修正型指數(shù)化蒸散模型對中國華北地區(qū)干旱監(jiān)測應(yīng)用

1、    修正型指數(shù)化蒸散模型對中國華北地區(qū)干旱監(jiān)測應(yīng)用    鄭有飛等摘要：對一個(gè)指數(shù)化蒸散模型進(jìn)行引進(jìn)、關(guān)鍵詞：遙感；蒸散；干旱監(jiān)測：p405 ：a ：0439-8114（2014）04-0771-06the improvement of the exponential evapotranspiration（et） model and its application on monitoring drought in northern chinazheng you-feia，b，jiang fei-yana，wu rong-juna，b（a.colleg

2、e of atmospheric physics；b.college of environmental science and engineering，nanjing university of information science & technology，nanjing 210044， china）key words： remote sensing； evapotranspiration； drought monitoring干旱是一種緩慢潛在的自然災(zāi)害，也是人類面臨的主要自然災(zāi)害之一。干旱災(zāi)害具有發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣、后續(xù)影響大等特點(diǎn)，對生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)造成非常大的

3、危害1。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口膨脹，水資源短缺現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，這也直接導(dǎo)致了干旱地區(qū)的擴(kuò)大和干旱化程度的加重。在全球氣候變化背景下，干旱災(zāi)害的不確定性和隨機(jī)性相應(yīng)增強(qiáng)，帶來的危害也越來越難以控制，怎樣有效地監(jiān)測干旱成為人們所關(guān)心的問題。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有宏觀、快速、動(dòng)態(tài)、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。研究人員將瞬時(shí)的蒸散速率與衛(wèi)星所觀測到的地表溫度和植被覆蓋部分相聯(lián)系起來，得到了許多干旱監(jiān)測模型，如溫度與植被指數(shù)的特征三角空間方法2（temperature/ndvi triangle method）、陸地表面能量平衡算法3（surface energy balance algorithm for land，sebal）

4、、地表能量平衡系統(tǒng)4（surface energy balance system，sebs）和雙層能量平衡模型5（two-source energy balance model，tseb）等。carlson等6和gillies等2都針對土壤和水分評估工具 （swat）提出了lst-ndvi特征三角空間方法的反轉(zhuǎn)技術(shù)用來估算土壤濕度。nagler等7利用sebs能量平衡方程估算了美國西部的河岸植被的蒸散情況。verstraeten等8結(jié)合物理模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測大面積的蒸散值。這些蒸散模型都以能量傳輸?shù)奈锢磉^程為基礎(chǔ)，輸入一系列通過遙感或地面儀器直接或間接測量的數(shù)據(jù)，再利用余項(xiàng)法，通過地表能量平衡

5、來估算蒸發(fā)散射（et）。在估算地表通量時(shí)，需要大量的地表觀測數(shù)據(jù)9，10，且需要復(fù)雜的地面模型和遙感數(shù)據(jù)配合，使得計(jì)算過程變得繁雜11。本研究通過引進(jìn)、修正并驗(yàn)證一個(gè)簡單的線性雙層經(jīng)驗(yàn)蒸散方程，在驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，利用模型計(jì)算得到的蒸散干旱指數(shù)（edi）對中國華北地區(qū)一次干旱事件進(jìn)行監(jiān)測，開展歷史實(shí)證研究，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮趯?shí)際干旱監(jiān)測工作中的應(yīng)用前景。1 材料與方法1.1 數(shù)據(jù)資料本研究建模及進(jìn)行干旱監(jiān)測時(shí)所用到的遙感數(shù)據(jù)主要有：全球能源和水循環(huán)試驗(yàn)（the global energy and water cycle experiment，gewex）的長、短波輻射數(shù)據(jù)，分辨率為1°

6、×1°；中分辨率成像光譜儀modis（moderate-resilution imaging spectroradio-meter）的l2級產(chǎn)品mod11系列的日夜地表溫度，及16天合成產(chǎn)品mod13系列的modis加強(qiáng)型植被指數(shù)（enchanced vegetation index， evi），分辨率都為0.05°×0.05°。為得到修正型指數(shù)化蒸散模型的系數(shù)，從arm（atmospheric radiation measurement）、美國和歐洲通量觀測網(wǎng)站上選取了分布全球的21個(gè)站點(diǎn)（表1）的地面觀測數(shù)據(jù)，利用非線性回歸分析得到模型系數(shù)

7、。1.2 修正型指數(shù)化蒸散模型2.2 模型應(yīng)用在模型的應(yīng)用階段，選取了華北地區(qū)的一次干旱過程，利用改進(jìn)后的模型進(jìn)行監(jiān)測，并與帕默爾干旱指數(shù)（pdsi）進(jìn)行對比驗(yàn)證，以期檢驗(yàn)修正型指數(shù)化蒸散模型在實(shí)際干旱監(jiān)測中的運(yùn)用效果。圖3是對2002年春季華北地區(qū)的一次干旱事件進(jìn)行監(jiān)測的過程。從整體上看，16月，干旱首先是從華北北部，即山西、河北西北部地區(qū)開始發(fā)展，之后逐漸擴(kuò)大和加深，至6月時(shí)，整個(gè)華北地區(qū)都處于一個(gè)較干旱的狀態(tài)。2002年1月，較干旱的點(diǎn)主要位于山西、河北省西北部，與內(nèi)蒙古接壤處。3月，干旱區(qū)域明顯擴(kuò)大，整個(gè)華北大部分地區(qū)都出現(xiàn)了不同程度的干旱，edi較大的地區(qū)主要還是在山西、河北大部。整

8、體上來看，整個(gè)河北地區(qū)的edi分布都有不同程度的上升，趨近于向干旱發(fā)展，且干旱程度由南向北呈逐漸加深的趨勢。進(jìn)入4月，華北北部大部分區(qū)域都處于一個(gè)較干旱的狀態(tài)。5月時(shí)，華北北部干旱區(qū)域的edi開始逐漸減小。6月時(shí)，雖然河北北部的大部分地區(qū)edi較前面幾個(gè)月減小了，但整個(gè)河北地區(qū)的平均edi在一個(gè)上升的狀態(tài)，這也表明河北地區(qū)仍處于一個(gè)較干旱的狀態(tài)。較往年同期，華北大部分區(qū)域13月的降水量普遍偏少4成以上，同時(shí)氣溫又持續(xù)異常上升，所以導(dǎo)致了此次干旱事件的發(fā)生。pdsi小于-3時(shí)表示干旱，而pdsi大于3時(shí)為濕潤，這與edi的表示方法是相反的，edi是數(shù)值越大則表示越干旱。圖4是相應(yīng)的華北地區(qū)同時(shí)段

9、的帕默爾干旱指數(shù)等值線分布圖。從圖4中可以看到，與edi分布情況相似，1月時(shí)，華北北部的山西、河北等地都位于一個(gè)小的帕默爾指數(shù)分布中心下，低值中心分別達(dá)到了-8和-10，說明此區(qū)域處于一個(gè)非常干旱的狀態(tài)。值得注意的是，帕默爾指數(shù)的監(jiān)視結(jié)果顯示，華北地區(qū)較干旱的區(qū)域始終在北部地區(qū)，且16月的等值線圖上看不到較明顯的變化。說明帕默爾干旱指數(shù)不能明確指明干旱發(fā)生發(fā)展的趨勢變化，這與其自身的滯后性有關(guān)，因其是對前期降水?dāng)?shù)據(jù)和土壤含水量的統(tǒng)計(jì)。不同于此，圖3中的edi則能較好地表明干旱的發(fā)展趨勢，因改進(jìn)型指數(shù)化蒸散模型是對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算而模擬得到實(shí)時(shí)的地表蒸散情況，所以相應(yīng)的干旱指數(shù)edi也是對實(shí)時(shí)的

10、地表干旱情況的一個(gè)反映和監(jiān)測，這是改進(jìn)型指數(shù)化蒸散模型的一大優(yōu)勢。 在前面研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步做同時(shí)段華北地區(qū)edi與帕默爾干旱指數(shù)的空間分布散點(diǎn)圖，分析兩者在空間上的相關(guān)性，也是對修正型指數(shù)化蒸散模型的進(jìn)一步驗(yàn)證。兩者由于數(shù)值表示的意義不同，所以呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。圖5的結(jié)果表明，edi與帕默爾干旱指數(shù)在空間分布上具有很好的相關(guān)性，2002年16月，兩者的決定系數(shù)范圍達(dá)到了0.720.92。說明在具體的干旱監(jiān)測工作中，修正型指數(shù)化蒸散模型模擬計(jì)算得到的干旱區(qū)域具有較高的準(zhǔn)確性。3 小結(jié)與討論本文對一個(gè)指數(shù)化蒸散模型進(jìn)行修正，選取了與地表蒸散密切相關(guān)的地表參數(shù)：地表凈輻射量、加強(qiáng)型植被指數(shù)evi、地

11、表溫度及地表溫度的日變化幅度，通過非線性回歸分析得到了新的地表蒸散計(jì)算模型，并將模型的分辨率提高到0.25°×0.25°。利用該模型模擬獲得了中國華北地區(qū)的地表蒸散時(shí)空分布圖，分析了不同時(shí)間及不同地點(diǎn)的兩次干旱監(jiān)測過程，主要結(jié)論如下：1）通過引進(jìn)一個(gè)指數(shù)化蒸散模型，并對其輸入?yún)?shù)及空間分辨率進(jìn)行修正，得到新的修正型指數(shù)化蒸散模型：參考文獻(xiàn)：1 鄧振鏞，張 強(qiáng)，尹憲志，等.干旱災(zāi)害對干旱氣候變化的響應(yīng)j. 冰川凍土，2007，29（1）：114-118.2 gillies r，kustas w，humes k. a verification of the trian

12、gle method for obtaining surface soil water content and energy fluxes from remote measurements of the normalized difference vegetation index （ndvi） and surfacej. international journal of remote sensing，1997，18（15）：3145-3166.3 bastiaanssen w， menenti m，feddes r，et al. a remote sensing surface energy

13、balance algorithm for land （sebal）. 1. formulationj. journal of hydrology，1998，212（12）：198-212.4 su z. the surface energy balance system （sebs） for estimation of turbulent heat fluxesj. hydrology and earth system sciences discussions，2002，6（1）：85-100.5 norman j n， kustas w p， humes k s. source appro

14、ach for estimating soil and vegetation energy fluxes in observations of directional radiometric surface temperaturej. agricultural and forest meteorology，1995，77（3-4）：263-293.6 carlson t n， gillies r r， schmugge t j. an interpretation of methodologies for indirect measurement of soil water contentj.

15、 agricultural and forest meteorology，1995，77（3）：191-205.7 nagler p l， cleverly j， glenn e， et al. predicting riparian evapotranspiration from modis vegetation indices and meteorological dataj. remote sensing of environment，2005， 94（1）：17-30.8 verstraeten w w， veroustraete f， feyen j. estimating evap

16、otranspiration of european forests from noaa-imagery at satellite overpass time：towards an operational processing chain for integrated optical and thermal sensor data productsj. remote sensing of environment，2005，96（2）：256-276.9 stewart j b， kustas w p， humes k s， et al. sensible heat flux-radiometr

17、ic surface temperature relationship for eight semiarid areasj. american meteorological society，1994，33（9）：1110-1117.10 mallick k， bhattacharya b， chaurasia s， et al. evapotranspiration using modis data and limited ground observations over selected agroecosystems in indiaj. international journal of r

18、emote sensing，2007，28（10）：2091-2110.11 jiang l， islam s， guo w， et al. a satellite-based daily actual evapotranspiration estimation algorithm over south floridaj. global and planetary change，2009，67（1-2）：62-77.12 yao y， liang s， qin q， et al. monitoring drought over the conterminous united states us

19、ing modis and ncep reanalysis-2 dataj. journal of applied meteorology and climatology， 2010，49（8）：1665-1680.13 hargreaves g h. accuracy of estimated reference crop evapotranspirationj. journal of irrigation and drainage engineering，1989，115（6）：1000-1007.14 閆 娜，李登科，杜繼穩(wěn)，等. 基于modis產(chǎn)品lst_ndvi_evi的陜西旱情監(jiān)測

20、j.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2010，19（4）：178-182. 在前面研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步做同時(shí)段華北地區(qū)edi與帕默爾干旱指數(shù)的空間分布散點(diǎn)圖，分析兩者在空間上的相關(guān)性，也是對修正型指數(shù)化蒸散模型的進(jìn)一步驗(yàn)證。兩者由于數(shù)值表示的意義不同，所以呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。圖5的結(jié)果表明，edi與帕默爾干旱指數(shù)在空間分布上具有很好的相關(guān)性，2002年16月，兩者的決定系數(shù)范圍達(dá)到了0.720.92。說明在具體的干旱監(jiān)測工作中，修正型指數(shù)化蒸散模型模擬計(jì)算得到的干旱區(qū)域具有較高的準(zhǔn)確性。3 小結(jié)與討論本文對一個(gè)指數(shù)化蒸散模型進(jìn)行修正，選取了與地表蒸散密切相關(guān)的地表參數(shù)：地表凈輻射量、加強(qiáng)型植被指數(shù)evi、地表溫度及地

21、表溫度的日變化幅度，通過非線性回歸分析得到了新的地表蒸散計(jì)算模型，并將模型的分辨率提高到0.25°×0.25°。利用該模型模擬獲得了中國華北地區(qū)的地表蒸散時(shí)空分布圖，分析了不同時(shí)間及不同地點(diǎn)的兩次干旱監(jiān)測過程，主要結(jié)論如下：1）通過引進(jìn)一個(gè)指數(shù)化蒸散模型，并對其輸入?yún)?shù)及空間分辨率進(jìn)行修正，得到新的修正型指數(shù)化蒸散模型：參考文獻(xiàn)：1 鄧振鏞，張 強(qiáng)，尹憲志，等.干旱災(zāi)害對干旱氣候變化的響應(yīng)j. 冰川凍土，2007，29（1）：114-118.2 gillies r，kustas w，humes k. a verification of the triangle m

22、ethod for obtaining surface soil water content and energy fluxes from remote measurements of the normalized difference vegetation index （ndvi） and surfacej. international journal of remote sensing，1997，18（15）：3145-3166.3 bastiaanssen w， menenti m，feddes r，et al. a remote sensing surface energy balan

23、ce algorithm for land （sebal）. 1. formulationj. journal of hydrology，1998，212（12）：198-212.4 su z. the surface energy balance system （sebs） for estimation of turbulent heat fluxesj. hydrology and earth system sciences discussions，2002，6（1）：85-100.5 norman j n， kustas w p， humes k s. source approach f

24、or estimating soil and vegetation energy fluxes in observations of directional radiometric surface temperaturej. agricultural and forest meteorology，1995，77（3-4）：263-293.6 carlson t n， gillies r r， schmugge t j. an interpretation of methodologies for indirect measurement of soil water contentj. agri

25、cultural and forest meteorology，1995，77（3）：191-205.7 nagler p l， cleverly j， glenn e， et al. predicting riparian evapotranspiration from modis vegetation indices and meteorological dataj. remote sensing of environment，2005， 94（1）：17-30.8 verstraeten w w， veroustraete f， feyen j. estimating evapotran

26、spiration of european forests from noaa-imagery at satellite overpass time：towards an operational processing chain for integrated optical and thermal sensor data productsj. remote sensing of environment，2005，96（2）：256-276.9 stewart j b， kustas w p， humes k s， et al. sensible heat flux-radiometric su

27、rface temperature relationship for eight semiarid areasj. american meteorological society，1994，33（9）：1110-1117.10 mallick k， bhattacharya b， chaurasia s， et al. evapotranspiration using modis data and limited ground observations over selected agroecosystems in indiaj. international journal of remote

28、 sensing，2007，28（10）：2091-2110.11 jiang l， islam s， guo w， et al. a satellite-based daily actual evapotranspiration estimation algorithm over south floridaj. global and planetary change，2009，67（1-2）：62-77.12 yao y， liang s， qin q， et al. monitoring drought over the conterminous united states using m

29、odis and ncep reanalysis-2 dataj. journal of applied meteorology and climatology， 2010，49（8）：1665-1680.13 hargreaves g h. accuracy of estimated reference crop evapotranspirationj. journal of irrigation and drainage engineering，1989，115（6）：1000-1007.14 閆 娜，李登科，杜繼穩(wěn)，等. 基于modis產(chǎn)品lst_ndvi_evi的陜西旱情監(jiān)測j.自然災(zāi)

30、害學(xué)報(bào)，2010，19（4）：178-182. 在前面研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步做同時(shí)段華北地區(qū)edi與帕默爾干旱指數(shù)的空間分布散點(diǎn)圖，分析兩者在空間上的相關(guān)性，也是對修正型指數(shù)化蒸散模型的進(jìn)一步驗(yàn)證。兩者由于數(shù)值表示的意義不同，所以呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。圖5的結(jié)果表明，edi與帕默爾干旱指數(shù)在空間分布上具有很好的相關(guān)性，2002年16月，兩者的決定系數(shù)范圍達(dá)到了0.720.92。說明在具體的干旱監(jiān)測工作中，修正型指數(shù)化蒸散模型模擬計(jì)算得到的干旱區(qū)域具有較高的準(zhǔn)確性。3 小結(jié)與討論本文對一個(gè)指數(shù)化蒸散模型進(jìn)行修正，選取了與地表蒸散密切相關(guān)的地表參數(shù)：地表凈輻射量、加強(qiáng)型植被指數(shù)evi、地表溫度及地表溫度的日

31、變化幅度，通過非線性回歸分析得到了新的地表蒸散計(jì)算模型，并將模型的分辨率提高到0.25°×0.25°。利用該模型模擬獲得了中國華北地區(qū)的地表蒸散時(shí)空分布圖，分析了不同時(shí)間及不同地點(diǎn)的兩次干旱監(jiān)測過程，主要結(jié)論如下：1）通過引進(jìn)一個(gè)指數(shù)化蒸散模型，并對其輸入?yún)?shù)及空間分辨率進(jìn)行修正，得到新的修正型指數(shù)化蒸散模型：參考文獻(xiàn)：1 鄧振鏞，張 強(qiáng)，尹憲志，等.干旱災(zāi)害對干旱氣候變化的響應(yīng)j. 冰川凍土，2007，29（1）：114-118.2 gillies r，kustas w，humes k. a verification of the triangle method

32、 for obtaining surface soil water content and energy fluxes from remote measurements of the normalized difference vegetation index （ndvi） and surfacej. international journal of remote sensing，1997，18（15）：3145-3166.3 bastiaanssen w， menenti m，feddes r，et al. a remote sensing surface energy balance al

33、gorithm for land （sebal）. 1. formulationj. journal of hydrology，1998，212（12）：198-212.4 su z. the surface energy balance system （sebs） for estimation of turbulent heat fluxesj. hydrology and earth system sciences discussions，2002，6（1）：85-100.5 norman j n， kustas w p， humes k s. source approach for es

34、timating soil and vegetation energy fluxes in observations of directional radiometric surface temperaturej. agricultural and forest meteorology，1995，77（3-4）：263-293.6 carlson t n， gillies r r， schmugge t j. an interpretation of methodologies for indirect measurement of soil water contentj. agricultu

35、ral and forest meteorology，1995，77（3）：191-205.7 nagler p l， cleverly j， glenn e， et al. predicting riparian evapotranspiration from modis vegetation indices and meteorological dataj. remote sensing of environment，2005， 94（1）：17-30.8 verstraeten w w， veroustraete f， feyen j. estimating evapotranspiration of european forests from noaa-imagery at satellite ov