利用累积NDVI估算黄河流域年蒸散量

地表蒸散的准确估算在流域水资源的评价、干旱监测及农作物产量模拟研究中很重要,论文通过建立年蒸散量与累积NDVI及相对湿润指数之间的关系,利用1982～2000年8km分辨率的AVHRRNDVI资料及月平均气温和月降水量资料,对黄河流域近20年来地表蒸散的时空分布进行了分析,并利用水文站径流观测资料对估算结果进行了检验。结果表明,黄河流域多年平均年蒸散量是389mm,年际间变化很大,空间分布格局是东南部蒸散量最大,其次是兰州以上区间,宁蒙河段及鄂尔多斯高原蒸散量最小;全流域平均蒸散估算误差比较小,吻合比较好。     

东北地区参考蒸散量的变化特征及其成因分析

蒸散是水分运动过程中地表热量平衡和水分平衡的组成部分,是影响气候变化的重要一项。进行蒸散量变化的研究,对了解气候变化、探讨水分循环变化规律具有十分重要的意义。论文利用东北地区124个气象站1961—2007年的日气象数据,采用Penman-Monteith方程计算了参考蒸散量,分析了参考蒸散量的变化趋势及其变化原因。结果表明,在这47 a间,东北地区年平均气温以0.38℃/(10 a)的趋势递增,但是参考蒸散量总体上却以4.4 mm/(10 a)的速度递减。在地区分布上,三分之二的地区参考蒸散量呈下降趋势,显著下降的地区集中在辽宁朝阳地区,三分之一的地区参考蒸散量呈上升趋势,主要集中在辽宁南部和吉林东部地区。对有关各气象因子分析表明,影响参考蒸散量的主要因子为日照时数和风速。     

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。     

不同尺度下蒸散量测算方法的应用及展望

在水资源日益稀缺的背景下,蒸散作为陆地水循环的重要组成部分,对水资源管理和农业灌溉方案的制定都起着决定性作用。在全球尺度上,蒸散量整体呈现出了明显的随时间增加趋势,但区域尺度及流域尺度的蒸散变化则呈现出较大的不确定性,并且在一些下垫面比较复杂的地区,如喀斯特小流域,蒸散作为流域水循环的重要组成部分往往难以准确测定,所以更需要因地制宜地选择蒸散量测算方法。基于此,本文以各种方法的研究尺度为切入点,将当前被广泛接受的蒸散研究方法分为小尺度方法,即针对单体植株和适用于田块尺度的蒸散研究方法,包括树干液流法、零通量面法、风调室法、蒸渗仪法以及土壤-植被-大气连续体(SPAC)水分传输综合模拟法;百米尺度方法,包括波文比法和涡动相关法;公里尺度方法,主要包括闪烁仪法;流域及区域尺度方法,包括水量平衡法和空间遥感法。概述了各个方法的应用范围、特点以及局限性,列举了前人工作中各种方法之间的对比验证,着重分析了闪烁仪方法在复杂下垫面的应用前景,以便在不同研究条件和研究尺度下能选择最佳的蒸散量测算方法,并对未来蒸散研究进行了展望。     

华北平原1981～2001年作物蒸散量的时空分异特征

利用土壤-植被-大气传输机理模型(VIP模型),以GIS背景数据库(土地利用图、土壤质地图和数字高程图)为支撑,在NOAA-AVHRRNDVI数据和气象信息的驱动下,连续模拟了1981～2001年华北平原冬小麦和夏玉米生育期的蒸散过程。结果表明:模拟的作物蒸散量与Lysimeter观测值和其他学者的田间试验研究结果具有较好的一致性。华北平原冬小麦多年平均蒸散量空间上呈现南高北低的趋势,其中黄河以北地区和山东半岛的蒸散量在200～400mm之间,南部地区在400～466mm之间。对玉米而言,北部的海河低地平原以及津、冀、鲁的沿海地区多年平均蒸散量变化在230～380mm,其余大部分地区蒸散量在380～470mm。除本区最南端的极少部分地区外,华北平原大部分地区冬小麦生育期内的自然降水都小于蒸散量,水分亏缺量大于200mm,而夏玉米生育期内大部分地区的降水大于蒸散量。     

基于遥感的千烟洲人工林蒸散及其组分模拟研究

论文通过改进遥感蒸散模型的关键参数,结合遥感数据和气象观测数据,对2003—2008年江西千烟洲人工林生态系统蒸散及其组分进行模拟,并利用涡度相关技术获取的蒸散实测数据对模型模拟结果进行验证和评价。结果表明:①年均蒸散总量模拟值比实测值偏低2.4%,决定系数与均方根误差分别为0.83和0.61 mm·d^-1。②土壤蒸发、林冠截留蒸发和植被蒸腾分别占总蒸散量的12%、23%和65%。其中,土壤蒸发季节及年际变化相对稳定;林冠截留蒸发季节变化明显且在不同年份差异较大;植被蒸腾季节变化明显,但年际变异较小。③1—3月植被光合作用较弱,植被蒸腾与蒸散比小于30%。随着植被蒸腾的增强,从4月开始植被蒸腾与蒸散比迅速增加,在生长旺季(7月底)可达到约90%。由于该模型所需数据在区域尺度较易获取,从而为开展区域尺度中亚热带人工林生态系统蒸散及其组分模拟提供方法支撑。     

中国东部典型森林生态系统蒸散及其组分变异规律研究

森林蒸散包括植被蒸腾、土壤蒸发、冠层截留蒸发三个组分,在陆地生态系统水分循环及能量流动研究中占有重要地位。论文基于Priestley-Taylor Jet Propulsion Laboratory Model （PT-JPL）模型,估算温带针阔混交林、人工常绿针叶林、亚热带常绿阔叶林三个典型森林生态系统2003-2008年蒸散（组分）;在模拟结果基础上揭示了蒸散（组分）的季节变异规律及主控因子。结果表明：①PT-JPL模型在中国东部森林生态系统蒸散及其组分估算中具有较高的稳定性和可靠性;②蒸散（组分）季节变化特征明显,不同森林生态系统类型变化规律差异较小,但主控因子存在较大差异：温带针阔混交林蒸散和植被蒸腾季节变异主要由净辐射和增强植被指数（EVI）共同控制,而亚热带人工常绿针叶林和亚热带常绿阔叶林主要受净辐射影响;EVI和饱和水汽压差（VPD）是土壤蒸发季节变异的主控因子,截留蒸发的季节变化则主要受VPD影响。     

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.     

三江平原沼泽湿地垦殖对蒸散量的影响

三江平原沼泽湿地大面积垦殖已对区域生态环境产生了明显影响.2005～2007年每年5～10月利用涡度相关系统对三江平原典型沼泽湿地、水稻和大豆田进行了观测,目的是阐明沼泽湿地垦殖为农田对地表水分蒸散的影响.结果表明,沼泽湿地垦殖前后潜热通量日变化均表现为单峰变化特征,但其最大值当湿地垦殖为水稻田后增加了14%～130%,当垦殖为大豆地后在2006年增加了3%～77%,而在2005年和2007年发生干旱时降低了25%～40%.植被叶面积指数差异是造成不同系统潜热通量日变化差异的主要原因.沼泽湿地垦殖为农田没有改变潜热通量的季节变化趋势,但是当垦殖为水稻田后潜热通量明显增加,5～10月水稻田日平均潜热通量较沼泽湿地增加了38%～53%,这主要是由于净辐射和叶面积指数增加所致.相比之下沼泽湿地垦殖为大豆地后潜热通量的变化与降水密切相关,土壤水分亏缺时降水量是控制大豆地水分蒸散的主要因子,这导致干旱的2005年和2007年大豆地日平均潜热通量较沼泽湿地减小了11%～17%,而在降水充沛的2006年大豆地蒸散量较沼泽湿地蒸散量增加了22%.生长季(6～9月)内水稻田总蒸散量较沼泽湿地增加了24%～51%,大豆地总蒸散量在2005年和2007年较沼泽湿地减少了19%～23%,而在2006年增加了19%.总之,三江平原沼泽湿地开垦种植水稻或大豆蒸散量发生明显变化.稻田潜热通量高于湿地;大豆田潜热通量在降水充沛的年份高于湿地,但在干旱年份则低于湿地.这与净辐射、叶面积指数和降水量等蒸散量主控因子的改变密切相关.     

黄河中游砒砂岩地区长川流域生态用水分析

在野外实地观测的基础上,利用GIS和情景分析方法,对地处典型黄河中游砒砂岩地区的内蒙古长川流域不同水土流失综合治理和退耕还林(草)情景下的生态用水特征进行分析。结果表明:长川流域平均蒸散量和平均生态用水量分别为274.3mm和370.7mm,植被蒸散的水分消耗较大,但流域降雨量基本能满足植被的蒸散耗水需求,流域的整体生态用水量处于较适宜水平。研究区水土保持生物措施情景(B2方案)的生态用水量小于适宜生态用水阈值(411.3mm),但其植被蒸散量大于有效降雨量(279.0mm),从长远角度看,B2方案还是受水分(降雨)条件的限制;而4种退耕还林(草)情景的生态用水量和植被蒸散量均小于适宜生态用水阈值和有效降雨量,不受降雨条件的限制。     

黄土高原蒸发力的计算和应用——兼谈改善生态环境的途径

蒸发力是气候学上的一个重要特征量。在水利工程设计、灌溉定额的制定、农林牧的合理布局需要以蒸发力资料为依据。彭曼公式具有较可靠的物理基础和计算精度较高的优点,在国际上得到了广泛的应用。我国某些学者在运用该公式时,未考虑海拔高度对蒸发力的影响,因此在高海拔地区应用彭曼公式会产生较大的误差。 本文应用高度订正后的彭曼公式:计算了黄土高原地区的蒸发力。 森林减弱了近地层风速,降低了该地区的蒸发力,农田水分状况得到了改善。     

基于SWAT-FLUS的采煤沉陷区水文过程情景模拟

采煤区沉陷不仅会影响地表结构,还会显著改变流域水文循环,从而影响区域水资源供给。以淮南西淝河流域为研究对象,利用SWAT-FLUS集成模型模拟流域水文过程及未来情景。结果表明:1)该集成模型能准确模拟由土地利用变化带来的水文情势演变过程,并用于情景预测。2)对未来不同塌陷速率情景模拟结果显示,各情景下流域蒸散发均呈增加趋势,其中无修复模式主要为水面蒸散增加,2种修复模式主要为陆面蒸散增加;无修复模式增加了流域入渗量,2种修复模式则相反。3)从典型水文年内径流分布来看,无修复模式显著影响了地表径流的年内分布规律及径流峰值,普通修复及生态修复模式则无明显影响。4)从年际间水文变化来看,若无修复措施,流域内水文关系将在2020-2022年发生根本性转变;至2030年,地表径流将减少27.1%,普通修复模式下地表径流将减少2.5%,而生态修复可使流域地表径流增加4.4%。     

半干旱区湿地地下水埋深对芦苇SPAC系统水分运移耗散的影响

准确把握土壤-植被-大气系统（简称"SPAC"）中水分的运输和耗散规律是区域水资源可持续管理的重要前提。以白洋淀湿地为研究区,结合现场实测和模型模拟方法,探讨台田地下水埋深变化对芦苇SPAC系统中的水分运移耗散影响。结果表明:1）随着地下水埋深的增加,芦苇蒸散发（ET_a）开始下降,ET_a下降的地下水埋深阈值在100 cm左右;随着地下水埋深的降低,生长季0~120 cm土壤剖面由水分亏损转为盈余,亏盈转换的地下水埋深阈值在60 cm左右,并且亏损量与地下水埋深呈正相关。2）相同的地下水埋深变化对不同月的土壤水分储量、蒸散发的影响程度均存在差异,其中6月影响程度最高。在对白洋淀进行生态补水时,应避免在汛期前的春季进行大量的生态补水,可以优先考虑在生长末期的秋冬季来进行生态补水。3）综合考虑植被生长需求和生态节水,白洋淀芦苇最优的地下水埋深区间在110~150 cm,此时生长季内芦苇蒸散发具有10%~20%的节水潜力。     

喀斯特高原区土壤水分的时空变异分析——以贵州清镇王家寨小流域为例

以贵州喀斯特高原区王家寨峰丛洼地小流域为研究对象,于2005年11月至2006年12月测定了小流域内不同植被的土壤水分年变化,探讨不同植被类型峰丛坡面土壤水分的时空变化规律,并且与同属小流域内的非喀斯特土山进行对比研究。结果表明:各种植被类型的土壤水分年变化趋势大致相同,主要受降雨和蒸散过程的影响,但变化幅度存在差异,次生林和灌木灌丛变化幅度大于非喀斯特土山和稀疏灌草丛。雨后连续晴天各植被土壤水分变化幅度呈相同格局。观测期内土壤水分的动态变化具有明显的季节性,划分为4个阶段:冬季平稳低墒期、春季及夏初蓄水期、夏季及秋初消耗期及秋季及冬初回升期。各植被土壤剖面水分存在差异,次生林、灌木灌丛坡面土壤剖面含水量从表层到深层表现为降低型,稀疏灌草丛、非喀斯特土山则为增加型。同一坡面不同坡位间土壤水分差异不显著,反映了喀斯特地区复杂多变的小生境和其独特的二元结构水文系统。     

1961—2019年黄土高原植被潜在蒸散及影响因子

研究潜在蒸散对于深刻了解区域的生态环境问题及水文循环过程具有重要的理论与现实意义.该研究基于Penman-Monteith模型对1961—2019年黄土高原潜在蒸散的时空变化特征进行了分析,再结合土地利用数据探究了各植被类型潜在蒸散的差异及其影响因素.结果表明:①1961—2019年黄土高原区域呈暖干化趋势,其中平均最高温度、平均最低温度与平均温度均呈显著增加趋势;平均相对湿度、平均风速、日照时数均呈显著降低趋势;降水量非显著减少.②在空间分布格局上,黄土高原区域年均、生长季、春季、夏季和秋季潜在蒸散均呈南北高、东西低的分布特征;1961—2019年春季潜在蒸散以0.41 mm/a的速率显著增加(P < 0.05).③1981—2019年黄土高原区域潜在蒸散平均变化趋势为1.35 mm/a,其中62.98%的区域呈显著增加趋势(P < 0.05),多分布在东部和西部地区.④1961—2019年黄土高原区域各植被类型潜在蒸散变化均表现为不显著上升趋势,多年平均潜在蒸散大小表现为草原>农田>针叶林>草甸>阔叶林>灌丛,其中,1981—2019年各植被类型潜在蒸散增加趋势大小表现为阔叶林>针叶林>灌丛>农田>草甸>草原.⑤影响黄土高原区域各植被类型潜在蒸散的主要气象因子为平均风速与平均相对湿度,其次为日照时数.潜在蒸散随着平均风速和日照时数的增加而增加,随着平均相对湿度的增加而减小.研究显示,各植被类型潜在蒸散的增加与区域降水的减少可能会加剧水资源短缺态势,建议黄土高原地区在开展植被恢复工作时,应优先考虑耗水较少的树种,优化群落植被结构,充分利用光水热资源,修建蓄水设施,支撑区域生态环境的可持续发展.      

1951-2008年东北地区水分盈亏量时空格局

基于1951-2008年东北地区106个气象站点的实测数据,利用Penman-Monteith公式计算潜在蒸散量,并将气候水分盈亏量表示为同期降水量与潜在蒸散量之差。最后,通过Kendall秩次相关趋势分析、Morlet小波函数、Mann-Kendall突变检验等方法探讨了东北地区水分盈亏量的时空变化特征。结果表明:①1951-2008年,东北地区多年平均水分盈亏量在-850~650 mm之间变化,呈自东向西、自北向南、自东北向西南逐渐减少的空间变化趋势;②东北地区106个气象站点中有97个站点的水分盈亏量呈下降趋势,其中28个站点的下降趋势能通过P<0.05的显著性检验;③全区平均、海拉尔、长春、宽甸年际波动明显,多年平均值依次为-283.60、-427.25、-362.58、334.91 mm,四者的水分盈亏量年内分配不均匀,最小值出现在5月,最大值出现在7-8月;④水分盈亏量存在周期结构性,偏高期、偏低期交替出现,全区平均、海拉尔、长春、宽甸的第一主周期依次为26、28、25、9 a,水分盈亏量还具有突变特征,全区平均在1999年发生了一次减少突变,长春在1958、1998年各发生了一次减少突变。