干旱區(qū)黑河流域復(fù)雜地表蒸散量遙感研究

王偉紅　田輝

摘要在全球水資源日益匱乏的情況下，利用遙感技術(shù)估算區(qū)域蒸散量為合理利用和分配水資源提供了一種快捷有效的方法。目前基于地表能量平衡的衛(wèi)星遙感蒸散模型日益成熟，在這一背景下，充分利用以往在黑河地區(qū)開(kāi)展的遙感模擬研究成果，針對(duì)西北干旱區(qū)黑河流域復(fù)雜地形特點(diǎn)，估算了該流域2004年度的蒸散量并給出了在不同土地利用條件下蒸散分布的數(shù)量差異。結(jié)果表明，流域年蒸散總量估算值在整個(gè)流域及其上、中、下游各子區(qū)域上，基本滿足水文學(xué)區(qū)域水量平衡關(guān)系。同時(shí)應(yīng)該指出，在地表景觀分異強(qiáng)烈的地區(qū)，采用中分辨率遙感資料會(huì)對(duì)地表“混合像元”觀測(cè)存在“平均”作用導(dǎo)致蒸散量的低估。

關(guān)鍵詞黑河流域；復(fù)雜地表；遙感；蒸散

中圖分類號(hào)S127文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）04-01141-06

作者簡(jiǎn)介王偉紅（1968- ），男，河南漯河人，工程師，從事生態(tài)環(huán)境及大氣環(huán)境研究。

產(chǎn)生蒸散發(fā)（Evapotranspiration—ET）量所需的潛熱通量是地表能量平衡的組成部分，也是水量平衡的組成部分，而地面熱量、水分收支狀況很大程度上決定著天氣、氣候的變化，進(jìn)而決定著地理環(huán)境形成和演變。地表蒸散量作為衡量氣候環(huán)境變化的重要指標(biāo)，近年來(lái)隨著全球氣候環(huán)境變化特別是陸面過(guò)程研究的興起，迫切需要能夠滿足氣候環(huán)境研究需求的大尺度區(qū)域蒸散輸入資料。因此對(duì)于陸面蒸散發(fā)的研究，一直是國(guó)內(nèi)外地學(xué)、水文學(xué)特別是干旱區(qū)研究關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一[1]。我國(guó)的西北干旱區(qū)是全球最典型的干旱地區(qū)之一，該區(qū)的可用地表和地下水資源主要消耗于農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)，水資源供需矛盾十分突出。在該地區(qū)降水基本不變的背景下，隨著人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，工農(nóng)業(yè)用水和城鎮(zhèn)生活用水迅速增加，特別是農(nóng)業(yè)等用水的粗放使用，使本已緊張的水資源更加入不敷出。以研究區(qū)黑河流域?yàn)槔?，水資源的嚴(yán)重短缺引發(fā)了這一地區(qū)一系列的生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，有限的水資源迫使人類的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活動(dòng)主要局限于祁連山前綠洲地帶。該區(qū)水資源時(shí)空分布極其不平衡，加之長(zhǎng)期以來(lái)粗放的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和水資源利用效率低下，浪費(fèi)和不合理開(kāi)發(fā)利用的現(xiàn)象十分普遍，全流域又缺乏統(tǒng)一的水資源管理和合理規(guī)劃，中游和下游用水矛盾尖銳[2-3]。

人們基于地面氣象、水文站點(diǎn)的觀測(cè)資料，從能量平衡的物理機(jī)制和植物生理機(jī)制出發(fā)，建立了一系列經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)的和物理的計(jì)算模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇硎荍ackson等提出的簡(jiǎn)化法（Simplified Method），分別利用當(dāng)?shù)貢r(shí)間13：00的表面輻射溫度和氣溫，經(jīng)驗(yàn)地?cái)M合出局地水熱通量和遙感參量間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系并推廣到區(qū)域尺度上[4]。經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系受局地因子影響很大，其應(yīng)用受到很大限制[5-7]。Nemani等發(fā)現(xiàn)在植被指數(shù)和地表溫度的二維散點(diǎn)圖上，呈現(xiàn)近似三角形的空間紋理關(guān)系，并且兩變量間存在較好的相關(guān)性[8]。半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠眠@種空間紋理關(guān)系，同時(shí)利用經(jīng)驗(yàn)方法獲取計(jì)算中的有關(guān)參數(shù)，簡(jiǎn)化地獲得地表蒸散發(fā)量。基于對(duì)植被指數(shù)-地表溫度散點(diǎn)圖的不同認(rèn)識(shí)和處理，遙感蒸散發(fā)量的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕刑菪文Ｐ秃腿切文Ｐ蚚9-13]。遙感蒸散發(fā)量的物理模型可簡(jiǎn)單分為單源模型、雙源模型和熱慣量模型。單源模型假定植被均勻分布在地表面上，將土壤和植被看作一個(gè)整體[14-19]，雙源模型把土壤和植被冠層分離，分別計(jì)算它們與大氣之間的感熱和潛熱交換[20-23]。遙感蒸散的熱慣量模型利用地表對(duì)吸收輻射的響應(yīng)特性計(jì)算地表熱通量，計(jì)算過(guò)程不依賴氣溫和風(fēng)速等非遙感信息，適于在氣象資料缺乏的地區(qū)開(kāi)展應(yīng)用[24-25]。此外，還有各種基于能量平衡原理的彭曼類模型[26-28]和基于互補(bǔ)關(guān)系原理的遙感蒸散互補(bǔ)模型[29-30]。從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，中日合作在我國(guó)西部的黑河地區(qū)開(kāi)展了大規(guī)模的地-氣相互作用試驗(yàn)研究即著名的“黑河試驗(yàn)”，先后進(jìn)行了地表特征參數(shù)衛(wèi)星遙感反演研究以及地表能量通量衛(wèi)星遙感試驗(yàn)研究，建立了適用于黑河試驗(yàn)區(qū)的衛(wèi)星遙感參數(shù)化方案[31-35]，為該地區(qū)進(jìn)一步開(kāi)展蒸散遙感研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨后在該地區(qū)進(jìn)行的“AECMP”95 和 “金塔試驗(yàn)”以及在西北干旱區(qū)其他地區(qū)進(jìn)行的“敦煌試驗(yàn)”等地面觀測(cè)研究，也提供了遙感模型所需的很多地面輸入?yún)?shù)，使衛(wèi)星遙感地表特征參數(shù)和能量平衡的技術(shù)手段得到進(jìn)一步發(fā)展和充分應(yīng)用[36-43]。

盡管前人對(duì)包括黑河地區(qū)在內(nèi)的我國(guó)西北干旱區(qū)地表特征參數(shù)和能量平衡過(guò)程進(jìn)行了詳盡研究，但是對(duì)于該地區(qū)特別是內(nèi)陸河黑河流域蒸散發(fā)量的時(shí)空變化研究尚不充分，已有研究還不能夠?yàn)樵摰貐^(qū)水資源管理和科學(xué)決策提供宏觀定量的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)。以往在黑河地區(qū)進(jìn)行的諸多地面觀測(cè)試驗(yàn)和遙感模擬研究主要并不是針對(duì)蒸散發(fā)過(guò)程，因而一般僅僅給出個(gè)別衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻的瞬時(shí)潛熱通量空間分布，時(shí)間分布上過(guò)于稀疏離散，不便于分析較長(zhǎng)時(shí)間如年度內(nèi)持續(xù)變化的特征；另一方面，以往在該地區(qū)開(kāi)展的歷次野外觀測(cè)試驗(yàn)，由于技術(shù)條件限制，對(duì)于黑河流域地形的起伏多變，景觀格局的分異特征，模擬研究中考慮尚顯不足。筆者將針對(duì)上述不足，將目標(biāo)定位于黑河全流域尺度，不同地形和景觀條件下，較長(zhǎng)時(shí)間周期即2004年度蒸散發(fā)總量的定量遙感估算研究，為快速及時(shí)地監(jiān)測(cè)該地區(qū)水資源利用和干旱發(fā)展?fàn)顩r提供一種簡(jiǎn)易有效的估算方法。

1研究方法

1.1瞬時(shí)潛熱蒸發(fā)計(jì)算計(jì)算地表瞬時(shí)蒸發(fā)潛熱通量，以不考慮平流作用和生物體內(nèi)需水情況的地表能量平衡為基礎(chǔ)，將地表潛熱通量λE作為地表凈輻射Rn、地?zé)嵬縂O和感熱通量Hs的余量處理：

1.2蒸散量時(shí)間擴(kuò)展方法直接利用衛(wèi)星資料只能估算晴空下衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻瞬時(shí)蒸散量，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源管理當(dāng)中人們更關(guān)心較長(zhǎng)時(shí)段的蒸散總量。對(duì)瞬時(shí)蒸散量作時(shí)間尺度擴(kuò)展時(shí)，首先采用美國(guó)愛(ài)達(dá)荷大學(xué)用于區(qū)域水資源管理和蒸散量估算的METRIC模式（Mapping EvapoTranspiration at High Resolution with Internalized Calibration）中有關(guān)方法[48]。采用FAO56 PenmanMonteith公式，利用黑河流域氣象站資料計(jì)算獲得，詳細(xì)計(jì)算要求可參見(jiàn)文獻(xiàn)[49]。

當(dāng)獲得晴空日蒸散量后，要獲得較長(zhǎng)期如月或年總蒸散量時(shí)，還必須考慮實(shí)際天氣變化對(duì)地表輻射平衡和水熱傳輸?shù)挠绊?。這里為了簡(jiǎn)化處理，僅僅考慮云量變化的影響。由于該研究計(jì)算的是2004年度，尚無(wú)如FY-2號(hào)靜止氣象衛(wèi)星云資料等高時(shí)間分辨率云產(chǎn)品可以利用，而NCEP再分析資料空間分辨率又太低，故筆者以氣象站日照時(shí)數(shù)資料代替云量資料，對(duì)典型晴天的日蒸散量加以修正，以逼近實(shí)際天氣條件，獲取全月蒸散發(fā)量。最后，年度蒸散總量由各月蒸散量簡(jiǎn)單相加獲得。

2研究區(qū)域與資料處理

2.1研究區(qū)域概況研究區(qū)域?yàn)楹诤恿饔颍▓D1），是中國(guó)第二大內(nèi)陸河，位于98°～102° E，37°50′～42°40′ N，流經(jīng)青海、甘肅和內(nèi)蒙古三省區(qū)，總面積13萬(wàn)多km2。黑河流域下墊面特征極其復(fù)雜，從上游山區(qū)森林、草原、沼澤到山前平原區(qū)的灌溉農(nóng)田、自然綠洲、沙漠、戈壁和湖泊等幾乎涵蓋了所有陸地地表類型。黑河流域中游的河西走廊一帶是我國(guó)西北主要的商品糧生產(chǎn)基地，而著名的東風(fēng)航天城則位于流域下游地區(qū)，黑河是該地區(qū)的生命線。

圖1黑河流域地理范圍（a）與主要?dú)庀笳痉植迹╞）2.2遙感資料預(yù)處理該研究主要利用MODIS遙感資料獲取地表植被參數(shù)和特征參數(shù)。MODIS探測(cè)器包括36個(gè)從可見(jiàn)光至熱紅外探測(cè)通道，其較高的時(shí)間分辨率和光譜分辨率，使其可以完成陸地、海洋、大氣以及生物等多領(lǐng)域遙感觀測(cè)任務(wù)。研究中計(jì)算輸入資料為MODIS官方網(wǎng)站提供的全球覆蓋1 km分辨率植被指數(shù)NDVI和地表反照率產(chǎn)品。對(duì)于地表溫度的獲取，采用毛克彪等[50-51]通過(guò)對(duì)大氣輻射傳輸和普朗克公式做出的一些假設(shè)和簡(jiǎn)化后給出的一個(gè)簡(jiǎn)易方法利用MODIS L1B資料獲得。大氣水汽含量利用MODIS的 19和2通道資料獲取[52]。

為充分利用MODIS通道2較高的250 m分辨率信息，將通道19、31和32資料由1 km分辨率重采樣為250 m分辨率，結(jié)合MODIS的 19和2通道反射率可以獲得250 m分辨率的大氣水汽含量空間分布。根據(jù)上述方法獲得的地表溫度空間分布雖然不是真正250 m分辨率，但有助于提高非均勻景觀下混合像元地表溫度反演精度。

數(shù)字高程模式（Digital Elevation Model）描述地形高程的變化，為精確計(jì)算地形對(duì)陸面過(guò)程的影響提供了前提條件。采用美國(guó)航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)（SRTM）全球數(shù)字高程DEM資料，計(jì)算研究區(qū)域的地形參數(shù)。該產(chǎn)品在美國(guó)地區(qū)空間分辨率約為30 m（1arcsecond），在全球其他地區(qū)約90 m（3arcsecond）[53]。

由于黑河流域土地利用狀況復(fù)雜，MODIS和NOAAAVHRR的土地利用產(chǎn)品資料精度有待提高，因此，采用了中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所遙感與地理信息科學(xué)研究室提供的黑河流域土地利用資料[54]。該資料融合了MODIS土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品和2000年黑河流域1∶10萬(wàn)土地利用圖，空間分辨率為1 km，給出了較為詳細(xì)的土地利用分類信息。

2.3地面氣象與試驗(yàn)觀測(cè)資料收集了黑河流域及周邊主要?dú)庀笳军c(diǎn)（如圖1b所示）2004年逐日觀測(cè)資料。氣象要素包括空氣溫度（℃）、氣壓（hPa）、空氣相對(duì)濕度（%）、地表溫度（℃）、10 m風(fēng)速、降水（mm）、日照時(shí)數(shù)（h）、水面蒸發(fā)量（mm）和部分站點(diǎn)的太陽(yáng)總輻射資料等。特別對(duì)于降水，可以采用Thiessen多邊形方法（如圖1b所示），利用每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)單點(diǎn)氣象站資料，獲得流域內(nèi)降水空間分布。

同時(shí)，為較好地進(jìn)行區(qū)域蒸散估算及結(jié)果驗(yàn)證，筆者采用國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“綠洲系統(tǒng)能量與水分循環(huán)過(guò)程觀測(cè)和數(shù)值研究”于2004年夏季在黑河地區(qū)金塔綠洲開(kāi)展的觀測(cè)試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱“金塔試驗(yàn)”）的相關(guān)資料?！癑TEXP”試驗(yàn)的主要觀測(cè)區(qū)選擇在由黑河支流北大河沖積扇形成的金塔綠洲內(nèi)，為典型的亞洲內(nèi)陸干旱區(qū)，海拔1 100～1 400 m，屬于甘肅酒泉地區(qū)。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)主要有3種典型的下墊面：綠洲、戈壁和沙漠。地面試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括凈輻射（4個(gè)輻射分量）、大氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤熱通量和湍流渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)，同時(shí)包括系留氣球和雷達(dá)小球探空等邊界層大氣觀測(cè)。該試驗(yàn)觀測(cè)站點(diǎn)以及項(xiàng)目配置見(jiàn)圖2。

3結(jié)果驗(yàn)證與分析

3.1瞬時(shí)蒸發(fā)潛熱通量和日蒸散量估算結(jié)果驗(yàn)證如圖3所示，選取金塔試驗(yàn)期間5#測(cè)點(diǎn)部分晴天TerraMODIS過(guò)境時(shí)刻地面渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)的潛熱通量資料，與利用遙感反演的250 m分辨率MODIS地表溫度資料獲取的潛熱通量進(jìn)行比較。其中，平均絕對(duì)百分偏差MAPD=100nni=1|xderived-xmeasuredxmeasured|?？梢钥闯?，多數(shù)情況下遙感反演的潛熱值小于地面觀測(cè)值，偏小約為MAPD=18.2%，這是由于對(duì)地表“混合像元”觀測(cè)存在“平均”作用，顯示了植被和裸地的混合蒸散效果。

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