基于SEBAL模型的蒸散发反演方法及其实践

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：SEBAL模型是由荷兰学者Bastiaanssen开发的基于遥感的蒸散反演模型。SEBAL模型首先利用地表温度、植被指数、地表反照率等参数和常规气象资料反演得到净辐射量、土壤热通量和显热通量，再根据能量平衡方程求得潜热通量，最后利用蒸发比恒定法求得日蒸散量。利用SEBAL模型计算出日蒸散量，并将所有象元蒸散量值的平均值作为大沽河流域的日蒸散量。

SEBAL模型是由荷兰学者Bastiaanssen开发的基于遥感的蒸散反演模型。它具有较好的物理基础，输入数据较少，反演精度较高，可以满足区域蒸散研究的需要。模型的理论基础是地表能量平衡方程

式中：Rn为净辐射量，W/m2；G 为土壤热通量，W/m2；H 为土壤与大气之间的显热通量，W/m2；λ 为水的汽化潜热，W/（m2·mm）；ET 为蒸散量，mm；λET 为潜热通量，W/m2。

SEBAL模型首先利用地表温度、植被指数、地表反照率等参数和常规气象资料反演得到净辐射量、土壤热通量和显热通量，再根据能量平衡方程求得潜热通量，最后利用蒸发比恒定法求得日蒸散量。模型计算的核心是显热通量的计算，通过寻找图像上的干湿点，估算像元尺度上的蒸散发。该模型已经应用于30多个国家，可用于估算不同气候条件下田间或流域尺度的蒸散量，但该模型也存在一些不足，例如干湿点的确定具有明显的主观性，易受到地表温度异常点的影响，给反演结果带来一定误差。

（1）地表能量平衡各分量。

1）净辐射量Rn又称辐射平衡或辐射差额，一般指地表净得的短波辐射与长波辐射之和，是地表能量、水分输送与交换过程中的主要能量来源，其表达式为

式中：RS↓为入射到地表的太阳短波辐射；RL↓为入射长波辐射；RL↑为反射长波辐射；α为地表反照率；ε0为地表比辐射率；GSC为太阳常数，取1367W/m2；θ 为太阳天顶角；dr为日地距离单位；τsw为大气单向透射率；εa为大气比辐射率；σ 为Stefan-Boltzmann常数；Ta为气温，K；TS为地表温度，K；NDVI 为归一化植被指数。

2）土壤热通量G 为土壤表面与下层土壤间单位时间内通过单位截面的热量。土壤热通量无法直接用遥感方法计算，一般通过G 与TS、α、Rn、NDVI 的统计关系求得

3）感热通量H ，也称显热通量，是指由于传导和对流作用而散失到大气中的那部分能量。其计算公式为

式中：ρ 为空气密度，kg/m3；CP为空气定压比热；dT为两个不同高度处的温差，分别取0.01m 和2m；rah为空气动力学阻抗，s/m。

SEBAL模型假定研究区域内存在冷点和热点，且dT与地表温度TS之间存在线性关系dT=aTS+b。计算a 和b 需要选取两个极端像元 “冷点” 和“热点”，冷点是指那些地表温度很低，处于潜在蒸散水平的像元，其显热通量近似为0；热点是指那些地表温度很高，蒸散量几乎为零的像元，其潜热通量近似为0，显热通量达到最大值。系数a 和b 确定后，根据地表温度TS即可求得基于像元的dT值。

4）潜热通量λET

（2）模型的时间尺度扩展——日蒸散量（ETd）计算。通过地表能量平衡方程可以计算出卫星过境时的瞬时潜热通量λET，由此而得到的蒸散量为瞬时值，没有实际应用价值。研究表明，蒸发比在一天当中基本保持稳定。研究中日蒸散量采用蒸发比恒定法计算，由此引入无量纲的蒸发比Λ 的概念。气象研究的相关结果表明，蒸发比在一天中基本保持不变。因此，通过蒸发比恒定法可以外推日蒸散量。蒸发比采用如下公式计算

式中：Λd为日蒸发比；Rn，24h为日净辐射量；ETd为日蒸散量，mm/d。

（3）月蒸散量（ETm）计算。利用SEBAL模型计算出日蒸散量，并将所有象元蒸散量值的平均值作为大沽河流域的日蒸散量。由于水汽吸收和云覆盖等因素的影响，1个月中可用于计算蒸散量的有效卫星数据较少，难以直接累计求得每个月的蒸散量。但是，不同下垫面的遥感蒸散量计算值与对应气象站蒸发皿观测的水面蒸发数据是成正比的，研究假定这个比例是一个常数，这样就可以通过气象站实测水面蒸发资料，结合计算出的日蒸散量推算月蒸散量，即以气象站实测的日蒸发数据变化规律，来推算大沽河流域的月蒸散量转化公式为

式中：ETm为月蒸散量；i 为1—30日的序号（随每月天数而定）；ETSEBAL为模型反演蒸散量值；ET气象站为当日气象站实测值；ETi为第i 日气象站实测蒸发量。

基于SEBAL模型的蒸散发反演方法及其实践

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