蒸散发研究中时间尺度拓展方法的对比分析

赵小龙

(营口水文局，辽宁 营口 115003)

蒸散发研究中时间尺度拓展方法的对比分析

赵小龙

(营口水文局，辽宁 营口 115003)

蒸散发是地面与大气水分平衡的重要组成部分，现代遥感技术的进步为蒸散发研究在时空尺度上的拓展提供了可能。以辽宁省本溪市为研究区域，对蒸发比法、改进蒸发比法、正弦关系法和天文辐射法等4种蒸散发时间尺度的扩展方法进行了比较，结果显示改进蒸发比法精度较高，具有区域适用性。

蒸散发；本溪市；时间尺度扩展

1 研究区概况

本溪市位于辽宁省东部，北与沈阳市、抚顺市相连，西与辽阳市、鞍山市相接，南邻丹东市，东邻吉林省通化市，交通便利，地理位置优越[1]。本溪市是国务院批准的具有地方立法权的较大的市，也是沈阳经济区的副中心城市。本溪市全境总面积8411.3 km2，下辖4个市辖区，两个自治县，1512.3万人。

该区域属于典型的中温带大陆性季风气候，其气候特征为夏季高温多雨，冬季寒冷。多年平均气温约6.1～7.8 ℃，其中1月平均气温约-14.3 ℃；7月平均气温约24.3 ℃。属于东北地区的多雨区，年平均降水量约为800～1000 mm，雨量充沛，其中一半以上集中在夏季的7、8月份[2]。境内有大小河流200余条，年水资源总量39.23亿m3。

2 SEBAL模型与常用的时间尺度拓展方法

2.1 SEBAL模型

本溪市大部分地区自然生态环境较好，具有较高的植被覆盖，因此在蒸散发研究中选取国际上广泛使用的SEBAL模型。并对该模型进行了部分修改，以提高精度。蒸散发SEBAL模型的建立是基于当地的卫星遥感数据，并根据其反演的参数，建立能量平衡方程，对蒸散发值进行估算，其数学表达式如下[3]：

Rn=λET+G+H

(1)

式中：Rn为地表净辐射通量，W/m2；λET为潜热通量，W/m2；G为土壤热通量，W/m2；H为感热通量，W/m2。

在地表参数反演中，SEBAL模型没有考虑高差对温度反演的影响，但是本次研究的地理范围较大，且本溪市境内不同地点的海拔高度差别较大，因此，在研究中对反演获得的温度进行地面高程校正，公式如下：

T0=Ts-0.006ΔZ

(2)

式中：T0为校正后的温度，℃；Ts为地表温度，℃；ΔZ为像元点高程与观测点高程之间的差值，m。

2.2 常用的时间尺度拓展方法

由遥感卫星获得的数据具有瞬时性，基于这些数据的反演参数只能求得瞬时蒸散发。然而，现实生产生活中往往需要长时间尺度的蒸散发数据，所以必须要对瞬时蒸散发进行时间尺度上的拓展[4]。随着人们对蒸散发认识的深入，学者提出了一系列时间尺度扩展方法。基于研究区的具体特征，选用蒸发比法、改进蒸发比法、正弦关系法和天文辐射比法等四种方法进行对比分析[5]。

(1)蒸发比法。蒸发比法的估算原理是假设一天之中蒸发比保持不变，从而将卫星遥感数据反演参数获得的瞬时的蒸散量扩展为全天的蒸散量，其蒸发比计算公式如下：

(3)

式中：Λ为蒸发比；E为瞬时蒸散量，mm；E24为日蒸散量，mm；G24为全天土壤热通量，W/m2；R24为全天土壤净辐射量，W/m2;λ为汽化潜热，kJ/kg。

结合本溪市地理纬度参数值，可以获得如下可以获得全天蒸发量计算公式：

(4)

(2)改进蒸发比法。由于实际蒸散发研究中土壤热通量往往可以忽略不计，因此改进的蒸发比法将蒸发比法公式中的土壤热通量参数去掉，从而减少其带来的不确定性误差[6]。改进后的蒸发比公式如下：

(5)

日蒸散量的计算公式如下：

(6)

式中：Λ为改进后的蒸发比。

(3)天文辐射比法。天文辐射比法的原理是假定某一时刻的天文辐射比等于全天的天文辐射比，并根据此时的瞬时蒸散发量推求出全天蒸散量[7]，其计算公式如下：

(7)

式中：Rp b为天文辐射比；Rpins为瞬时天文辐射量，W/m2；Rp24为全天天文辐射量，W/m2。

日蒸散量的计算公式如下：

(8)

(4)正弦关系法。正弦关系法的基本原理是天气良好的情况下，日蒸散发与太阳辐射通量的日变化曲线类似，因此可以假设瞬时潜热通量是一种正弦变化特征，其计算公式如下：

(9)

式中：t为日内时刻；N为日出到日落的时间长度，h。

3 四种时间尺度扩展估算方法对比

以本溪市为研究对象，以变量控制的方法对四种时间尺度扩展方法进行比较，给出一个量化的对比结果，为当地的蒸散量研究提供方法选择依据。

3.1 数据的获取与处理

对比分析采用的是中国科学院对地观测与数字地球科学中心下载的遥感数据。数据包括本溪市2014年3月27日、5月14日、7月30日、10月2日以及2016年1月27日的L4级别的landsatSTM数据，具体信息如表1所示。将下载的TM数据经过大气校正和裁剪等操作环节后用于模型计算[8]。本研究选取的是中国气象科学数据共享网的气象基础数据。选取的气象站点为研究区中的桓仁、山城子、南芬三个站点以及整景影像范围内的其他8个气象站点。时间为2013-2016年的站点高程、风速、空气温度气象数据。

表1 M影像各波段数据

3.2 四种估算方法的对比结果与分析

3.2.1 日蒸散量估算结果对比分析

利用四种不同的方法对1月27日日蒸散量进行估算，结果显示蒸散量估算值均在0～0.3 mm/d之间。其中蒸发比法和改进的蒸发比法的估算结果比较接近，而天文辐射法和正弦关系法的估算结果比较接近。同时后两种比前面两种方法的估值结果较高。对7月30日的蒸散量估算值在0～15 mm/d之间，其中基于蒸发比法与改进的蒸发比法的估算结果比较集中，而正弦关系法的估算结果最高。

3.2.2 与站点实测值进行比较

由于站点实测值反映的是气象站点附近的蒸散值，而基于遥感反演的蒸散值则反映的是整个区域的蒸散值，因此，本次研究选取桓仁、山城子、南芬三个实测站点附近像元的平均估算与实测均值进行比较，结果如表2所示。4种方法的估值与实测值的对比分析显示，这4种方法都具有较高的估测精度。其中，改进的蒸发比法和正弦关系法估算的精度最高，天文辐射法精度最差且估值较高，蒸发比法的估值则低于实测结果。

表2 四种算法估算结果与实测结果对比 mm

3.2.3 区域适用性对比分析

对本溪市东部的植被高覆盖区与西部的植被低覆盖区的蒸散量估算误差进行对比，结果如表3和表4所示。由表格中的数据可知，在植被高覆盖区域改进的蒸发比法具有较高的精度，而正弦关系法和天文辐射法估值偏低，精度也不高。在居民区蒸发比法精度最高，改进蒸发比法次之，其余两种方法的精度较差。

表3 植被高覆盖区估算误差对比 mm

表4 植被低覆盖区估算误差对比 mm

4 结 论

基于SEBAL模型，结合中科院卫星遥感影像和当地的气象数据对本溪市地表参数进行了反演，对不同时间尺度的日蒸散进行了估算和结果精度分析。分析表明,4种常用方法的计算结果与实测结果均比较接近。但是，对本溪地区而言，研究结果表明选用改进蒸发比法在时间尺度扩展最为精确。

[1] 温树影,李淑玲,谢琳娜.本溪市地下水水质现状评价与对策[J].东北水利水电,2014(1):32-33.

[2] 张莉莉.本溪市水资源利用与保护[J].地下水,2013(2):72-73.

[3] 夏浩铭,李爱农,赵伟,等.遥感反演蒸散发时间尺度拓展方法研究进展[J].农业工程学报,2015(24):162-173.

[4] Giorgos Papadavid,Diofantos G Hadjimitsis,Leonidas Toulios,et al. A Modified SEBAL Modeling Approach for Estimating Crop Evapotranspiration in Semi-arid Conditions[J].Water Resources Management,2013(3)：279-286.

[5] 刘钰,彭致功.区域蒸散发监测与估算方法研究综述[J].中国水利水电科学研究院学报,2009(2):256-264.

[6] Shereif H Mahmoud,A A Alazba. A coupled remote sensing and the Surface Energy Balance based algorithms to estimate actual evapotranspiration over the western and southern regions of Saudi Arabia[J]. Journal of Asian Earth Sciences,2016(7)：158-167.

[7] Anju Bala,Kishan SinghRawat,Anil Kumar Misra,et al.Assessment and validation of evapotranspiration using SEBAL algorithm and Lysimeter data of IARI agricultural farm, India[J]. Geocarto International,2016(1)：317-329.

[8] 国志,郭丽霞,田长涛,等.高纬度地区流域畅流期逐日蒸散发能力计算方法[J].黑龙江水利科技,1998(3):34-36，56.

Comparative analysis of temporal upscaling methods in the evapotranspiration study

ZHAO XiaoLong

(YingkouHydrologyBureau,Yingkou115003,China)

Evapotranspiration is an important component of the water balance between the earth and the atmosphere, and the progress of modern remote sensing technology has provided the possibility for the expansion of the research on the spatial and temporal scales. Taking Benxi city Liaoning Province as the study area, the evaporation ratio method and improved evaporation ratio method, sine relation method and the astronomical radiation method of four evapotranspiration temporal upscaling methods were compared. The results show that the improved method is more accurate and has regional applicability.

evapotranspiration; Benxi city; temporal scale upscaling

赵小龙(1980-)，男，辽宁朝阳人，工程师， 主要从事水文水资源勘测、整编、管理工作。E-mail:zxl156@126.com。

S274.1

A

2096-0506(2017)02-0044-04