分布式双源蒸散发模型的构建与运用研究

文章以淮河上游息县水文站以上为研究区域,基于研究区域的数字高程数据、土地利用数据以及研究区内外附近8个气象站点2000-2010气象要素数据,运用分布式双源蒸散发模型实现了研究流域蒸散发的时空全过程模拟,为对所构建的蒸散发模型进行验证,结合研究区内息县水文站2000-2010实测蒸散发资料进行了回归分析和相关性检验,并选用F检验和T检验两种方法从日尺度和年尺度对所构建的回归方程进行了拟合度的检验,研究结果表明:所构建的分布式双源蒸散发模型计算结果与息县实测蒸散发具有较好的一致性和相似性,在日尺度和季尺度上,相关系数均可达到0.85以上,所建立的回归方程均通过了显著性水平a=0.01的F检验和T检验,研究成果可为研究区的分布式水文模型中蒸散发的计算,特别是无资料地区的蒸散发计算提供参考价值。

分布式双源蒸散发模型及其在南广河流域运用研究

鉴于传统蒸散发模型基于单点计算,不能考虑流域下垫面条件对蒸散发影响的局限性,利用卫星遥感数据源,以四川境内的南广河流域作为研究对象,构建基于栅格单元的分布式双源蒸散发模型,实现研究区域蒸散发时空全过程计算。研究表明:基于遥感数据源的区域蒸散发计算值与蒸发站点实测蒸发值具有较好的一致性和相关性,相关系数为0.744,在相似的气象和下垫面条件下,蒸散发能力排序为:林地>灌木丛>水田>旱地>草地,模型研究成果对于流域蒸散发空间计算,以及定量分析土地利用变化对流域蒸散发影响提供一定的参考价值。

基于贝叶斯模型平均的2003–2015年青海三江源地区地表蒸散发数据集

蒸散发(Evapotranspiration,ET)是陆地水、碳和能量交换的重要组成部分。基于不同模型和不同遥感数据估算的ET,存在不同程度的不确定性。贝叶斯模型平均(Bayesian model averaging,BMA)提供了降低不确定性的一种途径。本研究采用中国三江源地区水热通量观测数据,以ARTS、PT-JPL、MOD16和SSEBop遥感蒸散发产品为基础,进行了BMA集成研究,生成了三江源地区2003–2015年250 m空间分辨率的年均地表蒸散发数据集。通过验证各输入模型和BMA集成模型结果,发现基于BMA的ET与通量观测数据相关性达0.94,能够解释观测数据季节变化的89%,优于单个模型的性能。说明BMA模型集成能够整合不同模型内在优势,降低结果估算的不确定性,从而获得更可靠的估算结果。本数据集可为三江源区域水热变化研究和生态系统调节功能评估提供更精确的数据支持。

分布式水文模型结合遥感研究地表蒸散发

地表蒸散发是研究土壤-植被-大气系统水热平衡的关键因子。用改进的DHSVM分布式水文模型对汉江上游子午河流域蒸散发进行模拟。根据流域特点,主要进行TM遥感数据的大气校正和几何校正,在此基础上得到叶面积指数和土地覆盖等地表参数;再利用G IS技术基于DEM求出坡度、坡向和地形指数等因子。分析了蒸散发时空分布特征,表明日尺度蒸散发空间分布差异较大。初步验证了结果,表明模型在中国典型湿润区小流域取得较好效果。

基于SWH双源模型的鄱阳湖流域蒸散发组分时空变化特征及归因分析

蒸散发是水文和能量循环中的关键因素,蒸散发时空演变规律受到流域气候、能量和下垫面等多种复杂因素的综合影响。不同气候区流域蒸散发的影响因素存在时空差异性,具有不同的敏感性特征。研究蒸散发的时空变化规律有利于揭示复杂环境下流域水文循环的响应特征,进一步加深对流域水量平衡的认识,为流域水资源合理规划利用提供理论参考。基于SWH双源蒸散发模型,模拟鄱阳湖流域2001-2017年蒸散发及其组分,在多时空尺度验证的基础上,分析了流域蒸散发总量(ET)、土壤蒸发(Es)、植被蒸腾(Ec)和蒸发占比(Es/ET)的时空演变特征,基于SOBOL敏感分析方法探究了流域蒸散发组分的敏感影响因素和实际变化成因。结果表明,在8天尺度下SWH模型模拟值与实测值在站点和流域上的相关系数分别为0.92和0.89,模拟效果良好。在0.05显著性水平下,鄱阳湖流域年ET以1.0 mm/a的速率不显著下降,Es以2.6 mm/a的速率显著下降,Ec以1.7 mm/a的速率不显著增加,Es/ET以0.28%/a的速度显著下降。流域Es/ET呈现中间高、四周低的空间分布特征,冬季Es/ET>春季>秋季>夏季,其中除夏季以外Es/ET均呈显著下降趋势,主要集中在湖区南部平原和信江流域地区,占流域总面积的33.86%。气温和风速是影响流域ET和Es变化的主要敏感因素,其次为降水和净辐射,Es对植被指数NDVI也较为敏感。Ec和Es/ET在年、季尺度下的主要敏感因素均为植被指数NDVI,NDVI显著性增大是导致流域Ec和Es/ET变化的主要原因。

三江源区高寒草原蒸散发模型的适用性研究

【目的】明确参考作物蒸散发(Reference crop evapotranspiration,ET0)计算模型在三江源高寒草原区的适用性,优选出适宜于气象资料模拟的ET0模型。【方法】基于2020-2021年微气象站及称重式蒸渗仪自动观测连续数据,分析高寒草原实际蒸散发(Evapotranspiration,ET)的季节变化趋势,并以实测ET为标准,对FAO 56 Penman‐Monteith、Priestley‐Taylor、Mcloud、Mahringer、Dalton、DeBruin‐Keijman 6种常用ET0估算模型进行适用性评价,以此推演2009-2019年最适ET0变化趋势。【结果】1)季节尺度上,1-8月ET呈上升趋势,8月呈现最高值(3.93 mm/d),9-12月逐渐下降,ET年累积量达到339.66 mm,生长季ET占全年ET的70.49%;2)ET估算值和实测值对比分析表明,PM拟合效果最好(RMSE=0.85 mm/d;MBE=0.49 mm/d;PE=53.17%),更适合该地区ET估算;3)根据PM模型推演ET0变化趋势,发现2008-2014年基本平稳,2015-2019年逐步下降,下降幅度为61.89 mm/a。【结论】6种模型中PM模型估算高寒草原ET0结果最适宜,可为蒸散发从点到面的尺度推广奠定理论基础。

基于栅格垂向混合产流机制的分布式水文模型

根据已有产流机制的研究结果,提出了当土壤含水量大于栅格蓄水容量时会产生径流的栅格蓄水容量概念,以及通过栅格植被根系层深度和田间持水量计算流域内各点栅格蓄水容量的栅格蓄水容量计算方法,并在充分考虑流域内植被类型、土壤类型和土壤水分参数对流域蓄水容量分布影响的基础上,应用栅格垂向混合产流机制描述植被根系层的水量变化,从而避免了对复杂的土壤水运动过程的直接描述.甸子流域的应用结果表明,基于栅格垂向混合产流机制的分布式流域水文模型对多年连续序列模拟的效率系数达到0.744,年均径流深误差为1.18 mm,相对误差为2.18%.此模拟结果对于寒旱区的水文过程模拟来说是可以接受的.

网格大小选择对大尺度分布式水文模型水文过程模拟的影响

以鄱阳湖信江流域为研究区,分析了网格大小选择对大尺度分布式水文模型水文过程模拟的影响。研究结果显示,在同样参数条件下,1,2和4km这3种不同尺寸网格对模拟的总径流量影响较小,但网格大小显著地改变着模拟水流在地表径流和地下径流间的分配;不同网格的模型计算的实际蒸发量的差别不显著;大网格的模型计算的地下水补给量大。经过率定后的3种不同网格的模型均能较好地模拟流域的径流过程,但2km网格模型模拟的总体效果要好于1km网格模型和4km网格模型。研究表明,对于分布式水文模型,网格的精细并不一定提高模型的模拟效果,一定精度空间数据的输入条件下,分布式水文模型存在一个合适的网格大小使得模型的模拟效果最佳。在流域水文模型的具体应用中,应考虑流域本身的尺度以及模拟的目的和精度要求,选择合适的网格大小,同时应结合模型机理,解释模拟结果。

基于栅格的分布式流域水文模型的构建与应用

以栅格植被根系层深度、田间持水量、饱和土壤含水量作为衡量流域内各点蓄水容量和最大蓄水容量的基础,建立了基于蓄满产流的栅格型分布式流域水文模型,并模拟了积雪融雪、蒸散发及产汇流过程。模拟结果表明,构建的流域水文模型模拟精度较高,方法可行。

多源遥感蒸散产品在小流域径流模拟中的适用性评价

在小流域径流模拟中,从多源蒸散发产品中选择合适的产品有利于提高水文模型径流模拟精度。从遥感蒸散发原理出发,选取了基于机器学习模型的GLASS产品、基于陆面模式的PET_PU_3H025_002产品、基于遥感模型的MOD16、GLEAM、SSEBop产品作为研究对象。以Littlewashita流域为研究区,通过求取蒸散发产品的区域多年均值分析其时空变化特征,并探究多源蒸散发产品在CREST水文模型中的适用性。根据NSCE、Bias、CC三项指标,结合单指标评价法和多指标综合评价法,比较了率定期和验证期模拟结果。结果表明:①5种遥感蒸散发产品多年均值的时空分布格局差异较大。PET_PU、SSEBop产品在区域内的估算值相对偏高,MOD16产品相对偏低。GLASS和GLEAM产品区域内多年均值的变化范围相似,均维持在2.2~2.4mm/d。②模型对洪峰时间的模拟较准确,但在洪峰流量的模拟方面存在差异。对比Bias指标,在率定期内GLEAM产品的偏差最小,MOD16的偏差最大。对比NSCE、Bias、CC三项指标,验证期径流模拟效果较率定期明显降低。③不同遥感蒸散发产品在小流域径流模拟中的差异性较小。综合多指标评价法,GLEAM和GLASS产品表现更出色。

吐鲁番市蒸散发耗水估算与农业用水量相关性研究

为实现蒸散发耗水的准确估算,利用多个气象站点实测数据,结合MODIS和Landsat 8等多源遥感数据作为输入参数,利用中国科学院遥感应用研究所研发的ETWatch模型对吐鲁番市2019—2021年度蒸散发耗水进行估算,同时与当年农业用水总量进行相关性分析。结果表明,高昌区和221团呈现对数相关,拟合优度R2分别达0.80和0.79,鄯善县和托克逊县拟合优度R2分别达0.40和0.37,表明在下垫面土壤和作物类型不太复杂的情况下,该模型估算蒸散发耗水更具有优势。

黄河流域蒸散量分布式模拟

针对传统区域蒸散计算模型中净辐射及其各组成要素的计算直接采用国外经验公式或点上观测资料空间内插的不足,利用基于中国气象站观测资料建立的净辐射及其各组成要素的计算公式和遥感反演的地表反照率,以黄河流域作为研究区域,在考虑地形起伏和下垫面多样性等地表非均匀性因素的基础上,实现了黄河流域净辐射及其各组成要素的分布式模拟;在印证流域尺度存在蒸散互补相关关系的基础上,将净辐射、气温、水汽压等系列要素分布式拟合结果与基于区域蒸散互补理论的AA(Advection-Aridity model)模型耦合,实现了黄河流域蒸散量的分布式模拟。与基于水量平衡的黄河流域多年平均蒸散量空间分布图对照表明,二者趋势分布吻合很好,分区验证的最小相对偏差为1.14%,最大为26.80%,全流域平均相对偏差为1.50%,且分布式蒸散拟合结果更加细致地体现了蒸散量的空间变化情况。集成的区域蒸散分布式模型,以蒸散互补理论为基础,考虑了区域蒸散对近地层大气的反馈作用,仅以数字高程模型和常规气象站观测数据为输入项,应用方便。

基于多源数据与多模型集成的流域人为蒸散发变异评估

人类活动对流域蒸散发的干扰日益显著,然而实测蒸散发数据稀少,且尺度差异与空间异质性等问题限制了大尺度陆面模型与遥感产品在人为蒸散发评估中的适用性与可靠性。本文提出了一种基于多源数据与贝叶斯模型平均的人为蒸散发变异评估框架,并应用于珠江流域。结果表明,通过综合利用地面观测(降水、径流、潜热通量)、社会统计(水资源开发利用)、卫星遥感(GRACE卫星)、与陆面模型(Noah、CLSM、VIC、ERA-Interim)等数据集,并以概率方式集成多个优选模型的模拟结果,可有效提高评估结果的可靠性。2003—2016年,人类活动导致珠江流域蒸散发增大21%(137 mm/a),人为变异的年内最大值与最小值分别出现在5月(+38 mm/月)和7月(-27 mm/月),月际振荡可能主要受灌溉耗水、水库调蓄等因素影响。

区域土壤植被系统蒸散发二源遥感估算

针对干旱半干旱复杂地形区地表起伏、覆被不均一、植被稀疏的特征,论文对N′95二源遥感模型中地表净辐射计算方案以及地表反照率、零平面位移、动量粗糙长度、热量粗糙长度、动量和热量的稳定度校正项、土壤表面的空气动力学阻抗等算法有针对性地进行了修改。利用修改后的N′95模型,选择位于黄土高原的地表起伏大,植被稀疏的陕甘宁交界区为研究区,计算了研究区的土壤蒸发、植被蒸腾和土壤-植被总蒸散发;并利用附加阻抗法计算实际蒸散发的方法对N′95二源模型法遥感估算结果进行了间接精度评价,比较验证表明N′95二源模型法估算的蒸散发结果合理,精高较高。

遥感驱动的分布式实际径流模拟研究

以WBM/WTM(Water balance model/Water transport model)模型为基础,以遥感反演的月降水和月蒸发为主要数据源,开发了基于遥感的分布式水量平衡与传输模型(Remote sensing based Water balance/Water transport model,RSWB/WTM)。利用2002年-2007年的TRMM卫星的降水数据与2004年-2008年基于遥感反演的蒸散发数据,用该模型模拟了白洋淀流域阜平、中唐梅、紫荆关三个水文站的实际径流,对模型的模拟精度进行了评价。三个站的效率系数均大于0.54,其中中唐梅和紫荆关站的效率系数大于0.62。从R2来看,三个站分别是0.56、0.64和0.64。白洋淀流域水库、塘坝对实际径流的干扰较大,进而影响到了模型的模拟精度。另外,遥感反演降水与蒸发存在的不确定性也是影响模拟效率的原因之一。建立的完全以遥感为数据源的分布式水文模拟模型将为基于遥感的水资源评价提供新的技术手段。

植物水分来源季节性变化对区域蒸散发模拟的影响

植物水分来源会随季节变化。在旱季表层土壤水分不充裕时,植物会逐步使用深层土壤水或地下水,而当雨季表层土壤水分充足时,植物主要使用表层土壤水。然而当前的水文模型、陆面模式和气象模型很少考虑这一现象。本文对分布式陆面-水文模型Par Flow.CLM进行改进,引入以能量差为驱动的根系吸水计算方法,分析植物水分来源季节性变化对区域蒸散发模拟的影响。改进后的模型能够较好地模拟区域蒸散量和土壤水动态,并能较好地再现植物对地下水的使用情况。改进模型结果显示,植物使用地下水的时间主要集中在旱季,植物对地下水的使用是植物应对干旱的重要策略之一。对比美国加利福利亚州Tonzi实验站干旱年2008和平水年2009的结果,2008年植物使用地下水时间比2009年长53 d,用量高36%。改进模型和原模型结果对比显示:当蒸散发主要受到能量限制时,两个模型的模拟结果较为一致;但当蒸散发主要受到水量限制时,两个模型在蒸散发和深层土壤水的模拟结果上有显著差异。改进模型考虑了植物水分来源季节性变化对区域蒸散发模拟的影响,并能模拟地下水位降低对植物用水的影响。结果表明:改进模型中植物腾发量比原模型结果高71 mm/a,占全年总腾发量的43%。若忽略植物水分来源的季节性变化,会对区域蒸散量和深层土壤水的模拟产生巨大影响,且这种影响在旱季或干旱半干旱地区更为明显。

基于分布式认知理论的农户面源污染治理支付意愿影响因素

分析农户个体支付意愿是测算农村面源污染治理经济价值的重要基础,而确定农村面源污染治理的生态经济价值则是将农业生产外部性进行内部化的必要措施.从农户微观个体角度出发,在剖析农户认知影响因素层级关系基础上,构建以分布式认知理论为核心的农户面源污染治理支付意愿的理论分析框架.在此基础上结合陕西关中地区531份微观调研数据,运用双栏模型对农户面源污染治理的支付意愿与意愿支付水平的这一连续决策过程进行实证检验.结果表明:(1)具有面源污染治理支付意愿的农户数量为267,占样本总数的50.30%,意愿支付金额均值为1469.77元·hm^(-2);依据调研样本意愿支付水平期望值可以测算出,2020年陕西省面源污染治理经济价值总额约为57.91亿元.(2)农户面源污染治理支付意愿会受到个人力、地域力和文化力的综合影响,各个维度作用力影响相差无几;农户面源污染治理的意愿支付水平主要会受到文化力因素的影响,个人力与地域力产生的影响十分有限.(3)按照收入水平进行分组回归的结果表明,个人力与文化力维度的影响因素在低收入群体中对于支付意愿具有较为显著的影响,但难以促成意愿支付水平的提升.

东南沿海典型流域SWAT模型的径流和蒸散发双要素率定

SWAT模型径流单要素率定存在参数过度拟合、水文过程模拟合理性不足等问题。该文以山美水库流域为研究区,探讨利用径流实测数据和陆面模式蒸散发数据(FLDAS-ET)对SWAT模型进行径流和蒸散发双要素率定法。研究结果表明,ESCO、SOL_Z、SOL_AWC、CANMX、SOL_K和CN2是共同影响该流域径流和蒸散发的敏感性参数;双要素率定的SWAT模型径流年尺度和月尺度模拟性能表现优异;与径流单要素率定相比,径流和蒸散发双要素率定的SWAT模型日径流模拟性能明显改善,蒸散发时空变化模拟性能显著提高,提高了流域水文过程模拟合理性和预测性,可为流域水资源水生态环境管理提供有效工具。

基于土壤植被不同参数化方法的流域蒸散发模拟

植被和土壤是水循环中的重要载体,模拟流域水循环时植被和土壤的参数化也显得尤为重要。通过对比流域蒸散发模拟中分布式模型和集总式概念模型的土壤植被参数化方法,计算了潘家口水库流域不同时间尺度上的流域蒸散发,分析了不同时间尺度下流域蒸散发的影响因素。通过分析得出:(1)分布式水文模型中的植被参数化方法包括对植被时空分布与变化的描述,以及与之相关的土壤-植被-大气中水分和能量的传输过程的描述。(2)从GBHM模型与流域水热耦合平衡模型的对比分析可知,在流域尺度上,年实际蒸散发与潜在蒸散发之间呈互补的高度非线性关系;但在山坡和小时时间尺度上,实际蒸散发与潜在蒸散发之间呈正比关系,并可近似为线性正比关系。(3)基于流域水热耦合平衡模型在不同时间尺度的参数化分析可知,考虑植被土壤水分和植被覆盖度能改善对流域蒸散发的年际和季节变化的模拟精度;土壤水分和植被的影响随着时间尺度变小表现得越来越显著。

森林流域蒸散发的控制要素与区域差异探讨

森林蒸散发是影响河川径流的重要因素,但是森林影响蒸散发的机理和综合效应评价一直存在很大的分歧。本文从植物的光谱反射特征出发,分析了影响森林流域蒸散发的能量收支特征和水分的蒸发耗散关系,指出流域蒸散发的数值是由蒸发潜力和供水能力这两个因素的最小值决定的,并在此基础上提出了流域蒸散发计算的分布式模型。按照该模型,可以统一解释在湿润地区(南方)、干旱地区(北方)和半湿润地区森林变化前后的蒸散发差异,为森林蒸散发计算中长期存在的分歧提供了统一的理论解释和分析模式。