呼圖壁縣蒸散發(fā)遙感反演及其時(shí)空變化分析

陸 婷，鄭江華,2

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2. 綠洲生態(tài)教育部省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guò)程的研究有利于深入認(rèn)識(shí)陸面過(guò)程[1,2]，在水資源合理分配利用和保護(hù)水資源平衡方面也有重要的應(yīng)用價(jià)值[3,4]。從20世紀(jì)60年代起，遙感技術(shù)[5]的廣泛應(yīng)用使得許多蒸散遙感反演模型產(chǎn)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(lái)國(guó)內(nèi)外都有著廣泛的應(yīng)用[7]。例如何延波等[8]使用改進(jìn)的SEBS模型，利用MODIS數(shù)據(jù)估算黃淮海地區(qū)地表能量通量。宋文獻(xiàn)等[9]基于SEBS模型,使用NOAA/AVHRR數(shù)據(jù),估算老哈河流域?qū)嶋H日蒸散發(fā)量,并驗(yàn)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(shù)據(jù)，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(guān)系。吳雪嬌等[11]基于SEBS模型，使用MODIS/Terra數(shù)據(jù)，結(jié)合WRF模式輸出的氣候驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)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(dòng)相關(guān)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。李琴等[12]利用SEBS模型反演了中亞5國(guó)和新疆區(qū)域的逐日實(shí)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(duì)縣域蒸散發(fā)遙感反演進(jìn)行了研究，如姜紅等[13]基于MODIS影像，根據(jù)SEBS模型生成奇臺(tái)縣符合實(shí)際的蒸散發(fā)量區(qū)域分布圖。張圓等[14]使用Landsat8數(shù)據(jù)利用SEBS模型分析了呼圖壁縣蒸散量時(shí)空格局，同年，使用多尺度遙感方法，利用SEBS模型計(jì)算呼圖壁縣域蒸散量[15]。由于水土流失與土壤退化日趨嚴(yán)重，影響了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)較短時(shí)間序列數(shù)據(jù)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(shì)，即利用2013-2015年4-8月Landsat 8數(shù)據(jù)獲取呼圖壁縣域蒸散發(fā)量的空間分布，以期監(jiān)測(cè)呼圖壁縣域蒸散發(fā)的時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)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(zhǔn)噶爾盆地南緣，位于86°05′-87°08′E、43°07′-45°20′N。縣域內(nèi)主要有呼圖壁河、軍塘湖河兩大水系。地勢(shì)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(nóng)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(shí)數(shù)2 900 h，年降水量為110～400 mm，蒸發(fā)量2 300 mm, 年均風(fēng)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(jù)該模塊的需要,輸入的參數(shù)包括遙感和氣象參數(shù)，遙感參數(shù)為：地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)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(shù)，包括地表溫度(K)、比輻射率、反射率、NDVI；氣象參數(shù)由研究區(qū)內(nèi)及其周圍氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)結(jié)合DEM使用ANUSplin軟件空間插值得到，插值所需的氣象數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)共享網(wǎng) (http:∥data.cma.cn/)。SEBS模型所輸入數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。

表1 SEBS模型輸入數(shù)據(jù)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(shí)刻為：

Rn=G0+H+λE

(1)

式中：Rn為地表獲得的凈太陽(yáng)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(shù)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(dāng)計(jì)算式(1)中Rn、G0、H等后，可利用余項(xiàng)法得到潛熱通量λE[17-21]。

(1)SEBS模型中，凈福射通量計(jì)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(yáng)下行輻射和下行長(zhǎng)波輻射；ε為地表比福射率；σ為常數(shù)；T0表示地表溫度。

(2)土壤熱通量計(jì)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(shù)；Гs為裸土比例系數(shù)；fc表示植被覆蓋度。

(3)根據(jù)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(fēng)速和摩擦風(fēng)速；d0為零平面位移高度；z0m為動(dòng)力學(xué)粗糙長(zhǎng)度；z0h為地表熱傳輸粗糙長(zhǎng)度；Ψm為動(dòng)力學(xué)傳輸?shù)姆€(wěn)定度訂正函數(shù)；Ψh為熱力學(xué)傳輸?shù)姆€(wěn)定度訂正函數(shù)；θ0和θa分別為觀測(cè)面和參考面高度的虛溫；L為莫寧霍夫長(zhǎng)度；H為感熱通量；k為卡爾曼常數(shù)；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(shù)，結(jié)合地面觀測(cè)的氣溫、日照時(shí)數(shù)、 風(fēng)速、本站氣壓等氣象資料，以及ASTGTM2 DEM 高程，導(dǎo)入ILWIS軟件中得到呼圖壁縣蒸散發(fā)的分布結(jié)果，具體流程如圖1。

2 結(jié)果分析

2.1 呼圖壁蒸散量時(shí)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(jié)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(shí)空變化特征。

圖1 SEBS模型計(jì)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(shì)。呼圖壁北部荒漠地區(qū)蒸散發(fā)值年內(nèi)變化不明顯，蒸散量較低；中部平原地區(qū)，農(nóng)田分布廣泛，受農(nóng)耕影響大，蒸散量隨植被生長(zhǎng)變化明顯，4月植被剛開(kāi)始萌芽時(shí)蒸散量較小。5-6月植被生長(zhǎng)旺盛，蒸散量較4月有較大幅度的升高。7月開(kāi)始，受氣溫等氣象因子影響，蒸散量開(kāi)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(shí)間上看，如圖4所示，呼圖壁河縣域年內(nèi)單日蒸散量呈現(xiàn)單峰型分布趨勢(shì)，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(shì)，7-8月降雨減少，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。2013年6月呼圖壁縣單日蒸散量為15個(gè)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(shì)，4月日蒸散量在0.92～5.2 mm范圍內(nèi)波動(dòng)，蒸散量平均值在2.1～2.7 mm，呈逐年降低的趨勢(shì)；5月日蒸散量在1.08～7.27 mm范圍內(nèi)波動(dòng)，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(nèi)波動(dòng)，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(nèi)波動(dòng)，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(nèi)波動(dòng)，平均值變化最小，蒸散量平均值在 3～3.5 mm，總體來(lái)看，4-7月蒸散量呈逐年降低的趨勢(shì)，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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)差Fig.4 Average value, minimum value and standard deviation of daily evapotranspiration in Hutubi

2.2 蒸散發(fā)計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

用于SEBS模型蒸散發(fā)結(jié)果精度驗(yàn)證的數(shù)據(jù)是中國(guó)氣象科學(xué)共享網(wǎng)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(cè)數(shù)據(jù)。

蒸發(fā)皿的水面蒸發(fā)可認(rèn)為是實(shí)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(jié)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(jìn)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(cè)值。

表2 蒸散發(fā)計(jì)算結(jié)果及最大值對(duì)比 mm

彭曼公式在確定作物需水量方面有重要意義，在驗(yàn)證遙感估算蒸散發(fā)方面應(yīng)用廣泛。一般情況下，蒸發(fā)皿觀測(cè)的蒸散量值最大，其次是彭曼方法計(jì)算的蒸散量值。彭曼方法計(jì)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(shí)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(jì)算的結(jié)果作為參照。由表2可以看出，Landsat8影像估算出的蒸散發(fā)結(jié)果變化與參考值變化類似，可認(rèn)為SEBS模型計(jì)算的呼圖壁縣蒸散量基本符合實(shí)際。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文使用SEBS蒸散發(fā)反演模型，結(jié)合Landsat 8和氣象數(shù)據(jù)，對(duì)呼圖壁縣2013-2015年4-8月份蒸散量進(jìn)行計(jì)算，并利用彭曼公式計(jì)算結(jié)果作為參照，其結(jié)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(shí)空分布，從時(shí)間上看，呼圖壁河流域2013-2015年4-8月的單日蒸散量年內(nèi)變化以單峰型形式呈現(xiàn)。呼圖壁單日蒸散量年內(nèi)變化在4-6月呈逐月上升趨勢(shì)，7-8月呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。2013-2015年呼圖壁蒸散發(fā)呈現(xiàn)總體減小的趨勢(shì)，水分收支逐年不平衡，有向干旱缺水方向發(fā)展的趨勢(shì)?？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(shì)。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(shí)段的遙感影像來(lái)獲取可視化的蒸散量空間分布及其變化趨勢(shì)，得到呼圖壁縣域2013-2015年水分消耗的變化趨勢(shì)，即4-7月蒸散量呈逐年降低的趨勢(shì)，8月蒸散量逐年上升。4-7月是農(nóng)作物的生長(zhǎng)期，所需水分較多，可在此時(shí)段適當(dāng)加大灌溉量，保證農(nóng)作物正常生長(zhǎng)；8月之后農(nóng)作物漸漸進(jìn)入收獲期，此時(shí)可適當(dāng)降低灌溉量，方便收獲農(nóng)作物。通過(guò)較短時(shí)間序列數(shù)據(jù)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(shì)，以便及時(shí)調(diào)節(jié)灌溉量，為農(nóng)業(yè)節(jié)水以及發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供基礎(chǔ)依據(jù)，防止自然和人為因素導(dǎo)致的水土流失，有利于水土保持。

(4)本文對(duì)模型的結(jié)果驗(yàn)證方面使用FAO-PM方法，此方法是目前計(jì)算蒸散發(fā)公認(rèn)的較好的方法，但其僅應(yīng)用氣象資料進(jìn)行計(jì)算，方法本身存在誤差，其檢驗(yàn)結(jié)果的說(shuō)服力不如實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。今后實(shí)驗(yàn)條件允許時(shí)，會(huì)使用蒸滲儀等相關(guān)蒸散測(cè)量?jī)x器進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的計(jì)算精度。