基于MODIS数据的区域蒸散量的遥感估算与验证研究

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蒸散发(ET)包括土壤蒸发及植物蒸腾两部分,它是地表能量与水量平衡的重要分项,是水文循环的一个重要组成部分,准确地估算出区域蒸散发量可以为实现流域水资源的有效管理和真实节水提供科学依据。   本文基于MODIS遥感数据产品,结合气象台站的观测数据及相关专题图,应用Liu-2007单层遥感模型估算了北京区域2006-2008三年的地表蒸散发量。首先利用密云、大兴、馆陶三个站的观测资料,结合足迹模型,通过对估算的观测站单点的瞬时蒸散发量结果的验证分析,优化了模型在不同下垫面上计算蒸散发的参数化方案;而后对比了几种蒸散量的时间尺度扩展方法,并探讨了在区域蒸散量估算中所需的气象要素的时空插值方法;最后估算了北京地区2006-2008三年的地表蒸散量,对其在典型下垫面上的结果做了验证比较,并简单分析了其时空分布特征。   在密云、大兴和馆陶三个实验站上遥感估算的瞬时显热通量结果为:密云站瞬时显热通量H的平均绝对百分比误差MAPD为18.64%,均方根误差RMSD为38.36w/m2;大兴站的MAPD为16.34%,均方根误差RMSD为32.53w/m2,馆陶站的MAPD为19.54%,均方根误差RMSD为37.40w/m2,这表明liu-2007遥感模型在不同下垫面状况下估算的瞬时显热通量均有较高的精度。分别比较了蒸发比不变法、正弦关系法和拟合方程法三种方法得到的日ET结果,通过综合分析三种方法的优缺点,确定在北京区域蒸散量估算中采用正弦关系法。在对蒸散量进行日到多日的插补时,文中比较了时间序列分析方法(HANTS)、动态线性回归方法(DLR)、FAO-PM公式法的插补结果。在密云站,HANTS法插补的结果最好,MAPD为12.2%,FAO-PM方法的插补结果在馆陶站最好,MAPD为10.3%,三种方法插补结果均能达到一定的精度,考虑到FAO-PM方法与DLR方法的驱动数据在区域蒸散量估算中的获取依然面临很多困难,最后选择了HANTS插补算法。   气象数据的时空扩展中,风速时间插值文中采用了线性插值的方法进行处理。在气温的时间插值中,比较了谐波拟合、三次样条和线性插值三种方法的结果,并最终选定三次样条法对气象台站的数据进行了时间差值。在空间插值方法中,通过对克里格法和反距离加权法的插值结果分析,气温数据采用了克里格法插值,风速采用了反距离加权法插值。   计算了2006-2008年三年北京地区的蒸散量,得到北京地区的年均ET值分别为495.73mm,547.86mm和613.69mm,与北京市水文总站利用水量平衡方法计算的年ET结果误差MAPD为9.54%,RMSD为52.94mm,典型下垫面上的验证结果中与LAS观测结果比较,密云站2007和2008年日ET的MAPD分别为33.47%和32.82%,大兴站2008年日ET的MAPD为30.12%。月ET的比较结果中,密云站MAPD为34.43%,大兴站MAPD为38.51%。在水面上的蒸发量与E601观测数据折算的水面蒸发量比较,其MAPD为19.17%。北京市蒸散量的空间分布状况为北京市主城区较小,随着向外扩展蒸散也逐渐增大,时间变化上随着北京市2006~2008年三年降水量的递增,区域蒸散均值也呈逐年增加的趋势。在不同下垫面上年ET变化情况为,在2007年水体蒸散量最高,为610mm,其次是耕地、草地、林地、园地和建设用地,年蒸散分别为524mm,523mm,504mm,496mm和146mm。这与实际状况是相吻合的,说明liu-2007遥感模型应用在北京地区的遥感监测ET中有较好的精度。
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