基于SEBAL模型黑河中游蒸散发的估算

论文总字数：20525字

目 录

摘要 II

Abstract III

1引言 1

1.1 蒸散计算研究进展 1

2 区域概况 2

3 数据来源与预处理 3

3.1 遥感数据 3

3.2 GIS数据 4

3.3 气象数据 4

4研究方法 5

4.1 地表参数提取 5

4.1.1 地表反照率 5

4.1.2 NDVI 6

4.1.3 地表比辐射率 7

4.1.4 地表温度 8

4.2 蒸散模型原理 9

5结果分析 14

5.1 瞬时通量 14

5.1.1 净辐射通量 14

5.1.2 土壤热通量 15

5.1.3 显热通量 15

5.1.4 空气动力学阻抗 16

5.2 日蒸散估算 17

5.2.1 瞬时蒸散比 17

5.2.2 日蒸散量 17

6 结论与讨论 19

参考文献 20

致谢 23

基于SEBAL模型黑河中游蒸散发的估算

陈坤

，China

Abstract: For an accurate estimation of regional evapotranspiration, it has a very important significance in terms of meteorology, agriculture, hydrology, geography and hydraulic engineering. In this paper, the SEBAL model was used to estimate daily evapotranspiration in the middle reaches of Heihe river with the data of TM MODIS, Landsat surface temperature data, DEM data and meteorological data as input items. The following conclusions are drawn：1) In areas of high vegetation coverage, surface albedo, surface temperature and sensible heat flux is lower, NDVI and land surface emissivity, net radiation flux, soil heat flux, the aerodynamic resistance, evaporative fraction is higher; In areas of low vegetation coverage, surface albedo, surface temperature and sensible heat flux is higher, NDVI and land surface emissivity, net radiation flux, soil heat flux, the aerodynamic resistance, evaporative fraction is lower.2) Daily evapotranspiration in the area of high vegetation coverage is higher, ranging from 5.0mm to 8.3mm ,and in the area of low vegetation coverage is lower, ranging from 0.0mm to 4.5mm, the mean value is 3.3mm.3) Underlying surface types according to the daily evapotranspiration mean from high to low can be this roughly order: Rivers gt; marshland, farmland et.al gt; reservoirs, lakes et.al gt; woodland gt; grassland gt; Beach gt; Gobi, desert et.al.

Key Words: SEBAL; Heihe; evapotranspiration; estimation; water heat flux

1引言

蒸散在参与陆地表层的水量循环的同时，又在参与能量循环，是干旱地区的水文研究中一个不可缺少的环节^[1]。由于涉及到大气、下垫面的植被、土壤类型等等因素，对蒸散量精确估算的难度将非常大。对一个区域的蒸散量的准确估算，在气象方面，将会非常显著地提高气象预测结果和水文气象预测结果的精度^[2]；在农业方面，尤其是对于那些可能面临着水资源短缺危机的地区，则有助于提高农作物的灌溉水资源利用效率、较为准确的预测农作物产量以及高效优化水资源的分配等等^[3]。除此之外，蒸散量的估算对于水文、地理和水利工程等领域也同样有着十分重要的意义^[4-5]。

位于河西走廊的中段、黑河中游的张掖绿洲区域，土壤肥沃，物产丰饶，是全国重点建设的12个商品粮基地之一，素有“桑麻之地”、“鱼米之乡”的美名。但因该区域气候干燥，日照时间比较长，年蒸散量2000~2350mm，农业灌溉用水量巨大，水资源的合理分配显得非常重要。故对该区域进行蒸散量区域分布的估算，将对该区域的水资源合理利用、分配等决策起到重要参考的作用。

以前的对于蒸散量的测量估算的方法多是得到一个点的蒸散量，如果要靠数学的方法去估算一个区域的蒸散量，还要选取足够多的点来进行测量计算，不仅计算过程繁杂，工作量大，最后得到的结果精确性还有待考证，得不偿失。现在利用高精度的遥感数据来进行区域性的蒸散量估算，成本很低，得到的蒸散结果精度也符合预期，可以说在估算蒸散量的道路上前进了一大步。

本文利用landsat-5/TM数据、MODIS地表温度数据和DEM数据等，通过SEBAL模型来反演黑河中游区域的地表参数（包括地表温度、坡度坡向、地表反照率等）、归一化植被指数（NDVI）等，结合相应日期的气温、风速等气象数据来估算该区域的净辐射通量、土壤热通量、显热通量、蒸散比以及日蒸散量等。最终得出该区域的日蒸散量分布结果，希望能够为该区域水资源合理分配利用的决策提供一个直观的依据。

1.1蒸散计算研究进展

研究蒸散的测量计算已经有很长的一段历史了，从计算可能蒸发的Penman^[6]公式的建立，到用于估算非饱和面蒸发的Penman_Monteith ^[7]公式的提出，研究者们付出了非常多的努力和心血，试图从理论上模拟和估算蒸散状况^[8]。同时为了得到蒸散量的实测值，也发展了很多实测方法，比较出名的方法有如下几种方法：

波文比-能量平衡法^[9]，于1926年由Bowen提出，显热通量比上潜热通量得到的结果称之为波文比（）。

田间水量平衡法^[9]，即通过农田中的水量收入支出的平衡方程式来估算蒸发量。

涡度相关法^[10] ，1955年由Swiabank首次提出，该方法能够只通过对湍流脉动的测量就可以直接得到各个能量通量分量，其精度和准确性非常之高，经常用作准确的标准值。

然而这些传统方法几乎都是建立在单点测量计算的基础上才适用^[11]，对于需要测定区域蒸散量的时候,由于区域的下垫面地形、植被等条件复杂,以单点为测量计算基础的方法在此便不再适用。近些年来，随着科技的进步，遥感技术得到飞速的发展，遥感卫星图像的分辨率也越来越高，包含的信息也越来也丰富。利用高精度的遥感图像数据反演得到的区域蒸散发量，不仅付出的代价相对较低，其精度也比常规的方法要优异不少，具有非常明显的优越性^[12]，已经被广泛的用于确定空间分布（区域化）的蒸散信息^[13-14]。

利用遥感图像来估算区域的蒸散，比较常见的几种估算方法和模型有：地表能量平衡算法(SEBAL)^[15]、地表能量平衡指数(SEBI)^[16]、简化的地表能量平衡指数(S-SEBI)^[17]、地表能量平衡系统(SEBS)^[18]以及基于SEBAL带自校正的 ME-TRIC模型^[19]等。这些方法大多都是基于能量平衡的原理，只是具体方法需求的输入项以及一些参数的选用计算各自不同。其中，由于SEBAL模型的数据输入项较少，机理性较好，对蒸散发的反演精度较高，本文选用SEBAL模型来对黑河中游的蒸散进行估值计算。

2 区域概况

黑河是全国排名第二的内陆河，发源于祁连山的北麓中段，穿甘肃省张掖市的甘州区、临泽县、高台县，经过酒泉市的金塔县，最终注入内蒙古的居延海，总长度800多公里^[20]。南边枕着祁连山、北边依靠着合黎山、龙首山，呈现出北高南低的地势。黑河流域位于，，总面积 12.8万km²。地形比较复杂，从上游到下游分别为祁连山地、走廊平原和阿拉善高原等三个地貌类型区，东边与武威盆地隔着大黄山，西部隔着黑山与疏勒河流域毗邻^[21]。

本文研究区域为黑河中游区域，其DEM如图1所示。包括张掖的甘州区和临泽县两个行政区。因黑河贯穿而形成的张掖绿洲，整个地区地势非常平坦， 光热资源尤为充足，年降水量50~200mm，年潜在蒸散量高达1200~2200 mm，是主要的耗水区域^[22]。位于黑河中游区域的张掖市,整个区的耕地约有400多万亩（包括山丹军马场），其中有可开垦的荒地300多万亩；草原非常大，有2600多万亩；森林有580多万亩，覆盖率达到了9.2%；全年的日照时长达3000小时，光热资源非常充足；矿藏资源丰富，种类达30多种，其中煤、石灰石、铁、芒硝等矿藏的储量更是上亿吨；土壤肥沃，作物产量高，盛产玉米、小麦、水稻、油菜、胡麻等，尤其是乌江米，远近闻名^[23]。

图1. 黑河中游的DEM图（单位：m） 图2. 黑河中游真彩色合成遥感图像

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