黑龍江省干旱遙感監(jiān)測中基于能量平衡模型的應(yīng)用

劉 迪，馬占岳

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

科技成果

黑龍江省干旱遙感監(jiān)測中基于能量平衡模型的應(yīng)用

劉 迪，馬占岳

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080)

以能量平衡方程為理論基礎(chǔ)，將遙感反演蒸散發(fā)與干旱遙感指數(shù)兩種方法加以融合，并對(duì)前人的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，以簡單的實(shí)用化作物缺水指數(shù)作為監(jiān)測干旱的指數(shù)，對(duì)黑龍江省進(jìn)行旱情監(jiān)測，可以提高干旱監(jiān)測實(shí)用化程度。

土壤墑情;能量平衡;遙感監(jiān)測;日蒸散發(fā);缺水系數(shù);模型應(yīng)用

1 引言

隨著人造衛(wèi)星發(fā)射成功，遙感對(duì)地觀測技術(shù)為能量平衡這課題帶來了新的生命力。利用遙感數(shù)據(jù)可確定地表溫度、濕度以及地表植被類型、參數(shù)等，而這些因子都直接影響土壤－植被－大氣系統(tǒng)的水熱交換;另外，衛(wèi)星傳感器的觀測范圍廣、獲取信息量大、速度快等優(yōu)點(diǎn)也能夠較客觀的反映近地層水熱通量的大小及變化過程，這些就為大面積監(jiān)測地表水熱通量區(qū)域分布的研究提供了極大的優(yōu)勢。在經(jīng)典的能量平衡理論的基礎(chǔ)上，探討利用遙感技術(shù)推算能量平衡方程中的各組分，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和其他領(lǐng)域，在監(jiān)測農(nóng)作物產(chǎn)量、地表蒸散發(fā)量、農(nóng)田干旱等領(lǐng)域。

2 干旱遙感監(jiān)測中能量平衡模型的機(jī)理

黑龍江省基于遙感資料研究地表能量平衡的起步較晚，2002年開始黑龍江省旱情信息中心應(yīng)用極軌氣象衛(wèi)星云圖對(duì)作物蒸發(fā)散及潛熱通量進(jìn)行了研究。如用NOAAAVHRR資料和地面氣象資料估算了作物蒸散和土壤含水量;從能量平衡方程出發(fā)，用衛(wèi)星熱紅外數(shù)據(jù)，估算大面積的蒸發(fā)散。

目前基于能量平衡原理推求土壤含水量及分布特征的研究工作中，主要是蒸散發(fā)的遙感反演或是利用干旱遙感指數(shù)對(duì)旱情進(jìn)行評(píng)估，現(xiàn)有的模型方法基本上都是經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)公式，其中有些模型的物理理論基礎(chǔ)明確，但計(jì)算過程復(fù)雜，對(duì)地面實(shí)測資料依賴太多，因而計(jì)算結(jié)果的精度不高。因而以能量平衡方程為理論基礎(chǔ)，將遙感反演蒸散發(fā)與干旱遙感指數(shù)兩種方法加以融合，并對(duì)前人的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，以簡單的實(shí)用化作物缺水指數(shù)作為監(jiān)測干旱的指數(shù)，對(duì)黑龍江省進(jìn)行旱情監(jiān)測，可以提高干旱監(jiān)測實(shí)用化程度。

地表得到的凈輻射是各種熱量交換的起點(diǎn)，其能量分配形式主要包括用于大氣升溫的感熱通量，用于水分蒸發(fā)、凝結(jié)的潛熱通量，用于土壤或其他下墊面升溫的土壤熱通量，另外還有一部分消耗于植被光合作用和生物量增加，這一部分能量通常所占比例較小，常常被忽略不計(jì)。能量平衡原理近地面能量平衡方程式為:

式中:Rn為地表凈輻射;LE為潛熱通量;G為土壤通熱量。所有通量都以W/m2為單位。

圖1 地表凈輻射能量分布圖

在可見——近紅外波段，用遙感方法估算土壤含水量信息最佳的深度只是土壤表層10 cm之內(nèi)。當(dāng)有植被或作物覆蓋時(shí)，可見——近紅外波段探測的土壤含水量精度難以保證。

作物缺水指數(shù)(Crop water stress index，CWSI)，其表達(dá)式為:

式中:Ed為實(shí)際蒸散發(fā)量;E0為潛在蒸散發(fā)量，或稱蒸散發(fā)能力，即在充分供水條件下的蒸散發(fā)能力。然后通過CWSI求取土壤含水量，相關(guān)研究表明，CWSI與作物對(duì)水分的提取有很好的關(guān)系。作物缺水指數(shù)是計(jì)算能量平衡的基本公式。在利用能量平衡方程監(jiān)測旱情時(shí)，關(guān)鍵在于計(jì)算蒸散發(fā)量。在利用遙感方法計(jì)算蒸散發(fā)時(shí)，首先要對(duì)遙感數(shù)字圖像進(jìn)行預(yù)處理，通過極軌氣象衛(wèi)星的第一、二、四、五通道，獲得地表反照率(a)、植被指數(shù)(NDVI)和蒸發(fā)散表面溫度(T0)這幾個(gè)參數(shù)的影像圖，并在GIS技術(shù)支持下進(jìn)行空間插值，根據(jù)地面站點(diǎn)的位置從圖上可讀出各站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)數(shù)值。然后分別計(jì)算公式中Rn、H、G各分項(xiàng)值，最后便可得到瞬時(shí)的蒸發(fā)散值LE。由于進(jìn)行旱情監(jiān)測時(shí)我們感興趣的是一天總的蒸發(fā)散量，因而就需要根據(jù)瞬時(shí)的蒸發(fā)散值推求出一天的蒸發(fā)散量值。

3 求解蒸散發(fā)的思路

基于能量平衡的干旱遙感監(jiān)測模型在求解蒸散發(fā)日總量時(shí)的思路如下:首先，根據(jù)在晴天條件下顯熱通量與凈輻射之比在正午時(shí)等于全天的比值，如果認(rèn)為日顯熱通量與瞬時(shí)顯熱通量之比為凈輻射折算系數(shù)的話，那么就是說一天的凈輻射總量是可通過凈輻射折算系數(shù)由瞬時(shí)凈輻射值得到，然后利用波文比能量平衡法的優(yōu)點(diǎn)，避免考慮求算日土壤熱通量，直接由計(jì)算得到的瞬時(shí)顯熱通量、潛熱通量及凈輻射量計(jì)算日潛熱通量;最后根據(jù)日潛熱通量推算日蒸散發(fā)量。另外，在推算日蒸散發(fā)總量時(shí)，考慮到不同氣溫對(duì)應(yīng)的水分汽化當(dāng)量是不同的，通過氣溫與水汽當(dāng)量的線性相關(guān)關(guān)系，用日平均氣溫對(duì)應(yīng)的汽化當(dāng)量推算日蒸發(fā)散總量。

用模型計(jì)算的日蒸散發(fā)結(jié)果與潛在蒸發(fā)散相比就得到作物缺水系數(shù)，進(jìn)而可對(duì)干旱的發(fā)生和分布進(jìn)行監(jiān)測。通過在黑龍江省的數(shù)值試驗(yàn)，證明該種方法監(jiān)測旱情結(jié)果的精度可滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。

利用遙感技術(shù)可獲取能量平衡方程中物理項(xiàng)的信息，這就是利用能量平衡方程的理論基礎(chǔ)。而作物缺水指數(shù)模型中，潛在蒸散發(fā)能力E0的求算涉及很多地面實(shí)測資料，而要獲得與衛(wèi)星過境時(shí)同步的地面資料就更加難以實(shí)現(xiàn)。因此以能量平衡方程為基礎(chǔ)，用NOAA極軌氣象衛(wèi)星的數(shù)據(jù)資料和盡量少的地面氣象站資料，通過經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)公式估算能量平衡方程中各分量值，求算出實(shí)際蒸散發(fā)量Ed及潛在蒸散發(fā)值E0，計(jì)算作物缺水指數(shù)CWSI，進(jìn)而對(duì)旱情的分級(jí)及空間分布進(jìn)行半定量的評(píng)估。

作物缺水指數(shù)模型是根據(jù)作物冠層能量平衡方程式推導(dǎo)出來的，Ed和E0兩個(gè)都是物理學(xué)指標(biāo)，理論上Ed≤E0。Ed越小，CWSI越大，反映了土壤供水能力越差，即土壤越易發(fā)生干旱。由于蒸散發(fā)量與土壤含水量即供水能力有很大關(guān)系，所以CWSI與土壤含水量有密切關(guān)系，且共同反映了土壤的干旱程度。

目前所建立的作物缺水指數(shù)與土壤含水量的模型都是統(tǒng)計(jì)線形關(guān)系。普遍認(rèn)為，用作物缺水指數(shù)估算土壤含水量平均相對(duì)誤差在20%左右是可以接受的精度。但對(duì)于土壤不缺水的狀況該方法只能給出一個(gè)下限，而不能給出這種狀況土壤水分的量級(jí)。

4 結(jié)語

綜上所述:遙感監(jiān)測中基于能量平衡原理的作物缺水指數(shù)CWSI與土壤水分狀況有密切的關(guān)系。在缺少土壤水分實(shí)測資料的情況下，可利用作物缺水指數(shù)來對(duì)干旱進(jìn)行監(jiān)測，半定量地給出土壤嚴(yán)重干旱、中旱、輕旱、正常和濕潤等的分布圖，以利于合理指導(dǎo)農(nóng)田灌溉，推動(dòng)節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展。CWSI的值為0～1，其值越大表示土壤含水率越低，作物越缺水。

［1］ 龐治國.干旱遙感監(jiān)測模型研究及墑情預(yù)報(bào)探索［D］.北京:中國水利水電科學(xué)研究院，2005.

［2］ 李芳花，司振江，黃彥，劉迪.黑龍江省墑情監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的應(yīng)用研究［C］//中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì).2005年中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)論文集.廣州:中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)，2005.

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1007－7596(2011)05－0001－02

2011－04－20

劉迪(1979－)，男，黑龍江林甸人，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)水土工程研究等工作;馬占岳(1981－)，男，黑龍江哈爾濱人，助理工程師，主要從事農(nóng)田水利試驗(yàn)研究等工作。