大汶河流域陸面蒸發(fā)估算方法比較

楊敏芝+鐘平安+汪曼琳+尚艷麗+程傳民

摘要：區(qū)域陸面蒸散發(fā)的估算對于計算區(qū)域水資源總量，合理配置水資源具有重要意義。針對處于大汶河流域上游、受人類活動影響較小的雪野水庫、黃前水庫、東周水庫控制子流域的實際特點，分別利用MODIS遙感方法、SWAT模型法、水面蒸發(fā)折算系數(shù)法對這三個子流域2000年一2008年的多年平均年陸面蒸發(fā)量及多年月平均陸面蒸發(fā)量進行估算，并基于水量平衡方程，結(jié)合各子流域的同期降雨與天然徑流資料，對估算結(jié)果進行了分析比較。結(jié)果表明：在大汶河流域內(nèi)，采用MODIS遙感方法估算實際陸面蒸散發(fā)的精度較低；水面蒸發(fā)折算系數(shù)法具有一定精度；SWAT模型法精度較高、適應(yīng)性較好，估算誤差僅在3%左右。研究結(jié)果可為半濕潤區(qū)陸面蒸發(fā)估算方法的選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：陸面蒸發(fā)；大汶河流域；MODIS遙感方法；SW-AT模型；折算系數(shù)法

中圖分類號：TV125 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0050-06

陸面蒸發(fā)包括地表水體的水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和植物散發(fā)等，是區(qū)域內(nèi)各種下墊面條件下的總蒸發(fā)，同時也是地表熱量平衡和水量平衡方程的重要組成部分。蒸發(fā)是決定區(qū)域水資源量多寡的重要環(huán)節(jié)，二者的時空分布規(guī)律之間存在著密切聯(lián)系，因此陸面蒸發(fā)的計算在水資源研究中占有重要比重，對區(qū)域水資源優(yōu)化配置具有重要意義。

實際陸面蒸發(fā)量由于區(qū)域下墊面情況復(fù)雜等多重因素很難由儀器直接測出，且精度難以保證，因此尋求合適方法估算區(qū)域陸面蒸發(fā)量并增加估算結(jié)果的可信度顯得尤為重要，長久以來一直是水文界研究的熱點與難點。目前，基于不同原理的陸面蒸散發(fā)估算方法如FAO PenmawMonteith法、SPAC水分傳輸綜合模擬法、渦動相關(guān)觀測法、蒸滲計觀測法等有很多，這些方法存在所需資料難以獲取且估算精度有限等問題導(dǎo)致普適度不高，在實際應(yīng)用中受限較大。近年來，遙感技術(shù)彌補了傳統(tǒng)實測方法無法滿足大區(qū)域要求、耗時長、分辨率低的缺點，尤其是NASA發(fā)布的MODIS全球蒸散發(fā)產(chǎn)品MOD16，提供了高時空分辨率的陸地蒸散數(shù)據(jù)集，從而使從總體上把握整個區(qū)域系統(tǒng)的實際陸面蒸發(fā)量成為可能。同時，遙感技術(shù)也在分布式水文模型中得到了廣泛應(yīng)用，如SWAT模型能夠利用GIS和RS提供的空間數(shù)據(jù)信息與少量氣象資料對區(qū)域?qū)嶋H蒸散發(fā)進行定量模擬，模型中的蒸散發(fā)模塊功能強大、物理基礎(chǔ)扎實，已被一些學(xué)者應(yīng)用于具體區(qū)域并取得了良好的估算效果。蒸發(fā)皿觀測法，即水面蒸發(fā)折算系數(shù)法，因其計算簡單、資料易于獲取，也在一些地區(qū)得到了很好的應(yīng)用。

結(jié)合以往的一些研究，易知：由于對不同方法估算的蒸散發(fā)量的理解存在一定偏差，加上蒸散發(fā)的各種影響因子隨著氣候及下墊面條件的變化不確定性較大，在陸面蒸發(fā)的估算過程中往往會進行不合理替代，從而因水量不平衡等問題而導(dǎo)致深入研究受限。因此，在具體的氣候類型區(qū)對比研究不同方法的估算能力和適用性十分必要。鑒于此，本文將利用大汶河流域陸面過程綜合觀測資料，探討MODIS遙感方法、SWAT模型法、水面蒸發(fā)折算系數(shù)法在大汶河流域的適應(yīng)性，并根據(jù)水量平衡公式對其計算結(jié)果進行比較分析，以期為半濕潤地區(qū)陸面蒸發(fā)研究方法的選擇提供一定的參考。1研究區(qū)域概況

大汶河流域位于山東省中部的泰山南麓，總流域面積為9 069 km²，是黃河下游重要支流。流域地屬溫帶大陸性半濕潤季風氣候區(qū)，多年平均年降水量711 mm，其中6月-9月降雨量占年降雨量的75%。流域內(nèi)降水時空分布不均，東多西少，年際年內(nèi)分配不均，旱澇災(zāi)害較嚴重。

本文選取了大汶河流域上游受人為調(diào)蓄、消耗影響較小，能大致反映流域天然徑流情況的雪野水庫、黃前水庫以及東周水庫控制的三個閉合子流域。其中，雪野水庫位于萊蕪市北部，黃前水庫和東周水庫分別位于泰安市的東北部和東南部，見圖1。

2陸面蒸發(fā)量估算

2.1 M ODIS遙感方法

MODIS是中分辨率成像光譜儀（MODerate-resolution Imaging Spectroradiom eter）的簡稱，作為新一代‘圖譜合一”的光學(xué)遙感儀器，其數(shù)據(jù)與產(chǎn)品已經(jīng)被越來越多地用于監(jiān)測地表能量平衡與水分狀況。MODIS搭載在兩顆太陽同步極軌衛(wèi)星-Terra和Aqua上，為了獲取多波段的降雨、蒸發(fā)等水文數(shù)據(jù)，兩顆星相互配合每天或每兩天對地球表面進行重復(fù)觀測，從而使人們更加深入地理解全球陸地、海洋和低層大氣內(nèi)水分的動態(tài)變化規(guī)律。

近年來美國國家航空航天局基于彭曼·蒙蒂斯模型結(jié)合MODIS遙感數(shù)據(jù)在蒸散發(fā)反演算法上取得了重大突破，并在地球觀測系統(tǒng)上發(fā)布了全球M ODIS陸地蒸散旬、月合成產(chǎn)品數(shù)據(jù)系列（MODl6），它能夠提供模擬精度高達86%的地表蒸散量的特征參數(shù)，且能在NASA網(wǎng)站上免費獲得，因此本文選用MODl6產(chǎn)品來進行大汶河流域?qū)嶋H蒸散發(fā)的估算。

MODl6產(chǎn)品數(shù)據(jù)集提供了包括蒸散發(fā)（ET）、潛熱通量（LE）、潛在蒸散發(fā)（PET）和潛在潛熱通量（PLE）的信息，M ODl6蒸散發(fā)算法基于彭曼公式，計算時分別考慮了土壤表面蒸發(fā)、植被冠層截留水分蒸發(fā)和植物蒸騰量等因素。公式如下：

首先建立大汶河流域SWA T模型，根據(jù)雪野水庫、黃前水庫、東周水庫的實際經(jīng)緯度人工添加三個水庫控制點，根據(jù)加載的DEM數(shù)據(jù)自動劃分生成54個子流域，如圖2。在模型蒸散發(fā)模塊中輸入流域內(nèi)3個代表性氣象站泰安、泰山、淄川站的最高氣溫、最低氣溫與平均氣溫的數(shù)據(jù)，利用式（3）計算得出各子流域的逐月潛在蒸發(fā)量。得到潛在蒸發(fā)量之后，SWAT模型將計算植被冠層截留雨量蒸發(fā)、最大蒸騰量、最大升華量和最大土壤蒸發(fā)量，最后計算得出土壤的實際升華量和蒸發(fā)量，最終得到實際陸面蒸發(fā)量。本文選取了SWAT模型計算得到的大汶河流域中54個子流域2000年1月-2008年12月的逐月陸面蒸發(fā)資料，并計算得到三個水庫控制的子流域2000年-2008年多年平均年陸面蒸發(fā)量，見表1。endprint

2.3水面蒸發(fā)折算系數(shù)法

水面蒸發(fā)是供水充分條件下的蒸發(fā)，常用來作為反映蒸發(fā)能力的一個指標，其與陸面蒸發(fā)相比具有不同熱力學(xué)性質(zhì)的蒸發(fā)面，但由于它們發(fā)生的氣候條件類似，因此兩者存在一定的關(guān)系，可由水面蒸發(fā)量乘一個折算系數(shù)間接求得陸面蒸發(fā)量，即

式中：E為陸面蒸發(fā)量；E₀為水面蒸發(fā)量；K為綜合陸面蒸發(fā)折算系數(shù)，與區(qū)域內(nèi)氣候條件、土壤特性、植被種類、植被覆蓋率等因素有關(guān)，取值在0～1之間。

水面蒸發(fā)量一般可由E601型蒸發(fā)皿觀測值代替，本文采用的數(shù)據(jù)是雪野水庫、黃前水庫、東周水庫2000年1月-2008年12月的E601型蒸發(fā)皿蒸散發(fā)資料，利用易于獲得的水面蒸發(fā)量對大汶河流域陸面蒸發(fā)量進行估算，從而建立陸面蒸發(fā)與水面蒸發(fā)的關(guān)系。

為了避免自證，本文選取1980年-1999年資料數(shù)率參數(shù)K，并將優(yōu)選的參數(shù)移植到2000年-2008年與其他兩種方法比較。K值優(yōu)選采用年徑流殘差平方和最小為目標函數(shù)，具體公式如下：

利用1980年-1999年的多年降雨、水面蒸發(fā)及天然徑流資料，雪野水庫、黃前水庫、東周水庫控制的三個子流域均能得出一個折算系數(shù)，分別為：0.76、0.70、0.47。率定期年徑流過程對比見圖3，由圖可知，三個子流域的估算徑流與天然徑流擬合情況良好。

利用每個子流域算出的折算系數(shù)乘2000年-2008年的多年平均年水面蒸發(fā)量，從而求得2000年-2008年多年平均年陸面蒸發(fā)量，計算結(jié)果見表2。

4結(jié)果比較

為了驗證區(qū)域蒸散發(fā)估算結(jié)果，選取了大汶河流域2000年-2008年的降水和實測徑流資料，結(jié)合上文通過MODIS遙感數(shù)據(jù)、SWAT模型以及綜合陸面蒸發(fā)折算系數(shù)估算的子流域多年平均年陸面蒸發(fā)量，運用水量平衡公式評估三種方法的估算精度：

式中：R為多年平均年徑流量；P為多年平均年降水量；E為多年平均年陸面蒸發(fā)量；以上各項以水深mm計。

分別計算利用三種方法得到的三個子流域2000年-2008年的多年平均年徑流量與多年平均年天然徑流量的絕對誤差與相對誤差，結(jié)果比較見表3。水庫控制子流域2000年-2008年多年平均月徑流過程對比見圖4。

由表3和圖4可看出，不同子流域的結(jié)果是一致的，即利用SWAT模型計算得出的多年平均年徑流量與多年平均年天然徑流量的相對誤差均為最小，誤差值集中在3%左右；MODIS遙感方法計算的相對誤差最大，三個子流域的平均值為29.4%；水面蒸發(fā)折算系數(shù)法計算的相對誤差較小，平均值為9.5%。表明在大汶河流域，SWAT模型估算的陸面蒸發(fā)精度最高，水面蒸發(fā)折算系數(shù)法次之，在實際工作中可以采用這兩種方法估算此流域的陸面蒸發(fā)。

5結(jié)論

區(qū)域陸面蒸散發(fā)的準確估算對區(qū)域水資源優(yōu)化配置有一定參考價值。本文以大汶河流域的三個子流域為例對MODIS遙感方法、SWAT模型法、水面蒸發(fā)折算系數(shù)法對陸面蒸散發(fā)的估算效果進行了分析評價，得出以下主要結(jié)論。

（1）由于區(qū)域下墊面條件復(fù)雜，格點內(nèi)蒸散發(fā)差異較大，因此利用MODIS全球蒸散發(fā)產(chǎn)品MOD16產(chǎn)品估算小區(qū)域陸面蒸發(fā)應(yīng)當慎重，依據(jù)其評價區(qū)域天然徑流量可能會產(chǎn)生較大誤差。未來遙感技術(shù)應(yīng)致力于增加衛(wèi)星數(shù)量，實現(xiàn)多源遙感數(shù)據(jù)的融合，同時加強對于較小空間范圍的監(jiān)測，進一步提高產(chǎn)品精度。

（21利用水面蒸發(fā)折算系數(shù)法估算區(qū)域陸面蒸發(fā)具有一定精度，由于信息易于獲取，在缺乏詳細氣象資料時，可作為可選的方法，但由于K的區(qū)域性較強，應(yīng)進行仔細率定。

（3）SWAT模型估算流域?qū)嶋H陸面蒸散發(fā)的相對誤差僅在3%左右，表明模型中的Hargreaves法在大汶河流域的應(yīng)用效果好，只需要結(jié)合少量氣象資料即可估算出高精度的流域?qū)嶋H陸面蒸散量。endprint