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蒸散既是热量平衡也是水分平衡的重要项,清楚地认识蒸散发,对了解大范围内能量平衡和水分循环,深入研究陆面蒸散,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。干旱、半干旱区的蒸散研究,对了解区域内水分和能量的空间分配,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依据,同时也可为相关研究提供基础资料。
本文以黑河中游、陕西关中渭北作为干旱、半干旱区遥感估算蒸散的研究区域,选取2002和2008年研究区域NOAA/AVHRR资料,土地利用图、DEM数据,2008年“黑河流域遥感-地面观测同步试验”数据、研究区域内气象观测站气温、气压、水气压、风速数据,利用蒸散系数方法、能量平衡单层模型和Penman-Monteith公式计算了研究区域的实际蒸散和参考作物蒸散。蒸散系数被认为是在卫星过境前后变化不大,根据蒸散系数的定义,在地表能量平衡方程的基础上,通过估算蒸散系数、净辐射和土壤热通量获得蒸散发,该方法的优点是几乎不使用卫星遥感图像以外的其它参数就可以获得蒸散发。本文中能量平衡单层模型使用了SEBS模型中kB-1的参数化方法,通过稳定度函数求解感热,用能量平衡方程的余项法得到蒸散发;该方法物理意义清楚,但需要较多的参数。Penman-Monteith公式仅通过气象观测资料就可以计算参考作物蒸散。
同时,在估算蒸散的过程中通过试验数据选取了研究区域地表物理参数的估算方法,对估算的典型地表参数和蒸散发的时空分布特征进行了分析,得到如下结论。
(1)利用黑河试验数据和陕西关中渭北观测资料对遥感估算的地表参数的验证结果表明,地表反照率、地表温度、地表发射的长波辐射等与估算蒸散有关的地表生物物理参数的估算结果,基本能反映研究区域下垫面特点和生物物理参数的分布特点,本文所采用的参数估算方法是可行的。
(2)蒸散系数方法估算蒸散结果的验证表明,该方法用于地表覆盖差异不大时效果不是很理想。在黑河流域5月初和9月末,地表植被覆盖较少,研究区域内蒸散差异不大,蒸散估算结果的相对误差较大达到30%以上;对于关中渭北4月下旬和9月上旬,研究区域内植被覆盖整体较好,蒸散估算结果的相对误差也较大分别为33%和26%;但其余时次的相对误差都在13%以内。
(3)在关中渭北研究区,蒸散系数方法和能量平衡方法估算的蒸散结果比较表明,对于农田,这两种方法估算的蒸散高值区与低值区的分布基本一致,蒸散随着季节和农作物的播种与收获发生变化;对于林区,能量平衡方法估算的蒸散变化趋势好于蒸散系数方法估算值的变化趋势,但对林区蒸散发的估算还需要进一步研究验证。
(4)研究区域内植被指数和蒸散发在空间上具有高度的一致性,植被指数越高,蒸散发越高。蒸散的变化不仅与植被覆盖、季节变化有关,而且与地面作物的生长,土壤含水量变化有密切关系。林区蒸散的变化主要与季节变化及植被的生长周期有关;农耕区蒸散主要与地面种植作物的生长发育以及土壤水分含量有关,既使同一作物的同一生长期,蒸散会随土壤水分的变化而分布不均;以西安为代表的城市区在整个生长季蒸散的变化不大;沙漠、戈壁等植被条件较差的地区的蒸散量很小。
(5)在利用不同方法估算蒸散发的过程中发现,根据下垫面特征研究物理意义明确的遥感估算蒸散的模型,仍然是模型应用的关键问题;遥感蒸散模型中各参数的估算精度直接影响着蒸散的估算精度,参数估算精度越高的时次,蒸散估算的精度也越高;建立在观测基础上的尺度外推仍然是遥感蒸散模型应用研究的重点。