论文部分内容阅读
近年来,全球气候变暖日益显著,导致干旱加剧、水资源短缺的问题凸显,全球粮食安全、水安全正面临着严重挑战。随着我国生态用水和灌溉用水需求的不断增加,水资源短缺问题对国家粮食安全和水安全的威胁日益加剧。蒸散发是农业耗水、水资源消耗的重要途径,同时也在陆面能量、水碳循环中起关键作用。科学估算区域蒸散发并评估其时空分布特征是更好地理解区域水和能量平衡的关键,也是进行农业水资源科学管理的科学前提。遥感技术的发展为大尺度蒸散发模拟提供了有效的技术手段,但由于遥感蒸散发模型的系统误差、驱动数据误差和模型参数误差导致了蒸散发模拟的不确定性。此外,一些遥感蒸散发模型通常依赖于地表气象站点的观测数据,需要对气象站点数据进行插值并拓展至区域尺度。这一过程往往会伴随出现空间异质性、尺度匹配等尺度拓展问题,进一步增加了蒸散发模拟的不确定性。针对上述问题,论文解析了地表能量平衡算法（SEBAL）模型、Shuttleworth-Wallace-Hu（SWH）模型、中分辨率成像光谱辐射仪蒸散发产品（MOD16）模型三种遥感蒸散发模型的模型机理,并基于模型中关键过程变量相关性分析中发现的显热通量与入射短波辐射的非线性关系,构建了由入射短波辐射计算显热通量的经验公式,将改进的显热通量估算方法嵌入SEBAL模型,改进了该模型关键过程的模拟机制,提升了该模型的模拟性能,论文得到的主要结果如下:（1）揭示了中国西北地区研究时段内主要气象因子及参考作物蒸散发的时空演变特征。在研究时段内,平均温度、最高温度、最低温度呈明显上升趋势,其显著程度排序由高到低为最低温度（P＜0.01）、平均温度（P＜0.05）、最高温度。风速呈显著下降趋势（P＜0.05）。研究区降水整体变化趋势不显著,且不同区域变化趋势存在差异。相对湿度下降趋势不显著。同时,研究阐明了参考作物蒸散发对主要气象因子的敏感性以及主要气象因子变化对参考作物蒸散发变化的贡献率。参考作物蒸散发在西北地区整体呈不显著上升趋势。西北地区的参考作物蒸散发对相对湿度变化的平均敏感度（-0.65）绝对值最大,其次分别是:最高温度（0.24）、日照时数（0.20）、最低温度（-0.18）和风速（0.13）。根据西北地区主要气象因子对参考作物蒸散发变化的平均贡献率结果,最低温度的平均贡献率（-9.74%）绝对值最高,其次分别是相对湿度（2.70%）、最高温度（-1.69%）、风速（-0.87%）和日照时数（-0.10%）。（2）解析了不同遥感蒸散发模型的模拟性能,评估了各个模型在西北地区的适用性。SWH模型优化了土壤阻抗计算,更好地反映了下垫面土壤物理特性。MOD16模型优化了干湿冠层与干湿土壤的分类计算机制,具有更具体的物理理论基础。SEBAL模型将蒸散发作为一个整体进行量化,对地表气象站点数据的依赖较小。研究表明,在中国西北地区SEBAL模型、SWH模型和MOD16模型的蒸散发模拟结果均呈南高北低的空间分布。同时,SEBAL模型、SWH模型、MOD16模型和彭曼模型的时空自相关性在植被生长季较高,在冬季较低。SEBAL模型、SWH模型和彭曼模型两两间的时空相关性也表明在植被生长季较高,在冬季较低。（3）发现遥感蒸散发模型中的显热通量与入射短波辐射呈非线性关系。基于全球涡度通量联盟数据,根据蒸散发模型中关键过程变量间的相关性结果,显热通量与入射短波辐射有较高的相关性（0.69）,其中相关系数大于0.8的站点占比为49.7%,而相关系数小于0.3的站点占比仅为3.1%。其他具有较高相关性的变量分别是入射光合光子通量密度（0.71）、净辐射（0.67）、出射短波辐射（0.59）和入射短波漫射（0.53）。发现遥感蒸散发模型中关键变量显热通量与入射短波辐射呈非线性关系。将此非线性关系代入再分析数据集、大气环流模式数据集中得到验证。基于上述发现,构建了由入射短波辐射计算显热通量的经验公式。（4）创建了基于改进显热通量估算方法的SEBAL模型,提升了模拟性能,降低了SEBAL模型对地表气象站点数据的依赖。改进的SEBAL模型相比于原SEBAL模型提高了大部分验证指标性能,整体更接近通量观测站的实测值,其时空自相关性整体低于SEBAL模型,在中国西北地区具有更好的适用性。改进的SEBAL模型对各驱动因素总体的敏感度都较高,其中对反照率的敏感度（0.68）最高。改进的SEBAL模型模拟的中国西北地区蒸散发,空间上呈南高北低的分布特征,时间上呈现先增加后减少的趋势。综上所述,本研究以改进大尺度遥感蒸散发模型为目标,分析了中国西北地区近四十年气象因子时空演变特征及其对参考作物蒸散发的影响,为遥感蒸散发模型模拟与机理比较提供了气象要素时空演变的科学支撑;比较了三种遥感蒸散发模型的性能及适用性,解析了不同遥感蒸散发模型机理,提出了遥感蒸散发模型的关键优化途径;基于全球159个涡度通量站的数据,根据蒸散发模型中关键过程变量间的相关性结果,构建了由入射短波辐射计算显热通量的经验公式;将改进的显热通量估算方法嵌入SEBAL模型,改进了该模型关键过程的模拟机制,提升了该模型在西北地区的模拟性能及适用性,为科学评估区域蒸散发和农业用水科学管理提供支撑。