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        鄂爾多斯市潛在蒸散發(fā)時空變化分析

        2018-09-10 21:09:31徐麗娟張文鴿李皓冰譚力
        人民黃河 2018年9期
        關(guān)鍵詞:發(fā)量鄂爾多斯市蒸發(fā)量

        徐麗娟 張文鴿 李皓冰 譚力

        摘要:依據(jù)Priestley-Taylor潛在蒸散發(fā)量計算模型,AmODIS、GLDAS等多源遙感數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,對鄂爾多斯市2001-2012年的地表潛在蒸散發(fā)進行了模擬。結(jié)果表明:基于多源遙感數(shù)據(jù)的Priestley-Taylor模型對鄂爾多斯市潛在蒸散發(fā)的模擬效果較好;從時間序列上看,鄂爾多斯市2001-2012年潛在蒸散發(fā)量總體呈增長趨勢,增長率為8.26mm/a;7月潛在蒸散發(fā)量為170.44mm,為全年最大值,5-8月潛在蒸散發(fā)量占全年的55.56%;從空間分布上看,鄂爾多斯市潛在蒸散發(fā)主要發(fā)生在草地、沙漠和耕地,三者的潛在蒸散發(fā)量分別占總量的50.62%、34.58%、14.35%。

        關(guān)鍵詞:Priestley-Taylor模型;時空變化;潛在蒸散發(fā);鄂爾多斯市;2001-2012年

        中圖分類號:P426.2 文獻標志碼:A Doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.013

        受氣候變化和人類活動的影響,鄂爾多斯市水文循環(huán)發(fā)生了顯著變化。潛在蒸散發(fā)可反映區(qū)域的蒸發(fā)能力,是地表能量平衡、水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。對潛在蒸散發(fā)進行大空間尺度計算以及相關(guān)分析,對于研究當?shù)氐臍庀蟾珊?、氣候變化等有重要意義[1]。

        近年來,對于潛在蒸散發(fā)的研究越來越受到重視和關(guān)注。國內(nèi)外對于潛在蒸散發(fā)的研究已取得較多成果,如:張洪波等[2]以徑河流域為研究對象,采用SWAT模型模擬該流域的潛在蒸發(fā)量;曹永強等[3]采用Penman-Monteith法,估算了遼寧省1965-2014年的潛在蒸散發(fā)量,結(jié)果表明近50a來遼寧省潛在蒸散發(fā)量呈顯著減小趨勢,在空間上由西向東遞減;趙捷等[4]利用黑河流域15個氣象站點41a的逐日觀測資料,應用Penman-Monteith模型,結(jié)合Spline插值方法,分析了黑河流域潛在蒸散發(fā)的時空變化,結(jié)果表明多數(shù)站點的潛在蒸散發(fā)量呈下降趨勢;王亞敏等[5]利用FAO Penman-Monteith模型計算出潛在蒸發(fā)量,采用數(shù)理統(tǒng)計理論和GIS空間分析技術(shù),對河西地區(qū)潛在蒸發(fā)量的時空特征進行了分析,結(jié)果表明河西地區(qū)潛在蒸發(fā)量總體呈波動下降趨勢;Hember R.A.等[6]采用Priestley-Taylor模型估算了北美森林地區(qū)從1951年至2014年的潛在蒸發(fā)量,預計該地區(qū)未來潛在蒸發(fā)量呈上升趨勢;Sauda.等[7]通過研究Thornth-waite、Blaney-Criddle、Kharufa和Ivanov等人的方法,分析了伊拉克西部山谷潛在蒸散發(fā)的時空變化。

        本文在構(gòu)建MODIS、GLDAS、DEM多源遙感數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,基于Priesdey-Taylor潛在蒸散發(fā)量計算模型,對鄂爾多斯市2001-2012年的潛在蒸散發(fā)量進行計算,并對計算結(jié)果進行時空變化分析。

        1 基于多源數(shù)據(jù)的Priestley-Taylor潛在蒸散發(fā)量計算模型

        1.1 Priestley-Taylor潛在蒸散發(fā)量計算模型

        Priestley-Taylor模型[8]是在地表能量平衡過程基礎(chǔ)上引入系數(shù),從而推導無平流條件下潛在蒸散發(fā)的模型。跟彭曼模型[9]相比Priestley-Taylor模型輸入?yún)?shù)更少,且不需要空氣動力等參數(shù)。Priestley-Taylor模型的計算公式為式中:ETp為潛在蒸散發(fā)量,mm;α為Priestley-Taylor模型系數(shù);Rn為地表凈輻射量,W/m2;G為土壤熱通量,W/m2;λ為汽化潛熱,MJ/kg,取2.45;Δ為飽和水汽壓—溫度曲線的斜率,kPa/℃;γ為干濕表常數(shù),kPa/℃。

        本文取MODIS衛(wèi)星過境時刻的地表凈輻射量為計算點,表達式為

        Rn=(1-α)Rs+R1↓-R1↑(2)式中:Rs為太陽短波輻射能量W/m2 ;R1↓為地表吸收的大氣長波輻射能量;R1↑ 為地表發(fā)射的長波輻射能量。

        Rs的計算公式為

        τ=0.75+2×10-5H(4)

        θz=cos(sinφsinδ+cosφcosδcosω)(5)式中:I0為太陽常數(shù);τ為大氣透射率;θz為太陽天頂角,rad;R為日地距離訂正因子;H為海拔,m,由DEM獲得;φ為地理緯度,rad;δ為太陽赤度,rad;ω為太陽時角,rad。

        δ、ω的表達式分別為式中:ψ為太陽日角rad ;DOY為計算日期在當年內(nèi)天數(shù)的排序;t為計算的時刻;lm為計算點的經(jīng)度,rad;lz為當?shù)貢r區(qū)中心經(jīng)度,rad;Sc為太陽時的季節(jié)矯正。

        太陽赤度和太陽時的季節(jié)矯正由下式估算[10]:f(ψ)=0.0069-0.4cosψ+0.07sinψ-0.0068cos 2ψ+0.0009sin 2ψ-0.0027cos 3ψ+0.0015 sin 3ψ(8)

        R1↓-R↑可表示為

        R1↓-R↑=δεaεsTa4-δεsTs4(10)

        εa=9.2×10-6Ta2(11)

        εs=0.273+1.778ε31-1.807ε31ε32-

        1.037ε32+1.774ε322(12)式中:δ為常數(shù),取值為5.67×10-8W/(m2·K4);εa為大氣發(fā)射率;εs為地表發(fā)射率;Ta為氣溫,℃;Ts為地表溫度,℃;ε31、ε32分別為MODIS第31、32波段的發(fā)射率[11]。

        土壤熱通量不能用遙感衛(wèi)星進行檢測,可以通過植被覆蓋度與地表凈輻射之間的關(guān)系進行度量:

        G=Rn[Гc+(1-fc)(Гa-Гc)](13)

        fc=(NDVI-NDVlsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

        (14)式中:fc為植被覆蓋度;Гs為全部裸地情況下土壤熱通量與地表凈輻射量的比值,取0.315;Гc為植被完全覆蓋區(qū)土壤熱通量與地表凈輻射量的比值,取0.05;NDVI為歸一化植被指數(shù);NDVIsoil為裸土區(qū)的歸一化植被指數(shù)[12]; NDVIveg為植被覆蓋區(qū)的歸一化植被指數(shù)。

        干濕表常數(shù)γ的計算式為式中:Cp為空氣定壓比熱,MJ·kg/℃,取值為1.013×10-3;Pr為大氣壓,kPa/℃;ε為水汽化學式量與干空氣化學式量之比。

        飽和水汽壓—溫度曲線斜率△可表示為式中:trise為日出時間;tset為日落時間;t為計算潛在蒸散發(fā)量對應的時間;ETp_max為一天內(nèi)最大潛在蒸散發(fā)量,mm。

        1.2 MODIS、GLDAS、DEM多源數(shù)據(jù)

        針對研究區(qū)域氣象資料獲取不全面的情況,本文采用MODIS、GLDAS、DEM多源數(shù)據(jù)作為模型基礎(chǔ)參數(shù)。

        (1)MODIS數(shù)據(jù)。MOD11Al是1d合成的空間分辨率為1000m的地表溫度和地表發(fā)射率產(chǎn)品。MOD13A2是16d合成的空間分辨率為1000m的植被指數(shù)產(chǎn)品,包括植被指數(shù)(NDVI)和增強性植被指數(shù)(EVI),本文采用植被指數(shù)NDVI。MCD43B3為8d時間分辨率、1000m空間分辨率數(shù)據(jù),提供地表反照率數(shù)據(jù)。

        (2)GLDAS氣溫數(shù)據(jù)及預處理。在計算地表吸收的長波輻射時,需要大氣溫度數(shù)據(jù),本研究采用GLDAS提供的0.25°×0.25°空間分辨率、3h時間分辨率的遙感數(shù)據(jù)。本研究空間分辨率統(tǒng)一為0.01°×0.01°,因此需要對大氣溫度的0.25°×0.25°數(shù)據(jù)進行降尺度處理。

        由于大氣溫度降尺度插值處理精度跟當?shù)氐暮0胃叨鹊纫蛩叵嚓P(guān),因此在插值處理前要先對大氣溫度進行基于海拔的還原操作,即將大氣溫度還原到海平面對應的大氣溫度,然后再進行線性插值操作,得到對應的0.01°×0.01°大氣溫度數(shù)據(jù),最后根據(jù)逆運算得到正常海拔高度下的氣溫數(shù)據(jù)。計算公式為

        Tair'=Tair+mH(19)式中:Tair'為對應的海平面大氣溫度數(shù)據(jù);Tair為原始大氣溫度數(shù)據(jù);m為濕絕熱直減率,取0.6℃/100m。

        (3)DEM地面高程數(shù)據(jù)。DEM數(shù)字高程采用地理空間數(shù)據(jù)云提供的90m分辨率數(shù)據(jù)。在ENVI平臺中對其進行重采樣操作,獲得0.01°×0.01°空間分辨率、WGS-84坐標系格式的DEM數(shù)據(jù)。

        2 實例應用

        2.1 研究區(qū)概況

        鄂爾多斯市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部,地處鄂爾多斯高原腹地,與呼和浩特市、烏海市、阿拉善盟、包頭市等接壤,屬典型的溫帶大陸性氣候區(qū),日照豐富,四季分明,無霜期短,干旱少雨,蒸發(fā)量大。年日照時數(shù)為2716.4~3193.9h,境內(nèi)不同地區(qū)年均氣溫為5.3~8.7℃,全年氣溫日較差為11~15℃,年較差為45~50℃。東部地區(qū)年降水量為300~400mm,西部地區(qū)為190~350mm,全年降水集中在7-9月。蒸發(fā)量大,年蒸發(fā)能力為2000~3000mm。鄂爾多斯市行政區(qū)劃見圖1。

        2.2 鄂爾多斯市ETp計算結(jié)果

        在構(gòu)建多源遙感來源數(shù)據(jù)庫和基于Priestley-Taylor模型計算潛在蒸散發(fā)量的基礎(chǔ)上,對鄂爾多斯市2001-2012年逐日潛在蒸散發(fā)量進行模擬并進行累加,得到逐年潛在蒸散發(fā)影像(見圖2)。

        在沒有實測資料的情況下,由于水面蒸發(fā)量是對應區(qū)域充分灌水條件下的蒸發(fā)量,反映了當?shù)氐恼舭l(fā)能力,與潛在蒸散發(fā)有良好的相關(guān)性,因此本文采用ETp與水面蒸發(fā)量之間的相關(guān)性對ETp的計算結(jié)果進行精度驗證。選取杭錦旗建設(shè)灌域吉日嘎郎圖鎮(zhèn)試驗場蒸發(fā)皿監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析,該試驗場使用20cm口徑蒸發(fā)皿進行逐日水面蒸發(fā)監(jiān)測,驗證資料選取2006年3月至2008年10月的月蒸發(fā)量數(shù)據(jù)。20cm口徑蒸發(fā)皿與E601蒸發(fā)皿的折算系數(shù)采用鄂爾多斯市東勝氣象站(國家基準站)2000-2001年蒸發(fā)試驗得到的結(jié)果[13],取0.47。對于E601與真實水域的折算系數(shù),俄羅斯和美國的相關(guān)學者研究認為其值為0.90~0.91,我國沒有公認的研究結(jié)果,故本次研究選取0.90。因此,本次研究最終的蒸發(fā)皿折算系數(shù)取0.423。模擬得到的ETp與水面蒸發(fā)量的相關(guān)關(guān)系見圖3,模擬值與實測值的相關(guān)系數(shù)為0.9048,說明潛在蒸散發(fā)的模擬精度令人滿意。

        2.3 鄂爾多斯市ETp時間變化分析

        從2001-2012年年均ETp的變化(見圖4)可知:2001-2012年鄂爾多斯市潛在蒸散發(fā)量總體呈增長趨勢,增長速率約為8.26mm/a;ET的最小值(1057.81~)出現(xiàn)在2001年,最大值(1210.23mm)出現(xiàn)在2012年。本次研究的結(jié)果與劉昌明等[川對黃河流域潛在蒸散發(fā)的研究結(jié)果相符,說明基于多源遙感數(shù)據(jù)的Priestley-Taylor模型對鄂爾多斯市潛在蒸散發(fā)模擬效果較好。

        從月均潛在蒸散發(fā)變化情況(見圖5)可知:鄂爾多斯市潛在蒸散發(fā)量年內(nèi)大致呈正態(tài)分布;1月太陽輻射強度小,地表凈輻射量低,潛在蒸散發(fā)量為22.95mm,是全年最小值;隨著時間推移,地面接收的太陽短波輻射逐漸增強,同時隨著植被指數(shù)增大,地表能量吸收率增大,地面凈輻射量也隨之增大,7月潛在蒸散發(fā)量達到全年最大的170.44mm;5-8月的潛在蒸散發(fā)量占全年的55.56%。

        2.4 鄂爾多斯市ETp空間分布分析

        對2001-2012年多年平均ETp影像(見圖6)分析可知,鄂爾多斯市北部的庫布齊沙漠地表發(fā)射率和地表反射率都比較大并且降水量小,因此其地表凈輻射量較小,導致其處于整個研究區(qū)域潛在蒸散發(fā)量的低值區(qū),多年平均潛在蒸散發(fā)量只有800mm。同時,鄂爾多斯高原西部屬于半荒漠草原地帶,地勢平坦,起伏不大,氣候比較干旱且降雨稀少,因此該區(qū)域也處于潛在蒸散發(fā)量的低值區(qū)。中部毛烏素沙地由于地下水蘊藏條件較好,地表發(fā)射的短波輻射相對較少,同時毛烏素沙地有零星草地分布,地表對太陽輻射的短波輻射吸收較多,故潛在蒸散發(fā)相對庫布齊沙漠大,為1000~1200mm,屬于中值區(qū)。北部沿黃灌區(qū)有較好的灌溉條件,地下水埋深較淺,地表凈輻射量較大,因此潛在蒸散發(fā)量較大。東部準格爾旗大部分地區(qū)溝壑縱橫,河流分布廣泛,加上草地覆蓋較廣,因此其處于潛在蒸散發(fā)量的高值區(qū),最高達到1500mm,

        盧娜等[15]在利用地面實測蒸發(fā)量對SEBS(Surface Energy Balance System,地表能量平衡系統(tǒng))模型參數(shù)進行率定的基礎(chǔ)上,依據(jù)NOAA(NationalOceanic and Atmospheric Administration,美國國家海洋和大氣管理局)衛(wèi)星資料,對鄂爾多斯市北部盆地蒸散量進行模擬,研究顯示鄂爾多斯市北部地區(qū)蒸發(fā)量高值為1 500mm左右,與本次研究的結(jié)果基本相符。

        從鄂爾多斯市多年平均ETp的計算結(jié)果(見圖7)和鄂爾多斯市土地利用現(xiàn)狀可知,鄂爾多斯市草地、沙漠、耕地面積占比大,其潛在蒸散發(fā)量分別占總量的50.62%、34.58%、14.35%,其他土地利用類型占比過小,占總量的比例不超過1%。

        3 結(jié)語

        (1)鄂爾多斯市2001-2012年潛在蒸散發(fā)量為1057.81~1210.23mm,由北向南呈增大趨勢。

        (2)鄂爾多斯市多年月均潛在蒸散發(fā)量大致呈正態(tài)分布。1月潛在蒸散發(fā)量為22.95mm,是全年最小值。7月潛在蒸散發(fā)量為170.44mm,為全年最大值。5-8月潛在蒸散發(fā)量占全年的55.56%。多年平均潛在蒸散發(fā)量西北地區(qū)較低,東南地區(qū)較高。

        (3)傳統(tǒng)的潛在蒸散發(fā)計算方法依托氣象站點數(shù)據(jù),只能代表某一個站點的潛在蒸散發(fā),而基于遙感數(shù)據(jù)的潛在蒸散發(fā)模型實現(xiàn)了從點到面的跨越,展現(xiàn)了遙感數(shù)據(jù)在長系列時間和大空間尺度地物信息監(jiān)測的優(yōu)勢。本次研究基于MODIS、GLDAS等多源遙感數(shù)據(jù)庫,依據(jù)Priestley-Taylor計算模型對鄂爾多斯市2001-2012年逐日潛在蒸散發(fā)進行模擬,取得了較好的模擬效果。

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