干旱区黑河流域复杂地表蒸散量遥感研究

王伟红　田辉

摘要在全球水资源日益匮乏的情况下，利用遥感技术估算区域蒸散量为合理利用和分配水资源提供了一种快捷有效的方法。目前基于地表能量平衡的卫星遥感蒸散模型日益成熟，在这一背景下，充分利用以往在黑河地区开展的遥感模拟研究成果，针对西北干旱区黑河流域复杂地形特点，估算了该流域2004年度的蒸散量并给出了在不同土地利用条件下蒸散分布的数量差异。结果表明，流域年蒸散总量估算值在整个流域及其上、中、下游各子区域上，基本满足水文学区域水量平衡关系。同时应该指出，在地表景观分异强烈的地区，采用中分辨率遥感资料会对地表“混合像元”观测存在“平均”作用导致蒸散量的低估。

关键词黑河流域；复杂地表；遥感；蒸散

中图分类号S127文献标识码A文章编号0517-6611（2014）04-01141-06

作者简介王伟红（1968- ），男，河南漯河人，工程师，从事生态环境及大气环境研究。

产生蒸散发（Evapotranspiration—ET）量所需的潜热通量是地表能量平衡的组成部分，也是水量平衡的组成部分，而地面热量、水分收支状况很大程度上决定着天气、气候的变化，进而决定着地理环境形成和演变。地表蒸散量作为衡量气候环境变化的重要指标，近年来随着全球气候环境变化特别是陆面过程研究的兴起，迫切需要能够满足气候环境研究需求的大尺度区域蒸散输入资料。因此对于陆面蒸散发的研究，一直是国内外地学、水文学特别是干旱区研究关注的焦点问题之一[1]。我国的西北干旱区是全球最典型的干旱地区之一，该区的可用地表和地下水资源主要消耗于农业和畜牧业，水资源供需矛盾十分突出。在该地区降水基本不变的背景下，随着人口数量和经济的快速增长，工农业用水和城镇生活用水迅速增加，特别是农业等用水的粗放使用，使本已紧张的水资源更加入不敷出。以研究区黑河流域为例，水资源的严重短缺引发了这一地区一系列的生产和生态环境问题，有限的水资源迫使人类的经济和社会活动主要局限于祁连山前绿洲地带。该区水资源时空分布极其不平衡，加之长期以来粗放的农业生产方式和水资源利用效率低下，浪费和不合理开发利用的现象十分普遍，全流域又缺乏统一的水资源管理和合理规划，中游和下游用水矛盾尖锐[2-3]。

人们基于地面气象、水文站点的观测资料，从能量平衡的物理机制和植物生理机制出发，建立了一系列经验、半经验的和物理的计算模型。经验模型的代表是Jackson等提出的简化法（Simplified Method），分别利用当地时间13：00的表面辐射温度和气温，经验地拟合出局地水热通量和遥感参量間的统计关系并推广到区域尺度上[4]。经验统计关系受局地因子影响很大，其应用受到很大限制[5-7]。Nemani等发现在植被指数和地表温度的二维散点图上，呈现近似三角形的空间纹理关系，并且两变量间存在较好的相关性[8]。半经验模型利用这种空间纹理关系，同时利用经验方法获取计算中的有关参数，简化地获得地表蒸散发量。基于对植被指数-地表温度散点图的不同认识和处理，遥感蒸散发量的半经验模型主要有梯形模型和三角形模型[9-13]。遥感蒸散发量的物理模型可简单分为单源模型、双源模型和热惯量模型。单源模型假定植被均匀分布在地表面上，将土壤和植被看作一个整体[14-19]，双源模型把土壤和植被冠层分离，分别计算它们与大气之间的感热和潜热交换[20-23]。遥感蒸散的热惯量模型利用地表对吸收辐射的响应特性计算地表热通量，计算过程不依赖气温和风速等非遥感信息，适于在气象资料缺乏的地区开展应用[24-25]。此外，还有各种基于能量平衡原理的彭曼类模型[26-28]和基于互补关系原理的遥感蒸散互补模型[29-30]。从20世纪90年代初开始，中日合作在我国西部的黑河地区开展了大规模的地-气相互作用试验研究即著名的“黑河试验”，先后进行了地表特征参数卫星遥感反演研究以及地表能量通量卫星遥感试验研究，建立了适用于黑河试验区的卫星遥感参数化方案[31-35]，为该地区进一步开展蒸散遥感研究奠定了坚实基础。随后在该地区进行的“AECMP”95 和 “金塔试验”以及在西北干旱区其他地区进行的“敦煌试验”等地面观测研究，也提供了遥感模型所需的很多地面输入参数，使卫星遥感地表特征参数和能量平衡的技术手段得到进一步发展和充分应用[36-43]。

尽管前人对包括黑河地区在内的我国西北干旱区地表特征参数和能量平衡过程进行了详尽研究，但是对于该地区特别是内陆河黑河流域蒸散发量的时空变化研究尚不充分，已有研究还不能够为该地区水资源管理和科学决策提供宏观定量的蒸散发数据。以往在黑河地区进行的诸多地面观测试验和遥感模拟研究主要并不是针对蒸散发过程，因而一般仅仅给出个别卫星过境时刻的瞬时潜热通量空间分布，时间分布上过于稀疏离散，不便于分析较长时间如年度内持续变化的特征；另一方面，以往在该地区开展的历次野外观测试验，由于技术条件限制，对于黑河流域地形的起伏多变，景观格局的分异特征，模拟研究中考虑尚显不足。笔者将针对上述不足，将目标定位于黑河全流域尺度，不同地形和景观条件下，较长时间周期即2004年度蒸散发总量的定量遥感估算研究，为快速及时地监测该地区水资源利用和干旱发展状况提供一种简易有效的估算方法。

1研究方法

1.1瞬时潜热蒸发计算计算地表瞬时蒸发潜热通量，以不考虑平流作用和生物体内需水情况的地表能量平衡为基础，将地表潜热通量λE作为地表净辐射Rn、地热通量GO和感热通量Hs的余量处理：

1.2蒸散量时间扩展方法直接利用卫星资料只能估算晴空下卫星过境时刻瞬时蒸散量，而农业生产和水资源管理当中人们更关心较长时段的蒸散总量。对瞬时蒸散量作时间尺度扩展时，首先采用美国爱达荷大学用于区域水资源管理和蒸散量估算的METRIC模式（Mapping EvapoTranspiration at High Resolution with Internalized Calibration）中有关方法[48]。采用FAO56 PenmanMonteith公式，利用黑河流域气象站资料计算获得，详细计算要求可参见文献[49]。

当获得晴空日蒸散量后，要获得较长期如月或年总蒸散量时，还必须考虑实际天气变化对地表辐射平衡和水热传输的影响。这里为了简化处理，仅仅考虑云量变化的影响。由于该研究计算的是2004年度，尚无如FY-2号静止气象卫星云资料等高时间分辨率云产品可以利用，而NCEP再分析资料空间分辨率又太低，故笔者以气象站日照时数资料代替云量资料，对典型晴天的日蒸散量加以修正，以逼近实际天气条件，获取全月蒸散发量。最后，年度蒸散总量由各月蒸散量简单相加获得。

2研究区域与资料处理

2.1研究区域概况研究区域为黑河流域（图1），是中国第二大内陆河，位于98°～102° E，37°50′～42°40′ N，流经青海、甘肃和内蒙古三省区，总面积13万多km2。黑河流域下垫面特征极其复杂，从上游山区森林、草原、沼泽到山前平原区的灌溉农田、自然绿洲、沙漠、戈壁和湖泊等几乎涵盖了所有陆地地表类型。黑河流域中游的河西走廊一带是我国西北主要的商品粮生产基地，而著名的东风航天城则位于流域下游地区，黑河是该地区的生命线。

图1黑河流域地理范围（a）与主要气象站分布（b）2.2遥感资料预处理该研究主要利用MODIS遥感资料获取地表植被参数和特征参数。MODIS探测器包括36个从可见光至热红外探测通道，其较高的时间分辨率和光谱分辨率，使其可以完成陆地、海洋、大气以及生物等多领域遥感观测任务。研究中计算输入资料为MODIS官方网站提供的全球覆盖1 km分辨率植被指数NDVI和地表反照率产品。对于地表温度的获取，采用毛克彪等[50-51]通过对大气辐射传输和普朗克公式做出的一些假设和简化后给出的一个简易方法利用MODIS L1B资料获得。大气水汽含量利用MODIS的 19和2通道资料获取[52]。

为充分利用MODIS通道2较高的250 m分辨率信息，将通道19、31和32资料由1 km分辨率重采样为250 m分辨率，结合MODIS的 19和2通道反射率可以获得250 m分辨率的大气水汽含量空间分布。根据上述方法获得的地表温度空间分布虽然不是真正250 m分辨率，但有助于提高非均匀景观下混合像元地表温度反演精度。

数字高程模式（Digital Elevation Model）描述地形高程的变化，为精确计算地形对陆面过程的影响提供了前提条件。采用美国航天飞机雷达地形测绘任务（SRTM）全球数字高程DEM资料，计算研究区域的地形参数。该产品在美国地区空间分辨率约为30 m（1arcsecond），在全球其他地区约90 m（3arcsecond）[53]。

由于黑河流域土地利用状况复杂，MODIS和NOAAAVHRR的土地利用产品资料精度有待提高，因此，采用了中国科学院寒区旱区环境与工程研究所遥感与地理信息科学研究室提供的黑河流域土地利用资料[54]。该资料融合了MODIS土地覆盖数据产品和2000年黑河流域1∶10萬土地利用图，空间分辨率为1 km，给出了较为详细的土地利用分类信息。

2.3地面气象与试验观测资料收集了黑河流域及周边主要气象站点（如图1b所示）2004年逐日观测资料。气象要素包括空气温度（℃）、气压（hPa）、空气相对湿度（%）、地表温度（℃）、10 m风速、降水（mm）、日照时数（h）、水面蒸发量（mm）和部分站点的太阳总辐射资料等。特别对于降水，可以采用Thiessen多边形方法（如图1b所示），利用每个网格内单点气象站资料，获得流域内降水空间分布。

同时，为较好地进行区域蒸散估算及结果验证，笔者采用国家自然科学基金重点项目“绿洲系统能量与水分循环过程观测和数值研究”于2004年夏季在黑河地区金塔绿洲开展的观测试验（以下简称“金塔试验”）的相关资料。“JTEXP”试验的主要观测区选择在由黑河支流北大河冲积扇形成的金塔绿洲内，为典型的亚洲内陆干旱区，海拔1 100～1 400 m，属于甘肃酒泉地区。试验区内主要有3种典型的下垫面：绿洲、戈壁和沙漠。地面试验项目主要包括净辐射（4个辐射分量）、大气温湿度、土壤温湿度、土壤热通量和湍流涡动相关观测，同时包括系留气球和雷达小球探空等边界层大气观测。该试验观测站点以及项目配置见图2。

3结果验证与分析

3.1瞬时蒸发潜热通量和日蒸散量估算结果验证如图3所示，选取金塔试验期间5#测点部分晴天TerraMODIS过境时刻地面涡动相关系统观测的潜热通量资料，与利用遥感反演的250 m分辨率MODIS地表温度资料获取的潜热通量进行比较。其中，平均绝对百分偏差MAPD=100nni=1|xderived-xmeasuredxmeasured|。可以看出，多数情况下遥感反演的潜热值小于地面观测值，偏小约为MAPD=18.2%，这是由于对地表“混合像元”观测存在“平均”作用，显示了植被和裸地的混合蒸散效果。

参考文献

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[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.

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