大沽河流域水文要素监测体系建设现状

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：传统的蒸散发估算方法局限于局部尺度，而较大空间尺度内陆面特征和水热传输的非均匀性导致传统的估算方法难以获取区域尺度的蒸散发。遥感以少量的地面数据估算大范围区域蒸散的优势被认为是可以经济、有效地提供区域蒸散发消耗量的唯一方法。该公式被证明在致密冠层的蒸散发估算上有良好的效果。除Penman类模型外，R.J.Bouchet于1963年提出了陆面实际蒸散与可能蒸散之间的互补关系原理，为估算实际蒸散发开辟了新的途径。

蒸散发（ET）是植被及地面向大气输送的水汽总通量，既包括地表和植物表面的水分蒸发，也包括植物表面和植物体内的水分蒸腾，它是陆面水文过程中极其重要的分量，决定了土壤-植被-大气系统中的水分和热量传输，是地表水量平衡支出项中的主要组成部分，同时也是陆地表层水循环最大、最难估算的部分，是水文水循环和水量平衡研究的核心。蒸散发在维持陆面水分平衡和地表能量平衡上发挥着重要作用，区域地表蒸散的变化特征反映了陆面过程中能量和水分收支状况的演变趋势，同时也进一步影响着区域气候和水资源的总量分布，进而对区域经济发展产生影响。

蒸散发作为水循环过程中最重要的分量之一，迄今已经有很长的研究历史，尤其是近半个世纪以来，学者们一直致力于蒸散发的理论模拟和估算。大量的理论和实践表明，蒸散发及其时空分布与气象状况、土壤水分、植被等因素息息相关，难以准确获取。传统的蒸散发估算方法局限于局部尺度，而较大空间尺度内陆面特征和水热传输的非均匀性导致传统的估算方法难以获取区域尺度的蒸散发。遥感技术的兴起和应用，使得估算大面积区域的蒸散发成为可能，尤其是20世纪70年代以后，涌现出了许多估算蒸散发的模型，使蒸散发的估算扩展到了空间尺度，并广泛应用于农业、水文等研究领域。遥感以少量的地面数据估算大范围区域蒸散的优势被认为是可以经济、有效地提供区域蒸散发消耗量的唯一方法。因此，开展基于遥感手段的区域地表能量与水分动态监测研究具有重要意义。

遥感估算区域蒸散发的方法主要分为经验统计模型、与传统方法相结合的遥感模型、地表能量平衡模型、温度-植被指数特征空间法、陆面过程与数据同化等。

经验统计模型机理简单，它是将站点通量观测数据与遥感数据相结合，直接拟合蒸散发与遥感参量（一般是地表温度和植被指数）的回归关系，然后估算区域尺度上的蒸散发。该方法的优点主要是简单易行，20世纪遥感反演蒸散发初期，在估算小区域的蒸散发方面发挥了重要的作用；但是由于经验统计模型在很大程度上依赖于地表观测数据，可移植性较差，很难应用于大面积的区域蒸散发的精确估算。

与传统方法相结合的遥感模型蒸散发估算方法大都具有较为坚实的理论基础，物理概念比较明确，能较好地反映蒸散发的物理机制。然而，传统方法主要基于单点或田间尺度进行计算，难以用于非均匀下垫面蒸散发的计算。为弥补传统方法在区域尺度上的不足，结合遥感技术计算模型中所需要的净辐射、土壤热通量、阻抗等参数，进而计算区域蒸散发，使其从单点尺度推广到区域尺度，成为近年来研究的重点。1948年，H.L.Penman提出了基于能量平衡原理估算可能蒸发的Penman公式。1965年，J.L.Monteith将冠层阻抗的概念引入Penman公式，表征植被生理作用和土壤供水状况对潜热通量的影响，以估算非饱和下垫面的实际蒸散发，由此得到了著名的Penman-Monteith公式。该公式被证明在致密冠层的蒸散发估算上有良好的效果。除Penman类模型外，R.J.Bouchet于1963年提出了陆面实际蒸散与可能蒸散之间的互补关系原理，为估算实际蒸散发开辟了新的途径。C.Priestley 和R.J.Taylor在 1972年以平衡蒸发为基础，在无平流假设的前提下，建立了饱和下垫面蒸散发的计算方法，提出了Priestley-Taylor模型。

温度-植被指数特征空间法主要是基于地表温度和植被指数之间的时空对应关系与地表植被覆盖和土壤水分状况等参数之间的密切关系。以此为基础的地表蒸散算法，一般是通过特征空间求解蒸发比、Priestley-Taylor系数、水分亏缺指数WDI等，进而计算地表蒸散发量。这种方法不过多依赖气象要素，但干湿边难以准确确定，大都适用于平坦下垫面，并且要求土壤表面水分状况、植被数或植被覆盖度具有较大的变化范围。

陆面过程模型是用来研究陆地-大气之间物质和能量交换过程的模型。陆面数据同化的核心思想是在陆面过程模型的动力学框架内，融合不同来源和不同分辨率的直接（地面）与间接（遥感）观测，集成陆面过程模型和各种观测算子（如辐射传输模型），根据观测自动调整模型的参数和状态变量，来获得更为可靠的地表水分和能量循环过程的信息。陆面过程与数据同化法虽然能模拟出水热通量过程的连续变化，但计算量很大，特别是较高分辨率遥感数据用于同化时，模型需要输入很多与土壤和植被属性有关的参数，而这些参数在区域尺度上很难获得，并且由于多数数值模拟需要连续的气象资料，在一定程度上限制了在区域尺度上的应用。

地表能量平衡模型法，又称为地表能量平衡余项法，是目前遥感估算不同时间和空间尺度上趋于蒸散发中应用最广泛的一种方法。不考虑由平流引起的水平能量传输，地表单位面积上垂直方向净收入能量分配形式主要包括：用于大气升温的感热通量，用于水在相态转换时（如蒸发、凝结、升华、融化等）所需的潜热通量以及用于地表加热的土壤热通量，还有一部分消耗于植被光合作用和新陈代谢活动引起的能量转换和植被组织内部及植被冠层空间的热量储存，这部分比测量主要成分的误差还小，因而常常忽略不计。地表能量平衡模型的基本思想是，在不考虑平流作用和生物体体内需水的情况下，将潜热通量作为能量平衡方程的余项进行估算，然后将潜热通量转换为瞬时蒸散量。荷兰学者Bastiaanssen等（1998）开发了遥感陆面能量平衡模型——SEBAL模型，通过反演遥感地表参数，获取气象数据和植被下垫面信息估算蒸散量。Su等（2002）提出了SEBS模型，其理论基础是用于计算热量粗糙度的动力学模型、大气总体相似性理论以及Monino-Obukhov相似性理论。M.D.Ahmad 等（2006）采用SEBAL模型，结合Landsat-7影像对印度克里希纳盆地的蒸散量进行了估算；Anderson L.Ruhoff等（2012）基于SEBAL 模型和MODIS 数据估算了巴西热带稀树草原的蒸散量；MohammadTaghi Dastorani等（2012）利用SEBAL模型和MODIS数据估算了伊朗亚兹德省干旱山区的蒸散量，以上研究结果均证明了SEBAL模型在区域蒸散量研究中的适用性。

国内在利用卫星遥感资料估算非均匀陆面区域蒸散量方面起步较晚。1991年，Chen等（1991）尝试利用NOAA/AVHRR、海拔高度和气象观测数据来对江河流域复杂地形上的蒸散量进行估算，用改进的Penman公式先计算出各类下垫面实际蒸散发量与蒸发潜力的比值，然后求出月平均蒸散量。马耀明等（1999）在利用卫星遥感技术结合地面资料估算区域尺度上的地表反射率、NDVI及地表温度的基础上，研究了非均匀地面地表特征参数及能量平衡各分量的区域分布及季节差异。陈云浩、李晓兵等（2002）在利用遥感资料求取地表特征参数的基础上，建立了裸露地表条件下的裸土蒸发和全植被覆盖条件下的植被蒸腾计算模型，然后结合植被覆盖度给出非均匀陆面条件下的区域蒸散计算方法；2005年，陈云浩、李晓兵等发展了一个两层的蒸散发计算模型，即从植被冠层和土壤表面出发，分别建立陆面日蒸散发量计算的阻抗模型，然后结合植被覆盖度给出非均匀陆面条件下的日蒸散发量计算方法。何玲和莫兴国（2007）应用遥感数据、农业气象站测量数据及Nishida模型等模拟了无定河流域日蒸散量，并对该流域日蒸散的空间分布规律进行了研究。李红军等（2005）采用Landsat-7 ETM+数据和SEBAL模型对河北省栾城县进行了遥感蒸散研究，估算了区域日蒸散量，模拟结果较为合理；刘朝顺等（2009）利用改进的SEBAL模型推估了区域地表蒸散，并验证了结果与实测值具有良好的一致性；杜嘉等（2010）利用SEBAL模型估算了三江平原的日蒸散量，蒸散量估算结果与实测数据误差较小，且进一步分析了不同土地利用类型蒸散量的差异。

大沽河流域水文要素监测体系建设现状

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