（气象学专业论文）宁南地区区域蒸发（散）量的遥感研究.pdf

摘要 区域蒸发散的计算是一个非常复杂的问题。利用遥感资料求取n d v i ，依据 n d v i 和地理信息资料，将地表分成6 类：水体、裸地区、草地一裸地区( 有草 覆盖但未完全覆盖) 、草地完全覆盖区、树林区、灌木丛区。将水体单独处理， 山参考作物蒸散乘以比例系数直接计算得出水体蒸发；建立了4 种单一类型下 趣面( 裸地区、草地完全覆盖区、乔木林区、灌丛区) 蒸散计算模型；对混合 下垫面( 草地一裸地区) 区域蒸发( 散) 计算方法使用裸土和草地完全覆盖蒸 发( 散) 计算模型，然后结合植被覆盖度给出。将下热面分类，不同的类型使用 不同的方法，是可行的和合理的，可使计算更符合实际情况。 在没有实测的闩蒸发( 散) 资料的情况下，本研究采用被公认和广泛使用 的国际粮农组织推广使用的彭曼一蒙蒂斯方法”计算闩蒸发( 散) 量，以此作 为对照进行结果检验。 估算区域蒸发( 散) 量的过程中，得到许多有意义的量：地表特征参数( 植 被指数n d v i 、地表反射率、地表温度) ；地表辐射平彻各量( 地表短波吸收辐射、 地表长波辐射、大气逆辐射、地表净辐射) ；地表热量平衡各量( 土壤热通量、 显热通量、潜热通量) 。并得出其各量的分和图和直方图，分类别讨论了其分布 特征，使得对宁夏南部区域地表特征、地表辐射和热量平衡区域分瓶有一个直 观、综合的了解和认识。 分析各量的分布图和直方图。可以清楚地发现：各量的分布呈现明显的地 带性。大面积的森林和灌丛( 如六盘山一带) 、茂密的草地( 如月亮山) 、河流 边缘及附近有灌溉的地域( 分抑有草地和农) 、水体以及裸地区，这些区域各 量的分布特征与其周围地域i j 月显不同。研究分析还发现，植被的覆盖对下垫面 的水热性状影响很大。 关键词：蒸发( 散) ；卫星遥感：宁夏南部 a b s t r a c t i ti sav e r yc o m p l i c a t e dp r o b l e mt oe s t i m a t ee v a p o t r a n s p i r a t i o n ( e t ) o v e ra l a r g ea r e an a t u r a ls u r f a c e b a s e do n t h ei n f c r m a t i o no fs a t e l l i t er e m o t es e n s i n ga n d g e o g r a p h y , t h en a t u r a ls u r f a c ei s d i v i d e di n t o6c a t e g o r i e s ：w a t e r , b a r es o i l ，d e n s e g r a s s ，p a r t l yg r a s sc o v e r e d ，f o r e s t ，b o s k t h ee v a p r a t i o no f w a t e ra r e ai sc a l c u l a t e d b ve t om u l t i p l i e db yk c ；a n dt h e nt h ee v a p o l r a n s p i r a t i o ne s t i m a t i o nm o d e l s f o ro t h e r c a t e g o r i e s ( s i n g u l a ru n d e r l i n gs u r f a c e ) a r ep r e s e n t e d ；b a s e do nb a r es o i la n dd e n s e g r a s s m o d e l st h e e v a p o t r a n s p i r a t i o n e s t i m a t i o nm o d e l sf o r p a r t l yg r a s sc o v e r e d s u r f a c ei sp r e s e n t e dc o m b i n e dw i t hv e g e t a t i o nf r a c t i o nd a t a i ti sf e a s i b l ea n dl o g i c a i e a c h c a t e g o r i e su s i n gs i n g u l a rw a y a n di b e a n t h er e s u l to f r e g i o n a 【 e v a p o t r a n s p i r a t i o no v e r s o u t h n i n g x i a i sg i v e n c a u s eh a v en ot e s te v a p o t r a n s p i r a t i o n ( e t ) d a t a ，i nt h i sp a p e r , u s i n gt h er e s u l t t h a tc a l c u l a t e db yf a o _ p me q u a t i o na sc o m p a r i s o n t h er e m o t es e n s i n gr e s u l ti s a n a l y z e da n d v e r i f i e d s o m ev a r i a b l e sr e g i o n a ld i s t r i b u t i o no v e rs o u t hn i n g x i ai sg i v e no u ti nt h e c o u r s eo fe v a p o t r a n s p i r a t i o ne s t i m a t i o n ：t h e r e g i o n a l d i s t r i b u t i o no fs u r f a c e c h a r a c t e r i s t i ep a r a m e t e r s ( n o r m a l z e dd i f f e f e n c ev e g e t a t i o ni n d e x ，s u r f a c ea l b e d o ， s u r f a c et e m p e r a t u r e ) ，r a d i a t i o nb a l a n c ec o m p o n e n t s ( s u r f a c ea b s o r b e ds h o r t w a v e r a d i a t i o n ，s u r f a c el o n g w a v er a d i a t i o n ，a t m o s p h e r i cc o u n t e rr a d i a t i o n ，n e tr a d i a t i o n ) ， s u r f a c eh e a ta n db a l a n c ec o m p o n e n t s ( s o i lh e a tf l u x ，s e n s i b l eh e a tf l u x ，l a t e n th e a t f l u x ) a n dt h e ne a c hd i s t r i b u t i o nf i g sa n ds t r a i g h t b a rf i g so fe v e r yp a r a m e t e r sa n d c o m p o n e n t sa r eg i v e no u t c h a r a c t e r so fe a c hd i s t r i b u t i o na r ed i s c u s s e db ye a c h t y p e s t h i sg i y e n ac l e a ra n d g e n e r a lk n o w l e d g e a b o u ts o u t h n i n g x i a a n a l y i n ge a c hd i s t r i b u t i o nf i g sa n ds t r a i g h t - b a rf i g so fe v e r yp a r a m e t e r sa n d c o m p o n e n t s ，i ti so b v i o u s ：e a c hd i s t r i b u t i o ns h o w e dc l e a r l yt e r r a i nc h a r a c t er l a r g e a r e af o r e s ta n db o s k ( i nl i u p a nm o u n h a i n ) ，d e n s eg r a s s ( m o o nm o u n t a i n ) ，r i v e ra n d i r r i g a t i v ea r e a ，w a t e r , b a r es o i l ，e a c h d i s t r i b u t i o nc h a r a c a t e r si sd i f f e r e n e df r o m o t h e r s t h ec a s ei ss h o w e dt h a tv e g e t a t i o nc o v e r e di n f l u e n c es u r f a c em o i s t h e a t c h a r a c t e r k e yw o r d s ：e v a p o t r a n s p i r a t i o n ；r e m o t es e n s i n g ；s o u t hn i n g x i a v 南京气象学院硕j ：跄文：宁南地区区域蒸发( 散) 量的遥感研究 第一章引言 1 1 研究意义 蒸发( 散) 发生于土壤一植被一大气系统内，需要水分供给和能量来源， 是一个发生在相当复杂体系内的连续过程。蒸发既是地面热量平衡的组成部分， 又是水量平德的组成部分。而地面热量、水分收支状况在很大程度上决定着天 气、气候的变化，进而决定着地理环境的形成和演变。因此，对于地表蒸发( 散) 量的研究多年来一直是国内外气象学、地理学、土壤学、水文学、生态学、植 物学等学科关心的焦点问题之一。特别是最近几年随着地表能量交换和物质迁 移研究的深入及水资源合理利用与管理定量化的迫切要求，蒸发( 散) 问题越来越 受到人们的重视。 本研究区域为宁南地区，由于其特殊的地理条件和气候条件严重制约当地 农业和经济的发展，加之几十年来，随着人口的增加，对资源进行掠夺性的开 发索取，致使植被破坏、水土流失严重，使本来脆弱的生态环境更加恶化。近 年来，国家实施西部大开发战略，宁夏回族自治区为改善生态环境，在宁南地 区大力实施退耕还林还草等措施，评估这些效益的基本指标就是水分盈亏，而 蒸发( 散) 是水分盈亏的重要分量。本研究揭示该区地气能量和水分传输过程 及特点，计算了宁南地区的蒸发( 散) ，对评估退耕还林还草等措施的生态效应 具有相当的现实意义。 1 2 蒸发( 散) 的国内外研究动态 国际上对蒸发( 散) 量的测定和计算方法的研究已有两百多年，取得了一系 列研究成果。d a l t o n1 8 0 2 年首先综合了风及空气温、湿度对蒸发的影响提出 了著名的道尔顿蒸发定律，它对近代蒸发理论的创立有决定性的作用。b o w e n 。1 在1 9 2 6 年提出了利用地表能量平衡方程得到的计算蒸发的鲍恩比一能量平衡法 ( b r e b 法) ：t h o r n t h w a i t 和h o l z m a n 在1 9 3 9 年提出了利用边界层相似理论计 算蒸发量的空气动力学方法；1 9 4 8 年t h o r n t h w a t 和p e n l i i a n 。1 同时提出了“蒸 发力”的概念及相应的计算公式。其中p e n m a n 的综合法具有坚实的理论基础， 目前仍为湿润下垫面蒸发计算的主要方法；s w i n b a n k “1 于1 9 5 5 年提出用涡旋相 关技术直接测量并计算蒸发( 散) 量的涡旋相关法，其精度是目前蒸发计算方法 中最好的；m o n t e i t h 于1 9 6 3 年通过引入“表面阻力”的概念导出的计算蒸发 量的p e n m a n m o n t e i t h ( p - m ) 公式，为非饱和下垫面的蒸发研究丌辟了一条新途 径；p r i e s t l e ya n dt a y l o r “31 9 7 2 年推导出湿润气候条件下蒸发估算公式，并 在湿润半湿润区域实际蒸发计算中得到了较好的应用。从降水、蒸发与蒸发力 等要素的相互关系出发，苏联学者在5 0 年代曾提出大区域年平均蒸发量的气候 学估算公式及根据地表水量平衡原理的流域蒸发计算的水量平衡法”1 。m o r t o n ”1 等利用蒸发与蒸发力的互补关系对长时段、大区域的实际蒸发量也进行了气候 南京气象学院颐 ：论文t 宁南地i 苎：选域蒸发( 敬) 量的遥感研究 计算。根据不同区域下蛰面状况和气候特征，通过分析不同环境因子对蒸发过 程的影响，建立单个和多个气象或环境要素同蒸发的经验或半经验统计模式也 是计算某特定区域蒸发量的一种简便实用豹方法“”，另外t 从土壤水运动规 律出发结合土壤物理学原理来确定蒸发量是蒸发计算领域另一重要的分支。 近年来对传统计算方法的研究发现：b r e b 法在8 0 年代以前一直被认为是较 可靠的蒸发量计算方法，但在下垫面很湿润( 通常有逆温层存在) 的情形下，由 于空气温、湿铅直廓线的非相似性导致热量与水汽湍流交换系数的非等同性， 使得b r e b 法的计算结果偏低、精度下降“，除此之外，在早晚时段或非常干燥 的天气条件下，b r e b 法的误差也较大“。空气动力学方法在理论上比较完善， 但由于计算过程中所用某些量测量精度所限，且只有当温湿分布廓线一致刚才 能保证其计算精度，从而使得用这种方法计算的结果精度也不高”。 p 一| i f 公式具有颦实理论基础的综合方法，为非饱和下垫面的蒸发研究两：辟 了一条新的途径。气孔阻抗或表面阻抗( 对植被下垫面，剐冠层m 力) 的参数化是 p - m 类模式能够大范围推广应用的前提，而气孑l 阻抗则与土壤、植被和大气的诸 多因子有关，虽然已建立了许多计算气孔阻抗的数学模式，但出于气孔对q ：境 因素变化灼反应具有滞后性和不确定性，目前由研究还绔留在半定量的基础上。 表面阻抗的准确计算在粗糙和复杂下垫面( 如稀疏植被) 时比较困难，从而使p m 公式在稀疏农f 玎、森林等复杂下挚面上的应用大受限制。 涡旋相关法物理意义清楚，观测精度较高所以到目前为上l ，这种方法仍 然是蒸发( 敝) 量直接测量和计算中最好的。蒸发( 散) 量计算的传统方法在下垫 面比较光滑、供水适巾时可获得较理想的结果，但是，传统方法由于其局限性 ( 如需要进行要素的梯度观测或下垫咏阻力测定及其它技术上的困难) 难以推 广到大面积区域上的蒸发( 散) 计算。 近2 d 多年来随着野外实验研究以及植物微气象学研究的深入，提出和建立 了多种形式约s v a t ( s o i lv e g e t a t i o na t m o s p h e r et r a n s f e r ) 模型，用来研究土 壤植被大气界面上能量、动量和质量的相互作用。在这些模式中，最具代表性 的有近几年来使用较为广泛的非同温模式1 、s i b h s 及同温模式n p “”等。这些模 型现已用于研究地表蒸散及水文、气候及天气预报模型。 在s v a t 模型中通常需要有关植被结构( 如l a 、冠层商度) 、土壤与植被的 光学特性、植被生理特性( 如气孔传导、水分在土壤及植物体内的传输过程) 、 土壤的热力及水力学特设以及大气状况( 如气温、湿度、风速及入射辐射) 等。 s v a t 模型的复杂程度也从最早的水桶方案( b u c k e ts c h h e m e ) 到目前含有几个二i = 壤层和植物层，尺度由树叶面积变化到气候模型网格，并考虑水平方向不均匀 性的方案。国内学者s v 觚模型q ，t i ) l 究方面也取得了一定的进展，并对不同类型 下垫面与大气之间的水热交换进行了研究”。s v a t 模型按其对植被冠层的处 理可分为单层模型、双层模型和多层模型3 类“。单层模型将整个下垫面包括 土壤一植被看作一个艇体，仅仅描述了土壤一植被系统与大气圈的交换，而没有考 虑土壤一植被系统内部能量及水分的相互作用过程”，比较常用的植被漠j 有 南京气象学院烦i 论文：宁南地区区域蒸发( 放) 量的逼感研究 d i c k i n s o n 等乜耵的单层大叶面模式( b i o s p h e r ea t m o s p h e r et r a n s f e rs c h e m e ， 简称b a t s ) 。这类模型能够反映大气和下垫面问的总的能量、动量和物质交换过 程，且园其计算简洁而被广范采用，但是忽略了植被冠层与土壤二者问的水热 特性差异。双层模型将冠层与土壤分开，分别考虑两者的动量吸收、能量和物 质转化传输过程，以及两者的相互作用，植被蒸腾与土壤蒸散也分别计算”“， 如s e l l e r s 等啪1 的s i b 2 模式。多层模型则将冠层分成若干层来描述冠层小气候、 辐射分布及水热交换过程“”1 ，如s e l l e r s 等”1 的多层大时面摸式( s i m p l e b i o s p h e r em o d e l ，简称s i b ) 。单层模型和双层模型虽然对土壤和植被的通量进 行了模拟，但对冠层内部过程的描述却不够详尽，因此在计算植被层的湍流交 换系数和表面传导时比较困难。 以上这类模式综合考虑了土壤一植被一大气系统的相互作用，从系统中水热 通量等的传输机制出发来研究蒸发过程，故具有牢固的物理基础，但因这类模 式一般都假定水平均匀，考虑的过程又很复杂，需要输入的参数往往较多，为 了提高其实用性就必须弄清楚太阳辐射、风等要素在系统中的分布规律及系统 中的湍流交换状况，因而这些缺陷导致了此类模式在模拟菲均匀陆面上蒸发( 散) 量时的不足。 二十世纪五十年代以来，我国的科研人员主要从蒸发( 散) 量测定、潜在蒸 发( “蒸发力”) 和实际蒸发( 散) 量的计算三方面做了大量的工作”“。其中蒸发 量的测定主要采用水量平衡法( 获得1 2 周的资料) 、蒸发皿( 获取一有限水体 的蒸发量) 、蒸发池( 获取水体蒸发日变化过程的资料) 、小型蒸发渗漏仪( 一日 蒸发值) 、大型蒸发渗漏仪( 作为标准仪器获取总蒸发资料) 以及植物生理测定技 术( 获得蒸腾数据) 。利用这些测定方法我们可以获取“单点”上较为准确的蒸 发( 散) 量数据。蒸发量的计算方法主要有空气动力学法、热量平衡法、联立法( 瞬 时蒸发，连续观测可积分成时段蒸发值) 和涡旋相关法( 瞬时值，连续观测可积 分成时段蒸发值) 等等。丽对于蒸发( 散) 量的计算则主要是引进彭曼公式、布特 科公式、桑斯威特公式、别梁尼诺夫公式、空气饱和差公式以及以空气动力学 为基础的经验公式等，并对它们进行了改进。 其中利用彭曼公式计算蒸发( 散) 的研究最多：朱岗昆等”o1 9 5 5 年利用彭 曼公式计算了中国东部1 2 5 个点的月蒸发值；钱纪良等1 1 9 6 5 年利用彭曼公式 计算了全国4 0 0 个站点的蒸发值；贺多芬。”1 9 7 9 年计算了晋冀鲁豫陕五省7 8 个气象站( 1 9 5 1 - 1 9 6 0 ) 的水面蒸发量，并以此为根据与冬小麦的实验资料进行 分析，得到了农田蒸发力；邓根云。”1 9 7 9 年用北京日射站和官厅蒸发站的实测 资料，对彭曼公式中的净辐射项和干燥力项进行了修订；陈力o ”1 9 8 2 年利用彭 曼公式计算了宁夏地区的最大蒸发量，并以此为基础探讨了有关作物耗水规律； 等等。高国栋啪1 、傅抱璞o ”、程天文1 、刘昌明1 等提出了他们自己的方法。 这些公式尽管绝大部分在理论上是健全的1 ，但除个别外，都是考虑下垫 面水分没有限制时的蒸发( 散) ，所以运用这些公式计算得到的实际上是潜在蒸 发( 散) 量。但这可使我们对我国蒸发的时空分布规律有一个大概的认识，并在 南京气象学院顶i 论文：中南地区区域燕发( 散) 量的遥感研究 解决实际蒸发量计算方面有一定的意义。 最近许多学者对蒸散量的测定与估算方法进行对比研究，并提出了他们自 己的观点：孙卫国，申双和“”关于农田蒸散量计算方法的比较研究；毛飞等“” 关于参考作物蒸散量的多种计算方法及其结果的比较；李玉霖等“”关于参考作 物蒸散量计算方法的比较研究；刘绍民等”关于蒸散量测定与估算方法的对比 研究：刘晶淼等“”关于非均匀地表条件下区域蒸发( 散) 通量计算方法的研究。 邱新法“”等利用数据集群技术证实了在流域尺度上存在蒸散互补相关关系建立 了用常规气象资料估算陆面实际的蒸发( 散) 通用模型。 综上所述，国内外有关蒸发( 散) 量的研究虽已取得了长足的进展，但到目 前为止，对几何结构及物理性质水平非均匀的陆面，以上有关蒸发( 散) 量计算 的传统方法和模拟方法一般很难在大面积区域上推广应用。而在实际的气候及 其预测研究中，往往遇到的关键问题是如何处理非均匀陆面上的蒸发( 赦) 量， 所以对此问题的研究尤为国内外科学家们所关注。国外有些学者曾经进行的一 些区域上的蒸发量计算“7 “”，由于假设条件太多，“点”上资料的不完全使得计 算结果仍不是很理想。 1 3 卫星遥感估算区域蒸发( 散) 量 直至二十世纪七十年代后期，随着卫星遥感技术的出现和发展，才为准确 估算区域蒸发( 散) 量带来了新的希望。多时相、高分辨率、多频谱及多倾斜角 度的卫星遥感资料能够客观地反映出下垫面的几何结构和热湿状况，特j j q 是表 面热红外温度能够较客观地反映出近地层湍流热通量大小和下垫面的干湿差 异，即土壤含水量的水平非均匀状况侧。这说明在非均匀陆面上区域蒸发( 散) 量的计算方面遥感方法比常规的微气象学方法有明显的优越性m “。 二十世纪七十年代后期以来，国外相继丌始了用卫星遥感技术估算区域蒸 发( 散) 量的研究工作，至今已取得了一系列成果。1 9 7 3 年b r o w n 和r o s e n b e r g 根据能量平衡、作物阻抗原理建立的作物阻抗一蒸发散模型脚1 ，成为热红外遥感 温度应用到作物蒸发散模型的理论基础。另外，c a s e l l e s 等“”、c a r l s o l 3 等” 根据各自研究区的特点，对蒸发散的计算方法中参数的计算进行了改进。1 9 8 3 年j a c k s o n 等“，s e g u i n 和i t i e r9 “，h a t f o e l d 等1 尝试用卫星热红外资料计 算地面辐射温度( t 。) 与空气温度( t 。) 之差来估算大尺度区域蒸发( 散) 量。这些方 法开创了卫星遥感估算区域蒸发( 散) 量的先例，但区域上空气温度t 。难以确定， 又使其使用范围受到了限制。m e n e n t i “”于1 9 8 4 年提出了一种用卫星遥感技术 确定沙漠地区蒸发( 散) 量的方法，1 9 8 6 年m e n e n t i 等8 7 1 又提出了一种用陆地资 源卫星( l a n d s a t ) 主题绘图仪( t m ) 资料估算表层土壤温度的方法。1 9 8 8 年g r i e n d 等”研究了在干早半干旱区用卫星遥感和水平衡模式估算水平衡的方法。1 9 8 9 年m e n e n t i 和b a s t i a a n s s e n 等”1 接连发表了几篇有关用区域地表特征参数估 算的论文，在这些论文中他们利用州等卫星资料，首先分析得到了地表反射率、 标准化差值植被指数( n d v i ) 及地表温度等地表特征参数，为他们后束的工作奠 南京t 尊学院碳i ，沧文：0 南地区区域蒸发( 敬) 量的遥感研究 定了基础。1 9 9 0 年b a s t i a a n s s e n 和m e n e n t p ”用陆地资源 i 星的1 m 和其它卫 星遥感资料，首先推算山了地表反劓率及地表温度，进而估算了埃及两部沙漠地 区的地下水分损失量。他们指出：地表温度反映了土壤一大气界面处向上和mf 的能量平衡状况，地表反射率与地表温度有一定的关系；非均匀下挚面上能量 平衡各分量可以卫星遥感资料与地面观测资料干h 结合来求得。但是由于他们的 工作比较粗糙，尤其是列土壤一植被一大气系统。p 人气部分的考虑过于简化，所 以，所徭的结果只是“基本上”代表了区域的蒸发( 散) 情况，若要更精确地估 算区域蒸发( 散) 量，就必须进一步改进方法。 国内存利用卫星遥感资料估算非均匀陆面区域慈发( 散) 量方面起步较晚。 起初的研究是用卫星遥感资料来推算各种地表特征参数，例如，地表反射率、 植被指数及亮温等，在这u j 方而i ；| l 钟强、魏丽、吴艾笮等”“”做了大帚卓有成效 的工作。1 9 9 0 年 国良、郑柯等”“_ ；hn o a aa v t t r i i 资料和地而气象站资料估算了 作物蒸散和一 二壤的含水量。陈乾等1 曾尝试了一种用n o a aa v i t r r 、海拔高度和 气象观测数据估算江河流域复杂地形上的蒸散量的方法。在此项研究巾他们用 改进的p e n m a n 公式先计算出各类下垫面实际蒸发( 散) 量与蒸发力的比值，然后 求出月平均蒸发( 散) 量，并将所得结梁与利用水平衡模式估算的实际蒸散量作 了比较，二者的相对误差为一1 5 o 1 2 2 。以n o a aa v l t r r 资料估算非均匀陆 面区域蒸发( 散) 量，为国内用卫星遥感方法进行区域蒸发( 散) 量的研究做了有 益的探索，但浚卫星空恻分辨率较差( 1 7 x 1 ) ，列下垫面非常复杂的陆面其 计算结果精度明显偏低。 陈镜明”根据植被小气候原理，提出“剩余阻抗”概念对空气动力阻抗进 行补充，提高了植被覆盖条件下的计算精度。龇贤群”在上述模型的基础上， 对不同气象和空气层结条件下，空气动力阻抗的计算公式进行了修j r 。1 9 9 5 年 王介民、马耀明等”o3 在“黑河地区地气相互作用实验研究”( 简称黑河实验，t i e i f e ) 大量地面观测资料的基础上，介绍了引入l a n d s a i 、1 m 等卫星遥感资料进行复杂 地表陆面过程分析和估算蒸发( 散) 量的基本方法，其结果与实际情况相吻合， 且与地i a i 观测值基本接近”3 。 目前在大i 斫积上应川遥感估算地表蒸敞”“”有二种方法，第一种是剩余法 ( r e s i d u a lm e t h o d s ) ，川遥感表面温度结合气温以及一系列阻抗公式计算疆热 通量，然后从能量平衡公式中减去显热通量和土壤热通量得到蒸散的估计值 ”“1 。第二种方法用遥感植被指数或微波土壤湿度观测”来推算潜热输送的 表面阻抗，然后用p - - m 类的公式汁算蒸敞。1 9 9 5q - z h a n g 等”9 1 认为f j 者的估 算精度较高，但难度较人，f j j 后者刘空气动力学阻抗的估算误差不太敏感。遥 感数据与s v a t 模型结合的方式有多种，这些方法大致可归为二类，一是“强迫” 法，即模型的某些输入值是由遥感方法获得的；二是“标定”法，即用遥感获 得的一些信息来调整模型的一些参数。1 9 9 9 年0 1 i s o 等1 对各种类型的s v a t 模型及其特性，以及遥感数据与s v a i 模型的结合方式做了比较详细的说明和比 较，并用两个不同的模型比较来蜕明这个问题。 南京气象学院硕十论文：宁南地匹l 苎：域蒸发( 散) 量的遥感研究 到目前为止，国际国内对非均匀陆面上区域蒸发( 散) 量的研究已发展到了 一个新的阶段，特别是象空间分辨率高、波段多的卫星如陆地资源卫星( l a n d s a t ) 的应用，更为较准确地估算区域非均匀陆地表面蒸发( 散) 量提供了资料保证。用 遥感方法监测大范围地区的地表能量平衡和水分状况是遥感应用领域的一个重 要方向，遥感技术的实时性、区域性等特点得到了充分发挥。利用l a n d s a te t m + 资料并结合地面观测值，我们首先求得区域尺度上的各种陆地表面物理特征参 数，例如地表反射率、标准化差值植被指数及地表温度等，然后估算区域地面 净辐射通量、地面热通量和感热通量的区域分布，最后估算区域蒸发( 散) 量的 区域分布。 1 4 本文研究内容 本研究利用l a n d s a t 一7e t m + 资料结合地面观测值估算区域蒸发f 散) 受到 了国家科技部社会公益类研究专项资金项目( 2 0 0 1 d i b l 0 0 8 9 ，“宁南地区退耕还 林还草的气候模拟”) 的资助。本研究主要做了以下创新： ( 1 ) 在利用遥感资料求取地表特征参数的基础上，将地表分成6 类：水体、 裸地区、草地一裸地区( 有草覆盖但未完全覆盖) 、草地完全覆盖区、乔木林区、 灌丛区。将水体单独处理，由参考作物蒸散乘以比例系数直接计算得出水体蒸 发；建立了4 种单一类型下垫面( 裸地区、草地完全覆盖区、乔木林区、灌丛 区) 蒸发( 散) 计算模型；对混合下垫面( 草地一裸地区) 区域蒸发( 散) 计 算方法使用裸土和草地完全覆盖蒸发( 散) 计算模型，然后结合植被覆盖度给出。 将下垫面分类，不同的类型使用不同的方法，是可行的和合理的，可使计算更 符合实际情况。 ( z ) 一般利用卫星遥感估算区域蒸发( 散) 量，所用资料除卫星遥感和常 规气象观测资料外，还需一些特别的气象观测和特定的试验观测资料。本文作 为一种方法的探讨，更多的利用气象规律，没有特别的气象观测和特定的试验 观测资料，仅使用常规气象观测资料，估算区域蒸发( 散) 量，这种方法具有 一定的实用性和推广性。 南京气象学院硕l 论文：中南地区区域蒸发( 敞) 量的遥感研究 第二章研究区概况 根据自然特点和传统习惯，一般把宁夏回族自治区宁南地区的固原、西吉、 隆德、经源、彭阳5 县及海原县的南部山区称为宁夏南部，我们选取该区域为 研究区( 以下称为宁南地区) ，具体范围为：1 0 5 。1 2 1 0 6 0 5 8 e ，3 5 。1 7 3 6 0 3 4 ，n 。 利用l a n d s a l 一7e t m + 卫星遥感资料进行区域研究，遥感资料较为真实的反映地 面特征，对研究区的地形、地貌、水文、土壤、植被等较为详细的介绍是很有 必要的：作为气象类的研究，对研究区的气候概况也做了介绍。 2 1 地理概况 宁南地区是宁夏回族自治区回族聚居地区，历史悠久古老，曾经是历代经 济重地，交通枢纽和军事要地。宁南地区地处宁夏南部，属黄河中游黄土高原 丘陵沟壑地区。南部与甘肃的庆阳、平凉、白银地区毗邻，北部与宁夏回族自 治区中卫、同心县接壤，处于西安、兰州、银川三省府城市所构成的三角地带 中t b ，是中国西部前景极佳的待开发地区，亦是中央确定重点扶贫的“三西” 地区之一。宁南地区六县，共1 2 7 个乡( 镇) ，总面积1 6 8 万平方公里。1 9 9 7 年末总人口数1 8 7 6 万，其中回族人口8 9 3 万，占4 7 6 ；非农人口1 6 8 万。 宁南地区拥有耕地4 2 6 l 万公顷，农作物以小麦为主，秋杂粮品类繁多。畜 牧业是本地区优势产业之一，以大家畜、羊只为主。六盘山和云雾山两个野生 资源保护区资源丰富。宁南地区工业形成了诸多具有地方特色的工业。宁南地 区境内矿产资源储量相当丰富。 宁夏南部为黄土高原的一部分其上黄土覆盖，厚的地方可达1 0 0 多米，大 致由南向北厚度渐减。六盘山主峰以南，流水切割作用显著，地势起伏较大， 山商沟深。六盘山以北的地区，由于降水少，流水对地表切割作用较小，除少 数突出于黄土瀚海之上、状如孤岛的山峰之外，一般为起伏不大的低丘浅谷， 相对高度在1 5 0 米左右。从地貌类型看，宁夏南部以流水侵蚀的黄土地貌为主， 儿有河流流过的地方，经河流的冲积，形成较宽阔的河谷山地。在人们对黄土 丘陵地区长期垦殖过程中，由于认识能力的限制，使这里的生态环境逐年恶化， 破坏了植被，水土流失严重，农作物产量下降。根治的出路在于大力植树种草 恢复植被，保持水土，广辟水源。自南丽北随着降水减少和植被由森林草原 向干草原变化，土壤的淋溶作用和有机质积累过程逐渐减弱，宁南黄土丘陵地 区，年降水量3 0 0 6 0 0 毫米，植被为干草原和森林草原，在广泛分布的黄土和 次生黄土母质上发育黑垆土：六盘山为狄褐土( 1 9 0 0 2 7 0 0 米，包括普通灰褐 上和淋溶狄褐土) 、亚高山草甸土( 2 7 0 0 米以上) ；全区海拔j 4 0 0 米一2 9 4 2 米之 问，南部黄土丘陵海拔2 0 0 0 米左右，面积占全区的3 7 1 ：南华山、月亮山、 六盘山海拔2 6 0 0 2 9 4 2 米，清水河西侧山地海拔2 0 0 0 2 3 5 0 米。 宁夏是全国水资源最少的省区之一，地表水资源具有量少、质差、空间分 布不均、时问变率很大等特点。宁南地区境内有清水河、泾河、葫芦河、祖历 南京气象学院坝h 仑直：中南地区选域攮发( 散) 量的遇! 画研究 河等，其河川径流量占宁夏全区径流总量的8 1 。地表径流在时问分配上，年 内、年际变化明显，7 0 8 0 的径流量集中在6 9 月，形成汛期，8 月径流量 最大，i 与年径流量的2 0 4 0 11 1 月至翌年3 月为枯水期，许多小河断流，1 月径流量最小，只有年径流量的1 3 。径流的年内、年际变化都呈现南部小、 北部大的态势。径流的年际变化，具有丰枯交替和发生连续干旱的特点。本区 境内，黄河支流水系有祖厉河水系、清水河水系、泾河水系等。祖厉河、清水 河为黄河一级支流，葫芦河、泾河为黄河二级支流。流域面积以清水河最大， 径流量以泾河最多。北流入黄( 河) 和南流入渭( 河) 的河流的水文特征又存 在一定的差异。北流的祖厉河、清水河流经干旱、半干旱区，具有水量小、矿 化高、泥沙多、径流量变化大等特点：南流的葫芦河、泾河流经半湿润区，具 有水量较大、矿化度较低、泥沙较少、径流量变化较小等特点。宁南地区水利 资源总量约9 3 0 亿立方米，地下水储量约3 2 4 亿立方米。 宁南地区实有土地1 6 7 8 3 力公顷，其中耕地4 2 6 1 万公顷；林地2 6 6 7 力- 公顷( 天然次森林4 2 7 万公顷) ；牧草地7 7 7 7 公顷。森林覆盖率9 7 ， 活立木蓄积量2 4 0 2 万立方米，其中天然林活立方蓄积量1 2 1 7 万立方。森林 草原分布于半湿润的六盘山地区，由山地植被和水平带植被结合组成。干草原 分布于半干旱的黄土丘陵区，在年降水量接近5 0 0 毫米的地区，阴坡常分布草 甸草原或在群落中生长一定数量的中生杂类草，局部地段残留落叶灌丛。六盘 山位于森林草原带，植被垂直分带其有温带半湿润区山地植被组合的特点和规 律，垂直带谱由下而上为：低山干草原带( 1 9 0 0 米以下阴坡) ；低山草旬草原 带( 1 7 0 0 1 9 0 0 米阴坡和1 9 0 0 2 2 0 0 米阳坡) ；中生杂类草草甸带( 2 2 0 0 2 6 0 0 米阳坡) ；低、中山落叶林带( 1 9 0 0 2 7 0 0 米阴坡) ；弧高山中生杂类 草草甸带( 2 6 0 0 米以上阳坡和2 7 0 0 米以上阴坡) 。 南部的六盘山自南端往北延，与月亮山、南华山、西华山等断续相连，把 黄土高原分隔为二。六盘山古称陇上，位于宁夏的南部，耸立于黄土高原之上， 是一条近似南北走向的狭长山脉。主峰位于和尚辅以南的美高l j j ，海拔2 9 4 2 米， 山势高峻。山路曲折险狭，须经六重盘道才能到达顶峰，六盘山因此而得名。 山腰地带降雨较多，气候较为湿润，宜于林木生长，有较繁茂的天然次生阔叶 林，使六盘山成为突起于黄土高原之上的一个“绿岛”，也是宁夏重要的林区之 2 2 气候概况 宁夏地居内陆，远离海洋，位于中国季风的西缘，冬季受蒙古高压控制， 正当冷宅气南下之要冲，夏冬处在东南季风西行末梢，形成较典型的大陆性气 候( 大陆度为5 2 6 8 ) ，具有冬寒长、夏热短、春暖快、秋凉早；干旱少雨、同 照充足、蒸发强烈、风大沙多；南凉北暖、南湿北干和气象灾害较多等特点。 宁夏南部地区，降水稍多，热量不足，属南温带半温湿区至中温带半干旱气候， 以旱作农业为主。 南京气象学院倾l 论立：宁南i 迫区区域蒸发( 教) 量骼遥感i i 究 主要气候资源指标为；年太阳辐射总量一般为4 9 3 2 5 6 6 1 兆焦耳平方米， 年f 1 照时数2 2 0 0 2 7 0 0 小时，年，i 均气温5 7 ( 六盘山年平均气温最低。仅 为1 o 。c ) 。 o 积温2 5 5 0 3 1 0 0 ， 5 积温2 5 4 0 2 9 0 0 ， 1 0 积温 1 9 0 0 2 4 0 0 ，平均无霜期1 2 7 1 5 5 天，多年平均年降水量3 0 0 6 8 0 毫米， 年平均蒸发量1 2 0 0 1 8 0 0 r a m ( 仪器为2 0 c m 口径蒸发胍) ，年干燥度1 3 。 闩平均气温1 0 ( 2 的初r ，是多数作物生长活跃的时期，宁南地区出现在 5 月上旬t o 的终h ，宁南地区在9 月中、下旬，l o c 是作物生长旺盛 期，宁南地区持续天数在1 2 0 1 5 0 天。积温1 9 0 0 2 4 0 0 ；六盘山，1 0 的 持续天数在4 0 天以下，积温仅为4 0 0 5 0 0 。= 1 平均气温0 初f ：= _ i ，是土壤 开始化冻，牧草萌动，春麦下种的时期。宁南地区较晚，迟至3 月1 8 2 5r ： 几乎均气温o 终闩，和初闩相反山南向北推迟。宁南地区较早，在1 1 月4 f i 9f = i ，如以闩平均气温 t 0 为农耕期，宁南地区持续天数较短，在2 3 0 天左右。六盘山最短，仅有1 8 4 天。 多年平均年降水量六盘山地区6 0 0 毫米以上，宁南地区黄土丘陵区3 0 0 6 0 0 毫米，六盘山年降水为6 8 0 毫米。是宁夏南部多雨心。年降水总量中，夏季 占5 1 6 5 ，冬季占l 2 ，秋季占2 0 2 8 。各地降水曲线都呈单峰型，进 入6 月，降水量迅速增大，9 月以后，降水量急剧减少。降水量最大值一般出现 于7 月下旬至8 月上旬，这一期间的降水量，南部地区占年降水量的2 0 2 5 ； 月平均降水量最小值一般出现于1 2 月占年降水量的比重各地都在0 5 以下。 降水的年际变化也很大，多耐年降水量是少雨年降水量的2 6 倍。降水变差 系数0 2 0 0 4 6 ，由南向北增大，降水越少的地区降水越不稳定。宁夏风能资 源较为丰富，年平均风速一般为每秒2 3 米。宁南地区北部为每秒3 米左右， 六盘山年平均风速每秒高达6 5 米。 南京气象学院坝1 l ：论文；宁南地区区域燕发( 敌) 量的遥l 塑f 塞 第三章姿料选取 宁夏气象科研所现有一幅宁夏南部地区l a n d s a t 一7e t m + 卫星资料( 晴天资 料) ，时问为2 0 0 1 年6 月3 0f i ，因此选择该日为研究时闻，而且此时研究区内 植被生长旺盛，便于区分不同植被覆盖，也便于评估生态效应。利用卫星资料， 结合地面常规气象观测资料和海拔高度、植被分布等资料，计算宁南地区地表 辐射平衡和地表热量平衡区域分布，进一步得出宁夏南部区域蒸发( 散) 量， 研究所需3 方面的资料。 3 1 卫星资料 l a n d s a t 一7e t m + 资料，数据格式：f a s t l 7 一a ，像元大小：1 5 、7 波段3 0 m 3 0 r a 、6 l 和6 h 波段6 0 m 6 0 m 、8 波段( p a n 全色波段) 1 5 r e x1 5 m 。2 0 0 1 年6 月3 0 同晴天资料( 卫星过境时间为地方时1 3 ：4 3 ，北京时1 4 ：3 8 ) ，景中 心经纬度：1 0 6 1 2 。e ，3 6 0 5 。n 。数据来源：中国科学院中国遥感卫星地面 站。 l a n d s a t 一7 卫星的主要有效载荷改进型主题测绘议( e n h a n c e d t h e m a ti cm a p p e r p l u s ) e t m + 是在l a n d s a t 4 和l a n d s a t 一5 卫星的主要有效载 荷主题测绘仪( t h e m a t i c m a p p e r ) 的基础上改进的。e t m + 相对硼的主要不同之 处在于它增加了1 个全色谱段和2 个增益区域，增加了太阳定标器，并提高了 红外谱段的分辨率。 l a n d s a t 卫星数据的有广泛的应用领域：农业、林业和草场资源、土地利用 制图、地质、水资源、海岸资源、环境。l a n d s a t - 7e t m + 资料基本数据见表1 。 表i l a n d s a t 7e t m + 资料基本数据 3 2 气象资料 宁夏南部地区及周边区域2 0 个气象站2 0 0 1 年6 月2 8 闩3 0 只逐同气象资 料。数据来源：宁夏回族自治区气象局、甘肃省气象局。 0 南京。t 象学院坝l 论文；宁南地区区域燕发( 敞) 量的遥感埘 究 研究区宁夏南部地区之内共有7 个气象站：海原、隆德、固原、六盘 山、西吉、泾源、彭阳。研究区周围区域1 3 个气象站中属于宁夏回族自治区的 有4 个：中宁、同心、中卫、盐池，其它属于甘肃省共有9 个气象站：会宁、 环县、平凉、庄浪、华亭、静宁、镇原、靖远、泾川。 需要各气象站2 0 0 1 年6