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陆面蒸(散)发既是热量平衡也是水分平衡的重要项,清楚地认识蒸(散)发过程,对了解大范围内能量平衡和水分循环,正确评估气候与人类活动对生态系统的影响具有重要意义。黄河源区地处青藏高原的东北部,源区径流量对整个黄河流域径流量的贡献占36%。近年来黄河源区主河道断流、水土流失、草地生态系统持续退化、土地沙化及荒漠化日趋严重。因此,分析区域尺度上黄河源区蒸(散)发量变化情况,对了解区域内水分和能量的空间分配,区域水资源的可持续开发利用和生态保护都具有重要的意义。同时,对于提高水资源管理的能力与效力,促进区域内生态、农业和经济的协调发展提供参考。
传统遥感估算陆面蒸(散)发量的技术,是利用极轨卫星提供的一天一次(或两次)的观测资料,基于不同的算法并结合地面观测资料,估算出卫星过境时瞬时陆面蒸(散)发量,再换算成日蒸(散)发量,而一天中蒸(散)发量的逐时分布情况却无法获取。静止气象卫星的最大优势就是能够多时次监测同一大范围地区地气系统的实时连续变化,在很大程度上弥补了极轨卫星遥感监测地气系统参数日变化的不足。目前,静止气象卫星的应用主要为中期数值天气预报方面,用其监测大范围自然灾害和地表生态环境的研究较少,而利用静止气象卫星的资料估算黄河源区蒸(散)发量的研究还不多见。
本文首先介绍研究蒸(散)发目的和意义,全面总结了目前陆面蒸(散)发研究特别是遥感蒸(散)发研究的现状和面临的主要困难,在探讨了研究遥感蒸(散)发过程的主要方法和存在问题的基础上,确立了本论文的研究目标,即利用静止气象卫星资料定量遥感估算我国黄河源区蒸(散)发量。
本文以黄河源区为研究区域,选取2009年9月该区域的静止气象卫星(FY-2D)及极轨气象卫星(FY-3A)资料,结合中国科学院寒区旱区环境与工程研究所黄河源区气候与环境综合观测站地面观测资料,基于能量平衡方法,利用一天中蒸(散)发量与有效能量(净辐射与土壤热通量之差)的比是近似不变这一特性,估算了研究区域的逐时蒸(散)发量。并且利用国家卫星气象中心提供的FY-2D地面入射太阳辐射产品估算了黄河源区2009年夏季和秋季蒸(散)发量。取得了如下五个结论:
(1)通过处理卫星遥感资料获得地表参数。地表特征参数(地表反照率、地表温度)的估算时选用静止气象卫星的资料,地表植被参数(归一化植被指数(the Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)、植被覆盖度)的估算时选用极轨气象卫星的资料,利用静止气象卫星高时间分辨率和极轨气象卫星高空间分辨率的优势,实现两种不同功能的卫星优势互补,增加陆面特征参数的估算精度。
(2)计算净辐射通量、土壤热通量和感热通量。净辐射通量的估算是利用太阳常数、太阳天顶角、日地距离因子、海拔高度等,结合卫星遥感资料估算出的地表反照率资料,得出地表接收到的短波辐射总和。利用卫星遥感估算地表比辐射率和地表温度资料,结合地面观测站的观测资料,得到大气向下的长波辐射和地面向上的长波辐射值;土壤热通量一般可通过它与净辐射(Rn)的关系参数化来确定;感热通量是根据相似性理论,利用风速、参考高度处温度和地表温度等,结合Su(2002)提出的地表能量平衡系统(Surface Energy Balance System,SEBS)遥感模型计算热力学传输粗糙度Zoh来估算。对于阴天条件下,本文借助FY-2D云顶的反照率资料,根据太阳辐射在大气中的衰减过程,推求透过率系数,再将该系数代入不同大气条件,从而推求云覆盖条件下地面接收到的太阳辐射,进而得出阴天条件下地表能量通量的值。
(3)计算相对蒸发比和蒸发比。利用一天中潜热通量与用来进行蒸(散)发的有效能量(净辐射与土壤热通量之差)的比保持稳定这一特性,将蒸(散)发量转化成蒸发比与一天中获得的可利用能量的乘积。在土壤水分亏缺的干燥地表环境下,由于无可用土壤水分供给蒸(散)发,即潜热通量(或蒸发)约为零,这时感热通量达到最大值;而在土壤水分充分供应的湿润地表环境下,蒸(散)发达到最大值,这时感热通量则为最小值。根据Penman-Monteith公式和空气动力学原理分别计算土壤水分亏缺的干燥地表环境和土壤水分充分供应的湿润地表环境的潜热和感热,利用这一特性求得相对蒸发比,通过相对蒸发比进一步求解蒸发比,避免了求取近地面层空气温度的空间分布,减少了计算误差。
(4)计算区域日蒸(散)发量。利用静止气象卫星获得的每小时一次的观测资料及蒸发比估算结果,计算出黄河源区每小时平均蒸(散)发量,累计得出日蒸(散)发量。
(5)计算区域月蒸(散)发量。利用静止气象卫星提供的日地面入射太阳辐射产品,换算成到达地面的入射太阳辐射总值,再利用地表反照率计算地面接收到的净辐射值,从而利用蒸发比计算黄河源区月尺度的蒸(散)发量。
主要结果如下:
(1)整个区域内NDVI的值主要在在0.55-0.75之间,并伴有0.10-0.25的低值;植被覆盖度的值大部分在0.6左右。地表反照率的值基本在0.20以下,伴有小于0.11和大于0.20的值;整个黄河源区大部分地区的蒸发比都在0.50左右,部分地区在0.50~0.60之间。
(2)分析利用风云卫星遥感资料估算的2009年9月7日黄河塬玛曲地区能量通量逐时变化情况,得出如下结论:09:15时刻,净辐射的值为100.0 W.m-2,感热通量40.0 W.m-2左右,潜热80.0 W.m-2左右;随着太阳高度角的变化,10:15时,净辐射的值达到350.0 W.m-2左右,感热通量为100.0 W.m-2左右,潜热通量为150.0 W.m-2左右;正午时净辐射达最大值650.0W.m-2左右,感热通量在午间13:15左右达到最大,为140.0 W.m-2左右,潜热通量在午后13:15和14:15达到一天当中最大值,为250.0 W.m-2左右;午后随着辐射强度的减弱,15:15时净辐射减小,为580.0 W.m-2左右,而随着空气饱和差的减弱,蒸腾速率也逐渐减小,潜热通量在这一时刻为150.0 W.m-2;16:15太阳高度角已经变低,净辐射的值下降为200.0 W.m-2左右,感热通量为80.0 W.m-2左右,潜热通量为70.0 W.m-2。全天黄河源区大部分地区日蒸(散)发量在2.0~3.0mm之间。
(3)由静止气象卫星估算的蒸(散)发量季节变化可以得出:黄河源区2009年夏初和秋季(5月和10月)蒸(散)发量在50.0mm以下;夏季(7月)最大,在70.0mm以上,部分地区达到80.0mm以上:夏初和夏末(6月8月和9月)的全月蒸(散)发量在60.0mm左右。5月黄河源区全区蒸(散)发量的总量为132.7m,6月为198.2m,7月为357.5m,8月为241.9m,9月为319.8m,10月为89.9m。从空间变化可以得出,黄河源区西北部盆地和盐碱地区域蒸(散)发量为全区最小值,这是因为相同月份内西北部地区降水较少,可用来蒸(散)发的水分补给较小。
本研究利用静止气象卫星遥感资料估算逐时和逐日能量通量,并利用地面观测资料进行了验证,误差在合理范围之内。
本文的研究结果说明,在大空间尺度上利用静止气象卫星估算逐时及逐日蒸(散)发量可以取得较为合理的结果,为今后实现该项工作的业务化奠定了一定的基础。