本文内容來源于《測繪通報》2022年第12期，審圖号：GS京（2022）1439号
灌區蒸散發遙感反演及其時空變化特征分析——以漳河灌區為例
張娣1
, 魏征1
, 馮天權2, 陳祖梅2, 王鳳靜1, 黃葵1
1. 中國水利水電科學研究院, 北京 100048;
2. 湖北省漳河工程管理局, 湖北 荊門 448156
基金項目：國家自然科學基金重點項目（52130906）；中國水利水電科學研究院流域水循環模拟與調控國家重點實驗室自主研究（SKL2022TS13）；中國水科院基大學研業務費專項（ID0145B022021；ID0145B052021）
關鍵詞：蒸散發, MODIS, 時空特征, SEBS, 漳河灌區
引文格式：張娣, 魏征, 馮天權, 等. 灌區蒸散發遙感反演及其時空變化特征分析——以漳河灌區為例[J]. 測繪通報, 2022(12): 57-63.doi: 10.13474/j.cnki.11-2246.2022.0357.摘要
摘要 ：準确反演區域尺度的蒸散發對于水資源循環、氣候變化、科學灌溉及幹旱與洪澇監測等方面的研究具有重要的科學意義，本文以漳河灌區為典型案例，建構了遙感蒸散發的SEBS模型，驗證了其精度，分析了其時空規律。結果表明：①2009—2018年鐘祥、荊門、團林站點的（蒸散發） ET觀測值與模拟值的平均相關系數分别為0.86、0.84和0.83，RMSE平均值分别為0.61、0.67和0.62 mm/d。年際間的ET觀測值與模拟值變化幅度均小于10%，相關系數範圍為0.7～0.9，RMSE範圍為0.4～0.8 mm/d，标準差比率範圍為0.8～1.5。②研究區2009—2018年ET的平均值為427.34 mm，整體呈上升趨勢。③年尺度、季尺度和月尺度ET與氣溫和降水在時間序列上均有較好的一緻性。多時間尺度ET均呈東北和西南部高、西部低的空間分布特征。研究結果能夠較好地呈現ET的高時空異質特征和年際間空間差異，本文将為漳河灌區水資源開發管理和科學灌溉提供科學依據。
正文
蒸散發(evapotranspiration, ET)作為地表植被和土壤向大氣傳輸的水汽總通量，是地球生态系統能量-水-碳循環的核心過程，準确估算蒸散發可為發展水資源循環、全球氣候變化、科學灌溉及幹旱與洪澇監測等方面提供資料支撐。是以，灌區地表蒸散發的動态遙感時空反演研究，對于灌區的水資源高效利用與管理和科學灌溉具有重要意義。
遙感資料具有擷取時空連續動态變化資訊的優點，結合遙感資料和氣象資料等多源資訊進行蒸散發的反演模拟已成為當今全球水文、生态、遙感界研究的熱點，更是以後的發展方向[1]。國内外學者開發了多種基于地表能量平衡的遙感蒸散發模型，根據計算感熱通量H過程中是否區分植被和土壤，地表能量平衡模型又可以分為單層模型和雙層模型。單層模型是将植被和土壤作為一個整體與大氣進行水熱交換，近20年來發展了各種具有代表性的單層模型，如S-SEBI模型[2]、SEBAL模型[3]、SEBS模型[4]、METRIC模型[5]等。文獻[6]利用MODIS資料采用SEBAL模型研究了河套灌區ET的時空格局。文獻[7]基于MODIS資料和SEBS模型反演了華北平原農田區ET，并結合地面渦度相關系統的觀測資料對SEBS模型進行了驗證。雙層模型由于充分考慮了植被冠層和裸土表面特征參數的差異性，實體機制較單層模型更強。雙層模型中具有代表性的有TSEB模型[8]、HTEM模型[9]、SWH模型[10]等。文獻[11]在中國黑河中遊地區分别驗證了HTEM、TSEB及MODIS雙源ET模型。其中，HTEM模型的估算結果與地面渦度觀測資料最接近。文獻[12]詳細比較了3種雙源遙感ET模型在不同植被覆寫條件下的蒸散發模拟能力，并通過蒸散發區分土壤蒸發與植被冠層蒸騰的合理性進行了評價。
綜上所述，通過遙感反演蒸散發的方法和研究成果豐富，但在有限的地面觀測資料條件下，開展遙感資料反演結果的地面驗證是定量遙感研究領域的難點問題。是以，本文基于MODIS地表參數和氣象資料建構SEBS模型，定量反演漳河灌區2009—2018年分辨率為250 m的日尺度ET，結合地面氣象站點的觀測資料和P-M公式對反演的日尺度ET進行精度驗證，并在合理驗證的結果上探究了2009—2018年不同時空尺度ET的變化規律。
1 研究區與研究資料1.1 研究區概況
漳河灌區位于大陸湖北省江漢平原西部，海拔範圍為-80~445 m，全域地勢自北向南逐漸降低，為長江中下遊流域的典型灌區[13](如圖 1所示)。灌區總面積約為5 543.93 km2，包含荊門、荊州、鐘祥、當陽4個縣市。漳河灌區土地利用類型以耕地、草地、林地為主，主要土壤類型有黏土、壤土，屬于亞熱帶大陸性氣候，多年年均氣溫為16.9℃，多年年平均日照時數為2100 h，多年年均降雨量為960 mm，蒸散和降水時空分布不均勻，具有明顯的季節性和區域性。漳河灌區主要種植作物為水稻、油菜、小麥和棉花，是大陸華中地區重要的糧食生産基地[14]。
| |
| 圖 1 研究區氣象站點分布 |
| 圖選項 |
1.2 資料來源及預處理1.2.1 遙感資料
本文采用的MODIS産品資料資訊見表 1。MODIS資料來源于NASA官方網站，覆寫時間段為2009—2018年，共10年，軌道号為h27v05。利用MRT批處理工具對MODIS資料進行預處理，主要流程包括：①格式轉換，GeoTIFF格式；②投影坐标轉換，WGS-84投影為UTM 49N；③統一重采樣，分辨率為250 m；④品質控制，根據5個資料産品的品質控制波段對産品資料進行品質控制，剔除不合格的栅格單元資訊，然後依據時間序列進行線性插值補充。
表 1 SEBS模型所需的MODIS産品資料資訊
表選項
1.2.2 氣象資料
氣象資料一部分來源于國家氣象科學資料中心的鐘祥(57378)、宜昌(57461)、荊州(57476)和天門(57483)站點，包括日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、平均氣壓、相對濕度、平均風速、日照時數；另一部分來源于湖北省漳河工程管理局提供的團林站點和荊門站點的曆史氣象資料，共6個氣象站點的資訊，具體見表 2。氣象資料空間插值均采用ANUSPLIN插值方法，生成與各地表參數統一尺度和投影坐标系統的栅格資料。
表 2 氣象站點資訊
表選項
2 數學模型
瞬時遙感蒸散發的反演采用SEBS模型，計算要素詳見文獻[7]。
采用恒定蒸發比法對蒸散發進行時間尺度擴充，計算公式為
(1)
(2)
式中，δ為24 h内的蒸發比；λ為水的汽化潛熱J·kg-1；ET為參考作物的蒸散發(mm/d)；Rn為作物的淨輻射通量(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)；LST為地表溫度(K)；H為顯熱通量(MJ·m-2·d-1)。
地面驗證采用FAO Penman-Monteith方法，基于地面站點的氣象觀測資料計算日ET值，并與遙感蒸散發模型的反演結果進行點尺度上的驗證，計算公式為
(3)
式中，γ為幹濕表常數(kPa/℃)；T為平均氣溫；U2為2 m高度處的風速(m/s)；Δ為飽和水氣壓曲線斜率(kPa/℃)；es-ea為飽和水氣壓差。
3 結果與分析3.1 SEBS模型驗證
2009—2018年ET觀測值與SEBS模型模拟值站點整體對比見表 3，2009—2018年鐘祥、荊門、團林站點ET觀測值與SEBS模型模拟整體精度驗證結果如圖 2—圖 4所示，鐘祥站點SEBS模型整體相關系數為0.86，RMSE為0.61 mm/d，MAE(平均絕對誤差)為0.47 mm/d。荊門站點SEBS模型整體相關系數為0.83，RMSE為0.67 mm/d，MAE為0.52 mm/d。團林站點SEBS模型整體相關系數為0.84，RMSE為0.62 mm/d，MAE為0.47 mm/d。
表 3 2009—2018年ET觀測值與SEBS模型反演值站點綜合對比
表選項
| |
| 圖 2 2009—2018年鐘祥站點ET觀測值與SEBS模型模拟值泰勒圖和對比 |
| 圖選項 |
| |
| 圖 3 2009—2018年荊門站點ET觀測值與SEBS模型模拟值泰勒圖和對比 |
| 圖選項 |
| |
| 圖 4 2009—2018年團林站點ET觀測值與SEBS模型模拟值泰勒圖和對比 |
| 圖選項 |
鐘祥、荊門、團林3個站點都滿足文獻[15]提出的優秀遙感蒸散發模型反演的日尺度ET與ET觀測值的相關系數在[0.80，0.91]，以及RMSE的範圍在0.5~1.2 mm/d的模型要求。是以，SEBS模型在3個站點的整體模拟比對程度較好。
3.2 漳河灌區年尺度ET時空變化特征3.2.1 漳河灌區年尺度ET時間變化特征
漳河灌區ET的年際變化過程及ET的年際相對變化情況如圖 5所示，2009—2018年漳河灌區年尺度ET整體呈上升趨勢，ET年平均值的波動範圍為[388.59，480.67]mm/a，最高值出現在2013年(480.67 mm/a)；最低值出現在2009年(388.59 mm/a)。多年ET的平均值為427.34 mm/a(如圖 5所示)。年ET值的變化可分為3個階段：2009—2011年，呈緩慢增加趨勢；2012—2014年，變化較為劇烈，期間有波峰；2015—2018年，呈平穩增加趨勢。
| |
| 圖 5 2009—2018年漳河灌區ET年際變化規律 |
| 圖選項 |
3.2.2 漳河灌區年尺度ET空間變化特征
2009—2018年研究區内年尺度ET的空間分布如圖 6所示，ET高值在研究區的東北部和西南部分布較廣，多大于400 mm，西北部和東南部明顯低于其他地區，多小于350 mm。其主要原因為：①林草地的根系強，吸水高于裸地和水體，研究區東北和西南部的土地利用類型是林地和草地，而西北部和東南部則是水體和裸地。②灌區的半人工生态特性的耕地、建設用地、水體的細碎化分布形成ET的高空間異質特征的分布。2009—2018年漳河灌區的年尺度ET值全局分布整體呈上升趨勢。其中，研究區内2013、2017及2018年ET值全局分布相對于整體的變化趨勢出現了明顯的偏高，屬于高ET年份，而2009和2014年的ET值全局分布則相對偏低，屬于低ET年份。是以，遙感ET能夠較好地呈現ET的高時空異質特征，且能夠捕捉到年際間ET的空間差異與異常。
| |
| 圖 6 2009—2018年漳河灌區年尺度ET空間分布 |
| 圖選項 |
3.3 漳河灌區季節尺度ET時空變化特征3.3.1 漳河灌區季節尺度ET時間變化特征
漳河灌區季節尺度ET多年變化規律如圖 7所示，多年ET的變化具有一緻的季節性規律，季節尺度ET多年均值從小到大依次為：冬季(12月—次年2月，43 mm/a) < 秋季(9—11月，85 mm/a) < 春季(3—5月，127 mm/a) < 夏季(6—8月，172 mm/a)；研究區ET在季節轉換過程中也展現出一定的規律性：夏秋(87 mm/a)和冬春(84 mm/a)的變化幅度明顯高于春夏(45 mm/a)和秋冬(42 mm/a)的變化幅度，引起這一現象的主要原因是夏秋和冬春的季節轉換過程伴随着植被的枯萎和生長兩個始末階段。夏季降水量豐富、氣溫高，導緻植被生長旺盛，ET值最大；進入秋季後，氣溫下降、降水量逐漸減少，導緻植被進入枯萎期，ET值随之減少；入冬後，植被完全枯萎，蒸騰作用近乎為零，此時ET主要依靠土壤水分的微弱蒸發提供，是以冬季ET值為全年最小；進入春季後，降水量和氣溫的升高導緻植被進入生長季，蒸騰作用增強，同時土壤水分的蒸發伴随氣溫的升高也逐漸增強，導緻春季ET也逐漸升高。
| |
| 圖 7 2009—2018年漳河灌區季節ET多年區域均值變化規律 |
| 圖選項 |
3.3.2 漳河灌區季節尺度ET空間變化特征
漳河灌區多年季度ET平均值的空間分布如圖 8所示，季度ET平均值的高值空間分布區域差異性不大，4個季節的ET平均值高值大部分分布在研究區南部區域和北部林地聚集覆寫區域。春季ET均值的範圍為[0，150.38]mm/a，灌區内大部分地區的ET值都處于較高水準，空間差異性不明顯；夏季ET均值範圍為[0，214.26]mm/a，研究區南部區域和北部林地覆寫區域的ET值明顯高于其他地區，低值主要離散分布在研究區的中部區域；秋季ET均值範圍為[0，105.02]mm/a，研究區南部區域和北部林地覆寫區域ET值仍然顯著高于其他地區；冬季ET均值範圍為[0，53.64]mm/a，ET低值聚集程度明顯高于其他季度。
| |
| 圖 8 漳河灌區多年季度ET平均值空間分布 |
| 圖選項 |
3.4 漳河灌區月尺度ET時空變化特征
2009—2018年漳河灌區1—12月的月尺度ET空間分布如圖 9所示，月尺度ET平均值在不同月份間存在較大的空間差異性：1—3月、10—12月的月尺度ET平均值的空間內插補點都小于15 mm，表明這些月份ET的空間變異性較低，整體ET值均趨于穩定；5—8月的月尺度ET平均值空間內插補點都大于30 mm，表明這些月份的ET變化強度劇烈。總體而言，月尺度ET高值主要分布在北部的林地區域，ET低值分布在南部和西北部，這與年尺度、季尺度ET的空間分布特征類似。漳河灌區年内月均ET呈現單峰變化趨勢(如圖 10所示)。其中，1—3月呈平穩上升趨勢，4—5月呈劇烈上升趨勢，6—7月呈快速上升趨勢并在7月達年内的ET峰值(63.93 mm)。從9月開始波動下降，12月—次年1月為ET低值時段且變化特征不明顯。多年月均ET在[9.01，63.93]mm變化，年内ET最低值為9.01 mm，出現在12月；最高值出現在7月，為63.93 mm。多年的月平均ET值(1—12月)為35.63 mm。
| |
| 圖 9 漳河灌區2009—2018年1—12月ET平均值空間分布 |
| 圖選項 |
| |
| 圖 10 2009—2018年多年1—12月平均ET與降水、氣溫變化 |
| 圖選項 |
漳河灌區2009年1月至2018年12月(120 m)月ET和月降水量、月平均氣溫如圖 11所示，多年月ET與月降水量、月平均氣溫均呈單峰型的周期變化趨勢。研究區内多年月平均降水量在5月最高(142.67 mm)，12月最低(13.88 mm)；多年的月平均氣溫7月最高(28.74 ℃)，1月最低(4.02 ℃)。月平均降水量的峰值較ET峰值提前2個月出現，這與長江中下遊地區特有的梅雨季節有關。多年月平均降水和氣溫的變化特征與ET年内變化規律基本一緻，表明研究區内ET與水熱變化基本同期，降水和氣溫變化是導緻ET持續變化的重要氣候因素。
| |
| 圖 11 2009—2018年漳河灌區月尺度ET與降水量、氣溫的時間序列變化 |
| 圖選項 |
4 結論
本文以長江中下遊的典型灌區——漳河灌區為研究對象，建構了SEBS模型反演區域的地表蒸散發，驗證了遙感蒸散發的模拟精度，并分析了250 m尺度蒸散發的時空變化特征。主要結論如下：(1) SEBS模型在3個站點的整體模拟比對程度較高。鐘祥、荊門、團林站點2009—2018年的ET觀測值與模拟值的平均相關系數分别為0.86、0.83和0.84，年際間變化幅度小于10%。(2) 研究區多年ET的平均值為427.34 mm/a，年尺度ET整體呈上升趨勢。年尺度、季尺度和月尺度ET，以及氣溫和降水在時間序列上均有較好的一緻性。多時間尺度ET均呈現出東北和西南部高、西部低的空間分布特征。(3) 研究區内ET的變化與該研究區内的水熱變化基本同期，降水和氣溫的變化是導緻ET持續變化的重要氣候因素。作者簡介作者簡介：張娣(1988-),女,工程師,主要研究方向為水文水資源。E-mail:[email protected]通信作者：魏征。E-mail:[email protected]
初審：楊瑞芳複審：宋啟凡
終審：金 君
資訊