干旱區黑河流域復雜地表蒸散量遙感研究

王偉紅　田輝

摘要在全球水資源日益匱乏的情況下，利用遙感技術估算區域蒸散量為合理利用和分配水資源提供了一種快捷有效的方法。目前基于地表能量平衡的衛星遙感蒸散模型日益成熟，在這一背景下，充分利用以往在黑河地區開展的遙感模擬研究成果，針對西北干旱區黑河流域復雜地形特點，估算了該流域2004年度的蒸散量并給出了在不同土地利用條件下蒸散分布的數量差異。結果表明，流域年蒸散總量估算值在整個流域及其上、中、下游各子區域上，基本滿足水文學區域水量平衡關系。同時應該指出，在地表景觀分異強烈的地區，采用中分辨率遙感資料會對地表“混合像元”觀測存在“平均”作用導致蒸散量的低估。

關鍵詞黑河流域；復雜地表；遙感；蒸散

中圖分類號S127文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）04-01141-06

作者簡介王偉紅（1968- ），男，河南漯河人，工程師，從事生態環境及大氣環境研究。

產生蒸散發（Evapotranspiration—ET）量所需的潛熱通量是地表能量平衡的組成部分，也是水量平衡的組成部分，而地面熱量、水分收支狀況很大程度上決定著天氣、氣候的變化，進而決定著地理環境形成和演變。地表蒸散量作為衡量氣候環境變化的重要指標，近年來隨著全球氣候環境變化特別是陸面過程研究的興起，迫切需要能夠滿足氣候環境研究需求的大尺度區域蒸散輸入資料。因此對于陸面蒸散發的研究，一直是國內外地學、水文學特別是干旱區研究關注的焦點問題之一[1]。我國的西北干旱區是全球最典型的干旱地區之一，該區的可用地表和地下水資源主要消耗于農業和畜牧業，水資源供需矛盾十分突出。在該地區降水基本不變的背景下，隨著人口數量和經濟的快速增長，工農業用水和城鎮生活用水迅速增加，特別是農業等用水的粗放使用，使本已緊張的水資源更加入不敷出。以研究區黑河流域為例，水資源的嚴重短缺引發了這一地區一系列的生產和生態環境問題，有限的水資源迫使人類的經濟和社會活動主要局限于祁連山前綠洲地帶。該區水資源時空分布極其不平衡，加之長期以來粗放的農業生產方式和水資源利用效率低下，浪費和不合理開發利用的現象十分普遍，全流域又缺乏統一的水資源管理和合理規劃，中游和下游用水矛盾尖銳[2-3]。

人們基于地面氣象、水文站點的觀測資料，從能量平衡的物理機制和植物生理機制出發，建立了一系列經驗、半經驗的和物理的計算模型。經驗模型的代表是Jackson等提出的簡化法（Simplified Method），分別利用當地時間13：00的表面輻射溫度和氣溫，經驗地擬合出局地水熱通量和遙感參量間的統計關系并推廣到區域尺度上[4]。經驗統計關系受局地因子影響很大，其應用受到很大限制[5-7]。Nemani等發現在植被指數和地表溫度的二維散點圖上，呈現近似三角形的空間紋理關系，并且兩變量間存在較好的相關性[8]。半經驗模型利用這種空間紋理關系，同時利用經驗方法獲取計算中的有關參數，簡化地獲得地表蒸散發量。基于對植被指數-地表溫度散點圖的不同認識和處理，遙感蒸散發量的半經驗模型主要有梯形模型和三角形模型[9-13]。遙感蒸散發量的物理模型可簡單分為單源模型、雙源模型和熱慣量模型。單源模型假定植被均勻分布在地表面上，將土壤和植被看作一個整體[14-19]，雙源模型把土壤和植被冠層分離，分別計算它們與大氣之間的感熱和潛熱交換[20-23]。遙感蒸散的熱慣量模型利用地表對吸收輻射的響應特性計算地表熱通量，計算過程不依賴氣溫和風速等非遙感信息，適于在氣象資料缺乏的地區開展應用[24-25]。此外，還有各種基于能量平衡原理的彭曼類模型[26-28]和基于互補關系原理的遙感蒸散互補模型[29-30]。從20世紀90年代初開始，中日合作在我國西部的黑河地區開展了大規模的地-氣相互作用試驗研究即著名的“黑河試驗”，先后進行了地表特征參數衛星遙感反演研究以及地表能量通量衛星遙感試驗研究，建立了適用于黑河試驗區的衛星遙感參數化方案[31-35]，為該地區進一步開展蒸散遙感研究奠定了堅實基礎。隨后在該地區進行的“AECMP”95 和 “金塔試驗”以及在西北干旱區其他地區進行的“敦煌試驗”等地面觀測研究，也提供了遙感模型所需的很多地面輸入參數，使衛星遙感地表特征參數和能量平衡的技術手段得到進一步發展和充分應用[36-43]。

盡管前人對包括黑河地區在內的我國西北干旱區地表特征參數和能量平衡過程進行了詳盡研究，但是對于該地區特別是內陸河黑河流域蒸散發量的時空變化研究尚不充分，已有研究還不能夠為該地區水資源管理和科學決策提供宏觀定量的蒸散發數據。以往在黑河地區進行的諸多地面觀測試驗和遙感模擬研究主要并不是針對蒸散發過程，因而一般僅僅給出個別衛星過境時刻的瞬時潛熱通量空間分布，時間分布上過于稀疏離散，不便于分析較長時間如年度內持續變化的特征；另一方面，以往在該地區開展的歷次野外觀測試驗，由于技術條件限制，對于黑河流域地形的起伏多變，景觀格局的分異特征，模擬研究中考慮尚顯不足。筆者將針對上述不足，將目標定位于黑河全流域尺度，不同地形和景觀條件下，較長時間周期即2004年度蒸散發總量的定量遙感估算研究，為快速及時地監測該地區水資源利用和干旱發展狀況提供一種簡易有效的估算方法。

1研究方法

1.1瞬時潛熱蒸發計算計算地表瞬時蒸發潛熱通量，以不考慮平流作用和生物體內需水情況的地表能量平衡為基礎，將地表潛熱通量λE作為地表凈輻射Rn、地熱通量GO和感熱通量Hs的余量處理：

1.2蒸散量時間擴展方法直接利用衛星資料只能估算晴空下衛星過境時刻瞬時蒸散量，而農業生產和水資源管理當中人們更關心較長時段的蒸散總量。對瞬時蒸散量作時間尺度擴展時，首先采用美國愛達荷大學用于區域水資源管理和蒸散量估算的METRIC模式（Mapping EvapoTranspiration at High Resolution with Internalized Calibration）中有關方法[48]。采用FAO56 PenmanMonteith公式，利用黑河流域氣象站資料計算獲得，詳細計算要求可參見文獻[49]。

當獲得晴空日蒸散量后，要獲得較長期如月或年總蒸散量時，還必須考慮實際天氣變化對地表輻射平衡和水熱傳輸的影響。這里為了簡化處理，僅僅考慮云量變化的影響。由于該研究計算的是2004年度，尚無如FY-2號靜止氣象衛星云資料等高時間分辨率云產品可以利用，而NCEP再分析資料空間分辨率又太低，故筆者以氣象站日照時數資料代替云量資料，對典型晴天的日蒸散量加以修正，以逼近實際天氣條件，獲取全月蒸散發量。最后，年度蒸散總量由各月蒸散量簡單相加獲得。

2研究區域與資料處理

2.1研究區域概況研究區域為黑河流域（圖1），是中國第二大內陸河，位于98°～102° E，37°50′～42°40′ N，流經青海、甘肅和內蒙古三省區，總面積13萬多km2。黑河流域下墊面特征極其復雜，從上游山區森林、草原、沼澤到山前平原區的灌溉農田、自然綠洲、沙漠、戈壁和湖泊等幾乎涵蓋了所有陸地地表類型。黑河流域中游的河西走廊一帶是我國西北主要的商品糧生產基地，而著名的東風航天城則位于流域下游地區，黑河是該地區的生命線。

圖1黑河流域地理范圍（a）與主要氣象站分布（b）2.2遙感資料預處理該研究主要利用MODIS遙感資料獲取地表植被參數和特征參數。MODIS探測器包括36個從可見光至熱紅外探測通道，其較高的時間分辨率和光譜分辨率，使其可以完成陸地、海洋、大氣以及生物等多領域遙感觀測任務。研究中計算輸入資料為MODIS官方網站提供的全球覆蓋1 km分辨率植被指數NDVI和地表反照率產品。對于地表溫度的獲取，采用毛克彪等[50-51]通過對大氣輻射傳輸和普朗克公式做出的一些假設和簡化后給出的一個簡易方法利用MODIS L1B資料獲得。大氣水汽含量利用MODIS的 19和2通道資料獲取[52]。

為充分利用MODIS通道2較高的250 m分辨率信息，將通道19、31和32資料由1 km分辨率重采樣為250 m分辨率，結合MODIS的 19和2通道反射率可以獲得250 m分辨率的大氣水汽含量空間分布。根據上述方法獲得的地表溫度空間分布雖然不是真正250 m分辨率，但有助于提高非均勻景觀下混合像元地表溫度反演精度。

數字高程模式（Digital Elevation Model）描述地形高程的變化，為精確計算地形對陸面過程的影響提供了前提條件。采用美國航天飛機雷達地形測繪任務（SRTM）全球數字高程DEM資料，計算研究區域的地形參數。該產品在美國地區空間分辨率約為30 m（1arcsecond），在全球其他地區約90 m（3arcsecond）[53]。

由于黑河流域土地利用狀況復雜，MODIS和NOAAAVHRR的土地利用產品資料精度有待提高，因此，采用了中國科學院寒區旱區環境與工程研究所遙感與地理信息科學研究室提供的黑河流域土地利用資料[54]。該資料融合了MODIS土地覆蓋數據產品和2000年黑河流域1∶10萬土地利用圖，空間分辨率為1 km，給出了較為詳細的土地利用分類信息。

2.3地面氣象與試驗觀測資料收集了黑河流域及周邊主要氣象站點（如圖1b所示）2004年逐日觀測資料。氣象要素包括空氣溫度（℃）、氣壓（hPa）、空氣相對濕度（%）、地表溫度（℃）、10 m風速、降水（mm）、日照時數（h）、水面蒸發量（mm）和部分站點的太陽總輻射資料等。特別對于降水，可以采用Thiessen多邊形方法（如圖1b所示），利用每個網格內單點氣象站資料，獲得流域內降水空間分布。

同時，為較好地進行區域蒸散估算及結果驗證，筆者采用國家自然科學基金重點項目“綠洲系統能量與水分循環過程觀測和數值研究”于2004年夏季在黑河地區金塔綠洲開展的觀測試驗（以下簡稱“金塔試驗”）的相關資料。“JTEXP”試驗的主要觀測區選擇在由黑河支流北大河沖積扇形成的金塔綠洲內，為典型的亞洲內陸干旱區，海拔1 100～1 400 m，屬于甘肅酒泉地區。試驗區內主要有3種典型的下墊面：綠洲、戈壁和沙漠。地面試驗項目主要包括凈輻射（4個輻射分量）、大氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤熱通量和湍流渦動相關觀測，同時包括系留氣球和雷達小球探空等邊界層大氣觀測。該試驗觀測站點以及項目配置見圖2。

3結果驗證與分析

3.1瞬時蒸發潛熱通量和日蒸散量估算結果驗證如圖3所示，選取金塔試驗期間5#測點部分晴天TerraMODIS過境時刻地面渦動相關系統觀測的潛熱通量資料，與利用遙感反演的250 m分辨率MODIS地表溫度資料獲取的潛熱通量進行比較。其中，平均絕對百分偏差MAPD=100nni=1|xderived-xmeasuredxmeasured|。可以看出，多數情況下遙感反演的潛熱值小于地面觀測值，偏小約為MAPD=18.2%，這是由于對地表“混合像元”觀測存在“平均”作用，顯示了植被和裸地的混合蒸散效果。

參考文獻

[1] 馬耀明，王介民.非均勻陸面上區域蒸發（散）研究概括[J].高原氣象，1997，16（4）：446-452.

[2] WU J，DING Y，CHEN R，et al.The Variation and Utilization of Water Resource in Heihe River Basin[M].Water Resource Management，Southampton WIT Press，2005.

[3] 常炳炎.黑河流域水量調度的技術實踐與效果[J].水力水電技術，2003，34（1）：41-43.

[4] JACKSON R D，REGINATO R J，IDSO S B.Wheat canopy temperature：a practical tool for evaluating water requirements[J].Water Resource Research，1977，13：651-656.

[5] SEGUIN B，ITIER B.Using midday surface temperature to estimate daily evaporation from satellite thermal IR data[J].International Journal of Remote Sensing，1983，4：371-383.

[6] VIDAL A，PERRIER A.Analysis of a simplified relation for estimating daily evapotranspiration from satellite thermal IR data technical note[J].International Journal of Remote Sensing，1989，10（8）：1327-1337.