黄河流域多源蒸散发产品评估.pdf

年第 期水利规划与设计科研与管理:/黄河流域多源蒸散发产品评估韩再惠 陈 燕 吴志俊 任 黎 苗 平 达古拉 李琼芳(内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗水利事业发展中心 内蒙古 鄂尔多斯 河海大学水文水资源学院江苏 南京 内蒙古自治区鄂尔多斯市河湖保护中心 内蒙古 鄂尔多斯 内蒙古自治区鄂尔多斯市水利事业发展中心 内蒙古 鄂尔多斯 江苏省南京市长江保护与绿色发展研究院 江苏 南京)摘要: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 模型的改进 并对改进 模型()、陆表特征参数蒸散发产品()和基于蒸散发互补方法蒸散发产品()进行对比评价 结果表明:、和 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 的精度最高 的栅格尺度月均不确定性低于和 该结果可为黄河流域水循环研究提供重要参考关键词:蒸散发 水量平衡 方法 改进 模型 黄河流域中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:内蒙古自治区水利科技项目()作者简介:韩再惠(年)女 高级工程师:通讯作者:吴志俊(年)男 博士研究生:概述地表蒸散发是土壤 植被 大气系统中能量与水分转换的主要过程 也是能量平衡与水量平衡的关键组成因素 因此 准确估算地表蒸散发对区域水循环和水资源综合利用方面具有重要意义 然而由于空间异质性和观测站点稀疏等原因 传统基于站点数据估算蒸散发的方法存在较多问题 因此 国内外研究者们开发了不同类型的大尺度地表蒸散发估算方法 总共可分为 类:经验统计公式、遥感正蒸散模型、陆面水文模型、基于蒸散发互补方法地表蒸散发模型和基于水量平衡的蒸散发估算方法 并依托这些方法陆续生产和发布了不少全球和区域尺度的蒸散发数据产品 然而 等发现大多数蒸散发产品在计算冠层气孔阻力时 未能将蒸散发和植被初级总生产力()耦合起来 因此 不能充分考虑不同环境因子对植被冠层气孔导度的影响 在流域尺度上的地表蒸散发估算存在较大的不确定性 但遗憾的是 目前为止很少有研究在计算蒸散发的过程中引入 过程与此同时各类蒸散发产品由于模型结构、输入数据集、模型参数存在差异等原因 都不可避免地有一定的不确定性 因此 迫切需要对其在蒸散发估算中的精度和不确定性进行分析 水量平衡法能够在流域尺度对蒸散发估算值进行较为精准的验证 因此被业内研究者广泛使用 方法则可以在没有蒸散发观测值的情况下 量化流域蒸散发栅格尺度上的不确定性 目前 在区域尺度上对蒸散发产品评价的研究较多 但均未对引入 过程的遥感蒸散发模型和传统蒸散发产品在不同时空尺度上采用不同方法进行综合对比研究 本研究通过引入 过程以实现对遥感蒸散发模型的改进 并采用水量平衡方法和 方法 综合对比评价改进 模型和不同蒸散发产品在黄河流域不同时空尺度下的精度和不确定性 以期为更加准确估算黄河流域蒸散发提供有益参考 数据来源与研究方法 研究区概况黄河流域位于中国的北部地区 面积为 (如图 所示)多年平均气温为 多科研与管理水利规划与设计 年第 期年平均降水量为 由于地理位置 地形植被覆盖等因素影响 该流域全年降水分布极不均匀 约 的降雨量集中在 月 流域主要植被类型为常绿针叶林()、落叶针叶林()、常绿阔叶林()、落叶阔叶林()、灌丛、草地和农田 本研究根据黄河流域自然地理环境特征 选择花园口水文站作为黄河流域的径流控制站 该水文站的控制流域面积为 约占黄河流域面积的 图 研究区地理空间分布 数据收集与处理本研究采用了两种被广泛使用的蒸散发产品改进 模型所需的气象和遥感数据 及 重力探测卫星的陆地水储量数据以及实测径流数据 各数据集具体信息详见表 依据表 选定 年作为研究时段 并采用双线性插值法将各数据集的空间分辨率统一重采样至 双源蒸散发模型的改进及应用 模型是由 模型发展而来的双源蒸散发模型 模型的详细信息可以参考和 等人的研究 模型可用以下公式表示:()/()/()/()/()式中、土 壤 蒸 发、冠 层 蒸 腾、土壤表面阻力系数、冠层阻力系数 气体密度/饱和蒸气压 温度曲线的斜率/恒定常数/蒸气压差 、冠层上方、土壤表面的净辐射通量 叶片至冠层高度的空气动力阻力/土壤表面至冠层高度的阻力/冠层表 蒸散发产品特征信息数据名称时间跨度/年空间分辨率时间分辨率参考文献降水 逐日:/气温 逐日:/风速 逐日:/蒸气压 逐日:/短波向下辐射 逐日:/长波向下辐射 逐日:/二氧化碳浓度逐月:/逐月:/日:/日:/日:/逐月:/逐年:/径流逐月:/逐月:/注:()为基于蒸散发互补方法建立的地表蒸散发产品 ()为全球陆表特征参数蒸散发产品 ()为全球陆表特征参数植被总初级生产力产品()为叶面积指数()为土壤含水量()为土地覆盖分类()为陆地水储量异常 年第 期水利规划与设计科研与管理高度至参考高度的阻力/土壤表面阻力/冠层气孔阻力/本研究采用 等人的研究在 模型基础上引入 气孔导度模型 以解决在区域尺度上 模型气孔导度参数难以获取的关键问题其中 改进 模型的 计算公式如下:/()式中、经验参数 可以参考 等人的研究 叶片表面空气相对湿度 采用空气相对湿度代替 含量 光合速率 是 估 算 中 的 关 键 因 素 采 用 产品替代 在本研究中 改进 模型计算 得 到 的 黄 河 流 域 月 尺 度 蒸 散 发 简 称为 基于水量平衡法的多源蒸散发产品精度验证在缺少实测蒸散发观测数据的流域尺度下 基于降水、径流和总蓄水量变化的水量平衡方法通常被广泛用于蒸散发产品检验 因此 本研究将采用流域水量平衡方法计算的黄河流域逐月蒸散发量作为“真实值”用于验证、在黄河流域的数据准确性 水量平衡方法计算蒸散发公式如下:()()()()()()()()/()式中 时间尺度 月 水量平衡方法计算的蒸散发量/月、降水量、径流量/月 总蓄水量异常 总蓄水量变化 基于 法的多源蒸散发产品不确定性评估与传统的误差估计方法相比 方法可以在未知区域蒸散真实值的情况下评估 种或更多不同数据集的不确定性 本研究选取改进 模型得到的蒸散发估算值()和两个被广泛使用的蒸散发产品(、)采用 方法对其在流域尺度上的不确定性进行评价 评估过程的具体细节描述如下:()()()()()()式中 蒸散发产品的“真实值”蒸散发产品的模拟值 相应的随机误差值 ()的方差矩阵 时间样本数量 不同蒸散发产品数量 的协方差矩阵 的噪声协方差矩阵 单位矩阵然而 由于未知数()/)大于方程数()/)式()无法求解 根据 和 等人研究 可以基于 定理来解决这个问题 根据 定理 目标函数可表示为:()/()其约束函数为:()/()式中 ()和 是 的矩阵元素 为了使初始值满足约束 定义迭代的初始条件为:/()结合式()计算得到蒸散发产品模拟结果的方差 最后取标准差作为不确定性的结果 多源蒸散发产品精度评价指标本研究采用统计参数包括决定系数()、均方根误差()、平均绝对误差()作为蒸散发产品精度检验的依据 各项指标的计算公式如下:()()/()()()/()()式中 样本数 蒸散发产品模拟值 水量平衡计算得出的黄河流域蒸散发“真实值”、对应的样本均值 结果 蒸散发产品时空格局对比分析图 分别展示了 年的多年平均科研与管理水利规划与设计 年第 期图 年多年平均蒸散发空间分布图 年平均年蒸散发变化、和 在黄河流域的空间分布格局和年际变化趋势由图 可以看出 年黄河流域基于像元尺度的多年平均、和 总体上都呈现出从东南向西北逐渐减小的趋势但不同蒸散发产品在一定程度上也表现出了较为不同的空间分布特征:在中部、南部和东部地区的多年平均蒸散发要明显高于北部和西部地区 的多年平均蒸散发则表现为在西南地区较高 而在北部地区较低 的多年平均蒸散发表现出在东南部较高 西北部较低 由图 可见 年 在黄河流域的平均年蒸散发高于 和 的平均年蒸散发值 和 平均年蒸散发都呈现出不显著的增加趋势 线性拟合斜率分别为 、/年 平均年蒸散发呈下降趋势 斜率为 /年、和 的多 年 平 均 蒸 散 发 分 别 为 、综合表明、和 估算的蒸散发在黄河流域存在时空特征差异 且 相较于 和 的差异最大 差异主要表现在:的逐年蒸散发与多年平均蒸散发要显著高于 和 且 的多年平均蒸散发在北部和东部大片地区存在高估 蒸散发产品精度评估图 展示了 年黄河流域、和 月平均蒸散发和基于水量平衡方法计算的流域月平均蒸散发“真实值”()之间的比较结果 图 展示了、和 月平均蒸散发与 月平均蒸散发之间的决定系数、均方根误差、平均绝对误差从 图 可 以 看 出 尽 管、和 的月平均蒸散发与基于水量平衡方法计算的流域月平均蒸散发“真实值”()的对比存在高估和低估的情况 但总体上它们的月均蒸散发与月平均 表现出相似的变化规律 图 中、和 的值也验证了这一点 检验证明在 的显著水平上()月平均蒸散发、和 与月平均 之间存在显著相关性 且、和 值较高 表明、和 在黄河流域的月平均蒸散发与月 具有相似的精度 由图 可知 表现较好 具有相对较高的 值以及较 年第 期水利规划与设计科研与管理图 水量平衡蒸散发与蒸散发产品的比较图 水量平衡蒸散发与蒸散发产品的精度验证图 黄河流域蒸散发产品不确定性空间分布低的 和 值 综合来看 表现最好 其次是 和 以上结果表明通过引入 过程来改进的 模型可以提高估算黄河流域蒸散发的精度 蒸散发产品不确定性评估图 显示了 年黄河流域、和 的逐像元的月平均不确定性空间分布特性如图 所示 基于 方法确定的、和 在黄河流域的不确定性范围为/月 /月 其中不确定性最低的是(/月)不确定性范围为 /月 的不确定性最高为(/月)不确定性范围为 /月 其次为(/月)不 确 定 性 范 围 为 /月 图 也 表 明、和 的栅格尺度月平均不确定性具有相似的空间变化特性 总体上都呈现出黄河流域西部的不确定性普遍低于东部的特征 然而、和 在月均不确定性的空间分布上也都表现出一定程度的不同:在中部地区具有较高的不确定性 而在东部和南部地区具有较低的不确定性 在中部和西部地区的不确定性较低 东南部地区的不确定性较高 东南部地区的不确定性较高北部和西部地区的不确定性较低 总的来说 年黄河流域 和 的月均不确定性高于 以上分析也证明 通过引入 过程改进 模型可以降低蒸散发估算值的不确定性科研与管理水利规划与设计 年第 期 结论本文综合对比评价了、和 在不同时空尺度下蒸散发估算值在黄河流域的精度和不确定性 并对比分析了 年 种 产品的时空分布格局 研究发现:()、和 的蒸散发估算值存在差异 这些差异反映在栅格尺度年平均、和 的时空格局分布以及变化趋势上()就、而 言 月、和 的精度与基于水量平衡方法计算的 相似 其中 的表现优于 和()、和 栅格尺度月均不确定 性 呈 现 出 不 同 的 空 间 变 化 特 征 其 中 的月均不确定性低于 和 后续可以在 种蒸散发产品对比评估的基础上 对不同蒸散发产品的不确定做进一步的归因分析以提高模拟精度参考文献 徐飞.不同蒸发模型在辽宁中部平原区域蒸发计算中的应用对比.水利规划与设计():.():.():.姚冠泽 王卫光 李进兴.汉江流域多种遥感蒸散发产品评估.中国农村水利水电():.陈鑫涛 邓超.多种蒸散发产品在黄河流域的评估和融合.水电能源科学():.():.:.:():.:():.():.():.():.():.王松 田巍 刘小莽 等.不同蒸散发产品在汉江流域的比较研究.南水北调与水利科技():.潘健.黄河流域多源蒸散发产品评估、融合及其在干旱研究中的应用.南京信息工程大学.(上接第 页)田金霞 龚时宏 李光永.滴灌系统中压力调节器应用的经济性分析.灌溉排水学报 ():.张琛 李光永.结构和弹簧参数对压力调节器性能影响的数值模拟分析.农业工程学报 ():.武爽 刘延俊.基于键合图法的波浪能转换系统建模与分析.太阳能学报 ():.林超 纪久祥 才立忠 等.微/纳传动平台沿坐标轴运动分析的键合图法.上海交通大学学报 ():.钱耀义 李云清 于秀敏 等.小型直喷式柴油机喷雾特性的试验研究.内燃机学报():.姚伟祥 郑登月.孔口尺寸和喷雾压力对典型扇形航空喷头雾化特性的影响研究.沈阳农业大学学报 ():.(上接第 页).水工隧洞设计规范.():.():.白洋.外界压力作用下引水隧洞围岩稳定性研究.水利技术监督():.王屹久.高岩温引水隧洞支护结构稳定性分析.水利技术监督():.