遼河三角洲地表蒸發(fā)量遙感估算

王 雪

（遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116029）

目前，水資源問(wèn)題已成為人類面臨的最重要的自然資源問(wèn)題之一，而幾乎所有的水資源問(wèn)題都離不水循環(huán)過(guò)程的研究.蒸發(fā)是水資源狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化中的重要環(huán)節(jié)，陸地上一年的降水約66%通過(guò)蒸散發(fā)返回大氣[9].廣義的蒸發(fā)包括水面蒸發(fā)、地表蒸發(fā)和植物的蒸騰.地表蒸發(fā)過(guò)程受輻射、溫度、降水、風(fēng)速等氣象因素和植被覆蓋、土壤濕度、地形地貌等地表因素的共同影響.區(qū)域地表蒸發(fā)量的估計(jì)一直是學(xué)術(shù)界重點(diǎn)關(guān)注的研究焦點(diǎn)之一.在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，主要的熱交換方式就是地表和大氣之間的水交換，而以氣象站蒸發(fā)皿資料求得結(jié)果代表區(qū)域蒸發(fā)量的方法越來(lái)越難以符合實(shí)際要求，合理準(zhǔn)確地估算地表蒸發(fā)量，對(duì)水循環(huán)、水資源、水生態(tài)研究以及科學(xué)管理均具有重要意義.自1802年Dalton提出著名的Dalton蒸發(fā)定律以來(lái),關(guān)于蒸發(fā)量估算問(wèn)題的研究就沒(méi)有間斷過(guò).國(guó)際上對(duì)于蒸發(fā)量的研究已有200多年的歷史,人們投入大量的精力來(lái)研究蒸發(fā)的理論、測(cè)定、計(jì)算等問(wèn)題,取得了大量成果,但都是基于預(yù)測(cè)點(diǎn)和模擬的結(jié)果.到了20世紀(jì)后期,隨著遙感技術(shù)和GIS技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的學(xué)者投入到這方面的研究，至今已取得大量大范圍全覆蓋、精度更高的研究成果.

1 研究區(qū)概述與數(shù)據(jù)資料

遼河三角洲位于遼寧省西南部遼河平原南端，由三角洲平原、河口灣及其毗鄰的遼東灣淺海組成，介于東經(jīng)121°25′～122°31′，北緯 40°39′～41°27′之間，是我國(guó)七大江河三角洲之一.在行政區(qū)劃上包括絕盤(pán)錦市大部分地區(qū)、營(yíng)口市和錦州市部分地區(qū).其中盤(pán)錦市位于遼河三角洲的核心地帶，是遼河三角洲的主體地區(qū).本文為研究方便，以盤(pán)錦市域作為遼河三角洲的研究區(qū).本區(qū)域?qū)儆谕撕Ｆ皆Y源豐富，風(fēng)景秀美.地勢(shì)平坦,地面高程小于7m,海岸地帶地勢(shì)低洼.區(qū)內(nèi)共有大小河流21條,其中較大的是遼河、大遼河、繞陽(yáng)河、大凌河,平原河曲發(fā)育,遍布各種自然、人工濕地.本區(qū)海岸線長(zhǎng)118km,有泥質(zhì)灘涂604km2,淺海水域分布著蛤蜊崗、黃沙崗等眾多水下沙洲.域內(nèi)的雙臺(tái)河口國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)是全國(guó)最大的濕地自然保護(hù)區(qū)，其獨(dú)特的地理環(huán)境，孕育了風(fēng)光旖旎的濕地景觀.這里有一望無(wú)際的紅海灘，世界最大的蘆葦海以及各種珍稀鳥(niǎo)類，始終如一的原始自然風(fēng)貌使盤(pán)錦市獲得了“國(guó)家級(jí)生態(tài)示范區(qū)”的美譽(yù).本區(qū)域氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶园霛駶?rùn)季風(fēng)氣候，溫度適宜，降水豐富，年平均溫度為8.5℃，年降水量650毫米.盤(pán)錦市是我國(guó)重要的蘆葦、糧食、石油生產(chǎn)基地，遼河油田是我國(guó)第三大油田,在地區(qū)經(jīng)濟(jì)中也起著支柱作用.

2 基本原理與方法

目前，許多學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)建立起了一系列的遙感蒸發(fā)計(jì)算模型，如 SEBAL模型【14—15】、SEBS模型【20—21】等.這些遙感模型雖然在參數(shù)的處理方面各有千秋，但基本原理都是根據(jù)能量平衡原理來(lái)計(jì)算.SEBS模型是由荷蘭學(xué)者蘇中波等提出用來(lái)估計(jì)大氣的湍流通量和蒸發(fā)比，SEBS應(yīng)用對(duì)地觀測(cè)的可見(jiàn)光、近紅外和熱紅外波段資料以及觀測(cè)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行地表蒸發(fā)量估算.盡管該模型發(fā)展相對(duì)較晚，但多采用固定值的方法使之優(yōu)于其他方案，因而近兩年在國(guó)內(nèi)外都獲得了較廣泛應(yīng)用.

SEBS模型是根據(jù)表面能量平衡原理估算不同尺度的地表能量通量及地表相對(duì)蒸發(fā)的方法.其理論基礎(chǔ)是地表能量平衡方程，即凈輻射在地表感熱、潛熱和土壤熱通量之間保持平衡，任意時(shí)刻的地表能量平衡如下：

（1）式經(jīng)變換后可得：

式中Rn為凈輻射通量，G0為土壤熱通量，H為湍流顯熱通量，λE為湍流潛熱通量（地表蒸發(fā)所用能量）.

因此,只要分別求得了地表凈輻射通量Rn,土壤熱通量G0和感熱通量H,便可以計(jì)算出潛熱通量λE.利用(2)式獲得潛熱通量的方法稱之為余項(xiàng)法[14～18],但在SEBS模型中,潛熱通量是采用比值法求得的.

凈輻射通量Rn是地表能量、物質(zhì)輸送與交換過(guò)程的原動(dòng)力,是氣候形成及氣候變化的主要因素.因而,地表得到的凈輻射是各種熱量交換的基礎(chǔ).地表凈輻射可用如下公式表達(dá):

式中α是反射率，Rswd，Rlwd分別為下行太陽(yáng)輻射和長(zhǎng)波輻射，ε為地表比輻射率，δ為Stefan-Bolzmann常數(shù)，T0為地表溫度.這些有關(guān)參數(shù)均可從遙感數(shù)據(jù)中獲得.

SEBS遙感模型要求輸入的地面氣象觀測(cè)要素主要有氣象站高程、海平面氣壓、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水等，遙感資料選取美國(guó)NOAA衛(wèi)星的AVHRR資料，數(shù)據(jù)共有五個(gè)通道，Ch1、Ch2為可見(jiàn)光和近紅外通道，Ch3、Ch4、Ch5為中紅外和兩個(gè)熱紅外通道，本文選取遼河三角洲2010年1、4、7、10四個(gè)月相關(guān)資料作為研究數(shù)據(jù).

土壤熱通量G0也稱為土壤的熱交換量.它取決于地表特征(地面植被覆蓋率)和土壤含水量等,土壤熱通量在能量平衡方程中的比重較小，一般可通過(guò)它與凈輻射(Rn)的關(guān)系來(lái)確定,即進(jìn)入土壤熱通量可近似表示為Rn的函數(shù)：

式中:在地表全部被植被覆蓋時(shí)，G0與Rn的比值Γc=0.05(Monteith,1973)，而裸土?xí)r，Γs=0.315(KustasandDaughtry,1989).引入植被覆蓋率fc來(lái)描述植被的不同覆蓋程度.可通過(guò)遙感影像確定.

3 結(jié)果分析與討論

2010年遼河流域蒸發(fā)量見(jiàn)圖1.

圖1 2010年遼河流域蒸發(fā)量

A圖為春季，4月份總體特征為陸地部分的蒸發(fā)量偏高，海洋部分的蒸發(fā)量偏低.此時(shí)溫度轉(zhuǎn)暖，大部分積雪開(kāi)始融化，農(nóng)作物開(kāi)始生長(zhǎng)，由于水平充足，森林植被蒸騰、蒸發(fā)量較大.B圖對(duì)應(yīng)盛夏，流域總體特征為陸地和海域部分的蒸發(fā)量最高.此時(shí)是農(nóng)作物生長(zhǎng)的旺盛季節(jié)，蒸散量最高.由于夏季時(shí)節(jié)的氣溫高于全年其他季節(jié)，夏季海洋蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全年的其他時(shí)期.C圖為秋季，此時(shí)植被的生長(zhǎng)已經(jīng)趨于緩慢，整個(gè)遼河三角洲流域的蒸發(fā)量較7月份都有很大的回落.而海岸線一帶大部分海域的蒸發(fā)量偏低，主要是因?yàn)檫|東灣出現(xiàn)海冰所致.D圖對(duì)應(yīng)嚴(yán)冬，由于天氣寒冷，溫度較低，部分區(qū)域被雪覆蓋，整個(gè)流域的蒸發(fā)量為全年最低，，其中海域部分蒸發(fā)量極低.通過(guò)不同月份蒸發(fā)量的對(duì)比，可以在一定程度上反映整個(gè)遼河三角洲流域蒸發(fā)量的變化.從整體看，夏季蒸發(fā)量最高，冬季蒸發(fā)量最低.遼河三角洲陸地部分與海域部分蒸發(fā)量也存在明顯差異.陸地區(qū)域受人類活動(dòng)影響，與植被的生長(zhǎng)情況有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，海域部分隨著溫度的變化而變化，海域區(qū)域蒸發(fā)量整體小于陸地區(qū)域蒸發(fā)量.

4 結(jié)語(yǔ)

遼河三角洲地理位置優(yōu)越，資源豐富.研究此區(qū)域蒸發(fā)量，對(duì)制定遼河三角洲水資源的利用方案具有重要意義.SEBS方法在利用遙感信息獲取空氣阻力、表面阻力和土壤熱通量等方面有較大的優(yōu)點(diǎn)，NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率高，可以免費(fèi)獲得，使蒸發(fā)量的遙感估算具有很好的應(yīng)用前景.將SEBS模型應(yīng)用在遼河三角洲流域，結(jié)合NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)和氣象觀測(cè)資料，估算了遼河三角洲流域夏秋冬各個(gè)季節(jié)的蒸發(fā)量，可以在一定程度上反應(yīng)出遼河三角洲流域蒸發(fā)量隨季節(jié)的變化的特征.春季蒸發(fā)量較低，夏季蒸發(fā)量最高，秋季蒸發(fā)量有很大的回落，冬季蒸發(fā)量最低.整個(gè)流域陸地部分和海域部分也有很大的差異，受植被、溫度、人類活動(dòng)等因素影響，海域區(qū)域蒸發(fā)量整體小于陸地區(qū)域蒸發(fā)量.

利用遙感技術(shù)，結(jié)合氣象資料反演地表蒸發(fā)量是近幾年來(lái)的熱點(diǎn)研究問(wèn)題尤其是利用高時(shí)間分辨率的遙感影像將大大提高反演地表蒸發(fā)量的精度.

〔1〕楊永民，馮兆東，周劍.基于SEBS模型的黑河流域蒸散發(fā)[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（3）.

〔2〕宋文獻(xiàn)，江善虎，楊春生，王立明.基于SEBS模型的老哈河流域蒸散發(fā)研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2012（2）.

〔3〕肖篤寧.遼河三角洲的自然資源與區(qū)域開(kāi)發(fā)[J].自然資源學(xué)報(bào),1994（3）.

〔4〕蔣衛(wèi)國(guó)，李京，李加洪，謝志仁，王文杰.遼河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2005（4）.