估算玛纳斯河流域的陆面蒸散量和时空分布
估算玛纳斯河流域的陆面蒸散量和时空分布
蒸散发包括植被蒸腾和土壤表面蒸发两部分,是水文循环中自降水到达地表后由液态或固体转化
为水汽返回大气的阶段.Rosenberg N. J. 和Blad B. L. 等人[1] 的研究指出降落到地表的降水约有
70% 通过蒸散发返回大气, 在干旱区这个数字能达到 90%[2].由此可见蒸散发是水文循环的重要
环节.作为淡水资源的主要耗散方式之一,近年来,对陆面蒸散发的研究越来越受到重视,首先因为
它是陆地表层水文循环中最大、最难估算的分量, 在地球的大气圈 - 水圈 - 生物圈中发挥着极其
重要的作用,我们人类必须了解它[3]; 其次,由水分变成水汽需要吸收能量,因而它也是地表能量
平衡的主要分量,而地表热量和水分收支状况在很大程度上决定着天气、气候的变化,所以在对
全球气候变化的认识和研究中,蒸散发信息的重要性也日益得到重视[3 -5]; 另外,在全球水资源
日益匮乏的现实背景下,为了合理利用和分配水资源,更需深入了解不同植被覆盖和土地利用条
件下的蒸散发耗水规律,在干旱区尤为如此.因此,作为干旱区流域最主要的耗水方式,准确合理地
估算蒸散发量,深入分析其时空分布特征,对了解干旱区流域水分循环和能量平衡,科学管理水资
源,具有重要的理论价值和迫切的现实意义.
传统的蒸散发量估算方法如 Penman - Monteith 模型、Penman - 组合模型和基于太阳辐射的日蒸
散发模型等,主要利用气象数据,估算点尺度上的蒸散发量,局限于离散的点观测与估算,存在插值
外延精度低、大范围高密度观测成本大等缺陷[6],而遥感技术提供了面尺度上估算方法.随着遥
感空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的不断改善,利用遥感技术定量反演地表参数和地表通
量,进而基于地表能量平衡方程推算陆面蒸散发量已经成为估算区/流域蒸散发量的重要发展方
向[7].
文中基于双层阻抗模型, 以典型干旱区流域 - 玛纳斯河流域为研究对象,采用理论基础坚实、区
域应用限制小、反演陆面蒸散发量较为合理准确的双层阻抗模型,并根据研究区实际情况进行了
模型参数化的基础上, 结合MOIDS 数据、气象观测数据和 DEM 数据,估算了该流域的陆面蒸散
量,并分析了其时空分布特征.
1 材料与研究方法
1. 1 研究区概况
玛纳斯河流域位于新疆天山北麓中段,准噶尔盆地南缘, 地理坐标 85°01' ~86°32'E,43°27'
~45°21'N, 东西最长198. 7km, 南北最宽260. 8km, 海拔最高 5242. 5m, 最低 256m,由南向北依次分
为南部山地丘陵区、中部绿洲平原区和北部沙漠区3 大地貌类型区, 流域总面积2. 67
×10^4km²[8].流域远离海洋,属典型的大陆性干旱气候, 年平均气温在6. 0 ~6. 9 ℃之间,夏季极端
最高气温可达 43. 1 ℃, 冬季极端最低气温可达 -42. 8℃左右[9]. 年降水量 110 ~200mm, 年蒸发量
1500 ~2000mm,具有气候干燥,光照充足,热量丰富,雨量稀少,蒸发量大,气温日较差大等大陆性气
候特点[10,11].
1. 2 数据来源
文中研究主要采用了两类数据: MODIS 遥感数据和地面实测数据.
1. 2. 1 MODIS 遥感数据
文中研究采用了 2007 年7 月3 日的可用来监测地球植被季节变化和年际变化的 MODIS 反射率
数据( 图1) , 空间分辨率为 500m.该数据从地球观测系统( EOS) 计划的NASA 网站上下载,已进
行了辐射和大气校正,其特点是在已有数据的基础上进行了一些改进,如去除了部分影响较大的
噪音点.
1. 2. 2 地面实测数据
为了深入分析遥感反演结果,与遥感数据相对应, 文中获取了该流域 2007 年7 月3 日炮台、钟家
庄和乌兰乌苏气象站( 图2) 的实测数据.
1. 3 研究方法
1. 3. 1 双层阻抗模型
所谓的双层就是把非均匀陆面的植被冠层和土壤表面分别看作独立的通量源,作为上下两个层,
分别考虑他们的动量吸收、能量和物质转化传输过程以及两者的相互作用.双层阻抗模型将充分
考虑到冠层小气候对土壤和植被的不同影响,从而分别针对土壤表面和植被冠层进行模型的参数
确定.对于陆地地表来说,地表能量平衡方程可简化为[12,13]: LE = Rn- H - G ( 1)
式中: LE 为潜热通量( L 为蒸散系数, 通常取 2. 49 ×10^6W / ( m²·mm) ; E 为蒸散发量, 单位
mm) ,Rn 为地表净辐射,H 为显热通量,G 为土壤热通量. 各参数的单位均为W/m².
由式( 1) 及梯度扩散理论,植被冠层和土壤表面的能量平衡方程可分别表示为:
LEv= Rnv- Hv ( 2).
LEg= Rng- Hg- G ( 3)
式中: LEv 为植被冠层的潜热通量,LEg 为土壤表面的潜热通量,Rnv 为植被冠层截获的净辐
射,Rng 为透过植被冠层孔隙到达下层土壤表面的净辐射,Hv 为植被冠层的显热通量,Hg 为土壤
表面的显热通量. 各参数的单位均为W/m².
因而, 对蒸散发量的估算就演变成对 Rnv、Rng、Hv、Hg、G 的估算.
( 1) 植被冠层和土壤表面的净辐射( Rnv、Rng)
Rnv 和Rng 可以利用植被覆盖率来估算他们的构成比例,具体可分别用公式( 4) 和( 5) 来估算:
Rnv= fv·Rn ( 4)
Rng= ( 1 - fv) ·Rn ( 5)
式中: fv 为像元上植被所覆盖的比例,即植被覆盖率.一般情况下,植被指数与植被覆盖度具有较
强的正相关性,植被指数值越高,其植被覆盖度就越大[14], 据Gutman 研究表明fv 可由公式( 6) 计
算得到[15]:
fv= ( NDVI - NDVImin) /( NDVImax- NDVImin) ( 6)
式中: NDVI 为归一化差异植被指数,NDVImax 和NDVImin 分别为整个生长季 NDVI 的最大和
最小值.
( 2) 土壤热通量( G)
G 可以采用公式( 7) 给出综合法进行计算: G = Rn·( kv+ ( 1 - fv) ·( ks- kv) ) ( 7)
通常式中: ks= 0. 315、kv= 0. 05.
( 3) 显热通量( H,Hv、Hg)
整个植被冠层与参考高度处空气的显热通量 H,可以湍流形式表示为[16]:
H = ρCp( Te- T) / ra ( 8) H = Hv+ Hs ( 9)
显然,植被冠层与空气的显热通量( Hv) 和土壤表面与植被冠层的显热通量( Hg) 分别表示为:
Hv= ρCp( Tv- Te) /rv ( 10) Hg= ρCp( Tg- Te) /rg( 11)
摘要：
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估算玛纳斯河流域的陆面蒸散量和时空分布蒸散发包括植被蒸腾和土壤表面蒸发两部分,是水文循环中自降水到达地表后由液态或固体转化为水汽返回大气的阶段.RosenbergN.J.和BladB.L.等人[1]的研究指出降落到地表的降水约有70%通过蒸散发返回大气,在干旱区这个数字能达到90%[2].由此可见蒸散发是水文循环的重要环节.作为淡水资源的主要耗散方式之一,近年来,对陆面蒸散发的研究越来越受到重视,首先因为它是陆地表层水文循环中最大、最难估算的分量,在地球的大气圈-水圈-生物圈中发挥着极其重要的作用,我们人类必须了解它[3];其次,由水分变成水汽需要吸收能量,因而它也是地表能量平衡的主要分量,而...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
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时间：2024-04-15
