熱慣通量模型在阜新地區(qū)土壤水模擬中的應(yīng)用

付 鑫，裴立山

(遼寧江河水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，沈陽 110003)

0 前 言

土壤水含量是區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱、水文模擬的重要依據(jù)和計(jì)算指標(biāo)[1]。傳統(tǒng)方法大都采用人工觀測的方式進(jìn)行測定或者通過水文模型進(jìn)行估算得到，這種方法測定的土壤水大都不能代表整個(gè)區(qū)域的土壤水含量的分布情況，存在局限性[2]。當(dāng)前，土壤水遙感反演技術(shù)逐步在許多區(qū)域得到應(yīng)用，取得一定的研究成果[3-9]，但是受到土壤水遙感反演精度的影響，反演的土壤水含量和實(shí)際的土壤水之間存在較為明顯的誤差，使得該項(xiàng)技術(shù)很難得到有效推廣和應(yīng)用。近些年來，有學(xué)者針對(duì)土壤水遙感反演精度不高的問題，提出一種基于熱慣通量模型的土壤水遙感反演處理方法，通過該模型，顯著提高了區(qū)域土壤水遙感反演的精度[10]-[15]。但模型都有其適用的方法，為探討該方法在北方干旱半干旱地區(qū)的適用性，選取遼寧西部較為典型阜新作為研究區(qū)域，阜新地區(qū)素有“十年九旱”的干旱變化特征，土壤水的監(jiān)測對(duì)于區(qū)域制定抗旱應(yīng)急措施十分重要，為提高旱情補(bǔ)水決策的科學(xué)性，結(jié)合阜新地區(qū)實(shí)測土壤水?dāng)?shù)據(jù)，采用熱慣通量模型對(duì)土壤水遙感反演進(jìn)行處理，定量分析模型在阜新地區(qū)的適用性，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域土壤水空間變化特征的分析。

1 模型原理

熱慣通量模型對(duì)地表潛熱和顯熱的條件進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Tmax為土壤溫度最大值，℃；a為陸面反射率；S0為參數(shù)值，一般取值為1367W·m-2；Cτ為太陽短波輻射；ω為太陽自轉(zhuǎn)角，°；B為土壤蒸發(fā)潛熱；A1為轉(zhuǎn)換參數(shù)；Hx和LEx分別表示為土壤顯熱通量，w/m2。

陸面溫度采用地表溫度調(diào)整曲線進(jìn)行計(jì)算，方程為：

(2)

(3)

式中：tm為陸面最大溫度出現(xiàn)的時(shí)段，h；Pn和Pd分別為夜間和白天的時(shí)段長，h；Tmean為日平均溫度，℃，文章采用MODIS遙感數(shù)據(jù)來對(duì)日平均溫度進(jìn)行反演；T2(t)為的遙感衛(wèi)星過境時(shí)刻的陸面溫度，℃。

通過建立土壤含水量與含水率之間的線性方程來對(duì)土壤含水量進(jìn)行反演，線性方程為：

θ0(t)=R0(t)(θsat0-θres0)θres0

(4)

式中：θ0(t)為對(duì)應(yīng)t時(shí)刻的土壤含水量，%；θres0為剩余土壤含水量，%；θsat0為飽和含水量，%；R0為飽和土壤含水系數(shù)。建立底層和表層含水量之間的線性方程對(duì)深層含水量進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中：C為土壤水?dāng)U散系數(shù)；θ1為地表3mm以下的土壤含水量，%；θ0為地表1mm-3mm土層含水量，%。

2 模型應(yīng)用

2.1 研究區(qū)域概況

阜新市位于遼寧的西部，屬于典型的北溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量在500-600mm之間，6月下旬到7月中旬，土壤水含量較低，農(nóng)業(yè)干旱特征明顯。隨著7月下旬雨量的增多，土壤含水量增加后，旱情能有所緩解。根據(jù)阜新地區(qū)土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，6月下旬到7月中旬土壤失墑很快，6月中旬從阜新市西北開始，干旱在十幾天的時(shí)間里就可分布到全市范圍內(nèi)。6月下旬阜新地區(qū)10-20cm層土壤墑情介于4.4%-16.9%之間，部分區(qū)域干土層可在10cm以上，較深的在20-40cm之間。

2.2 資料概況

選取由中國科學(xué)院青藏高原研究所開發(fā)的基于微波數(shù)據(jù)同化的中國土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集(ITP-SM)在遼寧阜新地區(qū)開展遙感土壤水反演研究。該產(chǎn)品覆蓋時(shí)段為2002-2018年，空間分辨率為0.25°，能夠提供每天0-5cm，5-20cm和20-100cm深度的土壤含水量狀況。

2.3 參數(shù)設(shè)置

基于微波數(shù)據(jù)同化的中國土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集(ITP-SM)，模型需要針對(duì)不同土壤類型進(jìn)行對(duì)應(yīng)的土壤含水量參數(shù)設(shè)置，設(shè)置結(jié)果見表1。

表1 不同土壤類型參數(shù)設(shè)置

2.4 精度對(duì)比

結(jié)合阜新地區(qū)14個(gè)土壤墑情監(jiān)測站點(diǎn)土壤水實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)改進(jìn)前后的熱慣通量模型土壤水反演精度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表2。

表2 土壤水反演精度分析結(jié)果

結(jié)合實(shí)測的不同土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)熱慣性通量模型的反演精度進(jìn)行了比較和分析。從反演誤差看，心法的土壤水分反演值與各監(jiān)測點(diǎn)測量值之間的相對(duì)誤差與改進(jìn)前相比，減少了10.2%，改善了效果。土壤水反演效果更為明顯。采用熱慣通量模型反演的的每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的土壤水分的相對(duì)誤差得到了顯著改善。均方根誤差是反映數(shù)據(jù)分散程度的指標(biāo)。從傳統(tǒng)方法和新方法的均方根誤差可以看出，模型改進(jìn)前后的均方根誤差<0.1，表明兩個(gè)模型對(duì)土壤水分和測得的土壤水分進(jìn)行了反演。標(biāo)準(zhǔn)偏差的標(biāo)準(zhǔn)偏差分布滿足正態(tài)分布，隨機(jī)誤差在允許范圍內(nèi)，表明熱慣通量模型也可用于阜新地區(qū)土壤水分反演。與傳統(tǒng)方法相比，熱慣通量模型的均方根誤差明顯減小。因此，建議在北部地區(qū)，特別是進(jìn)入冬季后，應(yīng)使用熱慣性通量模型進(jìn)行土壤水分反演。

3 結(jié) 論

1)相比于傳統(tǒng)方法，采用熱慣通量模型進(jìn)行土壤水遙感反演后，和實(shí)測土壤水相比，反演精度得到明顯改善，這主要是因?yàn)闊釕T通量模型可分別實(shí)現(xiàn)地表潛熱和顯熱條件下的土壤水反演，相比于傳統(tǒng)只針對(duì)地表潛熱條件下土壤水反演精度，更符合區(qū)域土壤水縱向分布特征；

2)北方地區(qū)冬季土壤溫度較低，土壤低溫對(duì)土壤水反演效果影響明顯，因此在低溫期進(jìn)行土壤水反演時(shí)，應(yīng)增加土壤墑情監(jiān)測站點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)采用熱慣性通量模型的土壤水反演精度進(jìn)行修正，以提高土壤低溫期的土壤水反演精度；

3)土壤水受外部因素影響較多，在以后的研究中還需要重點(diǎn)針對(duì)土壤水縱向分布特征進(jìn)行分析，提高模型在區(qū)域土壤水縱向分布的精度。