考虑干旱水分胁迫的黑河中游蒸散发遥感估算研究

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陆面蒸散发包括土壤蒸发和植被蒸腾两部分,是能量循环和水分循环的重要环节,准确估算陆面蒸散发对水文和气候等研究具有重要的现实意义。黑河中游地区是典型的干旱地区,以灌溉农业为主,水资源开发利用程度很高。在该地区开展蒸散发研究,可以进一步了解能量和水分的时空分布特征,促进水资源的合理利用。  为了获得精度相对较高的干旱半干旱地区陆面蒸散发时空分布情况。本研究以黑河中游荒漠绿洲区为研究区,在考虑了水分胁迫信息的情况下,基于地表能量平衡系统(SEBS)模型,利用卫星资料结合地面气象、通量观测数据,估算了研究区的蒸散发量。研究中使用的遥感数据均采用的中分辨率成像光谱辐射仪(MODIS)数据,地面观测数据(气象数据、通量数据)来自黑河综合遥感联合试验(WATER)和黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验(HiWATER)。论文的主要研究内容包括以下三个方面:  1.应用高效、稳健的EFAST方法,以黑河流域盈科绿洲站为例,从三个方面对SEBS模型的参数敏感性进行了分析:(1)分别以感热通量、潜热通量、蒸发比作为SEBS模型的输出参数,分析其对12个输入参数的敏感性;(2)利用气象数据驱动模型,分析感热通量、潜热通量、蒸发比对6个地表特征参数的敏感性;(3)分析了参数取值范围对敏感性分析结果的影响。研究结果表明:感热通量、潜热通量、蒸发比都对参考高度处的气温和风速、地表温度以及植被特征参数的敏感性较高。参数间相互作用对感热通量、潜热通量的间接影响很小,而对蒸发比的影响较大。当气象输入参数确定时,6个地表参数中地表温度对模型输出的直接贡献最大,其主敏感度指数接近0.6。参数采样范围不同时,模型输入参数的敏感性表现不同。  2.有研究指出在干旱半干旱地区,SEBS模型存在低估感热通量,高估潜热通量的现象。本研究为了提高干旱水分胁迫条件下SEBS模型地表通量估算精度,首先分析了土壤供水情况与蒸散发的关系。在此基础上,选择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曲线三种不同形式结合到SEBS模型的kB-1系数中,建立了修正模型SEBS-E、SEBS-L、SEBS-S。以黑河中游绿洲荒漠区为研究区域,选取2008-2011年盈科绿洲站的气象、通量数据对模型进行标定,选取2012年的HiWATER中游试验站的气象、通量数据对模型进行验证。研究结果表明:土壤可利用水分不足,植被受到干旱水分胁迫时,土壤含水量对蒸散发的影响显著。存在干旱水分胁迫时,与原始SEBS模型相比,考虑了干旱水分胁迫信息的SEBS-E、SEBS-L、SEBS-S模型能够更为准确的估算地表通量。这三种修正方案对SEBS模型的改进程度基本一致,NDWI≤0.24时,改进显著,最少能使感热通量的RMSE减小29 W/m2,Bias减小62W/m2,潜热通量的RMSE减小77W/m2,Bias减小91W/m2。  3.利用SEBS、SEBS-E、SEBS-L、SEBS-S估算了2012年6月24日、7月10日、8月2日、9月3日研究区瞬时地表通量,然后利用蒸发比不变法进行时间尺度扩展,估算了这四天研究区的日蒸发量。结果表明:研究区的地表通量、日蒸散发量空间分布差异明显,绿洲区和周围戈壁、沙漠和荒漠区的估算值差别显著。对于存在干旱水分胁迫的区域,原始SEBS模型估算的感热通量偏低,潜热通量和日蒸散发量偏高。相比之下,SEBS-E、SEBS-L、SEBS-S模型能够更加准确的估算研究区的蒸散发量。6至9月之间研究区的感热通量差异不大,但是潜热通量和日蒸发比季节变化特征显著。
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