区域尺度蒸散发遥感估算——反演与数据同化研究进展

遥感技术近年来在估算区域尺度蒸散发中应用广泛。不同方法在驱动数据、模型机理和适用范围往往存在很大差别。鉴于此,阐述了基于传统方法空间尺度扩展的遥感模型,经验统计公式,特征空间法,单源、双源垂向能量平衡余项法等几类的遥感蒸散发反演方法,简要介绍了三温模型、非参数化模型、半经验模型、集成模型等常用模型。同时,分析了遥感数据同化实现连续估算区域蒸散发的主要思路,综述了基于能量平衡和基于复杂过程模型的数据同化的原理、方法演进及常用同化算法等。最后,探讨了各类区域蒸散发遥感方法的优劣、展望了模型机理完善、不确定性研究、结果验证等与蒸散发直接反演和数据同化相关的研究方向。

长江流域实际蒸散发的遥感估算及时空分布研究

蒸散发是地表水热过程的关键环节.准确估计蒸散发对气候变化研究、水资源管理、作物估产以及环境保护等具有重要意义.本文结合中国区域气候和土地利用特征,改进地表能量平衡系统(surface energy balance system,SEBS)模型,估算了长江流域多年蒸散发量.结合基于模型树集成算法获得的全球蒸散发观测产品以及基于流域多年水量平衡的年蒸散发数据,验证估算精度.结果表明:SEBS模型获得的长江流域蒸散发与基于全球通量观测站的蒸散发集成数据产品的平均相对百分比误差约为10.15%,确定系数为0.98,均方根误差为7.11 mm·月-1,具有较好的相关性和一致性,且可以达到更高的空间分辨率;SEBS估算的年均蒸散发与区域多年水量平衡结果的误差为6.29%,模型精度较为可靠;长江流域年均蒸散发总量变化不明显,在二级水资源区内蒸散发的变化量有较大的空间变异性,鄱阳湖流域年均蒸散发值最大,金沙江流域最小,汉江流域季节变异最明显;受气候和人类活动影响,高原地区、江汉平原、太湖流域蒸散发有较为明显的下降趋势.

水文集合数据同化系统参数对同化效应的影响研究

集合数据同化近年来被引入水文研究中,并得到了较为广泛的应用。而集合数和误差是该类算法同化时的重要变量,影响同化的效果和决定计算的消耗。以一个水文模型蒸散发数据同化系统(Evapotranspiration Data Assimilation System,EDAS)为例,借助均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)、皮尔逊相关系数(Pearson Correlation Coefficient,PCC)、平均绝对百分比误差(Mean Absolute Percentage Error,MAPE)等作为评价指标,利用移动步距法研究了集合数、误差的大小变化过程对数据同化结果的影响。研究发现,当集合数大于100时、模型误差方差和观测误差方差分别稳定在0. 05和0. 006时同化结果较为合理。研究成果可为集合同化的参数分析与率定提供借鉴。

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。

考虑坡面地形的蒸散发遥感估算及空间分布研究

为了研究非均匀地表的蒸散特征,结合地面气象资料,考虑地形效应增加了坡地辐射计算方法,结合Landsat 8波段特征构建双层蒸散发遥感模型。以北京市西北方位的水源上游区为例,进行了蒸散发的估算、验证与分析。估算结果与地表通量站实测值对比发现,感热通量和潜热通量的平均误差分别为4.12%和8.36%,确定系数为0.82和0.98,相关关系较强;与坡地日蒸散发观测数据对比,平均相对误差为8.12%,均方根误差为0.35mm/d,具有较好的估算精度。结合土地利用探讨了水热通量、蒸散发的空间分布情况,同时分析了蒸散发与坡面地形之间的关系:坡度小于35°时,随坡度上升,日蒸散发有较为明显的增加趋势;当坡度大于35°时,受植被覆盖率影响,各季节代表日的日蒸散发呈现不同的变化趋势。各季节代表日蒸散发与坡向同样存在较为显著的相关关系,趋势线呈反抛物线。

高校水文水资源工程专业水文信息技术教学研究探索

近年来,人与水之间的联系与矛盾日益突出,导致水文与水资源工程专业教育面临着新的挑战。为了适应新形势对水文与水资源工程专业人才提出的要求,高校需要适时调整本专业人才培养模式和方案。信息技术作为21世纪最为火热的科学技术,对于教育领域的影响也不能忽视。研究分析了高等院校水文水资源工程专业教育现状、方向与任务,提出了信息技术在高等院校水文水资源专业教学中的必要性和几点建议,探索利用信息技术实现教学和培养学生信息技术能力方面的方案与模式。

基于统计仿真和数据同化的流域水文过程模拟

针对模型参数率定计算负荷量和优化性能问题,以沙河流域为研究区域,基于分布式时变增益水文模型,通过PSUADE平台提供的响应曲面参数优化方法,结合误差纠偏的集合卡尔曼滤波数据同化算法,实现水文模拟的综合优化。利用流域出口流量观测作为验证数据,以纳西效率系数和水量平衡系数及其综合函数作为评价目标,借鉴响应曲面方法生成水文模型的统计仿真代理模型,对模型参数进行敏感性分析并缩小取值范围,利用全局优化方法实现参数率定。基于遥感蒸散发观测、借助集合卡尔曼滤波算法,进行水文模型的数据同化,实现流域径流过程模拟的有效校正。结果显示:借助统计仿真方法降低了参数率定的计算消耗;利用数据同化调整了模型模拟的轨迹,验证期水量平衡系数、纳西效率系数、综合评价指标分别达到1.102、0.798、0.152,整体径流模拟效果较好,蒸散发模拟结果同样得到改善。