陸 婷，鄭江華,2

(1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830046；2. 綠洲生態(tài)教育部省部共建重點實驗室，烏魯木齊 830046)

蒸散(Evapotranspiration，ET)包括地表的水分蒸發(fā)和植被的散發(fā)，其作為地表水量和熱量平衡的重要參量，其過程的研究有利于深入認識陸面過程[1,2]，在水資源合理分配利用和保護水資源平衡方面也有重要的應用價值[3,4]。從20世紀60年代起，遙感技術[5]的廣泛應用使得許多蒸散遙感反演模型產生，其中，SEBS(Surface Energy Balance System)模型是荷蘭籍華人蘇中波提出的[6]遙感蒸散單層模型，其物理概念更明確，通量估算精度較高，近年來國內外都有著廣泛的應用[7]。例如何延波等[8]使用改進的SEBS模型，利用MODIS數據估算黃淮海地區(qū)地表能量通量。宋文獻等[9]基于SEBS模型,使用NOAA/AVHRR數據,估算老哈河流域實際日蒸散發(fā)量,并驗證表明了SEBS模型在老哈河流域的適用性。拉巴等[10]使用MODIS遙感數據，基于SEBS模型估算藏北那曲蒸散量并分析了蒸散量與氣象因子、NDVI之間的關系。吳雪嬌等[11]基于SEBS模型，使用MODIS/Terra數據，結合WRF模式輸出的氣候驅動數據估算了黑河中游地區(qū)的地表通量和日蒸散發(fā)并用渦動相關儀觀測數據進行了驗證。李琴等[12]利用SEBS模型反演了中亞5國和新疆區(qū)域的逐日實際蒸散發(fā)量。但這些研究其研究區(qū)域較大, 且使用較低空間分辨率的遙感影像, 少有涉及縣域的遙感蒸散估算。目前已有研究對縣域蒸散發(fā)遙感反演進行了研究，如姜紅等[13]基于MODIS影像，根據SEBS模型生成奇臺縣符合實際的蒸散發(fā)量區(qū)域分布圖。張圓等[14]使用Landsat8數據利用SEBS模型分析了呼圖壁縣蒸散量時空格局，同年，使用多尺度遙感方法，利用SEBS模型計算呼圖壁縣域蒸散量[15]。由于水土流失與土壤退化日趨嚴重，影響了經濟社會的可持續(xù)發(fā)展，本文在已有研究的基礎上，通過較短時間序列數據獲取可視化的蒸散量空間分布，快速得到研究區(qū)水分消耗的空間分布及變化趨勢，即利用2013-2015年4-8月Landsat 8數據獲取呼圖壁縣域蒸散發(fā)量的空間分布，以期監(jiān)測呼圖壁縣域蒸散發(fā)的時空變化規(guī)律，對于縣域水資源合理分配管理以及防治水土流失保持水土方面都具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

呼圖壁縣地處歐亞大陸腹地，新疆維吾爾自治區(qū)的中北部，天山北麓中段，準噶爾盆地南緣，位于86°05′-87°08′E、43°07′-45°20′N?？h域內主要有呼圖壁河、軍塘湖河兩大水系。地勢南高北低，自東南向西北傾斜。南部天山山區(qū)，平均海拔在2 400 m左右；中部為沖積平原，主要為呼圖壁縣農作物種植區(qū)，平均海拔580 m；北部沙漠屬古爾班通古特沙漠，海拔在360～460 m之間。年最高氣溫為36.0～43.1 ℃，日照時數2 900 h，年降水量為110～400 mm，蒸發(fā)量2 300 mm, 年均風速3.1 m/s[16]。

1.2 材 料

本文使用ILWIS(Integrated Land and Water Information System)軟件中SEBS模塊估算蒸散發(fā)，根據該模塊的需要,輸入的參數包括遙感和氣象參數，遙感參數為：地理空間數據云網站(http:∥www.gscloud.cn/)中ASTERMDEM高程以及2013-2015年4-8月的Landsat 8影像提取的地表參數，包括地表溫度(K)、比輻射率、反射率、NDVI；氣象參數由研究區(qū)內及其周圍氣象站點的氣象數據結合DEM使用ANUSplin軟件空間插值得到，插值所需的氣象數據，來源于中國氣象科學共享網 (http:∥data.cma.cn/)。SEBS模型所輸入數據詳見表1。

表1 SEBS模型輸入數據Tab.1 The input parameters for SEBS

1.3 研究方法

1.3.1 SEBS模型原理

SEBS模型是基于地表能量平衡原理的模型，其在任意時刻為：

Rn=G0+H+λE

(1)

式中：Rn為地表獲得的凈太陽輻射通量，w/rn2；G0為土壤熱通量，w/m2；λE為潛熱通量，w/rn2；λ為水的氣化熱，為常數2.49×106J/kg；E是蒸散率，kg/(m2·s)；H為感熱通量，w/m2，又稱顯熱通量。當計算式(1)中Rn、G0、H等后，可利用余項法得到潛熱通量λE[17-21]。

(1)SEBS模型中，凈福射通量計算公式如下：

(2)

式中：α表示地表反照率；Rswd和Rlwd分別表示太陽下行輻射和下行長波輻射；ε為地表比福射率；σ為常數；T0表示地表溫度。

(2)土壤熱通量計算公式如下：

G=Rn[Γc+(Γs-Γc)(1-fc)]

(3)

式中：Гc為植被覆蓋比例系數；Гs為裸土比例系數；fc表示植被覆蓋度。

(3)根據大氣邊界層相似理論，感熱通量在大氣近地面層間中有：

(4)

(5)

(6)

式中:z為參考高度;u和u*分別為風速和摩擦風速；d0為零平面位移高度；z0m為動力學粗糙長度；z0h為地表熱傳輸粗糙長度；Ψm為動力學傳輸的穩(wěn)定度訂正函數；Ψh為熱力學傳輸的穩(wěn)定度訂正函數；θ0和θa分別為觀測面和參考面高度的虛溫；L為莫寧霍夫長度；H為感熱通量；k為卡爾曼常數；ρ為空氣密度；Cp為空氣的熱容；θv為近地表的位溫；g為重力加速度。

1.3.2 研究方案

本文使用Landsat 8衛(wèi)星影像反演包括地表溫度、地表反照率、NDVI、植被覆蓋度等一系列地表參數，結合地面觀測的氣溫、日照時數、 風速、本站氣壓等氣象資料，以及ASTGTM2 DEM 高程，導入ILWIS軟件中得到呼圖壁縣蒸散發(fā)的分布結果，具體流程如圖1。

2 結果分析

2.1 呼圖壁蒸散量時空變化格局

圖2是2013-2015年呼圖壁縣4-8月的單日蒸散量，結合圖3呼圖壁3種土地利用類型的蒸散量可知呼圖壁蒸散量時空變化特征。

圖1 SEBS模型計算蒸散量流程圖Fig.1 Evapotranspiration calculation based on SEBS mode

圖2 呼圖壁縣單日蒸散量分布圖Fig.2 Distribution of daily evapotranspiration in Hutubi

圖3 呼圖壁3種土地利用類型的蒸散量Fig.3 Evapotranspiration of 3 land use types in Hutubi

從空間上看，呼圖壁縣蒸散量呈南部山區(qū)蒸散發(fā)最大，中部平原蒸散發(fā)次之，北部荒漠蒸散發(fā)最小的空間趨勢。呼圖壁北部荒漠地區(qū)蒸散發(fā)值年內變化不明顯，蒸散量較低；中部平原地區(qū)，農田分布廣泛，受農耕影響大，蒸散量隨植被生長變化明顯，4月植被剛開始萌芽時蒸散量較小。5-6月植被生長旺盛，蒸散量較4月有較大幅度的升高。7月開始，受氣溫等氣象因子影響，蒸散量開始降低；呼圖壁南部以山區(qū)為主，山地分布的林地以及草地是蒸散量較大的主要原因。

從時間上看，如圖4所示，呼圖壁河縣域年內單日蒸散量呈現單峰型分布趨勢，蒸散量在4-6月由于氣溫回升，降雨充足，呈逐月上升的趨勢，7-8月降雨減少，呈現下降趨勢。2013年6月呼圖壁縣單日蒸散量為15個月中的最大值，為4.806 mm。2015年4月單日蒸散發(fā)最小，為2.176 mm。2013年到2015年呼圖壁縣域總體蒸散發(fā)具有減小的趨勢，4月日蒸散量在0.92～5.2 mm范圍內波動，蒸散量平均值在2.1～2.7 mm，呈逐年降低的趨勢；5月日蒸散量在1.08～7.27 mm范圍內波動，蒸散量平均值在2.2～3.1 mm；6月日蒸散量在1.7～9.45 mm范圍內波動，其平均值變化最大，蒸散量平均值在3.05～4.8 mm；7月日蒸散量在2.05～8.7 mm 范圍內波動，蒸散量平均值在3.6～4.3 mm之間；8月日蒸散量在1.9～8.05 mm 范圍內波動，平均值變化最小，蒸散量平均值在 3～3.5 mm，總體來看，4-7月蒸散量呈逐年降低的趨勢，8月蒸散量逐年上升，其主要原因是，2014年春季氣溫較2013年偏低，夏季降雨量少于2013年[22]，水分供給不足，蒸發(fā)能力弱于2013年，2014年8月氣溫降水與2013年同水平，但風速高于2013年，因而8月蒸散量2014年高于2013年；2015年由于寒潮影響，氣溫回升較2014年晚，且降雨量較2014年稍低，蒸發(fā)能力較2014年稍弱，但8月降雨量高于2014年，因此8月蒸散量2015年高于2014年。

圖4 呼圖壁單日蒸散發(fā)的平均值、最值、標準差Fig.4 Average value, minimum value and standard deviation of daily evapotranspiration in Hutubi

2.2 蒸散發(fā)計算結果驗證

用于SEBS模型蒸散發(fā)結果精度驗證的數據是中國氣象科學共享網的呼圖壁氣象站(44°4′48″N，86°29′24″E) 2013-2015年4-8月的氣象觀測數據。

蒸發(fā)皿的水面蒸發(fā)可認為是實際蒸散發(fā)的上限，若遙感估算的蒸散發(fā)高于蒸發(fā)皿的水面蒸發(fā)，則結果不合理[14]，將蒸發(fā)皿水面蒸散量值與呼圖壁遙感蒸散量分布圖的最大值進行比較，由表2看出遙感估算的蒸散發(fā)量最大值都低于蒸發(fā)皿觀測值。

表2 蒸散發(fā)計算結果及最大值對比 mm

彭曼公式在確定作物需水量方面有重要意義，在驗證遙感估算蒸散發(fā)方面應用廣泛。一般情況下，蒸發(fā)皿觀測的蒸散量值最大，其次是彭曼方法計算的蒸散量值。彭曼方法計算的蒸散量是不受土壤水分約束情況下的陸面蒸散量, 可看作陸面蒸散潛力[23]。在干旱半干旱地區(qū)，陸面的水分條件受土壤水分的約束較大，實際的蒸發(fā)值要明顯比彭曼法估算的蒸散量低。因此本文使用彭曼公式計算的結果作為參照。由表2可以看出，Landsat8影像估算出的蒸散發(fā)結果變化與參考值變化類似，可認為SEBS模型計算的呼圖壁縣蒸散量基本符合實際。

3 結 語

(1)本文使用SEBS蒸散發(fā)反演模型，結合Landsat 8和氣象數據，對呼圖壁縣2013-2015年4-8月份蒸散量進行計算，并利用彭曼公式計算結果作為參照，其結果表明SEBS 模型能夠較好地估算呼圖壁縣地表蒸散發(fā)量。

(2)呼圖壁縣蒸散發(fā)的時空分布，從時間上看，呼圖壁河流域2013-2015年4-8月的單日蒸散量年內變化以單峰型形式呈現。呼圖壁單日蒸散量年內變化在4-6月呈逐月上升趨勢，7-8月呈現下降趨勢。2013-2015年呼圖壁蒸散發(fā)呈現總體減小的趨勢，水分收支逐年不平衡，有向干旱缺水方向發(fā)展的趨勢?？臻g分布上，呼圖壁縣蒸散量基本呈北部荒漠蒸散發(fā)<中部平原蒸散發(fā)<南部山區(qū)蒸散發(fā)的空間趨勢。整體上植被覆蓋較多地區(qū)蒸散量普遍高于植被覆蓋較少地區(qū)。

(3)本文使用了2013-2015年同時段的遙感影像來獲取可視化的蒸散量空間分布及其變化趨勢，得到呼圖壁縣域2013-2015年水分消耗的變化趨勢，即4-7月蒸散量呈逐年降低的趨勢，8月蒸散量逐年上升。4-7月是農作物的生長期，所需水分較多，可在此時段適當加大灌溉量，保證農作物正常生長；8月之后農作物漸漸進入收獲期，此時可適當降低灌溉量，方便收獲農作物。通過較短時間序列數據獲取可視化的蒸散量空間分布，可快速得到呼圖壁縣域水分消耗的空間分布及變化趨勢，以便及時調節(jié)灌溉量，為農業(yè)節(jié)水以及發(fā)展精準農業(yè)提供基礎依據，防止自然和人為因素導致的水土流失，有利于水土保持。

(4)本文對模型的結果驗證方面使用FAO-PM方法，此方法是目前計算蒸散發(fā)公認的較好的方法，但其僅應用氣象資料進行計算，方法本身存在誤差，其檢驗結果的說服力不如實測數據。今后實驗條件允許時，會使用蒸滲儀等相關蒸散測量儀器進行實地觀測，進一步驗證模型的計算精度。