银川平原日蒸发量的计算.docx

银川平原日蒸发量的计算摘要：本文使用ENVI软件计算银川平原的地表蒸散量，并对其分布和影响因素进行了简单的讨论和总结，土地类型、植被覆盖和地下水位是影响地表蒸散量的重要因素，裸土区的蒸发量最大、有植被覆盖的区域NDVI值越大蒸发量越大、地下水水位越浅蒸散量越大。平原概况银川平原，位于宁夏回族自治区中部黄河两岸。北起石咀山，南止黄土高原，东到鄂尔多斯高原，西接贺兰山。黄河从南至北流过银川平原。东西宽1050公里，南北长280公里，面积7800平方公里，海拔11001200米。经、纬度范围分别为10410730E和373930N。银川平原处于温带干旱地区，气候干旱，日照充足，年均日照时数3000小时左右，无霜期约160天。昼夜温差较大，年平均气温9年降水量200毫米左右。银川平原是断陷盆地型沉积平原，按照成因，可分为黄河冲积湖积平原和贺兰山山前洪积倾斜平原两部分，后者约占总面积的2/7。冲积湖积平原顺黄河流向，自西南而东北微有倾斜，平均坡降约1/4000。土地肥沃，有耕地27万公顷，草场25.5万公顷原生地表植被类型为荒漠草原，现以人工绿洲植被为主，主要分布耕地灌淤土、灰钙土和沼泽土等。地势较为平坦，土地肥沃，利于灌溉与垦殖。方法和数据本文拟对银川平原9月1日10日地表蒸散量进行计算，研究方法采用表面能量平衡系统(SEBS，Surface Energy Balance System)理论，通过ENVI 4.7软件对遥感数据进行操作和计算；卫星遥感数据来源于NOAA官方网站提供的高分辨率辐射计的AVHRR数据产品，气象数据来自于当地气象站的历史记录数据。一、 方法表面能量平衡系统(SEBS)原理利用对地观测的可见光、近红外和热红外波段的卫星数据，结合实测气象或大气数据，根据表面能量平衡原理估算不同尺度的地表大气湍流通量，从而得到地表相对蒸散量的方法。热红外遥感是对表面能量平衡状态的瞬时观测。表面能量平衡是由表面净辐射驱动的，白天主要是太阳短波辐射。任一时刻地表能量平衡方程为一时刻地表能量平衡方程为：Rn=G0+H+E （1）式中：Rn为净辐射通量；C0为土壤热通量；H为感热通量；E为湍流潜热通量(地表蒸发所用能量)，其中是水的汽化潜热，表示一定体积的水通过蒸散发从液态变为气态所需的能量，E为实际水分蒸散总量。根据能量平衡在最干和最湿两种极限状态下的感热通量特征可以计算蒸发比：EF=1-H-HwetHdry-Hwet （2）式中：EF即为相对蒸发比，是实际蒸散量与最大蒸散量之比；Hdry为干极限状态下的感热通量；Hwet为湿极限状态下的感热通量。日蒸散量为Edaily=8.64107240-Rn-G0w (3)式中：240为日蒸发比；w为水的密度。ENVI 4.7和ENVI+IDL 4.7软件ENVI是一个完整的遥感图像处理平台，其软件处理技术覆盖了图像数据的输入/输出、图像定标、图像增强、纠正、正射校正、镶嵌、数据融合以及各种变换、信息提取、图像分类、基于知识的决策树分类、与GIS的整合、DEM及地形信息提取、雷达数据处理、三维立体显示分析等。本文利用ENVI软件对卫星数据进行图像校正、剪裁、DEM及地形信息提取、SEBS原理计算地表蒸散量、图层叠加和数据信息统计计算等模块，最终得到银川平原的日地表蒸散量。具体操作在此不做详细叙述，详细过程可参照遥感与区域地面蒸散量估算方法一书。二、 数据1. 卫星数据本文使用的卫星数据全部由NOAA门户网站：/saa/products/welcome下载获得，旨在研究银川平原2012年9月1日10日的地表蒸散发量，数据时间2012-09-01-00：002012-09-10-23：59；研究区域10410730E和373930N；数据类型采用分辨率1km的全解析区域覆盖（Full Resolution Area Coverage ，FRAC）、高分辨率图形（High Resolution Picture Transmission）和局部地区覆盖（Local Area Coverage,LAC）数据。共计检索到64个卫星数据，附合覆盖研究区域的全部面积的数据共计有12个，对这12个数据进行辐射校正、几何校正以及对研究区域的裁剪，除去重新剪裁数据的尺寸和云量对研究区域的影响，符合本文对研究区域的数据只有2个，分别为2012-09-06-6：24（图3）和2012-09-08-5：23（图4）的数据。图1 NSS.LHRR.NP.D12250.S0559.E0610.B1844444.WI原始数据图2 NSS.LHRR.NP.D12252.S0537.E0544.B1847272.WI2. 气象数据气象数据来源于银川平原当地区站号为53614气象站的历史记录，气象站海拔高程1112m，具体气象数据如下表格：表1 银川平原53614气象站历史记录数据年月日平均风速（0.1m/s）平均气温(0.1)平均相对湿度(1%)平均本站气压(0.1百帕)201291201477589282012921616564892720129313172528933201294221675489142012951018659890320129611198578895201297111956088982012981720358889220129919202658876201291011201748865其中本文只应用到2012年9月6日和2012年9月8日这两天日平均气象数据。数据处理和计算结果一、 数据处理对该数据进行辐射和几何矫正后进行研究区域的裁剪，得到下述两幅研究区域的卫星遥感数据影像：图3 2012-09-06研究区域遥感数据 图4 2012-09-08研究区域遥感数据使用ENVI+IDL 4.7中的SEBS模块对研究区域进行地表蒸散量的计算，最终得到包括净辐射、土壤热通量、感热通量、潜热通量、蒸发比和日蒸发量在内的6个波段的研究区域卫星遥感数据。图5 2012-09-06研究区域蒸发量遥感数据 图6 2012-09-08研究区域蒸发量遥感数据 其中颜色越浅的地段表示地表蒸散量越大，黑色蒸散量值为0，白色蒸散量值最大。对利用银川平原边界的矢量数据，对上述研究区域进行区域裁剪，提取出银川平原所在位置的上述六个波段的卫星遥感数据，结果如下：图5 2012-09-06银川平原蒸发量遥感数据 图6 2012-09-08银川平原蒸发量遥感数据 二、 计算结果利用ENVI 4.7中“Basic Tools”中的“Band Math”对上述的两个波段进行平均计算，(B1+B2)/2,其中B1是2012-09-06银川平原日蒸发量波段数据；B2是2012-09-08银川平原日蒸发量波段数据，得到银川平原这两日的平均地表日蒸散发遥感波段数据影像图（7）。图 7 银川平原2012年9月6日和8日两日平均日地表蒸散发量遥感影像对得到的平均波段数据进行栅格点的数据统计计算，提出栅格值8和0的栅格点，对剩余点做加权平均计算，得到银川平原平均日地表蒸散量为2.063mm。讨论一、 地表蒸发量的空间分布通过对图7的地表蒸发量遥感影像与Google Earth中相同研究区域范围提取的影像经过地理连接（Geographic Link）比较后，银川平原蒸发量按照空间分布，基本可分为三部分：中部和水体蒸发量较大区域、东北部蒸发量较小区域和介于二者之间的南部蒸发量均匀区域。中部和水体蒸发量较大区域：银川平原内部地表蒸散量较大的三个区域，一个是位于平原中南部的银川市（图8）；一个区域是位于平原中北部的石嘴山市；另外是黄河河道区域，蒸发量基本上都大于3mm，其中水体的蒸发量最大，可达到4mm。东北部蒸发量较小区域：在平原的东北区域和银川市东部和西部地区则是蒸发量相对较低的区域，在该地区零星分布的村庄地带出现蒸发量较大的点。南部蒸发量均匀区域：平原的南部地区则是蒸发量相对较均匀的地区，基本上范围在12mm之间，只有在平原东南部的边缘地带存在蒸发量较大的区域，通过Google Earth地图影响了解到该区域为一大片裸土或黄土区域。图8 银川市Google Earth 影像（左）与蒸发量影像（右）参照图二、 NDVI与地表蒸发量的关系使用研究区域的2个卫星遥感数据可以较容易的获得研究区域的2012年9月6日和8日两日NDVI的平均值遥感影像，对该影像使用相同的数据提取方法提取出银川平原的2012年9月6日和8日的平均NDVI影像（如图9）。图9 银川平原NDVI与蒸散量遥感影像对比图通过对比发现，在中西部的蒸发量较大城市地区NDVI值都很小在0.010.01之间，在东北部蒸发量相对较小的地区和南部蒸发量相对均匀的地区NDVI值都是很大的，其中南部地区NDVI值要略大于东北部地区的NDVI.由此推断在夏季日照强烈气温较高的时期，无植被覆盖的裸土区和城市区、水体的蒸发量最大。有植被覆盖的区域蒸发量相对低一些，说明在夏季植被对保持土壤的含水量是有一定作用的，但是通过平原东北部和南部的对比，发现NDVI值高的地区也就是植被覆盖率跟多的地区蒸发量反而升高，说明夏季植被的蒸散量也是该地区日蒸发量重要的控制因素。三、 地下水潜水位对蒸发量的关系通过文献查阅，影响蒸发量的因素除NDVI外还有土壤的湿度,土壤的湿度通常情况下又由土壤的粒度成风和潜水水位影响。通过文献搜集到的资料得到：平原中东部贺兰山东麓洪积扇前缘部位，图7中的中东部边缘位置，水位埋深1030m，土体粒度较大空隙裂隙大，含水率低，该处的地表蒸散量很低；而在洪积扇的中部，城市坐落的地区，潜水位较浅，土体含水率高，地表蒸散量大。说明在夏季，水位埋深越浅，地表蒸发量越大。四、 NDVI和地下水位对蒸发量的影响查阅文献发现，平原东北部和南部的潜水地下水水位埋深基本上一直，南部黄河河漫滩地带的潜水位甚至深于东北部地区（图10），但是南部地区的地表蒸发量要明显的大于东北部地区，由于南部地区更大的NDVI值，所有产生的植物蒸散量更大，这说明尽管植物有保持土壤含水率的功能，但是在地下水埋深接近的情况下，NDVI对地表蒸散量的影响更大。图10 银川平原浅层地下水水位埋深分布图结论1. 银川平原除水体外，中东部城市地区以及散落分布的城市和西南部的裸土区的日地表蒸散发量最大，大于3m；有植被覆盖的南部和东北部地区地表蒸散量低，裸土和城市地区的蒸发量大于植被覆盖地区，植被有保持土壤含水率的功效。2. 夏季地下水位越浅，地表蒸散量越大。3. 在有植被覆盖的情况下，地下水埋深近似的地区，NDVI值越大的地区，地表蒸散量越大，但仍然低于裸土地区，说明