深圳市前海桂湾公园土壤蒸发及植被蒸腾模拟

蒸散发(ET)是连接水文循环和地表能量平衡的重要组成部分,准确的估算土壤蒸发(LE_(s))和植被蒸腾(LE_(v))对城市水资源分配和管理具有重要意义。针对城市林地蒸散发双源模型的缺失,本研究基于MOD16模型提出了应用于城市林地区域改进的MOD16双源模型。改进的MOD16双源模型更加准确的描述城市林地区域复杂下垫面的能量分配过程。结合高时空分辨率的Sentinel-2遥感卫星影像,对2020年深圳市前海桂湾公园20个无云日的LE_(s)和LE_(v)进行反演研究。用Shuttleworth-Wallace(S-W)模型和双作物系数法(FAO dual-K_(c))验证模型性能,同时分析改进的MOD16模型对输入变量的敏感度,结果表明:改进的MOD16模型与S-W模型和FAO dual-K_(c)之间的均方根误差(RMSE)分别为21.39 W/m^(2)和20.41 W/m^(2),平均绝对误差(MAE)分别为18.81 W/m^(2)和19.05 W/m^(2),R2分别为0.801和0.634。改进的MOD16模型可以应用在城市林地LE_(s)和LE_(v)估算中。桂湾公园地区总蒸散月均值在85-165 W/m^(2)之间。研究区域的LE_(s)和LE_(v)呈现出明显的季节变化,春夏季蒸散量升高,秋冬季蒸散量降低,LE_(s)的变化范围为0-50 W/m^(2),LE_(v)的变化范围为0-120 W/m^(2)。LE_(v)高值在研究区呈现零散分布,多集中在前海桂湾沿岸,LE_(s)高值集中在研究区的西北、东北和东南部。敏感性分析结果表明,改进后的MOD16模型对植被覆盖、太阳辐射和湿度更敏感。其中,LE_(v)模拟结果受净辐射和植被覆盖影响最大,LE_(s)的模拟结果受湿度和植被覆盖的影响最大。因此,应用改进的MOD16模型时需要优先确保这些参数的准确输入。修正后的MOD16模型极大地提高了高分辨率、小尺度区域城市林地LE_(s)和LE_(v)模拟的准确性,为准确获取植被耗水量信息从而科学指导城市林地灌溉、解决城市水资源分配与管理提供有力工具。

植被蒸腾作用下非饱和土路堤稳定性分析

以内马铁路某段路堤工程为依托,构建非饱和土路堤降雨-渗流-应力耦合模型,反演降雨环境下路堤边坡的饱和度、孔隙水压力和变形过程,探讨其稳定性。结果表明:随着降雨时间的增加,路堤表层土体的饱和度、孔隙水压力以及变形范围呈递增趋势,但考虑植被的蒸腾作用时可以减缓上述趋势;降雨入渗主要通过改变表层土体的饱和度、孔隙水压力以及渗流压力来影响路堤的稳定性,具体表现为路堤边坡稳定系数的降低,随着降雨时间的增加,路堤边坡的稳定性持续降低,但同等条件下增加植被防护会提高路堤边坡的稳定性。

遥感反演土壤蒸发/植被蒸腾二层模型在华北地区的应用

利用一种可操作的地表蒸散遥感反演二层模型,以我国华北平原为研究区,选择2004年的3月至6月华北地区主要农作物冬小麦的生长季节作为研究时段,利用MODIS遥感卫星数据,结合地面130多个气象台站的空气温湿度实测数据,实现了土壤蒸发和植被蒸腾的反演。采用国家生态网络禹城综合试验站利用涡度相关系统观测的地表总蒸散半小时平均的数据进行了模型验证,结果表明模型估算的地表可利用能量与地面实测数据的相关系数可以达到0.92,均方差为30.4w.m-2;模型估算的地表总蒸散值与地面实测数据的相关系数为0.85,均方差为21.3 w.m-2,由此证明了模型的可用性。

大气CO_(2)浓度增加对中国区域植被蒸腾的影响

近几十年来,人类活动带来的化石燃料燃烧和工业过程引起了全球大气CO_(2)浓度的显著增长,带来了一系列生态和环境问题,其中对地表蒸散发的影响就是一个重要方面。地表蒸散发及其分量植被蒸腾是能量和水量平衡的重要组分,直接影响着陆气相互作用和水循环系统。由于大气CO_(2)浓度增加可通过减小叶片气孔导度从而抑制植被蒸腾,为量化这一影响,基于碳水耦合的蒸散发模型PML-V2和CMIP6的大气CO_(2)浓度时空序列驱动数据,分别进行了考虑和不考虑大气CO_(2)浓度逐年增加情况下的2组植被蒸腾模拟试验。通过对比2组结果分析了2001—2014年大气CO_(2)浓度增加对中国区域植被蒸腾的影响。研究结果显示,在季节上,夏季大气CO_(2)浓度增加对植被蒸腾的抑制作用最小,冬季最大;在数量级上,2001—2014年大气CO_(2)浓度引起植被蒸腾变化在0~5%;不同生态系统比较而言,森林、耕地和灌丛生态系统受CO_(2)浓度增加引起植被蒸腾的减小量较大,14年间减小量为15~20 mm/a,而草地下降最小,约5 mm/a;在空间上,我国中东部受影响最大;CO_(2)浓度引起植被蒸腾变化最敏感的区域是我国东南部地区。

中国亚热带植被蒸腾驱动力解耦分析

植被蒸腾(Tc)是水循环的重要组成部分。土壤水分(SM)和饱和水汽压差(VPD)是Tc的关键驱动因素,探讨其对Tc的影响有助于加深生态系统对气候变化响应机制的认识。然而有关VPD和SM对Tc变化的相对贡献尚不清楚,主要原因在于SM和VPD通过陆地—大气相互作用强烈耦合,阻碍了SM、VPD对Tc独立影响程度的量化。本文基于气象再分析资料、遥感土壤水分、蒸腾以及土地覆盖数据等多源数据,采用当前较为先进的“分箱解耦法”,分析2003—2018年中国亚热带植被蒸腾主导驱动力。通过对SM和VPD数据相关性解耦发现,研究区Tc随SM增加呈现出先上升后保持稳定的趋势,而随VPD增加Tc变化幅度较小;总体而言,SM对Tc变化的相对贡献更高,约为VPD对Tc相对贡献的5倍;不同植被类型Tc对SM和VPD的敏感性有所差异,尽管4种植被类型Tc对SM的敏感性均大于VPD的敏感性,但4种植被Tc对SM响应的阈值不同,其中森林(常绿阔叶林除外)的阈值最低(约为35%),短木植被的阈值最高(约为55%),表明不同植被生态对策的差异。此外,为验证结论的可信性,本文基于光合与蒸腾的强耦合关系,利用太阳诱导叶绿素荧光(SIF)指征Tc变化,经上述分析得到一致的结果。通过解耦SM-VPD对Tc的定量影响,本文进一步完善了气候变化生态水文效应的认知,为区域水循环模拟优化提供理论依据。

土壤蒸发和植被蒸腾遥感估算与验证

地表蒸散发是土壤—植被—大气系统中能量和水循环的重要环节,它包括土壤、水体和植被表面的蒸发,以及植被蒸腾。随着地表参数多源遥感产品的快速发展,利用不同地表参数遥感产品估算地表蒸散发以及其组分土壤蒸发和植被蒸腾成为日常监测越来越便利,监测尺度已从单站扩展到田块、区域乃至全球。目前地表蒸散发双层遥感估算模型按照建模机理的不同可分为:系列模型、平行模型、基于特征空间的模型、结合传统方法的模型以及数据同化方法。本文从模型构建物理机制、模型驱动数据以及模型输出结果验证等方面总结了上述模型的发展历史和现状,并指出在模型结构与参数化方案的优化、高分辨率模型驱动数据的发展、土壤蒸发和植被蒸腾像元尺度"地面真值"的获取等方面都仍需进一步完善。

不同参考温度取值对三温模型反演植被蒸腾精度的影响

参考温度的参数化过程一直是三温模型反演蒸散发及其蒸发、蒸腾组分的关键和难点。该研究基于典型城市草坪的波文比与热红外观测数据,对三温模型植被蒸腾子模型中涉及的输入变量进行敏感性分析和误差分析,确定对三温模型反演植被蒸腾精度最为关键的变量,而后量化和对比输入变量参数化方法对三温模型计算草坪蒸腾的影响,由此确定最佳的参考温度取值。结果表明:1)参考叶片温度选择为整个纸片温度的最大值时反演效果最好(R^(2)=0.91,均方根误差(RMSE)=0.078 mm·h;);2)采用植被冠层温度的最大值为参考温度时,直接假定了植被最高温度冠层蒸腾为0(实际存在一定的蒸腾速率),所以容易低估实际蒸腾量,造成三温模型反演精度略低于取值参考叶片温度最大值的方法,但反演效果仍然较好(R^(2)=0.87, RMSE=0.080 mm·h;)。因此,考虑到参考叶片设置的局限性,如果在实际应用中无法或者没有实际测量参考叶片温度时,使用植被最大温度为参考温度也可达到较好的反演效果。

植被对矿区地下水位变化响应研究

依据地下水浅埋区植被蒸腾对地下水位变化十分敏感的特征,构建沙柳根系吸水条件下的水流方程,分析生态脆弱矿区植生长对地下水位下降幅度的阈限。通过原位监测获取气象要素、土壤水、地下水与沙柳蒸腾量的动态变化规律,建立地下水变化与植被蒸散发关系数值仿真模型并对模型进行求解,模拟沙柳蒸腾对煤炭开采区地下水位变化的响应。研究发现:沙柳的日蒸腾量有受气象要素控制的特点,并在正午12时前后出现2次极值,水位越浅变化越显著。地下水对沙柳蒸腾的贡献值随着地下水位埋深的增加而减少,当地下水位埋深15 cm时,贡献率为100%;地下水埋深215 cm时,贡献率为0。在地下水浅埋区,地下水是沙柳蒸腾的主要水源,潜水埋深超过215 cm后地下水不再对沙柳生长提供水源,这也是沙柳对煤层开采地下水位下降的阈限。

基于深度神经网络的城市典型乔木日内蒸腾特征模拟研究

以城市典型乔木小叶榕全天24小时每10分钟的树干液流及同步气象观测数据为训练集,建立基于深度神经网络的城市典型乔木植被蒸腾估算模型,得到10分钟尺度的小叶榕蒸腾模拟结果,系统地探讨干湿季和昼夜影响小叶榕蒸腾的环境控制因子。基于深圳市91个气象观测站的常规气象观测数据,应用训练好的深度神经网络模型,估算得到站点尺度的深圳市典型乔木逐小时蒸腾特征。结果表明:(1)深度神经网络模型可以高精度地模拟城市小叶榕每10分钟尺度的蒸腾变化,与树干液流系统实测数据相比,决定系数R2=0.91,平均绝对百分比误差MAPE=21.77%,均方根误差RMSE=0.02 mm/h;(2)湿季和干季城市小叶榕蒸腾的主要控制因子,白天均为太阳辐射和气温,夜间均为饱和水汽压差;(3)城市小叶榕在夜间仍然存在蒸腾,干、湿季平均蒸腾速率分别达到0.03和0.01 mm/h;(4)深圳市不同区域的植被蒸腾特征存在差异,蒸腾速率最高可相差0.10 mm/h,总体而言,湿季白天的蒸腾速率(91个站点均值为0.1 mm/h)比干季白天(均值为0.08 mm/h)更高,大部分站点夜间植被蒸腾量接近0,但仍存在蒸腾,少部分站点干季夜间平均蒸腾速率可达0.07 mm/h,湿季夜间可达0.10 mm/h。

亚热带城市乡土树种小叶榕的蒸腾、降温及其减碳效益研究

基于蒸腾扩散系数,对几种亚热带城市典型植物的蒸腾降温潜力进行评估,并对小叶榕进行持续观测,定量地研究其蒸腾降温特征和节能减碳效益,得到如下结论。(1)在研究区域内的几种典型植被中,小叶榕作为乡土树种,在相同的环境条件下表现出最强的蒸腾降温潜力。(2)单株小叶榕的日均蒸腾水量为32.48 kg,总体上呈现夏秋高、春冬低的特点;同时,小叶榕能有效地缓解热岛效应,尤其是在热岛效应严重的夏季夜间,其蒸腾降温作用使得观测区域86%的时间为无热岛状态。(3)单株小叶榕每年通过蒸腾降温作用间接减少的二氧化碳排放量达到1442.10 kg。

基于改进SW模型的千烟洲人工林蒸散组分拆分及其特征

蒸散组分拆分是准确评估陆地生态系统生产力以及估算水分利用效率的重要基础。利用改进后的Shuttleworth-Wallace模型,将蒸散拆分为植被蒸腾、土壤蒸发和冠层截留蒸发,并采用Monte Carlo随机参数化方案对模型参数进行优化。将模型与千烟洲亚热带人工针叶林站点的2011年涡度相关及小气候观测资料结合,对千烟洲人工林蒸散及其组分进行模拟。研究结果表明:半小时尺度上蒸散量模拟值与实测值的一致性在晴天和雨天都较高。半小时尺度上全年蒸散模拟值与实测值的决定系数、均方根误差和平均偏差为0.73、1.55 mmol m^(-2)s^(-1)和0.21 mmol m^(-2)s^(-1)。蒸散是该生态系统水分输出的最主要贡献项,占全年降水的80%。在蒸散中,植被蒸腾约占总蒸散量的85%,可推测2011年千烟洲人工林生态系统有较高的水分利用效率。该生态系统的蒸腾量季节变化明显,主要受饱和水汽压差和气温两种环境因素以及植被的叶面积指数影响且与三者均呈正相关;土壤蒸发约占总蒸散量的5%,季节变化平缓;模拟的冠层截留蒸发量约占总蒸散量的10%,季节变化大,与降水量呈正相关,与暴雨频次呈负相关,说明冠层无法有效截留强降水。该模型参数较少、时间分辨率高且可以有效模拟蒸散及其组分特征,是陆地生态系统水分循环过程研究有力的模型工具。

1982—2012年西北干旱区蒸散发组分时空变化分析

【目的】为我国西北干旱区水资源承载力评价、水资源管理和生态规划提供科学依据。【方法】从西北干旱区蒸散量及其组分(土壤蒸发、冠层截留蒸发、植被蒸腾)的时空变化入手,结合遥感反演技术,重点解析了西北干旱区山、盆相间地貌格局下的实际蒸散发总量及其组分变化的趋势及时空分异规律。【结果】1982―2012年西北干旱区实际蒸散发(Eta)以-0.053 mm/a的速率总体略呈下降趋势。蒸散发3个组分中,土壤蒸发(E_s)占蒸散发总量的比例最大,约占总蒸散量的76%,是蒸散发总量下降趋势的最主要和最直接贡献分量;土壤蒸发(E_s)约在2000年发生了一个不明显的转折,由2000年之前以-0.518 mm/a的速率略微下降转变为以0.595 mm/a的速率略微上升。而植被蒸腾(E_c)和冠层截留蒸发(E_i)分别占总蒸散量的22.7%和1.3%,在1982―2012年分别以0.124 mm/a和0.007mm/a的速率呈现上升趋势。【结论】西北干旱区蒸散发3组分所占比为土壤蒸发(E_s)>植被蒸腾(E_c)>冠层截留蒸发(E_i),伴随着2000年以来区域的跃变式高温波动,自2000年以来,土壤蒸发(E_s)加大,0~10、10~40 cm的浅层土壤水散失加大,荒漠植被经历了先增加后退化的过程,原本就十分脆弱的浅根系荒漠植被覆盖区面临更严峻的生态干旱风险。

基于CoupModel的黄土丘陵沟壑区荒草地水分平衡模拟

应用土壤-植被-大气系统水热传输模型CoupModel,在野外定位观测试验的基础上对陕北黄土丘陵沟壑区阴、阳坡荒草地SVAT系统水分传输进行了模拟。结果表明,土壤含水率和土壤温度模拟值与实测值有较高的一致性;阳坡荒草地的土壤蒸发量较阴坡高,阳坡荒草地植被蒸腾量低于阴坡荒草地,说明阴、阳坡荒草地在大气-土壤界面和植被-土壤界面水分交换差异明显;干旱年大气降水主要消耗于土壤蒸发和植被蒸腾,蒸散量超过了同期降水量,输入草地系统的降水满足不了水分的支出,土壤水库处于负补偿状态。丰水年,试验地约有20%降水储存于土壤中,系统的水分收入大于支出。黄土丘陵沟壑区阳坡和阴坡是水热条件不同的立地类型,阳坡用于土壤蒸发的水分较多,土壤储水量低,因此阳坡植被配置应当考虑盖度较高、可以降低土壤蒸发的植被类型。

黑河上游高寒草地蒸散发日变化及其影响因子分析

基于箱式气体交换观测原理,采用Li-8100A通量自动测量系统测定了黑河上游高寒草地群落蒸散发量,并采用相关系数和通径系数分析了高寒草地蒸散发日变化与环境因子的关系。观测结果显示:Li-8100A能够较好地观测草地群落的蒸散发日变化过程;生长季旺盛期晴天高寒草地蒸散发日变化呈单峰变化;有草覆被和没有草覆被样点之间存在较大差异,通过两者之间差值可将植物蒸腾和土壤蒸发区分开来。相关系数和通径系数分析显示,影响高寒草地蒸散发日变化最大的影响因子是空气温度,其次是土壤水分和风速,而土壤温度、太阳辐射主要是通过空气温度而间接影响蒸散发速率日变化。

三江平原典型沼泽湿地能量平衡和蒸散发研究

基于涡度相关技术对三江平原典型沼泽湿地的水热通量进行了连续观测，研究沼泽湿地能量平衡和蒸散发的季节变化，确定观测期内沼泽湿地总蒸散量，并通过逐步回归方程估算沼泽湿地水面蒸发和植被蒸腾。结果表明，沼泽湿地的能量平衡具有明显的季节变化特征，总体看来，潜热通量是湿地的主要能量支出项，占净辐射的45.5％，感热通量和存储热通量分别占净辐射的27.9％和26.7％。2006年5～10月份沼泽湿地总蒸散量为310.6mm，月均日蒸散量最高值出现在7月。观测期内沼泽湿地水面蒸发量约为221mm，占总蒸散量的71％左右，植被蒸腾量则约占总蒸散量的29％，湿地蒸散发以水面蒸发为主。

大气作用下非饱和土湿热性状的计算模型与分析

采用湿热耦合非等温流方程,结合实际蒸发和植物蒸腾的边界条件,考虑了水分迁移所引发的非饱和土应力变形行为,建立了大气-非饱和土相互作用的模型。采用该模型,可分析土体的湿热性状,计算由于水分变化所引起的土体变形,工程适用性较强。

近20 a中国中东部部分农业区土壤水分变化

使用GLEAM、ERA5-Land土壤水分数据集,分析2001-2020年中国中东部农业区土壤水分的年际动态,使用降水、增强型植被指数、植被蒸腾等数据探讨可能的原因.结果表明,近20 a来,部分地区土壤水分有下降趋势,深层土壤水分下降趋势比浅层土壤水分下降更为明显.随着土壤深度的增加,土壤水分与降水的相关性逐渐降低.土壤水分下降地区的年降水量有所减少,植被绿度和植被蒸腾显著上升,说明降水量的降低以及植被耗水的增加可能是导致中国中东部部分农业区土壤水分下降的原因.

半干旱区域高速公路绿化带建设对地下水循环的影响: 以京藏高速公路呼包段为例

高速公路绿化带能美化环境,吸尘减噪,保持水土,但在降水量少的干旱地区,高速公路绿化带主要依赖地下水补给,会对区域地下水资源分布产生一定影响。以土默川平原北部呼包高速绿化带为研究对象,利用3S技术将研究区的绿化带进行分类,同时,结合ET_0等相关公式计算绿化带的蒸腾耗水量。在收集区域水文地质资料的基础上,掌握研究区的地下水补径排特征,计算研究区侧向补给量,进而得出绿化带蒸腾耗水量与地下水补给量之间的关系,定量分析高速公路绿化带建设对区域地下水循环的影响。结果表明:研究区地下水补给主要来源于大青山山前侧向补给,主要排泄为地下水径流排泄及绿化带的蒸腾耗水; 2016-07—2017-06期间,研究区非植被区、植被覆盖区分别占总面积的17%和83%,绿化带年蒸散发量为1006.10 mm,蒸腾耗水量为2434.86×10~4m^3/a;山前侧向补给量为24372.16×10~4m^3/a;绿化带蒸腾耗水量约占山前侧向补给量的10%。由此可见,高速公路绿化带的建设对地下水资源分布有着重要的影响。

基于遥感的千烟洲人工林蒸散及其组分模拟研究

论文通过改进遥感蒸散模型的关键参数,结合遥感数据和气象观测数据,对2003—2008年江西千烟洲人工林生态系统蒸散及其组分进行模拟,并利用涡度相关技术获取的蒸散实测数据对模型模拟结果进行验证和评价。结果表明:①年均蒸散总量模拟值比实测值偏低2.4%,决定系数与均方根误差分别为0.83和0.61 mm.d-1。②土壤蒸发、林冠截留蒸发和植被蒸腾分别占总蒸散量的12%、23%和65%。其中,土壤蒸发季节及年际变化相对稳定;林冠截留蒸发季节变化明显且在不同年份差异较大;植被蒸腾季节变化明显,但年际变异较小。③1—3月植被光合作用较弱,植被蒸腾与蒸散比小于30%。随着植被蒸腾的增强,从4月开始植被蒸腾与蒸散比迅速增加,在生长旺季(7月底)可达到约90%。由于该模型所需数据在区域尺度较易获取,从而为开展区域尺度中亚热带人工林生态系统蒸散及其组分模拟提供方法支撑。