呼图壁县蒸散发遥感反演及其时空变化分析

陆 婷，郑江华,2

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2. 绿洲生态教育部省部共建重点实验室，乌鲁木齐 830046)

蒸散(Evapotranspiration，ET)包括地表的水分蒸发和植被的散发，其作为地表水量和热量平衡的重要参量，其过程的研究有利于深入认识陆面过程[1,2]，在水资源合理分配利用和保护水资源平衡方面也有重要的应用价值[3,4]。从20世纪60年代起，遥感技术[5]的广泛应用使得许多蒸散遥感反演模型产生，其中，SEBS(Surface Energy Balance System)模型是荷兰籍华人苏中波提出的[6]遥感蒸散单层模型，其物理概念更明确，通量估算精度较高，近年来国内外都有着广泛的应用[7]。例如何延波等[8]使用改进的SEBS模型，利用MODIS数据估算黄淮海地区地表能量通量。宋文献等[9]基于SEBS模型,使用NOAA/AVHRR数据,估算老哈河流域实际日蒸散发量,并验证表明了SEBS模型在老哈河流域的适用性。拉巴等[10]使用MODIS遥感数据，基于SEBS模型估算藏北那曲蒸散量并分析了蒸散量与气象因子、NDVI之间的关系。吴雪娇等[11]基于SEBS模型，使用MODIS/Terra数据，结合WRF模式输出的气候驱动数据估算了黑河中游地区的地表通量和日蒸散发并用涡动相关仪观测数据进行了验证。李琴等[12]利用SEBS模型反演了中亚5国和新疆区域的逐日实际蒸散发量。但这些研究其研究区域较大, 且使用较低空间分辨率的遥感影像, 少有涉及县域的遥感蒸散估算。目前已有研究对县域蒸散发遥感反演进行了研究，如姜红等[13]基于MODIS影像，根据SEBS模型生成奇台县符合实际的蒸散发量区域分布图。张圆等[14]使用Landsat8数据利用SEBS模型分析了呼图壁县蒸散量时空格局，同年，使用多尺度遥感方法，利用SEBS模型计算呼图壁县域蒸散量[15]。由于水土流失与土壤退化日趋严重，影响了经济社会的可持续发展，本文在已有研究的基础上，通过较短时间序列数据获取可视化的蒸散量空间分布，快速得到研究区水分消耗的空间分布及变化趋势，即利用2013-2015年4-8月Landsat 8数据获取呼图壁县域蒸散发量的空间分布，以期监测呼图壁县域蒸散发的时空变化规律，对于县域水资源合理分配管理以及防治水土流失保持水土方面都具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

呼图壁县地处欧亚大陆腹地，新疆维吾尔自治区的中北部，天山北麓中段，准噶尔盆地南缘，位于86°05′-87°08′E、43°07′-45°20′N。县域内主要有呼图壁河、军塘湖河两大水系。地势南高北低，自东南向西北倾斜。南部天山山区，平均海拔在2 400 m左右；中部为冲积平原，主要为呼图壁县农作物种植区，平均海拔580 m；北部沙漠属古尔班通古特沙漠，海拔在360～460 m之间。年最高气温为36.0～43.1 ℃，日照时数2 900 h，年降水量为110～400 mm，蒸发量2 300 mm, 年均风速3.1 m/s[16]。

1.2 材 料

本文使用ILWIS(Integrated Land and Water Information System)软件中SEBS模块估算蒸散发，根据该模块的需要,输入的参数包括遥感和气象参数，遥感参数为：地理空间数据云网站(http:∥www.gscloud.cn/)中ASTERMDEM高程以及2013-2015年4-8月的Landsat 8影像提取的地表参数，包括地表温度(K)、比辐射率、反射率、NDVI；气象参数由研究区内及其周围气象站点的气象数据结合DEM使用ANUSplin软件空间插值得到，插值所需的气象数据，来源于中国气象科学共享网 (http:∥data.cma.cn/)。SEBS模型所输入数据详见表1。

表1 SEBS模型输入数据Tab.1 The input parameters for SEBS

1.3 研究方法

1.3.1 SEBS模型原理

SEBS模型是基于地表能量平衡原理的模型，其在任意时刻为：

Rn=G0+H+λE

(1)

式中：Rn为地表获得的净太阳辐射通量，w/rn2；G0为土壤热通量，w/m2；λE为潜热通量，w/rn2；λ为水的气化热，为常数2.49×106J/kg；E是蒸散率，kg/(m2·s)；H为感热通量，w/m2，又称显热通量。当计算式(1)中Rn、G0、H等后，可利用余项法得到潜热通量λE[17-21]。

(1)SEBS模型中，净福射通量计算公式如下：

(2)

式中：α表示地表反照率；Rswd和Rlwd分别表示太阳下行辐射和下行长波辐射；ε为地表比福射率；σ为常数；T0表示地表温度。

(2)土壤热通量计算公式如下：

G=Rn[Γc+(Γs-Γc)(1-fc)]

(3)

式中：Гc为植被覆盖比例系数；Гs为裸土比例系数；fc表示植被覆盖度。

(3)根据大气边界层相似理论，感热通量在大气近地面层间中有：

(4)

(5)

(6)

式中:z为参考高度;u和u*分别为风速和摩擦风速；d0为零平面位移高度；z0m为动力学粗糙长度；z0h为地表热传输粗糙长度；Ψm为动力学传输的稳定度订正函数；Ψh为热力学传输的稳定度订正函数；θ0和θa分别为观测面和参考面高度的虚温；L为莫宁霍夫长度；H为感热通量；k为卡尔曼常数；ρ为空气密度；Cp为空气的热容；θv为近地表的位温；g为重力加速度。

1.3.2 研究方案

本文使用Landsat 8卫星影像反演包括地表温度、地表反照率、NDVI、植被覆盖度等一系列地表参数，结合地面观测的气温、日照时数、 风速、本站气压等气象资料，以及ASTGTM2 DEM 高程，导入ILWIS软件中得到呼图壁县蒸散发的分布结果，具体流程如图1。

2 结果分析

2.1 呼图壁蒸散量时空变化格局

图2是2013-2015年呼图壁县4-8月的单日蒸散量，结合图3呼图壁3种土地利用类型的蒸散量可知呼图壁蒸散量时空变化特征。

图1 SEBS模型计算蒸散量流程图Fig.1 Evapotranspiration calculation based on SEBS mode

图2 呼图壁县单日蒸散量分布图Fig.2 Distribution of daily evapotranspiration in Hutubi

图3 呼图壁3种土地利用类型的蒸散量Fig.3 Evapotranspiration of 3 land use types in Hutubi

从空间上看，呼图壁县蒸散量呈南部山区蒸散发最大，中部平原蒸散发次之，北部荒漠蒸散发最小的空间趋势。呼图壁北部荒漠地区蒸散发值年内变化不明显，蒸散量较低；中部平原地区，农田分布广泛，受农耕影响大，蒸散量随植被生长变化明显，4月植被刚开始萌芽时蒸散量较小。5-6月植被生长旺盛，蒸散量较4月有较大幅度的升高。7月开始，受气温等气象因子影响，蒸散量开始降低；呼图壁南部以山区为主，山地分布的林地以及草地是蒸散量较大的主要原因。

从时间上看，如图4所示，呼图壁河县域年内单日蒸散量呈现单峰型分布趋势，蒸散量在4-6月由于气温回升，降雨充足，呈逐月上升的趋势，7-8月降雨减少，呈现下降趋势。2013年6月呼图壁县单日蒸散量为15个月中的最大值，为4.806 mm。2015年4月单日蒸散发最小，为2.176 mm。2013年到2015年呼图壁县域总体蒸散发具有减小的趋势，4月日蒸散量在0.92～5.2 mm范围内波动，蒸散量平均值在2.1～2.7 mm，呈逐年降低的趋势；5月日蒸散量在1.08～7.27 mm范围内波动，蒸散量平均值在2.2～3.1 mm；6月日蒸散量在1.7～9.45 mm范围内波动，其平均值变化最大，蒸散量平均值在3.05～4.8 mm；7月日蒸散量在2.05～8.7 mm 范围内波动，蒸散量平均值在3.6～4.3 mm之间；8月日蒸散量在1.9～8.05 mm 范围内波动，平均值变化最小，蒸散量平均值在 3～3.5 mm，总体来看，4-7月蒸散量呈逐年降低的趋势，8月蒸散量逐年上升，其主要原因是，2014年春季气温较2013年偏低，夏季降雨量少于2013年[22]，水分供给不足，蒸发能力弱于2013年，2014年8月气温降水与2013年同水平，但风速高于2013年，因而8月蒸散量2014年高于2013年；2015年由于寒潮影响，气温回升较2014年晚，且降雨量较2014年稍低，蒸发能力较2014年稍弱，但8月降雨量高于2014年，因此8月蒸散量2015年高于2014年。

图4 呼图壁单日蒸散发的平均值、最值、标准差Fig.4 Average value, minimum value and standard deviation of daily evapotranspiration in Hutubi

2.2 蒸散发计算结果验证

用于SEBS模型蒸散发结果精度验证的数据是中国气象科学共享网的呼图壁气象站(44°4′48″N，86°29′24″E) 2013-2015年4-8月的气象观测数据。

蒸发皿的水面蒸发可认为是实际蒸散发的上限，若遥感估算的蒸散发高于蒸发皿的水面蒸发，则结果不合理[14]，将蒸发皿水面蒸散量值与呼图壁遥感蒸散量分布图的最大值进行比较，由表2看出遥感估算的蒸散发量最大值都低于蒸发皿观测值。

表2 蒸散发计算结果及最大值对比 mm

彭曼公式在确定作物需水量方面有重要意义，在验证遥感估算蒸散发方面应用广泛。一般情况下，蒸发皿观测的蒸散量值最大，其次是彭曼方法计算的蒸散量值。彭曼方法计算的蒸散量是不受土壤水分约束情况下的陆面蒸散量, 可看作陆面蒸散潜力[23]。在干旱半干旱地区，陆面的水分条件受土壤水分的约束较大，实际的蒸发值要明显比彭曼法估算的蒸散量低。因此本文使用彭曼公式计算的结果作为参照。由表2可以看出，Landsat8影像估算出的蒸散发结果变化与参考值变化类似，可认为SEBS模型计算的呼图壁县蒸散量基本符合实际。

3 结 语

(1)本文使用SEBS蒸散发反演模型，结合Landsat 8和气象数据，对呼图壁县2013-2015年4-8月份蒸散量进行计算，并利用彭曼公式计算结果作为参照，其结果表明SEBS 模型能够较好地估算呼图壁县地表蒸散发量。

(2)呼图壁县蒸散发的时空分布，从时间上看，呼图壁河流域2013-2015年4-8月的单日蒸散量年内变化以单峰型形式呈现。呼图壁单日蒸散量年内变化在4-6月呈逐月上升趋势，7-8月呈现下降趋势。2013-2015年呼图壁蒸散发呈现总体减小的趋势，水分收支逐年不平衡，有向干旱缺水方向发展的趋势。空间分布上，呼图壁县蒸散量基本呈北部荒漠蒸散发<中部平原蒸散发<南部山区蒸散发的空间趋势。整体上植被覆盖较多地区蒸散量普遍高于植被覆盖较少地区。

(3)本文使用了2013-2015年同时段的遥感影像来获取可视化的蒸散量空间分布及其变化趋势，得到呼图壁县域2013-2015年水分消耗的变化趋势，即4-7月蒸散量呈逐年降低的趋势，8月蒸散量逐年上升。4-7月是农作物的生长期，所需水分较多，可在此时段适当加大灌溉量，保证农作物正常生长；8月之后农作物渐渐进入收获期，此时可适当降低灌溉量，方便收获农作物。通过较短时间序列数据获取可视化的蒸散量空间分布，可快速得到呼图壁县域水分消耗的空间分布及变化趋势，以便及时调节灌溉量，为农业节水以及发展精准农业提供基础依据，防止自然和人为因素导致的水土流失，有利于水土保持。

(4)本文对模型的结果验证方面使用FAO-PM方法，此方法是目前计算蒸散发公认的较好的方法，但其仅应用气象资料进行计算，方法本身存在误差，其检验结果的说服力不如实测数据。今后实验条件允许时，会使用蒸渗仪等相关蒸散测量仪器进行实地观测，进一步验证模型的计算精度。