解方式的并行计算方面,现有研究大多以子流域作为并行计算的基本调度单元;在时间角度的并行计算方面,有学者对时空域双重离散的并行计算方法进行了初步研究。最后,从并行算法设计、流域系统综合模拟的并行计算框架和支持并行计算的高性能数据读写方法3个方面讨论了当前存在的关键问题和未来的发展方向。     

水文循环模拟中蒸散发估算方法综述(英文)

Actual evapotranspiration is a key process of hydrological cycle and a sole term that links land surface water balance and land surface energy balance.Evapotranspiration plays a key role in simulating hydrological effect of climate change,and a review of evapotranspiration estimation methods in hydrological models is of vital importance.This paper firstly summarizes the evapotranspiration estimation methods applied in hydrological models and then classifies them into the integrated converting methods and the classification gathering methods by their mechanism.Integrated converting methods are usually used in hydrological models and two differences exist among them:one is in the potential evaporation estimation methods,while the other in the function for defining relationship between potential evaporation and actual evapotranspiration.Due to the higher information requirements of the Penman-Monteith method and the existing data uncertainty,simplified empirical methods for calculating potential and actual evapotranspiration are widely used in hydrological models.Different evapotranspiration calculation methods are used depending on the complexity of the hydrological model,and importance and difficulty in the selection of the most suitable evapotranspiration methods is discussed.Finally,this paper points out the prospective development trends of the evapotranspiration estimating methods in hydrological modeling.     

基于ETM+与MODIS数据融合的伊洛河流域地表蒸散估算

MODIS数据时间分辨率较高,在对地能量和水分变化监测应用中具有不可比拟的优势。但其空间分辨率较低,混合象元效应显著,尤其在地表土地利用类型复杂和空间异质性较大时,会带来较大的误差。而ETM+数据具备较高的空间分辨率,但其单一的热红外波段导致反演的地表温度精度不高,且时间分辨率低,因而限制了在地表蒸散监测中的应用。本文探讨了将TM/ETM+与MODIS数据相融合估算区域地表蒸散的一种多尺度遥感方法,利用TM/ETM+计算得到的植被指数,基于空间增强方法将MODIS反演的地表温度尺度提高到30 m,并结合SEBS模型对伊洛河流域的地表蒸散进行了估算。验证与分析的结果表明,估算精度得到提高,研究区当日蒸散量在0～5.32 mm/d之间,空间分布具有明显的地域性差异,区域分布不均衡。     

基于Hargreaves-Samani回归修正的作物参考蒸散发计算适用性研究

为提高Hargreaves-Samani（H-S）模型计算参考蒸散发的精度,利用西北黄河流域与长江中下游平原共128个气象站点1961—2010年的逐日气象资料对H-S模型进行回归修正,以Penman-Monteith（P-M）模型为标准,评价了H-S改进模型H-S_CORR模型的计算精度,并且以第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）气候模式来对H-S_CORR模型进行了未来适应性评价。结果表明：修正后,在验证期内,长江中下游平原4个分区的平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）的平均值分别下降了6.21 mm·月^-1和6.38 mm·月^-1;西北黄河流域4个分区的MAE和RMSE的平均值分别下降了9.26 mm·月^-1和9.23 mm·月^-1,2个研究区域修正后的决定系数（R²）比修正前最少提高1%。在CMIP6气候模式的未来气候情景下R²均达到0.98以上,具有良好的适应性。该研究修正的模型方法可为仅有气温数据的地区提供较高精度的参考蒸散发估算方法,为高频灌溉提供较为准确的数据基础。     

Cryosphere evapotranspiration in the Tibetan Plateau: A review

Land surface actual evapotranspiration is an important process that influences the Earth's energy and water cycles and determines the water and heat transfer in the soil-vegetation-atmosphere system. Meanwhile, the cryosphere's hydrological process is receiving extensive attention, and its water problem needs to be understood from multiple perspectives. As the main part of the Chinese cryosphere, the Tibetan Plateau faces significant climate and environmental change. There are active interaction and pronounced feedback between the environment and ET_a in the cryosphere. This article mainly focuses on the research progress of ET_a in the Tibetan Plateau. It first reviews the ET_a process, characteristics, and impact factors of typical underlying surfaces in the Tibetan Plateau (alpine meadows, alpine steppes, alpine wetlands, alpine forests, lakes). Then it compares the temporal and spatial variations of ET_a at different scales. In addition, considering the current greening of cryosphere vegetation due to climate change, it discusses the relationship between vegetation greening and transpiration to help clarify how vegetation activities are related to the regional water cycle and surface energy budget.     

水文模型参数敏感性分析—优化—区域化方法研究进展

水文模型是认识水文科学规律、分析水文过程及研究水文循环机理的重要科学工具。水文模型模拟结果的不确定分析是提高模型可靠性、进行有效水情预报的一个重要研究内容。参数不确定性是影响水文模型模拟结果不确定性的关键因素之一,开展模型参数不确定性及其影响因素分析对水文预报具有重要现实意义。目前的参数不确定性分析方法大致可分为3类：参数敏感性分析、参数优化以及考虑无资料流域参数值估计的参数区域化方法。论文归纳总结了近年来国内外水文模型参数不确定性分析工作的主要研究进展,分析了不同方法的优点与不足,提出了未来水文模型不确定性分析方法研究的潜在发展方向。借助多学科理论和技术方法,加强水文模型不确定性分析系统性方法的研究,是水文学科当前的迫切需求及发展趋势。