西北干旱区水面蒸发的遥感研究

1、西北干旱区水面蒸发的遥感研究    西北干旱区水面蒸发的遥感研究陆桂华,康燕霞,吴志勇,闫桂霞,金君良(河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210098)摘要:利用ASTER数据和Penman公式,以黑河流域中下游为研究区域,估算黑河流域的水面蒸发量。结果表明,利用ASTER数据估算的水面蒸发量和实际水面蒸发量之间的绝对误差在1·1mm/d以内,相对误差绝对值的平均值为8%,可以达到实际应用的精度。利用ASTER数据估算的水面蒸发量具有明显的空间分布特征,对于研究西北干旱区水面蒸发量的空间分布特征具有一定的应用价值.关键词:

2、遥感;P-M模型;水面蒸发;黑河流域;西北干旱区中图分类号:P467文献标识码:A文章编号:1000-0860(2009)08-0031-05水面蒸发过程是自然界以及农业生态系统中的重要组成部分,在田间、区域以及流域尺度上,水分蒸发损失量的估算对于水资源的监测、调查以及管理至关重要。Lenters1研究了美国北部湖面蒸发量的变化趋势,研究得出水面蒸发速率在时间尺度上变化很大,季节变化最高可达18%。Alvarez2研究了农业灌溉水库蒸发水量的损失量以及对水分储存的影响.Gianniou3利用能量平衡法和一维水面温度涡度扩散模型的结合估算了水面的日蒸发量。Tanny4利用Penman-Monte

3、ith模型模拟了水面蒸发量,并和涡度相关法实测的水面蒸发量进行了对比。曾燕5研究了分析出19602000年中国蒸发皿蒸发量呈明显下降趋势,杜军6研究得出藏北高原各站点蒸发皿蒸发量呈现显著的减少趋势.利用气象资料估算的水面蒸发只能代表以点为基础的小范围的水面蒸发,无法反应出水面蒸发的空间变化规律以及区域特性,进而影响了区域尺度上水面蒸发变化规律的探求。近年来随着遥感的出现,用遥感资料估算水面蒸发成为一个有效途径,并且能够监测大范围水面蒸发的变化趋势。Bastawesy7利用ASTER数据和SPOT数据结合估算了埃及水面蒸发量的变化趋势。Wang8利用MODIS数据估算了墨西哥的水面蒸发。国内一些

4、学者利用遥感资料估算了区域蒸散发的时空变化规律,如吴炳方9、田辉10等,这些研究都把水面视为植被和土壤对待,利用估算植被蒸散发模型估算水面蒸发。实际上,水面蒸发有时要远远大于植被蒸散发。除此之外,受遥感资料空间分辨率太低的影响,估算非均匀下垫面蒸散发空间变化规律时产生了很大的误差。ASTER数据的空间分辨率最高可达15m,能够提高非均匀陆面蒸散发的估算精度.基于以上问题的考虑,本文利用ASTER遥感数据,以黑河流域中下游为研究区域,研究基于ASTER数据估算水面蒸发量的精确性以及探讨ASTER数据反演的反射率、水面温度、太阳净辐射以及水面蒸发量的空间变化范围以及不同时期的时间变化规律,为西北干

5、旱区水面蒸发规律的探究提供参考.1水面蒸发模型介绍水面蒸发模型采用Penman-Monteith-Unsworth模型4进行估算Ei=(Rni-Gi)+Cp(es-ea)/ra(+)(1)式中,Rni为瞬时净辐射通量W/(m2·h);Gi为瞬时土壤热通量W/(m2·h);、Cp分别为干空气的密度(kg/m3)和比热1·013kJ/(kg·);为干湿球常数(kPa/);为饱和水汽压与温度曲线的斜率(kPa/);es为参照高度处的饱和水汽压(kPa);ea为参考高度处的实际水汽压(kPa);ra为空气动力学阻力(s/m);为蒸发潜热(MJ/kg);3

6、3;6为kJ/s转化为MJ/h的单位转换系数.ra=4·72lnzz02/(1+0·54u2)(2)式中,u2为2m处的风速;z为参考高度(m);z0为地表粗糙长度(m).1·1辐射瞬时参数估算由于辐射资料的观测站点较少,因此辐射资料是通过遥感资料反演获得。由于遥感数据是观测日的瞬时数据,本文通过遥感数据首先获得观测日的瞬时辐射数据6Rni=(1-)Rs(in)+sRL(in)-RL(out)(3)式中,Rs(in)为入射太阳短波辐射W/(m2·h);为地表反射率(无量纲);RL(in)为入射的大气长波辐射W/(m2·h);RL(out)为反射

7、的地表长波辐射W/(m2·h);s为地表比辐射率(无量纲).地表反射率估算公式为11=0·4841+0·3353-0·3245+0·5516+0·3058-0·3679-0·0015(4)式中,1、3、5、6、8、9分别表示1、3、5、6、8、9波段的反射率.1·2土壤热通量瞬时值估算对于水体,其瞬时土壤热通量Gi传输机制16月份和712月份有所不同,用方程表示为12Gi=0·9Rni-40(16月瞬时值)Rni-90(712月瞬时值)(5)1·3水面蒸发日值估算蒸发比率不变法其基本假

8、设是,在能量平衡公式中,能量通量组分的相对比例在白天稳定不变。根据蒸发比率不变法,利用瞬时蒸散和瞬时太阳净辐射与瞬时土壤热通量之差之比等于日蒸散和日太阳净辐射与日土壤热通量之差之比来估算日蒸散13Ed=EiRnd-GdRni-Gi(6)Gd=Rn-100(16月日值)0·9Rn-50(712月日值)(7)式中,Rnd为日太阳净辐射W/(m2·d),通过气象资料估算获得;Gd为日土壤热通量;Ei为瞬时水面蒸发量(mm/h);Ed为日水面蒸发量(mm/d).2研究所需资料2·1气象资料研究区域共覆盖5个气象站点高台站、酒泉、金塔、张掖以及鼎新,气象站点分布见图1。本文

9、搜集了5个气象站点20002003年的定时值的大气压、风速、气温、水汽压以及日平均气温,最高气温、最低气温、大气压、水汽压以及E601型蒸发皿蒸发量.2·2遥感资料ASTER是一个高分辨率多光谱成像传感器,它具有可见光和红外光谱波段。与其它遥感数据源相比具有一定的优势,ASTER数据与SPOT数据相比,价格更低,与Landsat卫星数据相比分辨率更高,波段信息更为丰富。ASTER传感器是一个多光谱的高空间分辨率传感器,有14个波段和3个子系统:包括3个15m空间分辨率的可见光和近红外波段,6个30m空间分辨率的短红外波段以及5个90m空间分辨率的热红外波段。本文搜集了黑河流域的8幅A

10、STER数据,分别为2000-05-20、2000-09-02、2000-11-21、2001-03-29、2001-07-12、2001-08-20、2003-08-10以及2003-10-29,覆盖区域如图1所示,不同时期的覆盖区域有所差别.2·3遥感资料的预处理获取的遥感数据是ASTERL1b数据,只经过辐射校正和几何粗校正,因此必须对数据进行预处理才能应用。遥感数据的处理流程为辐射定标、大气校正、图像投影转换、几何精校正以及遥感信息增强以及水体的提取等.3结果与验证3·1瞬时水面反射率的空间变化规律根据式(4)估算黑河流域水体的反射率,统计结果见表1。从表1可以看出

11、,水体反射率的均值在0·130·19之间,最大值在0·210·51之间,最小值在0·030·14之间。同一时期水体的反射率有差异,比如2001-03-29日水体反射率的最小值为0·05,最大值为0·26,最大值和最小值相差0·21.经分析得知,水体的反射率受水深影响较大,水深较大的水体比如湖泊和水库的反射率较低,反射率的值小于0·1;水深较小的水体较水深较大水体的反射率要高,如河流的反射率较水库和湖泊的反射率要高,反射率的值基本上介于0·100·20之间。河流中的不同位置,反

12、射率也有差异,河流中心的反射率要低于河流边缘的反射率.从研究区域选取同一区域分析不同时期水体的反射率,同一点不同时期的反射率不同,比如2001-07-12河流中某点的反射率为0·19,2003-08-10的反射率为0·23。这是由于不同时期气象条件的差异导致反射率的差异。除此之外,不同时期水体的深度、水质以及入射角等有所差异,导致反射率有所差异.3·2瞬时水面温度的空间变化规律本文采用ASTERTES算法反演水面温度,本文设定前后2次估算的温度差小于0·1时结束循环,具体步骤见文献14.从表1可以看出,同一时期水面温度的空间分布有所差异,比如2000-0

13、5-20的14:00的水面温度的最小值为20,最大值为31,极值差为11.经分析得知,研究区的水体温度受水深影响较大,水深较大,水体温度低;水深较小,水体温度较高。如水库、湖泊等水体由于水深较大,水温较低,在25左右;河流由于水深较小及水体的流动性,容易吸收热量且热量传输较快,因此河流水体温度较高,水温在30左右。除此之外,地势对水温也有一定影响,地势高,水温低;地势低,水温高.地势高的湖泊、水库的水温在21左右,地势低的湖泊或水库的水温在25左右.从表1还可以看出,不同时期的水面温度有所差别,2001-03-29的均值为18,2000-05-20的均值为24,2001-07-12的均值为38

14、等。从表2可以看出,遥感水面温度和气温比较接近,水温和气温最高相差3·7,最低相差0·3。理论上来说水的比热较大,夏天水温低于气温,冬天水温高于气温,从表2看出夏季遥感水面温度高于气温,和实际不符,经分析原因为研究区地势复杂,遥感水面温度为区域均值,而气温为测点周围的气温,将区域值和单点值进行比较,存在尺度匹配误差。从以上分析可以看出,遥感水面温度在一定的精度范围内,可以应用.3·3瞬时太阳净辐射估算结果分析根据式(3)估算瞬时太阳净辐射。太阳净辐射是水体蒸发的内在动力,太阳净辐射的大小直接影响着水体蒸发的大小。从表1可以看出研究区太阳净辐射的均值在0·

15、672·01MJ/(m2·h)之间,同一时期太阳净辐射有所差异,比如2001-03-29的太阳净辐射均值为2·01MJ/(m2·h),最大值为2·72MJ/(m2·h),最小值为1·04MJ/(m2·h),最大值和最小值相差1·68MJ/(m2·h)。经分析得知,同一时期太阳净辐射的差异主要受水面温度、反射率的影响而致.不同时期太阳净辐射之间有所差异,2001-03-29的太阳净辐射均值为1·91MJ/(m2·h),2000-05-20的太阳净辐射均值为2·01MJ

16、/(m2·h),两日的均值差为0·1MJ/(m2·h)。不同时期太阳净辐射的差异主要是受水面温度、反射率、太阳高度角以及气象因素的影响. 1 2 下一页    3·4瞬时水面蒸发估算结果分析从表1可以看出,黑河流域研究区域瞬时水面蒸发量的均值在0·330·94mm/h之间,最大值为0·421·03mm/h之间,最小值为0·280·59mm/h之间。同一时期水面蒸发瞬时值存在差异,比如2003-08-10的瞬时水面蒸发均值为0·

17、68mm/h,最大值为0·77mm/h,最小值为0·51mm/h,最大值和最小值相差0·26mm/h。经分析瞬时水面蒸发量主要受太阳净辐射的影响,河流温度高,反射率也高,导致河流的瞬时太阳净辐射较小,因此河流瞬时水面蒸发量较小,集中在0·60·7mm/h;湖泊、水库情况相反,瞬时蒸发量较大,大于0·7mm/h。同一区域不同时期水面蒸发量也有所差异,瞬时水面蒸发2001-07-12的均值为0·94mm/h,2003-08-10的均值为0·68mm/h.3·5日蒸发估算结果分析通过式(6)将瞬时蒸发进行时间尺

18、度扩展,估算出的日蒸发统计见表1。研究区日蒸发量的均值在0·688·86mm/d之间,最大值为0·8210·68mm/d之间,最小值为0·628·04mm/d之间。蒸发器测得的蒸发量要比湖泊、水库等实际水体的蒸发量大,必须乘一个折减系数后,才能作为天然水体的蒸发量,本文采用折减系数为0·8,实际水面蒸发见表3,从表3可以看出,气象站点水面蒸发和区域遥感蒸发均值之间的绝对误差最大为1·66mm/d,最小为0·15mm/d;相对误差最小为7%,相对误差最大为32%。估算误差很大,经分析原因如下,气象站点只代表

19、测点周围很小范围的水面蒸发量,而遥感蒸发代表研究区域的平均蒸发量,用点蒸发量来验证区域平均蒸发量势必造成很大的误差。选取测点周围水体的遥感蒸发量和实际蒸发量进行对比分析,结果见图2。从图2和表4可以看出遥感水面蒸发稍大于实际水面蒸发,绝对误差最小为0·1mm/d,最大为1·1mm/d,相对误差最小为2%,最大为21%,相对误差绝对值的平均值为8%。8幅影像选取的测点的实测蒸发量总量为48·6mm,测点周围遥感水面蒸发总量为49·2mm,总量相差0·6mm,遥感水面蒸发总量和实测水面蒸发总量很接近,符合实际应用的精度.4结论本文选取了研究区8幅A

20、STER影像探讨了黑河流域反射率、水面温度、太阳净辐射以及水面蒸发在同一时期的空间变化范围及原因,以及这些变量不同时期的时间变化规律,并且将遥感瞬时水面温度和实际大气温度、遥感水面蒸发和实际水面蒸发进行了对比。从以上分析可以得出以下结论.(1)不同时段水体的平均反射率在0·120·19之间,受水深的影响,水体反射率呈很强的空间分布特性;由于地势、水深等因素的影响,同一时段水面温度的极值差很大,最高可达11,用遥感估算的水面温度具有很强的空间分布特性,能提高区域太阳净辐射等要素的估算精度.(2)同一时期太阳净辐射的极值差很大,在1MJ/(m2·h)左右,瞬时水面蒸发

21、量的极值差最高可达0·35mm/h,日水面蒸发量的极值差最高可达1·76mm/d,用点水面蒸发量代替区域水面蒸发量会产生较大误差.(3)利用ASTER数据估算黑河流域水面蒸发量的绝对误差在1·1mm/d以内,相对误差绝对值的平均值为8%,精度能够达到应用要求,可以利用ASTER数据估算黑河流域水面蒸发量。利用ASTER数据估算的水面蒸发量具有明显的空间分布特征,对于研究西北干旱区水面蒸发量的空间分布特征具有一定的应用价值.参考文献:1John D Lentersa, TimothyKKratz, Carl JBowser·Effectsofclimate

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