基于双层模型的沙河流域蒸散发定量遥感估算

论文以北京市沙河流域为研究区,选择1999-2007年不同季节典型日的TM/ETM+数据,辅助相关气象观测资料,以地表蒸散发遥感反演双层模型为基础,构建了估算沙河流域地表日蒸散发反演系统。该系统包括三部分:基于双层模型的蒸发比估算;日净辐射总量估算;基于蒸发比不变法的日蒸散发估算。模拟的典型日序列中,春季晴日流域日均蒸散发约为2.28 mm、夏季2.97 mm、秋季1.59 mm、冬季0.5 mm;以林地为主的流域上游山区日蒸散发普遍高于以居民地和农田为主的下游平原区,上下游春、秋、冬季空间差别较大,夏季较小。估算结果与贾贞贞等、徐自为等利用大孔径闪烁仪和涡动相关仪的观测值对比,相对误差介于0到16%之间,平均相对误差为11.1%,均方差为0.77 mm,精度较高。     

中国地表太阳辐射资源空间化模拟

基于1981—2010年全国122个气象台站的太阳辐射和气温日较差观测数据,将Bristow-Campbell太阳辐射估算模型在中国八大自然区分别进行了参数校正和验证;利用地理信息空间分析平台,采用PRISM模型对中国区域平均最高与最低气温空间化的结果,将其输入Bristow-Campbell模型,实现太阳总辐射的空间栅格化模拟;通过斯忒藩-玻耳兹曼定律计算全国地表长波辐射平衡;进而根据太阳辐射平衡公式,得到中国地表太阳辐射平衡的空间格局。结果表明:经过校验的Bristow-Campbell可以较准确地估算中国区域太阳总辐射资源;基于Bristow-Campbell辐射估算模型,结合气象数据的空间化模型,是实现太阳净辐射资源空间化模拟的有效途径;我国地表太阳净辐射总体空间格局表现为高值区位于青藏高原,每年可达9 000 MJ·m^-2,东部地区的净辐射年总量较低,东北稍高,浙闽地区稍低,低值区位于川黔地区,年平均约为2 000 MJ·m^-2左右。     

北京潜在蒸散发量年内-年际的气候变化特征及成因辨识

论文基于北京站1951—2009 年的气象资料,采用Penman-Monteith 公式估算潜在蒸散发,并对其年际年内的变化特征进行辨析。结果表明:北京1951—2009 年年均潜在蒸散发量呈显著上升趋势;气象要素的敏感性从强到弱依次为:空气相对湿度、温度、太阳辐射和风速;论文提出实测变幅均值法,基于此方法考虑气象要素年内变化特征,估算温度、饱和差、风速和太阳辐射的贡献率分别为13%、58%、17%和11%;对气象因子的年际变化趋势进行分析,平均气温在0.05 显著水平下增加趋势显著,太阳辐射和空气相对湿度在0.05 显著水平下减少趋势显著,风速变化趋势没有通过显著性检验;综合考虑年际变化和敏感性的去趋势分析显示:温度增加和空气相对湿度减少是造成潜在蒸散发增加的主要原因,太阳辐射的减少使得其增加趋势有所减弱,但未改变其增加趋势。     

岷江上游小流域多尺度NDVI与地形的关系研究

基于2015年OLI遥感影像和DEM数据,运用二维小波变换研究了岷江上游干旱河谷渭门小流域NDVI与地形因子的多尺度耦合关系。结果表明：（1）渭门小流域NDVI的空间分布特征为东南低西北高、河谷低山地高。多尺度下低频部分NDVI与地形因子的空间相似性和相关性大小均为坡向 > 高程 > 坡度。高程、坡度与NDVI低频系数的最强相关性出现在较大尺度,而坡向与NDVI低频系数的最强相关性出现在较小尺度。（2）NDVI的空间波动性随着分解尺度的增大而增强,但波动性的强弱与地形因子并未表现出明显的空间相似性。高频部分NDVI与各地形因子的相关性随小波分解尺度的变化规律不明显。（3）NDVI的空间分布特征是由高程、坡度和坡向共同决定,但是各因子对NDVI的控制作用大小随尺度发生改变。小波变换可以揭示出NDVI和地形因子的多尺度特征,对干旱河谷植被景观的合理布局,提高生物多样性,生态环境保护和农业产业规划具有重要意义。     

淮河流域及东南诸河流域土地利用和蒸散发量的多年时序变化

<正>近几十年的土地利用变化,使水系格局发生了重大变化,对流域内水文过程也产生了明显的影响。作为水平衡研究的重要均衡项之一,地表蒸散发量的遥感反演也成为流域尺度水循环研究的热点。"沙颍河涡河流域水文地质调查"项目组结合几十年的成果积累,采用不同空间分辨率的卫星遥感影像,融合多时相观测信息,开展淮河流域及东南诸河流域土地利用和蒸散发量的遥感反演工作,获得了以下新认识。     

基于METRIC模型的江汉平原蒸散量估算适应性分析

蒸散发是整个水文循环中的关键环节,现有传统测量方法虽具有较高的点位精度,但空间代表性不足,无法满足大空间尺度的遥感估算。以半湿润区为主的江汉平原为研究区域,以遥感蒸散模型为核心手段,首次引入METRIC模型,探讨METRIC模型在江汉平原蒸散量估算中的适用性,并应用METRIC模型和SEBAL模型对研究区域进行遥感蒸散量反演,同时利用世界粮农组织(FAO)提供的P-M模型参考蒸散量计算公式,计算了气象站点当日参考蒸散量并进行估算误差对比。结果表明:(1)4日中蒸散量较小的3日METRIC模型估算误差较SEBAL模型更小,平均估算误差降低约9%,仅蒸散量较大的1日SEBAL模型较METRIC模型具有更高的估算精度,这表明蒸散量较小的时间段内,METRIC模型在江汉平原表现出良好的适用性,估算误差较SEBAL模型更小,具有更好的应用价值,而蒸散量较大的时间段内,SEBAL模型能够提供较METRIC模型更高的估算精度,具有更好的应用价值;根据季节交替使用两模型能够有效提高区域遥感蒸散量的估算精度;(2)不同蒸散量时两模型出现估算精度差异的最大影响因素为冷热像元即干湿边界的选取原则,SEBAL模型干湿边界的选取原则以水体作为湿边界,适合土壤蒸发量及植被散发量较小的干旱地区,而METRIC模型干湿边界的选取原则以湿润、温度较低的植被覆盖区域作为湿边界,增加了对植被散发的权重考虑,避免了高植被覆盖区域水分胁迫带来的精度影响,并以DEM数据对区域高程、地形坡度加以修正,可降低高程差所带来的"冷却效应",这些改进使该模型在蒸散量较小的时间段内取得了更高的估算精度;但蒸散量较大时,水体蒸散在总蒸散量中的权重大幅增加,降低了植被散发等对最终估算结果的影响程度,此时SEBAL模型以温度较低水体作为湿边界的选取原则使水体蒸散发在总蒸散量估算中占据更大的权重,相较METRIC模型在蒸散量较大时能够提供更高的估算精度。     

基于DEM的山地丘陵区土地利用/覆被研究——以青海湖流域为例

研究地形对土地利用空间分布格局的影响,对探讨不同地貌部位自然因素和人文因素在土地利用变化过程中的作用具有重要意义。论文以青海湖流域为例,对比各土地利用类型的投影面积与地表真实面积的差异,并从地形(高程、坡度、坡向)角度分析了流域内土地利用的空间分布格局。结果表明:流域投影面积与地表真实面积相差754.79 km²。耕地、居民地、水域、沙地主要分布在3 500 m以下,且坡度小于2°的平地上,耕地和居民地多分布在南坡和西南坡上;林地主要分布在3 500~4 000 m且坡度多在6~25°的缓地和斜坡上,各坡向分布较均匀;草地主要分布在4 500 m以下且坡度小于25°的坡地上;沼泽多分布在3 500~4 500 m且坡度小于25°的河源地区,多分布在北坡和东北坡上;其它用地主要分布在4 000~4 500 m的坡度较大的斜坡或陡坡上。随高度、坡度增加,土地利用程度综合指数呈下降趋势;土地利用综合指数在坡向上呈现:平地＞阳坡＞阴坡。说明地形在很大程度上影响着青海湖流域的土地利用分布,且这种影响比较符合当地的自然规律和社会经济规律。     

黄土高原地表温度变化的时空格局

地表温度是表征大气底层和陆地表层之间热量状况的重要指标,地表温度的变化受地表反照率、蒸散发、地表粗糙度等因素的影响。利用MODIS数据中的地表温度、地表反照率和蒸散发数据产品,分析了2000~2013年黄土高原生长季地表温度变化的时空格局,探究了地表温度变化与地表反照率和蒸散发之间的关系。结果显示,2000~2013年,黄土高原地表反照率由2000年的0.178下降到2013年的0.146,年际下降速率为0.0015/a;蒸散发量由314.33mm增加到455.24mm,年际增加速率为6.56mm/a;日地表温度呈波动降温趋势,幅度为-0.16℃/a;夜地表温度有升高的趋势,但不显著,幅度为0.035℃/a;昼夜温差减少显著,幅度为-0.2℃/a,温度变化显著的区域集中于黄土高原中部地区。地表温度与地表反照率和蒸散发量之间相关性显示,日地表温度与地表反照率呈正相关关系,与蒸散发量呈负相关关系,在山西西部、陕西北部和甘肃南部区呈极显著相关关系,且日地表温度与蒸散发的相关性强于与地表反照率的相关性,夜地表温度的变化与地表反照率和蒸散发不具有显著相关性,因此,受退耕还林工程的影响,研究区蒸散发增加是引起地表温度降低的重要原因。     

气温遥感估算方法研究综述

气温作为重要的气候资源之一,在植被长势、农业灾害和气候变化研究中发挥着举足轻重的作用。目前大尺度农业、气候模型都需要空间分布的气温作为输入参数。除了用有限的台站数据空间插值获取气温栅格化数据外,遥感技术更为连贯精细的气温空间观测提供了有力的数据支持。为服务区域尺度气温相关的科研及业务工作,论文首先介绍了目前国内外气温遥感估算的主要方法,包括简单统计法、高级统计法、温度-植被指数分析法（TVX法）、地表能量平衡法及大气温度廓线外推法。再根据实际应用需要,重点总结比较了最高、最低和平均气温及不同时空尺度气温的遥感估算特点。最后讨论了气温遥感估算在实际应用中存在的问题并探讨了未来的研究趋势。     

成都平原及其周边区域植被覆盖动态监测

利用Landsat TM/OLI遥感数据、DEM和地貌数据,基于像元二分模型、遥感与GIS技术对2007~2013年成都平原及周边区域的植被覆盖动态变化进行了估算,并结合高程、坡度、坡向和地貌数据,定量分析了汶川地震前、后植被受损与恢复的空间动态格局变化。研究表明:(1)植被覆盖总体良好,近一半区域的植被覆盖度均在中、高度以上,空间格局上呈现由西部的龙门山区向中部的平原区域降低的总体趋势;(2)地震造成植被受损面积约6.91×105 hm~2,集中分布于海拔324~800 m、坡度20°、东坡、南坡和西坡及山地地貌部位;(3)震后5 a,植被恢复面积约4.88×105 hm~2,主要分布海拔324~1 000 m、坡度30°、平缓坡、南坡、东坡和西坡、丘陵和大起伏山地以下区域;(4)高程、坡度和地貌对植被损毁与恢复的影响明显高于坡向。     

北方干旱化和土地利用变化对泾河流域径流的影响

论文以在黄土高原上发育,流经中国北方干旱、半干旱地区的黄河二级支流--泾河为研究对象,基于20世纪八九十年代的土地利用影像资料,以及泾河流域1970~2002年的气候、水文资料,采用美国农业部开发的分布式流域水文模型SWAT,分析了20世纪80~90年代泾河流域的降雨量和径流量的变化。从80到90年代,流域年降雨量呈逐年递减趋势,80年代多年平均月降雨量明显大于90年代多年平均月降雨量,尤其在7~9月,平均降雨量明显减少。受气候干旱化和土地利用/覆被变化的共同作用,80~90年代,流域多年平均年径流减少了8.92m³s^-1。为了区分气候变化和土地利用变化对流域径流的影响,采取分别固定气候因子与土地利用/覆被变化因子的方法,将模拟情景输入模型,定量区分气候和土地利用/覆被变化对流域径流的影响方式和程度。结果表明,气候干旱化趋势使流域多年平均年径流减少28.08m³s^-1,为气候、土地利用/覆被变化共同影响径流变化量的314.80%;土地利用/覆被变化使流域多年平均年径流增加26.57m³s^-1,为气候、土地利用/覆被变化共同影响径流变化量的297.87%。     

黄河流域植被生态用水过程动态模拟

以黄河流域为例,通过集成RS/GIS 技术,利用生态水文评估工具中模块化生态水文综合管理系统（EcoHAT）对研究区植被生态用水过程进行定量模拟,模拟出该流域20 世纪50年代以来像元尺度上植被生态用水量,得到研究区植被生态用水时空结构差异。结果表明：在年际变化上,20 世纪60 年代和80 年代偏多,而70 年代和90 年代偏少,2000 年生长季植被生态用水量为263.5 mm;年内变化整体与降水变化趋势相一致,最大值集中在6-8 月;从植被类型看,最小是草地,其次为灌丛,最大为林地;从水资源分区上看,最小的是兰河干流区间,伊洛河流域最大。其中,兰河干流区间、河龙干流区间、内流区、湟水流域、龙兰干流区间、龙羊峡以上及洮河流域普遍小于400 mm,汾河流域、黄河下游、泾河流域、北洛河流域、沁河流域、渭河流域、龙三干流区间、三花干流区间及伊洛河流域普遍大于400 mm。     

黄河流域近40年蒸发皿蒸发量的气候变化特征

利用黄河流域及其周边123个气象站1961～2000年20cm口径蒸发皿资料,分析了黄河流域蒸发皿蒸发量的气候变化趋势。结果表明,就整个流域平均而言,尽管在1960～2000年期间,黄河流域年平均温度升高了0.6℃,但蒸发皿蒸发量却呈明显下降趋势,黄河流域年蒸发皿蒸发量在20世纪80～90年代较60～70年代下降了136mm,下降幅度为7.5%;蒸发皿蒸发量的下降主要表现在夏季和春季,秋季和冬季不明显。对蒸发皿蒸发量气候变化的空间分析表明,局部区域与整个流域的气候变化趋势并不完全同步,黄河流域上游和下游蒸发皿蒸发量呈下降趋势,中游呈持平并略有上升趋势。     

珠江流域下游地区降水空间分布规律研究

剧烈人类活动和全球气候持续变化双重影响下流域水文气象要素特征研究是目前水文水资源领域热点问题之一。论文以珠江流域下游地区为研究区域,根据该地区125个雨量观测站1956—2005年50 a逐月降水资料,利用信息论中有向信息传输指数定量分析各观测站点之间降水的信息传递,并结合聚类分析方法判断各观测站的所属关系,研究珠江流域下游地区降雨的空间分布规律。研究表明:受地形条件和沿海季风气候的共同作用,珠江流域下游地区降水具有自相似性特点,在空间分布上存在7个相似区域。     

植被恢复背景下黄河中游及6个典型流域蒸散发及其组分变化格局

植被变化可通过改变下垫面条件的方式,调节植被蒸腾与土壤蒸发的分配比例,进而影响区域乃至全球水循环过程。自20世纪90年代以来,我国开展了大规模的植被恢复工程,全国植被覆盖度得到了极大提高,其中尤以黄河中游最为显著。以黄河中游6个典型植被恢复流域为研究对象,利用PML_V2模型和水文气象数据,验证了该模型模拟植被快速变化环境下的蒸散性能,并分析了2003—2018年间植被恢复工程背景下,黄河中游蒸散发（ET）及其组分（植被蒸腾Ec,截留蒸发Ei,土壤蒸发Es）的时空变化格局。结果表明：（1）对比流域水量平衡ET与PML模型结果,发现该模型在黄河中游具有较好的适用性（NSE >0.6）。（2）Ec对ET的分布格局起着主导作用,蒸散发及其组分的空间格局由夏季风作用下的植被空间分布所控制。Ec与ET的空间分布格局较为相似,Es与其相反。ET、Ec、Ei均呈显著增加趋势,Es则呈显著减小趋势,尤以流域中下游最为明显。（3）植被恢复背景下,黄河中游典型流域的蒸散发及其组分发生了明显的变化。相较于所在流域,流域中植被恢复区ET、Ec、Es、Ei分别偏高2.20%、5.86%、0.86%、7.44%,速率分别偏高-0.51 mm/a、0.55 mm/a、-1.11 mm/a、0.05 mm/a。     

内蒙古典型草原作物系数和实际蒸散量的时空分布特征

利用内蒙古典型草原21个气象站点的气象和牧草观测资料,结合潜在蒸散量和改进的作物系数计算方法,模拟计算了2009年草原植被作物系数和实际蒸散量.在GIS软件的支持下,分析了二者的时空分布特点,并通过反映牧草长势的NDVI变化趋势予以验证.结果表明:5-8月间随着月份的增加作物系数Kc_x最大值的变化趋势由0.6→1.2→1.4→1.4,平均值是0.28→0.36→0.40→0.38.4个时期的Kc_x值以0.2~0.6之间的区域占主体,为55%以上.实际蒸散量在时间变化和空间分布上与Kc_x值基本一致.随着月份的增加实际蒸散量低值级的区域面积逐渐缩小,相对应的高值级的面积逐渐增大,整个生长季以30~90 mm的蒸散量为主.5-8月牧草实际蒸散量和NDVI值的相关系数达到0.446,通过了0.01水平的显著性检验.     

黑河流域参考蒸散量的时空变化特征及影响因素的定量分析

利用黑河流域及周边地区14个气象站的1960—2009年逐日气象资料,基于FAO推荐的 Penman-Monteith模型分析了黑河流域近50 a来潜在年、 季参考蒸散量ET₀的时空分布特征,同时利用敏感分析计算了流域内不同区域典型气象站ET₀对各气候要素的敏感系数,并结合各气候要素的多年相对变化定量探讨了导致ET₀变化的主导因素。结果表明:黑河流域年ET₀表现出明显的南北差异,亦即从南到北呈增大趋势,上游祁连山区年ET₀约568~700 mm,中游走廊平原约800~900 mm,下游的金塔、 鼎新一带约1 000 mm,额济纳地区则高达1 150 mm以上。各季节ET₀亦呈北多南少特征,且ET₀的年内分布以夏季最多,春季次之,秋冬最少。近50 a来,黑河流域年、 季平均ET₀整体呈减小趋势,但亦存在区域差异,其中上游ET₀略有增加,而中下游以减小趋势为主。就年平均敏感系数而言,上游的托勒站和中游的高台站皆对相对湿度敏感性最强,而下游的额济纳旗对平均风速最为敏感。不同站点各季节/月ET₀对气候要素的敏感性有所差异。风速是引起ET₀变化的主导因素,相对湿度和日照时数的贡献则较小。     

1960-2009年石羊河流域气候变化及极端干湿事件演变特征

利用石羊河流域4个气象站1960-2009年逐日气象资料,应用FAO Penman-Monteith模型、相关分析等方法分析石羊河流域气候变化特点。结果表明:①1960-2009年气温、降水及湿润指数均在波动中呈较明显的增加趋势,气温、降水和湿润指数变化倾向率分别为0.338 ℃/10 a、4.791 mm/10 a 和0.006/10 a, 1960年代-2000年代石羊河流域经历了相对冷干-冷湿-暖湿3个阶段,暖湿化趋势明显;②冬季是暖湿化趋势最明显的季节,其次是秋季;③从上游向中下游多年平均湿润指数逐渐减少,湿润指数离散程度由小变大,湿润化速度由快变慢,而增温速度大体上存在逐渐增加的趋势;④1960-2009年石羊河流域极端干旱事件频率在波动中呈减少趋势,极端湿润事件频率却在波动中呈增加趋势,1960年代和1970年代是石羊河流域极端干旱事件持续频发的年代,上中下游不同地区极端干湿事件持续频发的时间存在差异。降水和风速是影响极端干湿事件变化的主要气象因子。在全球变暖背景下,石羊河流域干旱的气候环境有一定的改善。     

基于GRACE卫星时变重力场模型的黄河中游地区水储量变化研究

论文以水循环发生巨大改变的黄河中游地区作为研究对象,利用GRACE卫星时变重力场模型以及黄河中游地区的水文数据,通过水循环系统的概化、子流域划分以及Mann-Kendall非参数检验等方法,对黄河中游地区以及各个子流域水储量变化进行研究。主要结论如下：近10 a,黄河中游地区水储量以年均3.79 mm等效水深的速度增加,而引起水储量增加的主要原因是该地区径流损失量减少,年均减少量超过2.93 mm等效水深;黄河中游地区水储量的空间变化差异性较大,水储量增加最大的区域是龙门—三门峡区间,年平均增加4.59 mm等效水深,而增加量较小的是三门峡—花园口区间,年平均增加2.71 mm等效水深,水储量增加居中的则是河口—龙门区间,年平均增加3.47 mm等效水深。