地理科学进展  2017 , 36 (8): 1040-1047 https://doi.org/10.18306/dlkxjz.2017.08.013

研究论文

基于台站和MOD16数据的山东省蒸散及潜在蒸散时空变化

赵燊12, 陈少辉1*

1. 中国科学院地理科学与资源研究所,陆地水循环及地表过程重点实验室,北京 100101
2. 中国科学院大学,北京 100049

Spatiotemporal variations of evapotranspiration and potential evapotranspiration in Shandong Province based on station observations and MOD16

ZHAO Shen12, CHEN Shaohui1*

1. Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

通讯作者:  陈少辉(1978-),男,河北保定人,副研究员,主要从事区域地表蒸散研究及地表过程参数化研究,E-mail: chensh@igsnrr.ac.cn

版权声明:  2017 地理科学进展 《地理科学进展》杂志 版权所有

基金资助:  国家重点研发计划项目(2017YFB0203101)国家自然科学基金项目(41371348, 41671368)

作者简介:

作者简介:赵燊(1990-),男,河南南阳人,硕士生,主要从事区域地表蒸散及陆面过程模型研究,E-mail: zhaos.14s@igsnrr.ac.cn

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摘要

蒸散发的时空格局分析对理解气候变化与水资源之间的相互影响具有重要的作用。本文基于Penman-Monteith公式,利用MODIS全球蒸散发产品(MOD16)及气象站点的蒸发皿观测数据,先对数据精度进行评价,再从空间和时间两个尺度上对数据进行统计分析,系统阐释了2000-2014年山东省地表蒸散(ET)及潜在蒸散(PET)的时空分布特征及其与气象因子的相关性。主要结论为:①山东省不同区域蒸散分布差异明显,地表植被对ET的月际变化趋势有重要影响;②山东省ET及PET年际波动不大,全省ET均值为1529 mm,PET均值为2178 mm,年均ET与PET相对较大的差值说明该省整体相对缺水。③ET及PET的时空变化与诸多气象因子相关,其中与降水及温度的关系最为密切。

关键词: MOD16 ; 蒸散 ; 潜在蒸散 ; 气象因子 ; 时空变化 ; 山东省

Abstract

Spatiotemporal pattern analysis of evapotranspiration plays an important role in understanding the interaction between climate change and water resources. Based on the Penman-Monteith formula, this study analyzed the temporal and spatial characteristics of land surface evapotranspiration and its correlation with meteorological factors in Shandong Province from 2000-2014 with the MODIS ET product (MOD16) and the observation data of evaporation dishes at meteorological stations. We first examined the accuracy of MOD16 for Shandong Province and selected 13 weather stations within the province with daily values of atmospheric pressure, temperature, precipitation, evaporation, relative humidity, wind direction, wind speed, sunshine hours, and 0 cm land surface temperature from 2000-2014. Through the analysis of the spatiotemporal correlation between MOD16 potential evapotranspiration (PET) and the observation data of evaporation dishes at the meteorological stations, the effectiveness of the MOD16 PET in the area was verified. Then we used the MRT tool provided by MODLAND to splice MOD16 and convert the projection into longitude and latitude by taking WGS-8 as the reference surface. Finally, based on MOD16 and the meteorological data, the spatiotemporal distribution characteristics of ET and PET from 2000-2014 were analyzed. The main conclusions are as follows. (1) There was plentiful water in the eastern part of Shandong Province while the western part was short of water, which resulted in a clear difference of ET over different areas in the province. (2) The annual fluctuations of ET and PET from 2000-2014 were relatively small. The average value of ET was 1529 mm while that of PET was 2178 mm, which indicates that Shandong Province is a relatively dry area. (3) The correlation analysis between evapotranspiration and meteorological factors indicates that the spatiotemporal variation of evapotranspiration was closely related to many climatic factors, especially the water and heat conditions.

Keywords: MOD16 ; evapotranspiration ; potential evapotranspiration ; meteorological factor ; spatiotemporal variation ; Shandong Province

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赵燊, 陈少辉. 基于台站和MOD16数据的山东省蒸散及潜在蒸散时空变化[J]. , 2017, 36(8): 1040-1047 https://doi.org/10.18306/dlkxjz.2017.08.013

ZHAO Shen, CHEN Shaohui. Spatiotemporal variations of evapotranspiration and potential evapotranspiration in Shandong Province based on station observations and MOD16[J]. 地理科学进展, 2017, 36(8): 1040-1047 https://doi.org/10.18306/dlkxjz.2017.08.013

1 引言

区域蒸散发是构建区域水循环模型的重要组成部分,亦是开发陆面过程模型(如NOAH模型)时必要的能量分量。蒸散(Evapotranspiration,ET)通常是指土壤蒸发(Evaporation, E)和植物蒸腾(Transpiration, T)之和,是土壤、植被及大气这一循环体系中水分运动的重要过程,也是农作物生长发育所消耗的水分和能量的表现,作为陆面生态系统与水文过程的重要纽带,其强度大小与气象条件、下垫面状态及植被等有密切的关系。潜在蒸散发(Potential Evapotranspiration,PET) 是指充分供水条件下的区域蒸散发能力(Allen et al, 1998)。它是农田灌溉管理、作物需水量估算、稀缺资料地区水量平衡等研究中的重要参量,在水资源管理研究中有着广泛的应用(郎登潇等, 2017; 张静等, 2017)。因此,揭示ET和PET时空尺度上的变化趋势及其与气象因子的联系,有利于从宏观角度研究气候变化对流域水循环的影响,且对水热转换、农业灌溉管理以及相应陆面过程模型的深入了解和研究具有重要意义。山东省是中国13个粮食主产区之一,农业灌溉管理以及作物需水量估算等对该省农业的科学化发展极具指导作用,因而监测山东省ET及PET的时空变化并分析其与气象因子的关联性有重要的现实意义。

关于蒸散量的计算,传统的算法都是利用各种蒸散公式基于气象站点观测资料进行估算(左德鹏等, 2011; 张晓琳 等, 2012; 杜加强等, 2013),如果区域上站点分布不均且数量较少,会使区域蒸散的估算变得较为困难。近年来,随着遥感技术的发展,与蒸散相关的更为详细的地表参数得以反演,使得较大区域的蒸散估算成为可能。常用于遥感蒸散模型输入的参数包括反照率、地表温度以及植被指数等,可反演这些参数的卫星传感器包括ASTER、MODIS以及AVHRR等(冯景泽等, 2012)。利用遥感方法估算ET的理论基础是能量平衡原理,由此发展出多种遥感蒸散算法及相应的模型,较常用且典型的模型有SEBS(Surface Energy Balance System) 模型和SEBAL(Surface Energy Balance Algorithm for Land) 模型。SEBS是由荷兰籍华人学者苏中波在估算湍流热通量时所提出(Su, 2002),该模型可利用气象观测数据及遥感数据来获取非均匀下垫面的蒸发比和地表湍流热通量。SEBAL是由Bastiaanssen等学者在估算能量平衡方程各分量时提出的(Bastiaanssen et al, 1998)。该模型可以利用可见光及热红外数据反演NDVI、地表比辐射率、地表温度及地表反照率等特征参数;此外,还可利用大气透过率、平均风速、温度及植被覆盖度等下垫面信息,无需进行复杂的数值计算即可获取不同土地覆盖类型的土壤热通量、净辐射通量及感热通量,并可用余项法获取潜热通量蒸散。

尽管国内外学者利用遥感资料可较为准确地估算出区域蒸散量(卢玲等, 2007; 潘竟虎等, 2010; 李星敏等, 2011; 李超凡等, 2012; 杨文峰等, 2013),但在山东省的应用研究较少,其蒸散量的年际及月际变化规律尚不清楚,而且分析其与气象因子之间的相关性的文献也较少。美国国家航空航天局(NASA)所推出的多年全球尺度MOD16蒸散产品有着较高的时间及空间分辨率,并且可以免费获取,使得研究某一特定区域的蒸散时空分布特征变得更为便捷。本文基于NASA获取的2000-2014年山东省区域MOD16产品,通过数据可视化处理及GIS空间分析等方法,研究山东省ET及PET的时空分布特征,在此基础上进一步分析各种气象因子与ET及PET的相关性,从而为山东省农业生产及农业灌溉的水资源有效利用提供科学依据。

2 研究与方法

2.1 研究区域

山东省位于中国东部沿海地区,东经114°19′~122°43′,北纬34°22′~38°23′。全省面积15.7万km2(图1)。在地形方面,山东省中部凸起,为山地丘陵区;东部半岛大部分区域为地势较缓的丘陵;北部和西部是由黄河冲积形成的冲积平原区,为华北大平原的组成部分。地形以平原为主,占全省面积的55%,其余大多为山地和丘陵,占比近30%。气候属于暖温带季风气候类型,气温地区差异东西大于南北,年平均气温11~14 ℃。山东是中国重要的粮食主产区之一,主要农作物为玉米、小麦、水稻、棉花、大豆、花生、大白菜及马铃薯等(王希等, 2013)。

图1   山东省地形及气象站点分布

Fig.1   Topographical features of Shandong Province and meteorological station distribution

2.2 数据来源

MOD16蒸散数据集使用MODIS遥感反演,方法为2011年Mu等(2007, 2011)基于Penman-Monteith 公式在2007年算法的基础上改进的蒸散算法。蒸散包括地表蒸发和植物蒸腾,因此陆表蒸散主要包括来自土壤蒸发的部分、从植被茎叶的气孔蒸腾出去的部分以及植被拦截未达地面的雨水蒸发。计算所需要的数据包括气温、气压、湿度以及辐射等气象数据及叶面积指数、反照率、地表覆盖类型等遥感产品。MOD16有ET和PET两种产品。计算ET和PET时所用到的数据是一样的,但所需考虑的陆面水分环境特征参数有所区别。本文使用的MOD16是2000-2014年月合成1 km的ET及PET(ftp://ftp.ntsg.umt.edu/pub/MODIS/NTSG_Products/MOD16)。利用MODLAND提供的MRT(MODIS REPROJECTION TOOL)工具中对MOD16进行拼接并将投影转换为等经纬度投影,基准面设定为WGS-84。考虑到与气象数据进行比对分析时的便捷性,前期准备工作中需要先行提取观测台站在经纬度坐标投影下对应位点的ET和PET值。

所需的气象观测数据包括山东省内13个站点2000-2014年观测的气压、气温、降水量、相对湿度、蒸发量、风向风速、日照时数和0 cm地温等日值数据。数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)的中国地面气候资料日值数据集(V3.0)。前期准备工作中,将该数据集的日值数据处理成对应的月值数据和年值数据,以便于与MOD16的月值ET及PET进行分析对比。

2.3 数据处理方法

本文中在对数据进行处理时所使用的方法涉及Penman-Monteith公式、MOD16蒸散算法以及用MRT批处理MOD16数据产品。现分别加以详细介绍:

(1) MOD16蒸散算法

MOD16蒸散算法是基于Penman-Monteith改进后的算法式(1),计算时考虑了土壤表层蒸发、植被冠层的截流水分蒸发和植被蒸腾3个部分。

式中:λE为潜热通量;λ为蒸发潜热;s为饱和水汽压与温度的曲线斜率;Rn为作物表面净辐射量,MJ/(m2·d);G为土壤热通量,MJ/(m2·d);r为空气密度; Cp为空气定压比热;γ为湿度计算常数;ea为空气平均饱和水气压,kPa;ed为空气实际水气压,kPa;rars分别为空气动力学阻抗和表面阻抗,通过不同生态类型的气孔导度和有差异的边界层导度,以及受到温度与水分胁迫时的导度变化趋势计算得到,在该算法中使用一张由不同生物群落叶片气孔开闭时的水汽压差和临界温度组成的查找表进行计算;T为空气平均温度。e0(Tmax)及e0(Tmin)是温度T条件下的饱和水气压。

(2) 用MRT工具批处理MOD16数据产品

MRT工具是一种针对MODIS产品的处理工具,不仅可帮助用户把MODIS影像重新投影为标准的地图投影,而且可选择影像中的波段子集以及空间子集进行投影转换,这一过程的核心部分是对影像的重采样与镶嵌。

用MRT处理本文所用数据时,首先要明确研究区数据所在的轨道号,然后将数据输入MRT中对图像进行拼接和投影转换,得到GeoTIFF格式的输出产品,然后利用ENVI对该产品进行数据分析及处理。

2.4 MOD16数据检验

为验证所用MOD16数据产品的精度,采用相关性检验分析MOD16数据中的PET数据与观测站点的蒸发皿观测数据的相关性。相关性检验可分为两部分,即空间相关性(Spatial Correlation)检验及时间相关性(Temporal Correlation)检验。空间相关性检验为自2000-2014年各个观测站点均值所构成的站点序列,有效位点一共13个;时间相关性检验为山东省自2000-2014年月均时间点序列,有效位点一共180个。相关性分析结果表明:PET与蒸发皿观测数据的空间相关系数R为0.872(信度检验p<0.05)(图2a),时间相关系数R更是高达0.913(p<0.05)(图2b),说明观测站观测数据与MOD16数据产品在时空上均保持了相当高的相关性,可满足探究山东省区域ETPET时空变化的研究需求。

图2   MOD16 PET与观测台站观测蒸发量的相关关系

Fig.2   Relationships between MOD16 potential evapotranspiration (PET) and pan evaporation from meteorological observations

3 结果与分析

3.1 山东省ETPET的空间变化规律

数据分析表明,山东省ETPET存在明显的地域差异。ET多年平均值自西部及北部内陆向东部沿海呈增加趋势(图3a),从574 mm增至1927 mm。而PET多年平均值自西部及北部内陆向东部沿海则呈现减少趋势(图3b),从2849 mm减至1061 mm。ETPET两者数值的变化趋势在空间上表现为反向对应状态,在PET低(高)值区为ET的高 (低)值区,说明山东省西北内陆地区和东部沿海地区在蒸散上存在近乎相反的变化,再结合降水及温度等气象因子的时空分布状态,可探究其与ETPET变化存在的联系。

图3   山东省ETPET的空间分布

Fig.3   Spatial distributions of evapotranspiration (ET) and potential evapotranspiration (PET) in Shandong Province

上述差异性分布可具体反映在各相关气象因子上。从ETPET多年均值与观测台站各气象因子2000-2014年观测数据的空间相关关系表(表1)可知,年均降水及相对湿度与ET的相关关系系数分别为0.757及0.741,二者与ET均呈显著正相关(p<0.05);而日照时数与ET的相关关系系数为-0.65,与ET显著负相关(p<0.05)。无论是正相关系数还是负相关系数,其绝对值均可反应ET与上述气象因子的关联程度,即相关系数的绝对值越大,则该气象因子与ET或者PET的相关性越高。结合表(1)可知,PET与年均降水、日照时数及相对湿度均有较高的相关性。从气象因子之间的内在关系推知,在降水较多的地区,大气的相对湿度较高,加之由于降水多且相对湿度较大的地区会有较厚的云层和较大占比的气溶胶等因素,从而使日照时数减少。因此东部沿海因降水较为充沛且相对湿度较高,其ET值较高,PET值较低;而西部及北部内陆地区因降水不足且日照时间较长,在一定程度上导致其ET值较低而PET值较高。

山东省的农业用地主要集中在西部和北部的平原地区。水资源是农业生产的重要保障,而蒸散发的时空格局分析对理解气候变化与水资源之间的相互影响具有重要的作用。为了进一步探究蒸散发与农业生产之间的关系,选取具有代表性的站点做进一步研究。

表1   ETPET与气象因子的空间相关系数

Tab.1   Spatial correlation coefficients of climatic factors with ET and PET

相对湿度气温降水气压蒸发量日照时数风速
ET0.7410.6280.7570.221-0.487-0.653-0.302
PET-0.724-0.509-0.813-0.2060.6210.8620.432

注:表中相关系数p<0.05。

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选取陵县和栖霞观测站作为代表性站点,分别代表山东省农作物的两种主要类型:主粮和经济作物。陵县观测站位于德州市陵城区,地处黄河中下游冲积平原,地势低平,属于大陆季风气候暖温带,6-8月为雨季。该区域主要农作物为小麦、玉米和棉花。栖霞观测站位于烟台市栖霞县,地处山东半岛,濒邻黄海和渤海,属山区丘陵地形,该地区因盛产苹果而被誉为“中国苹果之乡”,其主要农作物为小麦、玉米、苹果。

陵县和栖霞站2000-2014年的ETPET月际变化趋势如图4所示(其中各月ETPET均为15年的平均值)。从图4可以看出,陵县站和栖霞站的PET月际变化趋势大致相同,都随月份的推移呈现先增后降的单波峰趋势,但是二者的ET月平均变化存在明显差异。其中陵县站的ET月际变化趋势中有2个明显的波峰,即呈现出先增加再减小再增加的双波峰变化趋势;而栖霞站的ET月际变化却呈现与其PET变化趋势相同的单波峰形态。考虑到陵县地区的土地利用以一年两熟的耕地为主,其中3-6月份为冬小麦,7-10月份为夏玉米,所以可以从图4a中看到时值小麦收割的6月份,其ET值突然下降,然后随着夏玉米的播种期和生长期的到来,其ET值又呈现增长势态,这说明植被的蒸腾作用与ET的变化趋势之间呈正相关关系;另外由前文的分析可知ET的变化与降水和温度等气象因子均存在较高的相关性,因而在温度和降水都达到最高值的8月份ET值达到其最大峰值。栖霞地区主要农作物中,小麦和玉米的种植面积及占比较陵县小,而苹果的种植面积及占比较大因此该地区的ET值也呈现先增大后下降的势态,但其峰值出现的月份及变化特征与陵县相比又有所差异。

图4   陵县及栖霞ETPET月变化趋势图

Fig.4   ET and PET monthly trends in Lingxian and Qixia, Shandong Province

3.2 山东省ETPET的时间变化规律

图5可知,山东省2000-2014年ETPET的年际变化在较小范围内波动,它们之间的差值也稳定在500~750 mm之间。陵县与栖霞2个观测站的历年ETPET变化趋势也进一步验证了这一结论,ET的多年均值为1529 mm,其年均值变化范围为1456~1602 mm,分别在2006年及2001年达到最小值和最大值;PET的多年均值为2178 mm,年均值变化范围为2095~2261 mm,分别在2002年及2012年达到最小值和最大值。考虑到ET表征的是实际蒸散量而PET表征的则是水分充足条件下的理论蒸散量,所以ETPET之间的差值可在一定程度上反应研究区域的缺水情况,也即该区域的干旱程度。因此,由ETPET之间差值较大可以推知山东省较易发生旱情。

图5   2000-2014年山东省ETPET历年变化趋势

Fig.5   Change of ET and PET in Shandong Province, 2000-2014

将2000-2014年的ETPET值求取多年月平均值(图6)可知:山东省ETPET整体上都呈先增大再减小的分布趋势,但在数值上逐月变化的程度有区别。从图6可以看出,在1-3月及11-12月ETPET的差值较大且在3月的时候差值最大,这意味着初春和隆冬时节较为干旱缺水且在3月最为严重(苑文华等, 2010);而在7-8月,PETET的差值较小,在8月达到最小21.9 mm,说明该时间段内用于蒸发的水量较为充沛。这和山东省全年的气候特征,即四季较为分明,降水较为集中且雨热同季相吻合,这对山东省农业用水的合理分配具有重要的指导意义。

图6   山东省ETPET月际变化

Fig.6   Monthly variations of ET and PET in Shandong Province

ETPET与各气象因子之间的时间相关关系见表2:2000-2014年山东省气温和降水与ET显著正相关,气压与ET显著负相关,说明ET与气温和降水的月际变化趋势较为一致,在6-8月,降水集中且温度达到最高,这样的气候环境对地表蒸散发较为有利,因而ET的值也趋于最大。从表2中还可知:气温及日照时数与PET显著正相关,气压与PET显著负相关,从其绝对值的大小来判断,温度及气压与PET的相关性较高,其次是日照时数。温度上升会导致气体膨胀从而使大气环境的气压降低,而地表热量源自于太阳辐射,温度的高低与接收太阳辐射的量有关,因而平均气压及日照时数PET的相关关系仍可归因到平均温度与PET的相关关系上。诸气象因子与ET的相关关系亦可作此处理。

表2   ETPET与气象因子时间相关系数

Tab.2   Temporal correlation coefficients of climatic factors with ET and PET

相对湿度气温降水气压蒸发量日照时数风速
ET0.5600.7250.732-0.6820.5210.145-0.143
PET-0.0720.9130.573-8.0160.6530.7060.582

注:表中相关系数p<0.05。

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4 结论与讨论

本人首先通过分析MOD16产品与观测台站蒸发皿观测数据的时空相关关系,验证了MOD16产品的精度可满足研究需求,然后系统分析得到了2000-2014年山东省ETPET时空变化规律,并进一步阐释了其与各气象因子的相关关系。

(1) 山东省ETPET的空间分布差异较大。ET多年平均值自西部及北部内陆向东部沿海递增,而PET多年平均值则自西部及北部内陆向东部沿海递减。ETPET近乎相反的变化趋势间接说明西部及北部内陆地区相对干旱,而其东部沿海地区降水则相对充沛。此外,地表植被的差异对ET的变化趋势影响较为明显,而对PET的变化趋势几乎无影响。山东是中国重要的粮食主产区,结合对栖霞和陵县2个观测站点的分析,考虑到其各地农作物种植结构的不同,需因地制宜地制定农业用水方案,重点关注作物生长过程各阶段的需水量,从而科学高效地提高水分利用效率。

(2) 从整体来看,山东省2000-2014年的ETPET年际变化波动不大,但全省的多年平均ETPET差值相对偏大,其中ET的均值为1529 mm,而PET的均值为2178 mm,二者相差649 mm。在1-3月及11-12月PETET的差值较大,说明在这2个时间段内山东省实际蒸发与蒸发潜力之间的缺口较大,亦即初春和暮冬时节灌溉用水较易蒸发,表明这一时期要做好抗旱工作;反之,在7-8月PET与ET的差值较小,说明该段时期内实际蒸发与潜在蒸发的缺口较小,考虑到该时期降水较为集中,应做好防汛抗洪的准备。

(3) 结合与气象因子的相关性分析可以看出,ETPET的空间分布与降水以及日照时数的关系较为密切;而二者在时间尺度上的分布与气温的联系最为密切,与降水量的联系次之。尽管气象因子涵盖平均降水量、平均气温、相对湿度及风速等诸多方面,ETPET与气象因子的相关关系亦有所不同,但综合来看二者都与水热条件的时空变化有着相对较高的相关性。

此外,从图3a中可以明显看到在山东半岛地区ET的空间分布产生了一条梯度较大的分界线,结合山东省地形(图1)进行分析可知:山东半岛属暖温带湿润季风气候,夏秋季从热带海洋吹来的东南季风会受山地丘陵的阻隔而由东南向西北逐渐减弱,从而造成湿度和降水的依次减弱;同时从由ET与气象因子的相关关系分析可知,湿度及降水因子与ET呈高度正相关关系,所以在湿度和降水减弱的地区其ET值也较小。反之冬春季节亦然。因此在平原向山地丘陵的过渡地带产生了一条较明显的分界线。

从蒸散的时空分布可以看出,山东省秋冬及初春季节蒸发量与潜在蒸发能力之间的差值很大,鉴于ETPET与降水等气象因素的密切关系,也可间接反映山东省在这一时期易发生旱灾;夏季雨热同季虽然有利于农作物的生长,但暴雨高度集中易导致洪水频发(孙安健, 2000; 杨罗, 2000; 王庆等, 2004),除了造成农田内涝外,往往亦容易形成河堤漫溢溃决。无论是旱灾抑或洪灾,都会对农业生产带来灾难性的影响。山东是中国的农业大省,如何利用遥感数据及气象观测数据更精准地分析和预测蒸散发的时空变化特征以便更好地服务农业生产是一项极具挑战性的研究课题。

The authors have declared that no competing interests exist.


参考文献

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遥感技术被认为是可以定量估算区域尺度蒸散发的唯一可能途径,近年来发展迅速。根据遥感蒸散发模型的基本原理,指出遥感蒸散发模型在反演蒸散发时可能会面临气象数据空间插值及地表温度订正引起的不确定性问题。围绕如何解决这两类不确定性问题,总结了遥感蒸散发模型的发展历程,介绍了代表性模型的基本原理、假设、优缺点及误差来源,剖析了空间歧义性问题的产生缘由及干湿限的概念内涵,对地表参数、时间拓展、空间尺度及模型验证、遥感数据和陆面过程模型的同化等遥感蒸散发模型应用中不可避免的问题进行了简要分析。最后对遥感蒸散发模型的发展趋势进行了探讨。

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[J]. 干旱区地理, 35(6): 919-927.

URL      [本文引用: 1]      摘要

In the past decades,climate change and human activities have caused new tempospatial characteristics of carbon and water cycle of Central Asia (CA). Net primary productivity () is an effective indicator of the interaction between vegetation and environmental factors,and plays a decisive role in carbon cycle. That about 90% precipitation in arid land returned to atmosphere through actual evapotranspiration () made [WTBX]AET[WTBZ] the dominant factor that controls the water balance of arid region,especially in CA. However,due to special ecological processes,high spatial heterogeneities of vegetation and soil,and limited observation data on biome and climate,traditional methods such as fieldbased inventory and ecological modeling have not been conducted to investigate the tempospatial patterns of and of CA. Longterm series remotesensing data is independent of ground observation data and capable of detecting tempospatial changes of and . However,previous remotesensing based global or continental studies on did not carried out specified analysis in CA and most evapotranspiration studies only focused on the impacts of environmental factors change on pan evaporation which significantly differed from . In this study,we employed remotesensing based data from AVHRR Global Production Efficiency Model (1990 and 2000), data from Global terrestrial ET dataset (1990) and MOD16 Global Terrestrial Evapotranspiration Dataset (2000 and 2009),land use data from DISCover (1992-1993),MODIS LC-1 (2000) and GlobCover (2009),site observation meteorological data from Global Surface Observation Datasets (1990-2009),and reanalysis climate data from Climate Forecast System Reanalysis of NOAA's National Centers for Environmental Prediction (1990-2009) to analyze tempospatial changes of temperature,precipitation, and of CA in recent 20 years. The remotesensing datasets in our paper were well validated against field observation data at regional or global scales. The results indicated as follows: (1) climate change showed great tempospatial variability in CA during the past 20a,temperature and precipitation increase rate were much faster than global or continental average level,and climate change trend was warmdry in middle and western CA during 1990-2000,coldwet in middle and southeastern during 2000-2009,and warmwet in middle and southern CA in 1990-2009; (2) from 1990-2000,carbon sequestrated by vegetation of CA increased 254.65 Tg C,among which natural vegetation increased by 621.08 Tg C and crop decreased by 366.43 Tg C; of crop increased less than that of natural vegetation; crop land area is the controlling factor that determined the increase of carbon sequestration by crop; (3) total actual evapotranspiration increased in the first decade then decreased in 2000-2009,and less water of CA were lost from crop while more from natural vegetation,which were mainly resulted from the nature vegetation area increased during 1990-2000 and decreased in 2000-2009; (4) and were higher in northern crop area,eastern mountainous region and oases while lower in central and western desert.

[Li C F, Luo G P, Li J L, et al.2012.

Net primary productivity and actual evapotranspiration of Central Asia in recent 20 years

[J]. Arid Land Geography, 35(6): 919-927.]

URL      [本文引用: 1]      摘要

In the past decades,climate change and human activities have caused new tempospatial characteristics of carbon and water cycle of Central Asia (CA). Net primary productivity () is an effective indicator of the interaction between vegetation and environmental factors,and plays a decisive role in carbon cycle. That about 90% precipitation in arid land returned to atmosphere through actual evapotranspiration () made [WTBX]AET[WTBZ] the dominant factor that controls the water balance of arid region,especially in CA. However,due to special ecological processes,high spatial heterogeneities of vegetation and soil,and limited observation data on biome and climate,traditional methods such as fieldbased inventory and ecological modeling have not been conducted to investigate the tempospatial patterns of and of CA. Longterm series remotesensing data is independent of ground observation data and capable of detecting tempospatial changes of and . However,previous remotesensing based global or continental studies on did not carried out specified analysis in CA and most evapotranspiration studies only focused on the impacts of environmental factors change on pan evaporation which significantly differed from . In this study,we employed remotesensing based data from AVHRR Global Production Efficiency Model (1990 and 2000), data from Global terrestrial ET dataset (1990) and MOD16 Global Terrestrial Evapotranspiration Dataset (2000 and 2009),land use data from DISCover (1992-1993),MODIS LC-1 (2000) and GlobCover (2009),site observation meteorological data from Global Surface Observation Datasets (1990-2009),and reanalysis climate data from Climate Forecast System Reanalysis of NOAA's National Centers for Environmental Prediction (1990-2009) to analyze tempospatial changes of temperature,precipitation, and of CA in recent 20 years. The remotesensing datasets in our paper were well validated against field observation data at regional or global scales. The results indicated as follows: (1) climate change showed great tempospatial variability in CA during the past 20a,temperature and precipitation increase rate were much faster than global or continental average level,and climate change trend was warmdry in middle and western CA during 1990-2000,coldwet in middle and southeastern during 2000-2009,and warmwet in middle and southern CA in 1990-2009; (2) from 1990-2000,carbon sequestrated by vegetation of CA increased 254.65 Tg C,among which natural vegetation increased by 621.08 Tg C and crop decreased by 366.43 Tg C; of crop increased less than that of natural vegetation; crop land area is the controlling factor that determined the increase of carbon sequestration by crop; (3) total actual evapotranspiration increased in the first decade then decreased in 2000-2009,and less water of CA were lost from crop while more from natural vegetation,which were mainly resulted from the nature vegetation area increased during 1990-2000 and decreased in 2000-2009; (4) and were higher in northern crop area,eastern mountainous region and oases while lower in central and western desert.
[5] 李星敏, 杨文峰, 卢玲. 2011.

基于遥感技术的两种区域蒸散估算方法的应用比较

[J]. 高原气象, 30(1): 125-132.

URL      [本文引用: 1]     

[Li X M, Yang W F, Lu L.2011.

Comparison of application results of two evapotranspiration estimation methods by remote sensing

[J]. Plateau Meteorology, 30(1): 125-132.]

URL      [本文引用: 1]     

[6] 卢玲, 李新, 黄春林, . 2007.

中国西部植被水分利用效率的时空特征分析

[J]. 冰川冻土, 29(5): 777-784.

https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-0240.2007.05.016      URL      [本文引用: 1]      摘要

中国科学院寒区旱区环境与工程研究所机构知识库(CASNW OpenIR)以发展机构知识能力和知识管理能力为目标,快速实现对本机构知识资产的收集、长期保存、合理传播利用,积极建设对知识内容进行捕获、转化、传播、利用和审计的能力,逐步建设包括知识内容分析、关系分析和能力审计在内的知识服务能力,开展综合知识管理。

[Lu L, Li X, Huang C L, et al.2007.

Analysis of the spatio-temporal characteristics of water use efficiency of vegetation in West China

[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 29(5): 777-784.]

https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-0240.2007.05.016      URL      [本文引用: 1]      摘要

中国科学院寒区旱区环境与工程研究所机构知识库(CASNW OpenIR)以发展机构知识能力和知识管理能力为目标,快速实现对本机构知识资产的收集、长期保存、合理传播利用,积极建设对知识内容进行捕获、转化、传播、利用和审计的能力,逐步建设包括知识内容分析、关系分析和能力审计在内的知识服务能力,开展综合知识管理。
[7] 潘竟虎, 刘春雨. 2010.

基于TSEB平行模型的黄土丘陵沟壑区蒸散发遥感估算

[J]. 遥感技术与应用, 25(2): 183-188.

URL      [本文引用: 1]      摘要

复杂地形条件下和干旱半干旱植被稀疏条件下的蒸散发遥感估算一直是蒸散发区域遥感估算的难点、热点问题。针对黄土丘陵沟壑区地表起伏、覆被不均一、植被稀疏的特征,选择陕甘交界区为研究区,利用Landsat TM资料求取地表特征参数和地表能量平衡各参量,采用TSEB平行模型反演出该区域的瞬时土壤蒸发、植被蒸腾和土壤—植被总蒸散发量,经过尺度转换,得到日蒸散量;并利用附加阻抗法和FAO Penman-Monteith公式计算实际蒸散发,对TSEB平行模型法遥感估算结果进行了间接精度评价,比较验证结果表明TSEB平行模型法估算的蒸散发结果合理,精高较高。

[Pan J H, Liu C Y.2010.

Retrieving evapotranspiation of loess hilly-gully region using TSEB parallel model based on remote sensing image

[J]. Remote Sensing Technology and Application, 25(2): 183-188.]

URL      [本文引用: 1]      摘要

复杂地形条件下和干旱半干旱植被稀疏条件下的蒸散发遥感估算一直是蒸散发区域遥感估算的难点、热点问题。针对黄土丘陵沟壑区地表起伏、覆被不均一、植被稀疏的特征,选择陕甘交界区为研究区,利用Landsat TM资料求取地表特征参数和地表能量平衡各参量,采用TSEB平行模型反演出该区域的瞬时土壤蒸发、植被蒸腾和土壤—植被总蒸散发量,经过尺度转换,得到日蒸散量;并利用附加阻抗法和FAO Penman-Monteith公式计算实际蒸散发,对TSEB平行模型法遥感估算结果进行了间接精度评价,比较验证结果表明TSEB平行模型法估算的蒸散发结果合理,精高较高。
[8] 孙安健, 高波. 2000.

华北平原地区夏季严重旱涝特征诊断分析

[J]. 大气科学, 24(3): 393-402.

https://doi.org/10.1007/s10011-000-0335-3      URL      [本文引用: 1]      摘要

利用华北平原地区13个站1951~1995年6~8月的降水量资料讨论了该地区发生的严重旱涝特征,发现各有7年出现严重干旱和雨涝。严重干旱主要发生在6、7月份,严重雨涝主要发生在7、8月份。特大旱涝发生最频繁的地带在燕山南麓和太行山东麓。50年代多雨涝,60~80年代多干旱,进入90年代雨涝增多,反映华北平原地区旱涝变化阶段性和群发性。东西伯利亚(或鄂霍茨克海)阻塞高压及亚洲中高纬度东高西低分布的稳定维持,则分别对华北平原的严重干旱与雨涝的形成起着重要的作用。西太平洋副热带高压位置偏北、偏西(偏南、偏东),华北平原地区易发生严重雨涝(干旱)。夏季风偏强(弱)年份,华北平原多发生雨涝(干旱)。 在赤道中东太平洋海温与北太平洋西风漂流区海温处于明显正距平阶段,华北平原地区易分别发生严重干旱与雨涝。

[Sun A J, Gao B.2000.

A diagnostic analyses of serious flood/drought during summer season in the north China plane

[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 24(3): 393-402.]

https://doi.org/10.1007/s10011-000-0335-3      URL      [本文引用: 1]      摘要

利用华北平原地区13个站1951~1995年6~8月的降水量资料讨论了该地区发生的严重旱涝特征,发现各有7年出现严重干旱和雨涝。严重干旱主要发生在6、7月份,严重雨涝主要发生在7、8月份。特大旱涝发生最频繁的地带在燕山南麓和太行山东麓。50年代多雨涝,60~80年代多干旱,进入90年代雨涝增多,反映华北平原地区旱涝变化阶段性和群发性。东西伯利亚(或鄂霍茨克海)阻塞高压及亚洲中高纬度东高西低分布的稳定维持,则分别对华北平原的严重干旱与雨涝的形成起着重要的作用。西太平洋副热带高压位置偏北、偏西(偏南、偏东),华北平原地区易发生严重雨涝(干旱)。夏季风偏强(弱)年份,华北平原多发生雨涝(干旱)。 在赤道中东太平洋海温与北太平洋西风漂流区海温处于明显正距平阶段,华北平原地区易分别发生严重干旱与雨涝。
[9] 王庆, 龚佃利, 孙即霖, . 2004.

山东夏季旱涝指数的振荡特征

[J]. 中国海洋大学学报, 34(2): 173-181.

https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-5174.2004.02.002      URL      [本文引用: 1]      摘要

针对山东旱涝变化规律的特殊性 ,利用 Z指数对山东单站旱涝等级进行了评定 ,在 Z指数的基础上构造了新的区域旱涝指标 ,对山东 1 95 1~ 2 0 0 3年区域旱涝指数进行计算和分类 ,利用Morlet和 Mexican hat小波变换对山东和邻近地区的夏季旱涝指数的振荡规律进行对比分析。结果表明 ,山东夏季旱涝与华北、黄淮地区相差较大 ,山东夏季旱涝具有明显的阶段性和群发性的特征和2~ 5年的振荡周期。

[Wang Q, Gong D L, Sun J L, et al.2004.

Oscillatory characteristic of Shandong summer rainfall index

[J]. Journal of Ocean University of China, 34(2): 173-181.]

https://doi.org/10.3969/j.issn.1672-5174.2004.02.002      URL      [本文引用: 1]      摘要

针对山东旱涝变化规律的特殊性 ,利用 Z指数对山东单站旱涝等级进行了评定 ,在 Z指数的基础上构造了新的区域旱涝指标 ,对山东 1 95 1~ 2 0 0 3年区域旱涝指数进行计算和分类 ,利用Morlet和 Mexican hat小波变换对山东和邻近地区的夏季旱涝指数的振荡规律进行对比分析。结果表明 ,山东夏季旱涝与华北、黄淮地区相差较大 ,山东夏季旱涝具有明显的阶段性和群发性的特征和2~ 5年的振荡周期。
[10] 王希, 刘兰妹, 徐征和, . 2013.

山东省1960-2011年参考作物蒸散量变化特征研究

[J]. 生态环境学报, 22(8): 1371-1377.

https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5906.2013.08.016      URL      [本文引用: 1]      摘要

为了研究山东省参考作物蒸散量(ET0)的变化特征,选取属于湿润气候的成山头站以及属于半湿润气候的惠民站、济南站、潍坊站、定陶站、兖州站6个气象站,利用国家气象资料中心提供的1960—2011年的逐日气象资料,采用距平分析、回归分析和地理信息系统分析了山东省ET0的年代际、年际和年内的时空变化趋势,并通过偏相关分析及标准化偏回归系数对各站ET0的影响因素进行研究。结果表明:半湿润区ET0年代均值大于湿润区ET0年代均值,其中济南站最大,最大值出现在20世纪70年代,达到1269.2 mm,成山头站最小,最小值也出现在20世纪70年代,为900.8 mm;6个站点中,济南站ET0值年际间的变化最大,极差达到351.9mm,定陶的极差最小,为157.8 mm。潍坊的ET0年际波动最大,标准差达到74.4 mm;定陶的年际ET0标准差达到51.4 mm,波动最小。6个站点的ET0年均值随时间呈现不同程度的降低,其中潍坊和兖州为极显著,济南和定陶为显著降低。ET0年均值在空间上的分布规律为:济南站〉潍坊站〉惠民站〉兖州站〉定陶站〉成山头站;6个站点的ET0都是夏季最高,冬季最低。春季平均ET0值中部地区最大,达到409.0 mm,东北部沿海区最小,只有237.2 mm。夏季平均ET0值的空间分布与全年平均ET0值的空间分布较为一致,只在惠民站为中心的小区域内出现降低,与周围区域有反差。秋、冬季平均ET0值在中部及东北部均较大,东北部最大,西南部及西北部较小,最小值出现在西南地区。半湿润气候的惠民站、济南站、潍坊站、定陶站、兖州站的ET0随时间的年内变化曲线为单峰型,峰值均出现在夏季6月,全年的第162天。湿润气候下成山头站的ET0随时间的年内变化曲线呈双峰型,峰值分别出现在春季5月,全年第150天以及秋季9月,全年第270天;山东省ET0与气象要素间的相关性很好,除成山头站的最低气温外,均达到极17

[Wang X, Liu L M, Xu Z H, et al.2013.

Variation characteristics of reference crop evapotranspiration from 1960 to 2011 in Shandong Province

[J]. Ecology and Environmental Sciences, 22(8): 1371-1377.]

https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5906.2013.08.016      URL      [本文引用: 1]      摘要

为了研究山东省参考作物蒸散量(ET0)的变化特征,选取属于湿润气候的成山头站以及属于半湿润气候的惠民站、济南站、潍坊站、定陶站、兖州站6个气象站,利用国家气象资料中心提供的1960—2011年的逐日气象资料,采用距平分析、回归分析和地理信息系统分析了山东省ET0的年代际、年际和年内的时空变化趋势,并通过偏相关分析及标准化偏回归系数对各站ET0的影响因素进行研究。结果表明:半湿润区ET0年代均值大于湿润区ET0年代均值,其中济南站最大,最大值出现在20世纪70年代,达到1269.2 mm,成山头站最小,最小值也出现在20世纪70年代,为900.8 mm;6个站点中,济南站ET0值年际间的变化最大,极差达到351.9mm,定陶的极差最小,为157.8 mm。潍坊的ET0年际波动最大,标准差达到74.4 mm;定陶的年际ET0标准差达到51.4 mm,波动最小。6个站点的ET0年均值随时间呈现不同程度的降低,其中潍坊和兖州为极显著,济南和定陶为显著降低。ET0年均值在空间上的分布规律为:济南站〉潍坊站〉惠民站〉兖州站〉定陶站〉成山头站;6个站点的ET0都是夏季最高,冬季最低。春季平均ET0值中部地区最大,达到409.0 mm,东北部沿海区最小,只有237.2 mm。夏季平均ET0值的空间分布与全年平均ET0值的空间分布较为一致,只在惠民站为中心的小区域内出现降低,与周围区域有反差。秋、冬季平均ET0值在中部及东北部均较大,东北部最大,西南部及西北部较小,最小值出现在西南地区。半湿润气候的惠民站、济南站、潍坊站、定陶站、兖州站的ET0随时间的年内变化曲线为单峰型,峰值均出现在夏季6月,全年的第162天。湿润气候下成山头站的ET0随时间的年内变化曲线呈双峰型,峰值分别出现在春季5月,全年第150天以及秋季9月,全年第270天;山东省ET0与气象要素间的相关性很好,除成山头站的最低气温外,均达到极17
[11] 杨罗. 2000.

山东省水旱灾害变化规律分析及减灾对策建议

[J]. 山东水利, (2): 12-13.

URL      [本文引用: 1]     

[Yang L.2000.

Analysis and Prevention countermeasures of drought flood hazards in Shandong Province changes

[J]. Shandong Water Resources, (2): 12-13.]

URL      [本文引用: 1]     

[12] 杨文峰, 李星敏, 卢玲. 2013.

基于能量平衡的蒸散遥感估算模型的应用研究

[J]. 西北农林科技大学学报: 自然科学版, 41(2): 46-52, 60.

URL      [本文引用: 1]      摘要

【Objective】Evapotranspiration was estimated in Weibei area of Guanzhong,Shaanxi province by remote sensing technique,and the estimated evapotranspiration was compared with reference crop evapotranspiration.【Method】Using NOAA/AVHRR remote sensing data at 2008-06-23 and 2008-09-05 and meteorological observation data in Weibei area as inputs,residual term of energy balance equation was used to calculate latent heat flux and evapotranspiration in Weibei area.In addition,the distribution of estimated evapotranspiration was compared with reference crop evapotranspiration.【Result】Retrieval method of parameters of residual term of energy balance equation directly influenced the accuracy of evapotranspiration.The vegetation index highly accorded to spatial distribution of evapotranspiration.Evapotranspiration changed with land use in the study area.【Conclusion】The key issue of model application is to build retrieval evapotranspiration model with clearly physical principle by remote sensing data and meteorological observation data,according to ground surface characteristics.

[Yang W F, Li X M, Lu L.2013.

Application of remote sensing model based on energy balance to estimate evapotranspiration

[J]. Journal of Northwest A&F University: Natural Science Edition, 41(2): 46-52, 60.]

URL      [本文引用: 1]      摘要

【Objective】Evapotranspiration was estimated in Weibei area of Guanzhong,Shaanxi province by remote sensing technique,and the estimated evapotranspiration was compared with reference crop evapotranspiration.【Method】Using NOAA/AVHRR remote sensing data at 2008-06-23 and 2008-09-05 and meteorological observation data in Weibei area as inputs,residual term of energy balance equation was used to calculate latent heat flux and evapotranspiration in Weibei area.In addition,the distribution of estimated evapotranspiration was compared with reference crop evapotranspiration.【Result】Retrieval method of parameters of residual term of energy balance equation directly influenced the accuracy of evapotranspiration.The vegetation index highly accorded to spatial distribution of evapotranspiration.Evapotranspiration changed with land use in the study area.【Conclusion】The key issue of model application is to build retrieval evapotranspiration model with clearly physical principle by remote sensing data and meteorological observation data,according to ground surface characteristics.
[13] 苑文华, 张玉洁, 孙茂璞, . 2010.

山东省降水量与不同强度降水日数变化对干旱的影响

[J]. 干旱气象, 28(1): 35-40.

https://doi.org/10.3969/j.issn.1006-7639.2010.01.006      URL      [本文引用: 1]      摘要

采用山东省82个地面气象站1961~2004年日降水量,统计了历年的降水量、不同强度降水日数;利用累积距平及t检验法分析了干旱受灾面积、降水量和不同强度降水日数的长期变化趋势并进行了突变检验,相关分析方法研究了干旱气象灾害对降水量和不同强度降水日数变化的响应。结果表明:干旱受灾面积、年降水量及中等强度以上降水日数的转折年大都出现在1976年,微量降水日数、0.1~4.9mm/d降水日数及总雨日数的转折年出现在1988年全球气候变暖背景下,转折年后年降水量及不同强度的雨日数异常偏少年份频繁出现;干旱受灾面积与降水量和不同强度降水日数呈显著的负相关,降水量或不同强度的降水日数异常偏少都将导致干旱的发生。20世纪70年代中期以后随着全球气候变暖,降水量和5.0~99.9mm/d以上降水日数异常偏少年份增多是极端干旱气候事件频繁发生、干旱面积扩大的最主要原因。

[Yuan W H, Zhang Y J, Sun M P, et al.2010.

Impact of annual precipitation and rainy days with different grades variation on drought disaster in Shandong Province

[J]. Journal of Arid Meteorology, 28(1): 35-40.]

https://doi.org/10.3969/j.issn.1006-7639.2010.01.006      URL      [本文引用: 1]      摘要

采用山东省82个地面气象站1961~2004年日降水量,统计了历年的降水量、不同强度降水日数;利用累积距平及t检验法分析了干旱受灾面积、降水量和不同强度降水日数的长期变化趋势并进行了突变检验,相关分析方法研究了干旱气象灾害对降水量和不同强度降水日数变化的响应。结果表明:干旱受灾面积、年降水量及中等强度以上降水日数的转折年大都出现在1976年,微量降水日数、0.1~4.9mm/d降水日数及总雨日数的转折年出现在1988年全球气候变暖背景下,转折年后年降水量及不同强度的雨日数异常偏少年份频繁出现;干旱受灾面积与降水量和不同强度降水日数呈显著的负相关,降水量或不同强度的降水日数异常偏少都将导致干旱的发生。20世纪70年代中期以后随着全球气候变暖,降水量和5.0~99.9mm/d以上降水日数异常偏少年份增多是极端干旱气候事件频繁发生、干旱面积扩大的最主要原因。
[14] 张静, 任志远. 2017.

基于MOD16的汉江流域地表蒸散发时空特征

[J]. 地理科学, 37(2): 274-282.

[本文引用: 1]     

[Zhang J, Ren Z Y.Spatio-temporal characteristics of evapotranspiration based on MOD16 in the Hanjiang River Basin[J]. Scientia Geographica Sinica, 37(2): 274-282.]

[本文引用: 1]     

[15] 张晓琳, 熊立华, 林琳, . 2012.

五种潜在蒸散发公式在汉江流域的应用

[J]. 干旱区地理, 35(2): 229-237.

URL      [本文引用: 1]     

[Zhang X L, Xiong L H, Lin L, et al.2012.

Application of five potential evapotranspiration equations in Hanjiang Basin

[J]. Arid Land Geography, 35(2): 229-237.]

URL      [本文引用: 1]     

[16] 左德鹏, 徐宗学, 程磊, . 2011.

基于辐射的潜在蒸散量估算方法适用性分析

[J]. 干旱区地理, 34(4): 565-574.

URL      [本文引用: 1]      摘要

根据不同气候区4个站的历史数据,选取8种基于辐射的PET估算 方法,以FAO56-PM法计算的PET作为参考值进行比较分析,最后用20 cm蒸发皿蒸发量对所有方法在不同气候区的适用性进行评价.其结果表明,采用初始参数时,Hargreaves法在不同气候区估算的逐月以及多年月平均 PET误差均较小,其它方法则产生较大误差.校正参数后8种辐射法在不同气候区的估算结果均得到明显改进,且误差随站点湿润程度增大而减 小,Makkink法在干旱以及半干旱区的民勤和延安站误差最小,Hargreaves法在半湿润以及湿润区的侯马和上海站表现最好.校正参数后所有方法 在不同气候区4个站与20 cm蒸发皿蒸发量的相关系数均在0.9以上.就校正参数后的辐射法而言,建议在干旱或半干旱区优先选择Makkink法,湿润或半湿润区优先选择 Hargreaves法.

[Zuo D P, Xu Z X, Cheng L, et al.2011.

Assessment on radiation-based methods to estimate potential evapotranspiration

[J]. Arid Land Geography, 34(4): 565-574.]

URL      [本文引用: 1]      摘要

根据不同气候区4个站的历史数据,选取8种基于辐射的PET估算 方法,以FAO56-PM法计算的PET作为参考值进行比较分析,最后用20 cm蒸发皿蒸发量对所有方法在不同气候区的适用性进行评价.其结果表明,采用初始参数时,Hargreaves法在不同气候区估算的逐月以及多年月平均 PET误差均较小,其它方法则产生较大误差.校正参数后8种辐射法在不同气候区的估算结果均得到明显改进,且误差随站点湿润程度增大而减 小,Makkink法在干旱以及半干旱区的民勤和延安站误差最小,Hargreaves法在半湿润以及湿润区的侯马和上海站表现最好.校正参数后所有方法 在不同气候区4个站与20 cm蒸发皿蒸发量的相关系数均在0.9以上.就校正参数后的辐射法而言,建议在干旱或半干旱区优先选择Makkink法,湿润或半湿润区优先选择 Hargreaves法.
[17] Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al.1998.

Crop evapotranspiration-guidelines for computing crop water requirements[R]. FAO Irrigation and Drainage Paper 56. Rome Italy:

FAO.

[本文引用: 1]     

[18] Bastiaanssen W G M, Menenti M, Feddes R A, et al.1998.

A remote sensing surface energy balance algorithm for land (SEBAL). 1. Formulation

[J]. Journal of Hydrology, 212-213: 198-212.

https://doi.org/10.1016/S0022-1694(98)00254-6      URL      [本文引用: 1]      摘要

The surface fluxes obtained with the Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL), using remote sensing information and limited input data from the field were validated with data available from the large-scale field experiments EFEDA (Spain), HAPEX-Sahel (Niger) and HEIFE (China). In 85% of the cases where field scale surface flux ratios were compared with SEBAL-based surface flux ratios, the differences were within the range of instrumental inaccuracies. Without any calibration procedure, the root mean square error of the evaporative fraction Λ (latent heat flux/net available radiation) for footprints of a few hundred metres varied from Λ RMSE =0.10 to 0.20. Aggregation of several footprints to a length scale of a few kilometres reduced the overall error to five percent. Fluxes measured by aircraft during EFEDA were used to study the correctness of remote sensed watershed fluxes (1640006400002ha): The overall difference in evaporative fraction was negligible. For the Sahelian landscape in Niger, observed differences were larger (15%), which could be attributed to the rapid moisture depletion of the coarse textured soils between the moment of image acquisition (18 September 1992) and the moment of in situ flux analysis (17 September 1992). For HEIFE, the average difference in SEBAL estimated and ground verified surface fluxes was 2302W02m 612 , which, considering that surface fluxes were not used for calibration, is encouraging. SEBAL estimates of evaporation from the subsealevel Qattara Depression in Egypt (2640006400002ha) were consistent with the numerically predicted discharge from the groundwater system. In Egypt’s Nile Delta, the evaporation from a distributed field scale water balance model at a 7006400002ha irrigated agricultural region led to difference of 5% with daily evaporative fluxes obtained from SEBAL. It is concluded that, for all study areas in arid zones, the errors average out if a larger number of pixels is considered. Part 1 of this paper deals with the formulation of SEBAL.
[19] Mu Q Z, Heinsch F A, Zhao M S, et al.2007.

Development of a global evapotranspiration algorithm based on MODIS and global meteorology data

[J]. Remote sensing of Environment, 111(4): 519-536.

https://doi.org/10.1016/j.rse.2007.04.015      URL      摘要

The objective of this research is to develop a global remote sensing evapotranspiration (ET) algorithm based on Cleugh et al.'s [Cleugh, H.A., R. Leuning, Q. Mu, S.W. Running (2007) Regional evaporation estimates from flux tower and MODIS satellite data. Remote Sensing of Environment 106, page 285–304- 2007 (doi: 10.1016/j.rse.2006.07.007).] Penman–Monteith based ET (RS-PM). Our algorithm considers both the surface energy partitioning process and environmental constraints on ET. We use ground-based meteorological observations and remote sensing data from the MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) to estimate global ET by (1) adding vapor pressure deficit and minimum air temperature constraints on stomatal conductance; (2) using leaf area index as a scalar for estimating canopy conductance; (3) replacing the Normalized Difference Vegetation Index with the Enhanced Vegetation Index thereby also changing the equation for calculation of the vegetation cover fraction ( F C); and (4) adding a calculation of soil evaporation to the previously proposed RS-PM method. We evaluate our algorithm using ET observations at 19 AmeriFlux eddy covariance flux towers. We calculated ET with both our Revised RS-PM algorithm and the RS-PM algorithm using Global Modeling and Assimilation Office (GMAO v. 4.0.0) meteorological data and compared the resulting ET estimates with observations. Results indicate that our Revised RS-PM algorithm substantially reduces the root mean square error (RMSE) of the 8-day latent heat flux (LE) averaged over the 19 towers from 64.602W/m 2 (RS-PM algorithm) to 27.302W/m 2 (Revised RS-PM) with tower meteorological data, and from 71.902W/m 2 to 29.502W/m 2 with GMAO meteorological data. The average LE bias of the tower-driven LE estimates to the LE observations changed from 39.902W/m 2 to 61 5.802W/m 2 and from 48.202W/m 2 to 61 1.302W/m 2 driven by GMAO data. The correlation coefficients increased slightly from 0.70 to 0.76 with the use of tower meteorological data. We then apply our Revised RS-PM algorithm to the globe using 0.05° MODIS remote sensing data and reanalysis meteorological data to obtain the annual global ET (MODIS ET) for 2001. As expected, the spatial pattern of the MODIS ET agrees well with that of the MODIS global terrestrial gross and net primary production (MOD17 GPP/NPP), with the highest ET over tropical forests and the lowest ET values in dry areas with short growing seasons. This MODIS ET product provides critical information on the regional and global water cycle and resulting environment changes.
[20] Mu Q Z, Zhao M S, Running S W, et al.2011.

Improvements to a MODIS global terrestrial evapotranspiration algorithm

[J]. Remote Sensing of Environment, 115(8): 1781-1800.

https://doi.org/10.1016/j.rse.2011.02.019      URL      摘要

78 Improving the MODIS ET algorithm (Mu et al., 2007a, old algorithm). 78 Global terrestrial annual total ET (62.8 × 10 3 km 3) agrees with reported 65.5 × 10 3 km 3. 78 MAE of 24.6% and 24.1% are in the 10–30% range of the accuracy of ET measurements.
[21] Su Z.2002.

The surface energy balance system (SEBS) for estimation of turbulent heat fluxes

[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 6(1): 85-100.

https://doi.org/10.5194/hess-6-85-2002      URL      [本文引用: 1]      摘要

A Surface Energy Balance System (SEBS) is proposed for the estimation of atmospheric turbulent fluxes and evaporative fraction using satellite earth observation data, in combination with meteorological information at proper scales. SEBS consists of: a set of tools for the determination of the land surface physical parameters, such as albedo, emissivity, temperature, vegetation coverage etc., from spectral reflectance and radiance measurements; a model for the determination of the roughness length for heat transfer; and a new formulation for the determination of the evaporative fraction on the basis of energy balance at limiting cases. Four experimental data sets are used to assess the reliabilities of SEBS. Based on these case studies, SEBS has proven to be capable to estimate turbulent heat fluxes and evaporative fraction at various scales with acceptable accuracy. The uncertainties in the estimated heat fluxes are comparable to in-situ measurement uncertainties.

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