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陆面蒸散是地表水分散失的主要方式,是水资源管理的重要参数。江苏淮北地区的水资源时空分布不均是制约当地农业生产的最重要因素之一,作为重要商品粮生产基地之一,探讨一套客观、动态、实时的陆面水分蒸散估算方法,有助于准确及时地了解区域内水分盈亏时空分布状况,为决策部门及时采取措施指导农业灌溉以及监测旱情等提供可靠依据,对于加强水资源的集约管理,确保该地区农业收成,推动可持续发展具有重要意义。
以往传统方法研究蒸散量,获取的都是点上的信息,在站点上有很高的精度,但在大面积区域上推广应用时,由于气象条件(太阳辐射、风速、温度、空气湿度)以及下垫面条件(地表类型、土壤湿度、植被覆盖状况等)的水平非均匀性,一般很难取得准确结果。近20多年来,遥感技术的出现和发展为这个问题的解决带来了新的希望。多时相、多光谱及倾斜角度的遥感资料能够综合地反映出下垫面的几何结构和湿、热状况,特别是表面热红外温度与其它资料结合起来能够较客观地反映出近地层湍流热通量大小和下垫面干湿差异(即土壤含水量的水平非均匀状况),使得遥感方法比常规的微气象方法精度高,尤其在区域蒸散计算方面具有快速、准确、大区域尺度及地图可视化显示等优越性。因而这些年来遥感方法已广泛应用于蒸散发研究。
本研究从能量平衡角度出发,结合MODIS遥感数据产品和少量地面实测数据,通过一系列陆面参数化过程,对地表辐射平衡方程和地表热量平衡方程进行求解,采用“余项法”求得瞬时水分蒸散量,并通过时间尺度扩展得到日蒸散量,并且以2004年秋季淮北地区出现的较为严重的秋旱为例,进行了陆面蒸散和地表湿度的时空分析和评价。本文的主要内容为:
(1)MODIS标准数据产品的处理。本文选用NASA提供的可供科学研究用的MODIS/Aqua陆地、大气数据产品进行地气界面参数的反演、估算,利用MODIS产品专用处理工具MRT和IDL语言及ENVI软件对其进行数据集提取、投影转换及研究区裁剪等,所有输出影像统一保存为Albers等面积投影格式。
(2)结合气候模型、地表辐射平衡理论、地表热量平衡理论,对能量平衡方程中的净辐射通量、土壤热通量和感热通量进行参数化和求解。计算感热通量时,区域风速的模拟采用一个气象站点观测风速推广得到,气温的估算采用MYD07大气廓线产品进行垂直递减率外插得到,同时对空气动力学阻抗进行了稳定度和剩余阻抗校正。最后利用“余项法”估算潜热通量,通过蒸发比扩展为日蒸散量。通过分析蒸发比的延伸意义,引出其具有指示地表湿润状况的作用。
(3)为探讨蒸散在干旱监测中的作用,利用4天晴空影像反演了2004年秋季淮北地区秋旱发生阶段的日蒸散,气象观测资料初步验证了蒸散反演结果的合理性,并分析了造成较大误差的可能因素,认为利用MODIS反演蒸散发在区域尺度上是可行的;参数敏感性分析发现风速、反照度和大气短波透过率在可接受范围内的估计误差不会对最后结果的有大的影响,而气温的影响十分显著。
(4)根据日蒸散的时空分布,发现日蒸散的与天气状况密切相关,天气湿润时,各地的蒸散发差别不大,而天气干燥时,蒸散发的地区性差异比较明显,受地表状况的影响显著。利用蒸发比指数分析当年的秋旱状况,认为该指数能有效地反映出地表湿润状况的空间差异,有助于准确地了解和评估旱情。