趙小龍

(營口水文局，遼寧 營口 115003)

蒸散發(fā)研究中時間尺度拓展方法的對比分析

趙小龍

(營口水文局，遼寧 營口 115003)

蒸散發(fā)是地面與大氣水分平衡的重要組成部分，現(xiàn)代遙感技術(shù)的進(jìn)步為蒸散發(fā)研究在時空尺度上的拓展提供了可能。以遼寧省本溪市為研究區(qū)域，對蒸發(fā)比法、改進(jìn)蒸發(fā)比法、正弦關(guān)系法和天文輻射法等4種蒸散發(fā)時間尺度的擴(kuò)展方法進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示改進(jìn)蒸發(fā)比法精度較高，具有區(qū)域適用性。

蒸散發(fā)；本溪市；時間尺度擴(kuò)展

1 研究區(qū)概況

本溪市位于遼寧省東部，北與沈陽市、撫順市相連，西與遼陽市、鞍山市相接，南鄰丹東市，東鄰吉林省通化市，交通便利，地理位置優(yōu)越[1]。本溪市是國務(wù)院批準(zhǔn)的具有地方立法權(quán)的較大的市，也是沈陽經(jīng)濟(jì)區(qū)的副中心城市。本溪市全境總面積8411.3 km2，下轄4個市轄區(qū)，兩個自治縣，1512.3萬人。

該區(qū)域?qū)儆诘湫偷闹袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，其氣候特征為夏季高溫多雨，冬季寒冷。多年平均氣溫約6.1～7.8 ℃，其中1月平均氣溫約-14.3 ℃；7月平均氣溫約24.3 ℃。屬于東北地區(qū)的多雨區(qū)，年平均降水量約為800～1000 mm，雨量充沛，其中一半以上集中在夏季的7、8月份[2]。境內(nèi)有大小河流200余條，年水資源總量39.23億m3。

2 SEBAL模型與常用的時間尺度拓展方法

2.1 SEBAL模型

本溪市大部分地區(qū)自然生態(tài)環(huán)境較好，具有較高的植被覆蓋，因此在蒸散發(fā)研究中選取國際上廣泛使用的SEBAL模型。并對該模型進(jìn)行了部分修改，以提高精度。蒸散發(fā)SEBAL模型的建立是基于當(dāng)?shù)氐男l(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，并根據(jù)其反演的參數(shù)，建立能量平衡方程，對蒸散發(fā)值進(jìn)行估算，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[3]：

Rn=λET+G+H

(1)

式中：Rn為地表凈輻射通量，W/m2；λET為潛熱通量，W/m2；G為土壤熱通量，W/m2；H為感熱通量，W/m2。

在地表參數(shù)反演中，SEBAL模型沒有考慮高差對溫度反演的影響，但是本次研究的地理范圍較大，且本溪市境內(nèi)不同地點的海拔高度差別較大，因此，在研究中對反演獲得的溫度進(jìn)行地面高程校正，公式如下：

T0=Ts-0.006ΔZ

(2)

式中：T0為校正后的溫度，℃；Ts為地表溫度，℃；ΔZ為像元點高程與觀測點高程之間的差值，m。

2.2 常用的時間尺度拓展方法

由遙感衛(wèi)星獲得的數(shù)據(jù)具有瞬時性，基于這些數(shù)據(jù)的反演參數(shù)只能求得瞬時蒸散發(fā)。然而，現(xiàn)實生產(chǎn)生活中往往需要長時間尺度的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，所以必須要對瞬時蒸散發(fā)進(jìn)行時間尺度上的拓展[4]。隨著人們對蒸散發(fā)認(rèn)識的深入，學(xué)者提出了一系列時間尺度擴(kuò)展方法?；谘芯繀^(qū)的具體特征，選用蒸發(fā)比法、改進(jìn)蒸發(fā)比法、正弦關(guān)系法和天文輻射比法等四種方法進(jìn)行對比分析[5]。

(1)蒸發(fā)比法。蒸發(fā)比法的估算原理是假設(shè)一天之中蒸發(fā)比保持不變，從而將衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演參數(shù)獲得的瞬時的蒸散量擴(kuò)展為全天的蒸散量，其蒸發(fā)比計算公式如下：

(3)

式中：Λ為蒸發(fā)比；E為瞬時蒸散量，mm；E24為日蒸散量，mm；G24為全天土壤熱通量，W/m2；R24為全天土壤凈輻射量，W/m2;λ為汽化潛熱，kJ/kg。

結(jié)合本溪市地理緯度參數(shù)值，可以獲得如下可以獲得全天蒸發(fā)量計算公式：

(4)

(2)改進(jìn)蒸發(fā)比法。由于實際蒸散發(fā)研究中土壤熱通量往往可以忽略不計，因此改進(jìn)的蒸發(fā)比法將蒸發(fā)比法公式中的土壤熱通量參數(shù)去掉，從而減少其帶來的不確定性誤差[6]。改進(jìn)后的蒸發(fā)比公式如下：

(5)

日蒸散量的計算公式如下：

(6)

式中：Λ為改進(jìn)后的蒸發(fā)比。

(3)天文輻射比法。天文輻射比法的原理是假定某一時刻的天文輻射比等于全天的天文輻射比，并根據(jù)此時的瞬時蒸散發(fā)量推求出全天蒸散量[7]，其計算公式如下：

(7)

式中：Rp b為天文輻射比；Rpins為瞬時天文輻射量，W/m2；Rp24為全天天文輻射量，W/m2。

日蒸散量的計算公式如下：

(8)

(4)正弦關(guān)系法。正弦關(guān)系法的基本原理是天氣良好的情況下，日蒸散發(fā)與太陽輻射通量的日變化曲線類似，因此可以假設(shè)瞬時潛熱通量是一種正弦變化特征，其計算公式如下：

(9)

式中：t為日內(nèi)時刻；N為日出到日落的時間長度，h。

3 四種時間尺度擴(kuò)展估算方法對比

以本溪市為研究對象，以變量控制的方法對四種時間尺度擴(kuò)展方法進(jìn)行比較，給出一個量化的對比結(jié)果，為當(dāng)?shù)氐恼羯⒘垦芯刻峁┓椒ㄟx擇依據(jù)。

3.1 數(shù)據(jù)的獲取與處理

對比分析采用的是中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心下載的遙感數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包括本溪市2014年3月27日、5月14日、7月30日、10月2日以及2016年1月27日的L4級別的landsatSTM數(shù)據(jù)，具體信息如表1所示。將下載的TM數(shù)據(jù)經(jīng)過大氣校正和裁剪等操作環(huán)節(jié)后用于模型計算[8]。本研究選取的是中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)的氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。選取的氣象站點為研究區(qū)中的桓仁、山城子、南芬三個站點以及整景影像范圍內(nèi)的其他8個氣象站點。時間為2013-2016年的站點高程、風(fēng)速、空氣溫度氣象數(shù)據(jù)。

表1 M影像各波段數(shù)據(jù)

3.2 四種估算方法的對比結(jié)果與分析

3.2.1 日蒸散量估算結(jié)果對比分析

利用四種不同的方法對1月27日日蒸散量進(jìn)行估算，結(jié)果顯示蒸散量估算值均在0～0.3 mm/d之間。其中蒸發(fā)比法和改進(jìn)的蒸發(fā)比法的估算結(jié)果比較接近，而天文輻射法和正弦關(guān)系法的估算結(jié)果比較接近。同時后兩種比前面兩種方法的估值結(jié)果較高。對7月30日的蒸散量估算值在0～15 mm/d之間，其中基于蒸發(fā)比法與改進(jìn)的蒸發(fā)比法的估算結(jié)果比較集中，而正弦關(guān)系法的估算結(jié)果最高。

3.2.2 與站點實測值進(jìn)行比較

由于站點實測值反映的是氣象站點附近的蒸散值，而基于遙感反演的蒸散值則反映的是整個區(qū)域的蒸散值，因此，本次研究選取桓仁、山城子、南芬三個實測站點附近像元的平均估算與實測均值進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。4種方法的估值與實測值的對比分析顯示，這4種方法都具有較高的估測精度。其中，改進(jìn)的蒸發(fā)比法和正弦關(guān)系法估算的精度最高，天文輻射法精度最差且估值較高，蒸發(fā)比法的估值則低于實測結(jié)果。

表2 四種算法估算結(jié)果與實測結(jié)果對比 mm

3.2.3 區(qū)域適用性對比分析

對本溪市東部的植被高覆蓋區(qū)與西部的植被低覆蓋區(qū)的蒸散量估算誤差進(jìn)行對比，結(jié)果如表3和表4所示。由表格中的數(shù)據(jù)可知，在植被高覆蓋區(qū)域改進(jìn)的蒸發(fā)比法具有較高的精度，而正弦關(guān)系法和天文輻射法估值偏低，精度也不高。在居民區(qū)蒸發(fā)比法精度最高，改進(jìn)蒸發(fā)比法次之，其余兩種方法的精度較差。

表3 植被高覆蓋區(qū)估算誤差對比 mm

表4 植被低覆蓋區(qū)估算誤差對比 mm

4 結(jié) 論

基于SEBAL模型，結(jié)合中科院衛(wèi)星遙感影像和當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)對本溪市地表參數(shù)進(jìn)行了反演，對不同時間尺度的日蒸散進(jìn)行了估算和結(jié)果精度分析。分析表明,4種常用方法的計算結(jié)果與實測結(jié)果均比較接近。但是，對本溪地區(qū)而言，研究結(jié)果表明選用改進(jìn)蒸發(fā)比法在時間尺度擴(kuò)展最為精確。

[1] 溫樹影,李淑玲,謝琳娜.本溪市地下水水質(zhì)現(xiàn)狀評價與對策[J].東北水利水電,2014(1):32-33.

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Comparative analysis of temporal upscaling methods in the evapotranspiration study

ZHAO XiaoLong

(YingkouHydrologyBureau,Yingkou115003,China)

Evapotranspiration is an important component of the water balance between the earth and the atmosphere, and the progress of modern remote sensing technology has provided the possibility for the expansion of the research on the spatial and temporal scales. Taking Benxi city Liaoning Province as the study area, the evaporation ratio method and improved evaporation ratio method, sine relation method and the astronomical radiation method of four evapotranspiration temporal upscaling methods were compared. The results show that the improved method is more accurate and has regional applicability.

evapotranspiration; Benxi city; temporal scale upscaling

趙小龍(1980-)，男，遼寧朝陽人，工程師， 主要從事水文水資源勘測、整編、管理工作。E-mail:zxl156@126.com。

S274.1

A

2096-0506(2017)02-0044-04