基于多源数据与多模型集成的流域人为蒸散发变异评估

人类活动对流域蒸散发的干扰日益显著,然而实测蒸散发数据稀少,且尺度差异与空间异质性等问题限制了大尺度陆面模型与遥感产品在人为蒸散发评估中的适用性与可靠性.本文提出了一种基于多源数据与贝叶斯模型平均的人为蒸散发变异评估框架,并应用于珠江流域.结果表明,通过综合利用地面观测(降水、径流、潜热通量)、社会统计(水资源开发利用...     

基于站点观测和水量平衡的四种蒸散发产品在我国的评估与对比

【目的】蒸散发是陆面水循环的关键环节，蒸散发产品的评估与对比能够为产品运用和改进提供参考。【方法】对4种全球蒸散发产品分别进行了站点尺度和流域尺度的精度分析，在此基础上就产品蒸散发时空格局进行了对比。【结果】结果显示：与全国12个站点通量观测数据对比中，PML＿V2产品的精度最高，其后依次是ERA5-Land、EB-ET和MOD16A2;在农田类通量观测数据对比中PML＿V2表现最好，自然植被类(草地、森林)通量观测数据对比中ERA5-Land表现最好；与基于水量平衡法计算的中国九大流域多年平均蒸散发比较，4种产品的决定系数为0.89～0.96,表现最好的是EB-ET产品，4种产品有各自适用的流域。蒸散发时空格局对比结果表明，ERA5-Land与其它3个产品差异最大，ERA5-Land模拟的全国年均蒸散发最大且有逐年下降趋势，多年平均蒸散发在西北干旱区农田和我国东部分别出现低估与高估。【结论】结果表明：4种产品在不同下垫面条件下的精度有明显区别；在流域等大尺度应用中能够符合精度要求，但在时空格局方面仍有较大差异。     

基于地表能量平衡的大尺度流域蒸散发遥感估算研究

蒸散发是地表能量平衡的关键环节,准确估计流域蒸散发对水资源管理、作物估产、以及环境保护等具有重要意义。研究结合中国中高纬度区域气候特征、土地利用类型以及植被动态特征,改进了基于地表能量平衡系统(Surface Energy Balance System,SEBS)的蒸散发估算模型。以松花江流域为例,进行大尺度流域的多年蒸散发反演。通过多年流域水量平衡、流域内生态观测实验以及全球通量观测网络评价数据验证模型估算精度,同时借助陆面过程模型和NASA的MOD16蒸散发产品进行交叉验证,评估模型模拟精度。结果表明,改进的SEBS模型在全国范围内精度并不统一,但在松花江、辽河流域估算精度较高,因此基于地表能量平衡的蒸散发估算模型是一种估算我国中高纬度区域蒸散发的可行方法。松花江流域时空变化研究发现,流域多年蒸散发总值变化不大,但存在空间上的变异性。     

地表通量均衡法对中国陆面蒸散发估算的适用性评价

为验证和评估地表通量均衡法（surface flux equilibrium, SFE）在大尺度上的估算精度,基于SFE方法估算中国区域2001—2015年日尺度陆面蒸散发量,并开展适用性评价。结果表明：在站点尺度上,SFE估算值与观测值具有较好的一致性（均方根误差为1.03 mm/d,相关系数为0.70）,优于GLEAM产品精度（均方根误差为1.19 mm/d,相关系数为0.62）;在流域尺度上,SFE方法与水量平衡蒸散发较为接近,对多数流域的模拟效果较好,优于GLEAM产品和CR产品;在时空变化趋势上,SFE产品与CR产品的变化趋势一致性较高,与GLEAM产品一致性较差。综合SFE估算结果的精度验证和趋势分析,可以发现SFE方法基本达到现有产品的精度,因其输入参数少、物理机制明确、参数化方案简单,有潜力为蒸散发的大尺度准确估算提供一套行之有效的替代方案。     

金沙江流域实际蒸散发时空分布特征及其影响因子

通过GRACE重力卫星观测数据和GLDAS陆面模式同化数据重构金沙江流域实际蒸散发,采用质量守恒约束降尺度方法提升GRACE重力卫星陆地水储量观测数据的空间分辨率;基于水量平衡方法,重建了金沙江流域2002—2016年的子流域尺度逐月实际蒸散发,分析了金沙江流域实际蒸散发的时空变化特征以及影响实际蒸散发的主要驱动因子。结果表明:重建的实际蒸散发与7种蒸散发产品的可靠性均较高,其中与NOAH产品的平均差和均方根误差最小,与PLSH产品的相关系数较好,为0.82;金沙江流域多年平均实际蒸散发量为447.30mm,空间分布上自西北向东南逐渐增加。2002—2016年蒸散发呈不显著的增加趋势;各土地利用类型蒸散发中,林地蒸散发的增加速率最大,草地的增加速率最小;金沙江流域实际蒸散发主要受降水和气温影响,受风速影响次之,受归一化植被指数和相对湿度的影响较小。     

遥感和再分析蒸散发数据精度评估:基于GRACE和流域月水量平衡模型的比较研究

采用GRACE陆地水储量变化数据和两参数月水量平衡模型(WBM-DP)分别构建了流域实际蒸散发月序列ET_GRACE和ET_WBM,以此为基准评价了两种遥感蒸散发数据MOD16、SSEbop和一种大气再分析蒸散发数据GLDAS-Noah在汉江流域上游的性能,解析了基准序列不同对蒸散发数据精度的影响。结果表明,GRACE数据和WBM-DP得到的2006—2014年汉江流域上游蒸散发基准序列在年尺度上较接近,但在月尺度上差异明显。WBM-DP可较好地模拟降水和潜在蒸散发作用下流域水储量的季节性变化特征,构建的蒸散发基准序列也更合理;而GRACE数据反映的流域水储量变化存在不合理现象,由此根据水量平衡方程推算的月蒸散发基准序列也具有异常现象。在月尺度上,基准序列的不同会导致蒸散发数据精度指标的非一致性变化,其精度评估结果也可能不同,在非汛期各月,以ET_WBM为基准时,MOD16综合精度最优;而以ET_GRACE为基准时,SSEbop最优。且相对于ET_GRACE,以ET_WBM     

基于多源数据的黑河流域日尺度蒸散发量模拟

植被蒸散发是地表水量平衡和热量平衡的重要参量,也是衡量植被生长状况和作物产量的重要指标,同时也是进行流域水资源优化配置的依据。遥感技术的快速发展使其成为区域尺度蒸散发模拟的重要手段。以黑河流域为例,构建遥感驱动的蒸散发模拟模型,结合多源遥感数据(MODIS、TRMM等)以及GLDAS全球陆面数据同化系统数据,对黑河流域2005、2010、2015年三个时期的潜在蒸散发和实际蒸散发进行了时间尺度为每日、空间尺度为1km的模拟。研究结果表明:潜在蒸散发月际变化明显,从5月开始增长,于7月达到峰值,然后逐渐减少;实际蒸散发在月份之间变化趋势明显,在2015年均达到了最高值;精度检验结果表明本研究采用的两个模型均达到了很好的效果,Kristensen-Jensen模型更适合用于黑河流域。本研究为黑河流域地表特征数据集提供了重要的日尺度蒸散发数据。     

CLM5陆面模式在珠江流域蒸散发模拟的效果评价

为探究最新版本的陆面模式CLM5(Community Land Model, version 5)对地表蒸散发的模拟效果,选取珠江流域为研究区域,采用CLM5对该流域1989—2018年的地表过程进行模拟,并以基于卫星观测的GLEAM遥感蒸散发产品作为真值对模式的蒸散发模拟表现进行评价。评价从时间和空间的多个尺度展开,结果表明,时间上,CLM5对珠江流域的蒸散发模拟存在不同程度的低估,流域多年平均蒸散发的相对误差为-16.07%,这种低估主要来源于对冷季蒸散发低值的低估。相比之下,CLM5对于暖季蒸散发高值的模拟表现较好。空间上,CLM5在流域东南部、南部和西部区域的蒸散发模拟效果较好,北部地区模拟表现较差。研究可以为CLM5陆面模式中蒸散发模块的发展提供参考。     

区域蒸散发监测与估算方法研究综述

蒸散发是能量循环与水循环的结合,是陆面生态过程与水文过程的纽带。准确测定与估算区域蒸散发对气候演变研究、水资源规划与管理、农业节水研究、作物产量模拟及环境问题等方面都具有重要的现实意义。近30多年来,随着技术手段的进步,蒸散发的监测和估算取得了重大进展,本文对此进行了分析和评价,总结了测定作物蒸散发的主要方法,包括梯度法、土壤水平衡法、蒸渗仪法、波文比法、涡度相关法和闪烁通量仪法等。估算区域植被或作物蒸散发的主要方法包括区域水量平衡法、彭曼综合法、互补相关法等。本文综述了各种方法的基本原理及优缺点,分析了不同方法反映不同尺度蒸散发的适应性,提出了估算区域蒸发目前存在的问题以及未来的发展前景。     

黄河流域多源蒸散发产品评估

准确估算蒸散发对流域水循环研究具有重要意义。文章以黄河流域为研究区,通过引入植被初级总生产力以实现对SW模型的改进,并对改进SW模型(ET_SW＿GLASS)、陆表特征参数蒸散发产品(ET_GLASS)和基于蒸散发互补方法蒸散发产品(ET_CR)进行对比评价。结果表明：ET_GLASS、ET_CR和ET_SW＿GLASS在流域时空变化格局方面有较大差异;与基于水量平衡方法计算的值相比,ET_SW＿GLASS的精度最高;ET_SW＿GLASS的栅格尺度月均不确定性低于ET_GLASS和ET_CR。该结果可为黄河流域水循环研究提供重要参考。     

Evaluation of Using Remote Sensing Evapotranspiration Data in SWAT

This study applied a time series evapotranspiration (ET) data derived from the remote sensing to evaluate Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model calibration, which is a unique method. The SWAT hydrologic model utilized monthly stream flow data from two US Geological Survey (USGS) stations within the Big Sunflower River Watershed (BSRW) in Northwestern, Mississippi. Surface energy balance algorithm for land (SEBAL), which utilized MODerate Resolution Imaging Spectro-radiometer (MODIS) to generate monthly ET time series data images were evaluated with the SWAT model. The SWAT hydrological model was calibrated and validated using monthly stream flow data with the default, flow only, ET only, and flow-ET modeling scenarios. The flow only and ET only modeling scenarios showed equally good model performances with the coefficient of determination (R²) and Nash Sutcliffe Efficiency (NSE) from 0.71 to 0.86 followed by flow-ET only scenario with the R² and NSE from 0.66 to 0.83, and default scenario with R² and NSE from 0.39 to 0.78 during model calibration and validation at Merigold and Sunflower gage stations within the watershed. The SWAT model over-predicted ET when compared with the Modis-based ET. The ET-based ET had the closest ET prediction (~8% over-prediction) as followed by flow-ET-based ET (~16%), default-based ET (~27%) and flow-based ET (~47%). The ET-based modeling scenario demonstrated consistently good model performance on streamflow and ET simulation in this study. The results of this study demonstrated use of Modis-based remote sensing data to evaluate the SWAT model streamflow and ET calibration and validation, which can be applied in watersheds with the lack of meteorological data.     

基于MOD16的东江流域地表蒸散发时空特征分析

流域内蒸散特征及其变化原因对于保持能量平衡和水循环有关键作用。基于MOD16遥感数据集,分析东江流域地表蒸散发年际和年内的时空分布规律以及不同土地覆被类型的地表蒸散发时空特征。结果表明:①东江流域蒸散值(ET)整体呈中游>下游>上游的态势,而潜在蒸散发值(PET)呈下游>中游>上游的趋势。②10 a中,ET值波动较小,而PET值则相对波动较大,二者在2014年后均有增加趋势。③年内各月ET呈单峰型,ET值较高的月份集中在5—10月,最高月份在9月,ET值较低的月份集中在12月—次年2月,最低月份为2月;其次,流域内四季的ET均值表现为秋季>夏季>春季>冬季。④不同土地利用类型下,年尺度上,ET表现为裸地>耕地>城市用地>草地>林地;PET表现为城市用地>耕地>草地>林地>裸地;月尺度上,ET与年尺度基本一致,且冬季ET变异系数较高,夏季较低;在林地,四季ET的变异系数均较低,离散程度小。研究结果为预防东江流域的旱涝灾害提供理论依据。     

基于SEBS模型的老哈河流域蒸散发研究

基于表面能量平衡系统(SEBS)模型,结合NOAA/AVHRR数据,估算半干旱的老哈河流域实际日蒸散发量,并将估算结果与结合FAO-Penman模型和作物系数法计算的参考作物蒸发量进行比较,最后综合分析了老哈河流域蒸散发与土地利用、归一化植被指数(NDVI)以及地表温度(LST)的关系.结果表明:SEBS模型在老哈河流域有较好的适用性;老哈河流域实际日蒸散发时空差异较大,其中7、8月份流域蒸散发量较大,9、10月份蒸散发量逐渐减小,流域西部山区的蒸散发量较大,中部和流域出口所在的平原区相对较小;流域不同土地利用类型蒸散发量不尽相同,其中林地的日平均蒸散发量最高,其次为耕地、灌丛和草地;流域实际蒸散发量与NDVI呈线性正相关,与LST呈线性负相关.     

Aerodynamic Parameterization of the Satellite-Based Energy Balance (METRIC) Model for ET Estimation in Rainfed Olive Orchards of Andalusia, Spain

Sensitivity of estimates of evapotranspiration (ET) for olive fields located in Andalusia (Spain) to aerodynamic parameterization in METRIC (Mapping EvapoTranspiration with high Resolution and Internalized Calibration) was evaluated to better understand behavior of the model and spatial and temporal distribution of ET from olives, with the ultimate aim of designing customized irrigation schedules. Previous METRIC analyses have primarily focused on the estimation of ET over fields of annual crops, with few applications to complex canopies such as olive. The model was compared against FAO 56-soil water balance-based ET estimations for non-irrigated olive fields. In the first comparisons METRIC model used a general equation for momentum roughness length (z_om) based on a fixed function of height estimated from LAI (Leaf Area Index) that underestimated the olives height and therefore z_om, so that ET derived as a residual of the energy balance was overestimated (RMSE?=?1.12?mm/day) compared to the soil water balance derived ET. The Perrier roughness function based on LAI and tree canopy architecture for sparse trees, coupled with improved olive height estimates (employing tree density and canopy shape factors) improved estimates for z_om. This approach produced closer comparisons to rainfall-constrained ET estimates based on soil water balance for rainfed olive orchards (RMSE?=?0.25?mm/day). This study does not attempt to validate METRIC results; instead utilizes a comparative approach between two independent methodologies to improve olive ET estimation via remote sensing, with the strong advantage, over the soil water balance approach, of improved spatial resolution over large areas.     

Impact of Land Use Change on Hydrologic Processes in a Large Plain Irrigation District

Land use is the main factor that influences catchment hydrologic processes, and a better understanding of its effect is important for future land use planning and water resource management. By applying the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), we assessed the effects of land use changes on major hydrologic processes (evapotranspiration (ET), discharge, river) on a large plain irrigation district, the Hetao Irrigation District (HID), China. The results indicated that SWAT was a useful tool for simulating the effects of land use changes on regional hydrologic processes. Human activities were the main factors that directly influenced land use in the HID. Land use changes had important impacts on the hydrologic processes of the HID. During 1995–2010, the land use changed greatly in the HID, leading to the changes in ET and discharge. The peak value of ET coincided with the exuberant crop growth period in the maximized sown crop area. In 1995s, wheat maximized the sown area and ET peaked in June; when sunflower and corn maximized the sown area in 2010s, ET peaked in July and August. The increased ET reduced discharge in the same period in the HID. Land use change affected the period and quantity of water diversion in the irrigation district. The quantity of water diverted in 1995 was greater than that in 2010, indicating that land use change significantly impacted the water quantity of the river, which was the water source of the irrigation district. This study will be a reference for future land use planning and water resource management in the irrigation district.     

喀斯特山区蒸散发的时空变异特征分析——以贵州省为例

掌握喀斯特山区蒸散发的时空变异特征,为水资源的合理规划和优化配置提供科学依据。利用MODIS16遥感数据,在数据精度验证的基础上,运用GIS统计法、变异系数法和线性趋势法,探讨2000—2014年贵州省蒸散发的空间格局、年际和年内变化规律及不同土地覆被类型下的蒸散发特征。结果表明:(1)2000—2014年,贵州省实际蒸散发(ET)多年平均值为850.36 mm,呈西低东高,南高北低态势;潜在蒸散发(PET)多年平均值为1 473.58 mm,呈东北向西南递增态势。不同土地覆被类型下ET最大的是林地,而林地的PET最小。(2)PET年际变化率为3.88 mm/a,呈弱增加趋势;ET年际变化率为0.39 mm/a,基本保持稳定,表明贵州省水资源呈减少趋势,具有干旱化倾向。ET空间上呈东、西部减少、中部增加趋势,PET呈东、南和西三面减少、北部增加趋势。(3)ET和PET均呈单峰型。ET在7月最大,PET在6月最大,二者均在12月最小。二者在3—6月差距最大,为贵州省春旱和夏旱时期。不同土地覆被类型下ET和PET均呈单峰型,植被生长季节ET差距大,林地增长速度最快,植被成熟期PET差距最大。(4)ET和PET具有较强的季节性。ET季节性空间差异非常显著,在于林地的植被蒸腾作用对全年ET贡献较大。