張 黎

(遼寧省水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全監(jiān)督中心站，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

土壤水是水循環(huán)中較為重要的一個(gè)因素，是地表水和地下水之間直接的傳輸紐帶，在農(nóng)業(yè)、氣象、水資源領(lǐng)域都是較為重要的指標(biāo)。對(duì)區(qū)域土壤水進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，將有助于區(qū)域氣象干旱監(jiān)測(cè)和水資源配置的合理規(guī)劃。當(dāng)前，對(duì)于土壤水的監(jiān)測(cè)方式主要還是采用人工觀測(cè)方式，這種方式需要花費(fèi)大量的人力和物力，而且存在以點(diǎn)代面的局限。近些年來(lái)，隨著遙感技術(shù)的蓬勃發(fā)展，結(jié)合遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域土壤水反演的研究逐步成為熱點(diǎn)和前沿。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也結(jié)合不同來(lái)源的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)同化和模型方法實(shí)現(xiàn)了區(qū)域土壤水的反演計(jì)算[1- 5]，這其中熱慣通量模型由于計(jì)算原理簡(jiǎn)單，參數(shù)較少，在土壤水反演中應(yīng)用較多，但是傳統(tǒng)熱慣通量模型不能實(shí)現(xiàn)低溫期土壤水的反演，使得模型的反演精度不高，存在一定的缺陷，為此有學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)模型的局限，對(duì)熱慣通量模型進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了模型低溫期的土壤水反演計(jì)算，并在一些區(qū)域得到應(yīng)用，但是改進(jìn)的熱慣通量模型在遼寧西部地區(qū)還未得到應(yīng)用，而遼寧西部屬于遼寧省較為干旱的區(qū)域，土壤水反演將有助于區(qū)域干旱實(shí)施監(jiān)測(cè)和預(yù)警。為此本文結(jié)合改進(jìn)的熱慣通量模型對(duì)遼寧西部某地區(qū)的土壤水進(jìn)行時(shí)空反演研究。

1 改進(jìn)的熱慣通量模型原理

改進(jìn)的熱慣通量模型將地表潛熱和顯熱作為模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)置，改進(jìn)后的計(jì)算方程為：

(1)

式中，Tmax—地表溫度最高值，℃；a—地表反射率；S0—太陽(yáng)常數(shù)，一般為1367W·m-2；Cτ—太陽(yáng)短波輻射率；ω—太陽(yáng)自轉(zhuǎn)角，°；B—潛熱系數(shù)，本文設(shè)置為8.4215W·m-1·K-1)；A1—傅里葉展開(kāi)值；Hx—地表土層壤顯熱通量；LEx—地表土層潛熱通量。

模型結(jié)合地表溫度調(diào)整曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)地表土層溫度的計(jì)算，計(jì)算方程分別為：

(2)

(3)

式中，tm—地表溫度最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；Pn—夜間時(shí)長(zhǎng)，h；Pd—白天時(shí)長(zhǎng)，h；Tmean—日均溫度，℃，本文結(jié)合MODIS遙感數(shù)據(jù)來(lái)反演地表的日均溫度值；T2(t)—遙感衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻對(duì)應(yīng)的地表溫度值，℃。

模型在進(jìn)行土壤水反演時(shí)，建立土壤含水量與土壤飽和含水率之間的線性關(guān)系，線性方程為：

θ0(t)=R0(t)(θsat0-θres0)+θres0

(4)

式中，θ0—t時(shí)刻土壤含水量,%；θres0—地表土層剩余含水量，%；θsat0—飽和土壤含水量，%；R0—土壤飽和系數(shù)。為得到深層含水量，需要建立表層含水量和底層含水量之間的相關(guān)方程，相關(guān)方程為：

(5)

式中，C—土壤水?dāng)U散系數(shù)；θ1—地表表層(3mm以下)土壤含水量，%；θ0—地表土層(1～3mm)含水量，%。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 區(qū)域概況

本文以遼寧西部某區(qū)域?yàn)檠芯繉?shí)例，氣候分區(qū)屬于中緯度暖溫帶，具有半干旱、半濕潤(rùn)的旱區(qū)典型氣候特點(diǎn)，降水主要集中在夏季高溫時(shí)節(jié)，冬季較為寒冷，氣候偏干燥，屬于典型的暖溫帶季風(fēng)氣候。區(qū)域多年平均氣溫為9℃，春秋兩個(gè)季節(jié)風(fēng)速較，年平均風(fēng)速在2.8m3/s左右。區(qū)域年平均蒸發(fā)量較大，夏季蒸發(fā)最為明顯，年平均蒸發(fā)量高達(dá)1800mm。區(qū)域主要土壤類型分別為砂土、砂壤土、黏土、黏質(zhì)壤土、壤土。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

結(jié)合區(qū)域土壤特性，分別對(duì)區(qū)域內(nèi)不同土壤類型下的模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，模型參數(shù)設(shè)置結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 模型參數(shù)設(shè)置結(jié)果

2.3 模型精度對(duì)比

為對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)區(qū)域內(nèi)不同土壤質(zhì)地下的土壤含水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合監(jiān)測(cè)的土壤含水量分別對(duì)比改進(jìn)前后的熱慣通量模型在區(qū)域土壤含水量反演的精度，對(duì)比精度結(jié)果見(jiàn)表2及圖1。

從表1中可以看出，相比于傳統(tǒng)熱慣通量模型，改進(jìn)的熱慣通量模型在區(qū)域不同土壤質(zhì)地下的土壤水反演精度都有較為明顯的改善。傳統(tǒng)熱慣通量模型土壤水反演值和監(jiān)測(cè)土壤含水量之間的相對(duì)誤差在17.41%～46.06%之間，而改進(jìn)熱慣通量模型的相對(duì)誤差在-16.49%～-25.51%之間，從相對(duì)誤差均值可以看出，改進(jìn)模型下相對(duì)誤差均值從30.9%下降到19.8%。而從改進(jìn)前后的熱慣通量模型的均方根誤差RMS也看看出，改進(jìn)后的熱慣通量模型較傳統(tǒng)模型也有較為明顯的改善。均方根誤差RMS從傳統(tǒng)模型的0.057下降到改進(jìn)模型的0.033。這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)模型不能實(shí)現(xiàn)低溫期的土壤水反演，使得模型土壤水反演精度受到限制。而改進(jìn)的熱慣通量模型可實(shí)現(xiàn)不同時(shí)期的土壤水反演，因此在土壤水反演精度上有較為明顯的改善。從圖1中可以看出，在改進(jìn)的熱慣通量模型下其模擬值和土壤水監(jiān)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.653，而傳統(tǒng)模型下的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.3904，在相關(guān)度上，改進(jìn)的熱慣通量模型也有較為明顯的改善。

表2 模型土壤水反演精度對(duì)比結(jié)果

圖1 改進(jìn)前后的熱慣通量模型土壤水反演值和監(jiān)測(cè)值相關(guān)分析結(jié)果

2.4 區(qū)域土壤水空間反演計(jì)算

結(jié)合區(qū)域不同季節(jié)的MODIS遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合改進(jìn)的熱慣通量模型，對(duì)區(qū)域4個(gè)季節(jié)的土壤水進(jìn)行空間反演計(jì)算，土壤水空間反演計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 各個(gè)季節(jié)區(qū)域土壤水空間反演結(jié)果

從圖2中可以看出，區(qū)域土壤水空間反演呈現(xiàn)較為明顯的季節(jié)變化特點(diǎn)。這表明采用改進(jìn)的熱慣通量模型進(jìn)行的區(qū)域土壤水空間反演結(jié)果還是較為合理的。夏季由于地表溫度和降水量集中的原因，區(qū)域土壤水含水量大部分在26%～35%之間，而在冬季由于地表溫度和降水量的影響，區(qū)域土壤含水量主要集中在15%以下。春節(jié)受地表溫度回升以及區(qū)域融雪影響，區(qū)域土壤含水量較冬季有較為明顯的增加趨勢(shì)。而在秋季，由于地表溫度下降以及降水量的減少，區(qū)域土壤水含量較夏季具有較為明顯的遞減趨勢(shì)。土壤水空間反演結(jié)果可實(shí)現(xiàn)區(qū)域土壤水空間分布，對(duì)于區(qū)域干旱監(jiān)測(cè)具有較好的借鑒和參考價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于MODIS遙感數(shù)據(jù)，對(duì)區(qū)域地表溫度進(jìn)行解譯，并采用改進(jìn)的熱慣通量模型對(duì)遼寧西部某干旱半干旱區(qū)域進(jìn)行土壤水反演，研究取得以下結(jié)論：

(1)改進(jìn)的熱慣通量模型可實(shí)現(xiàn)低溫期土壤水的反演，在土壤水反演精度上都較傳統(tǒng)模型有較為明顯改善，可用于北方干旱半干旱區(qū)域的土壤水反演。

(2)土壤水空間反演結(jié)果將為區(qū)域干旱監(jiān)測(cè)和預(yù)警提供較為重要的數(shù)據(jù)支撐，可以在區(qū)域干旱預(yù)警和預(yù)測(cè)中進(jìn)行參考和應(yīng)用。

(3)改進(jìn)的熱慣通量模型雖然較傳統(tǒng)模型有所改善，但是反演精度還不算太高，而土壤含水量影響要素較為復(fù)雜，在以后的研究中還需要對(duì)模型的精度進(jìn)行進(jìn)一步的改善。

目前，土壤水反演技術(shù)已經(jīng)在遼西干旱得到廣泛應(yīng)用對(duì)于北方干旱監(jiān)測(cè)具有參考價(jià)值。

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