基于遥感数据的地表蒸散量的获取与分析的解决方案

　　1.引言

　　蒸散是指水分从地表移向大气的过程,它包括土壤与植株表面液相或固相水的蒸发和通过植物组织的蒸腾。蒸散过程是土壤、植被、大气系统中水分运移、转化的重要环节,因此准确的估算区域蒸散量能够有效提高气象预测以及水文气象预测的精度, 同时蒸散量的精确估算对于地理、水文、气象、农业以及水利工程等领域有着重要的意义。

　　本方案采用 Penman-Monteith 模型对全国的地表蒸散量进行估算并对内蒙古地区 2000-2010 年地表蒸散量的时空变化做出分析。具体技术路线如图 1 所示，主要包括三部分内容：(1)数据准备：MODIS 数据，气象台站日数据，主要包括月平均最高气温、月平均最低气温、月日照时数、2m 处风速、相对湿度等;(2)模型运行及验证;(3)模拟结果分析，并给出结果报告。



图 1 地表蒸散量的获取与分析技术路线
　　2.数据准备及预处理

　　预处理包括陆面参数的反演、研究区提取、坐标系统转换等。具体预处理的陆面参数及处理方法如下：

　　(1)地表温度，在陆面蒸散研究中是重要的参数，不仅对计算地面向上长波辐射通量很重要，而且也是决定地表感热通量和潜热通量的重要参数。利用卫星遥感数据反演地表温度主要受到大气和地表比辐射率两方面影响。目前，对地表温度反演最常用的方法是分裂窗算法，本方案中地表温度反演同样是采用该研究方法。

　　(2)植被覆盖，是植物群落总体或各个体的地上部份的垂直投影面积与样方面积之比的百分数，它反映植被的茂密程度和植物进行光合作用面积的大小，该数据分类是采用时间序列NDVI 为识别标识的方法对每年的土地覆盖进行分类的。

　　(3)比辐射率，是同一温度下地表发射的辐射量与黑体发射的辐射量的比值，是反映物体热辐射性质的一个重要参数，与物质的结构、成份、表面特性、温度以及电磁波发射方向、波长(频率)等因素有关，该方案采用引入植被覆盖度的方法计算陆面比辐射率。

　　(4)地表反照率，是指地表对入射的太阳辐射的反射通量与入射的太阳辐射通量的比值，决定了多少辐射能被下垫面所吸收,因而是地表能量平衡研究中的一个重要参数，该数据经严格的大气校正后得到。

　　(5)气溶胶光学厚度，该方案中以晴空反射率作为参照，考虑 BRDF 效应的影响，从每景数据中反演气溶胶的光学厚度及类型，并对云进行了屏蔽处理。该数据的净辐射数据反演的重要参数。

　　(6)总辐射值，是以晴空地表反射率为参照，以大气辐射传输方程建立晴空、气溶胶及云状态下的长波下行辐射、短波下行辐射及光合有效辐射的查找表，通过查表反演此三种辐射的瞬间值，然后通过多观测点的时间序列插值估算得到的。

　　气象数据采用中国气象局 2000-2010 年内蒙古地区的 43 个气象站的常规观测数据，包括月平均最高气温、月平均最低气温、月日照时数、2m 处风速、相对湿度。数据经过严格的质量控制和筛选后，采用 DEM 为协变量的 ANUSPLIN 插值方法内插得到气象格点数据或 grid 数据，空间分辨率1km×1km。其中，15 个台站的 20cm 口径蒸发皿蒸发量及 10 个台站的太阳辐射资料用来检验参数优化后 Penman-Monteith 潜在蒸散发的估算精度。

　　3.研究方法

　　3.1 地表净辐射

　　地表净辐射量的表达式为：



　　3.2 土壤热通量

　　土壤热通量可通过与 Ts、Rn、α、NDVI 有关的经验公式得到

　　3.3 Penman–Monteith 模型介绍

　　国际粮农组织 FAO 推荐的 Penman–Monteith 模型是计算参考作物蒸散量的标准方法，全面考虑了影响田间水分散失的大气因素和作物因素，把能量平衡、空气动力学参数和表面参数结合在一起，可应用于世界各个地区，估值精度较高，具有良好的可比性。FAO P-M 模型对参考作物蒸散量 ET0定义为“从一种假定作物植株高度为 12cm，反射率为 0.23，表面阻力为 70s/m 的参考作物冠层的蒸散量相当于高度一致、生长旺盛、完全覆盖地面且水分供给充足的开阔绿色植被的蒸散量。”其公式为：



　　4.模拟结果与分析

　　基于以上分析，得到内蒙古地区 2000-2010 年地表蒸散量的结果并对结果进行分析。主要分析如下：

　　(1)内蒙古地区地表蒸散量的空间分布格局(如图 2)

　　(2)内蒙古地区 2000-2010 年地表蒸散量的时空变化

　　(3)内蒙古地区不同土地覆盖类型日蒸散量的分布特征



图 2 内蒙古地区 2009 年地表蒸散量的空间分布