基于SEBAL模型的地表蒸散發(fā)量遙感估算：以蒲城縣為例

楊亮彥

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075; 2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075; 3.自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075; 4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075)

地表蒸散發(fā)是地球表面水量和熱量平衡的重要組成部分，與全球能量、碳及水循環(huán)密切關(guān)聯(lián)[1]。地表蒸散發(fā)包括地表蒸發(fā)和植被蒸騰。從水循環(huán)角度看，全球濕潤(rùn)區(qū)降雨量的60%由地表蒸散發(fā)消耗，在干旱區(qū)達(dá)90%；從能量平衡角度看，地表蒸散發(fā)過(guò)程消耗的能量占全球可利用能量的59%[2]。同時(shí)，地表蒸散發(fā)廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物估產(chǎn)、水資源配置等方面。因此，地表蒸散發(fā)量的精確估算不僅可為全球水循環(huán)變化的研究提供科學(xué)依據(jù)，還能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需求。

蒲城縣位于陜西省東部，關(guān)中平原東北部，地形以臺(tái)塬為主，地勢(shì)呈西北高東南低，屬于典型的溫帶大陸性氣候，多年平均氣溫13.7℃左右，最冷月和最熱月分別為1月和7月；年平均日照時(shí)數(shù)超過(guò)2 200 h，多年平均降水量為520 mm。蒲城縣氣候濕潤(rùn)較溫暖，光照充足，四季分明，適宜人生活和農(nóng)作物生長(zhǎng)。蒲城縣是全國(guó)100個(gè)優(yōu)質(zhì)小麥基地縣之一和生態(tài)治理重點(diǎn)縣，是陜西最大的果品生產(chǎn)基地，全國(guó)果品生產(chǎn)百?gòu)?qiáng)縣之一[3]。為蒲城縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供依據(jù)，利用Landsat-8遙感數(shù)據(jù)，基于SEBAL模型獲取該縣不同日期的日蒸散發(fā)量，分析區(qū)域內(nèi)蒸散發(fā)量的時(shí)空分布。

1 資料來(lái)源與研究方法

1.1 資料來(lái)源

Landsat-8遙感數(shù)據(jù)由地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)提供，選取覆蓋蒲城縣的遙感影像，其軌道號(hào)為127，036。由于天氣影響，選取2014年11月3日、2016年5月16日、2016年6月17日和2017年4月17日四期Landsat-8遙感影像作為研究對(duì)象。

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)，包括蒲城站(站點(diǎn)號(hào)為53948)1951年1月以來(lái)的氣壓、氣溫、降水量、蒸發(fā)量、相對(duì)濕度、風(fēng)向風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和0 cm地溫要素的日值數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

SEBAL模型是Basitaansscn等在1998年基于能量平衡原理建立的地表能量平衡算法，該算法因所需地表參數(shù)較少而廣泛應(yīng)用于地表蒸散發(fā)的研究[4]?；竟剑?/p>

Rn=H+Gn+λET

式中，Rn表示地表凈輻射通量；H表示感熱通量；Gn表示土壤熱通量;λET表示潛熱通量，λ的取值與溫度有關(guān)。

為驗(yàn)證模型反演結(jié)果的可信度，需對(duì)模型估算結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。因缺乏地表實(shí)測(cè)蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，無(wú)法滿足與模型估算結(jié)果進(jìn)行直接精度驗(yàn)證，故利用蒲城氣象站點(diǎn)日蒸散發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行間接驗(yàn)證。

2 結(jié)果與分析

2.1 日蒸散發(fā)量精度的驗(yàn)證

從圖1可知，SEBAL模型反演結(jié)果與蒲城氣象站蒸散發(fā)量基本一致，整體絕對(duì)誤差為0.72 mm/d，處于合理范圍。說(shuō)明，SEBAL模型的估算精度能滿足研究需求。

2.2 蒲城縣日蒸散發(fā)量時(shí)空變化規(guī)律

蒸散發(fā)是氣象條件、土地利用類型、地形地貌等因素綜合影響的結(jié)果，且隨時(shí)間推移呈明顯的季節(jié)性變化[5]?；赟EBAL模型反演蒲城縣的日蒸散發(fā)量見(jiàn)圖2，4月為植被生長(zhǎng)初期，日蒸散發(fā)量在0～7.5 mm/d；日蒸散發(fā)量低的區(qū)域分布在西北山區(qū)和蒲城縣城區(qū)，其土地利用類型為裸地和建筑用地，地表水分含量較少。5月氣溫升高，日蒸散發(fā)量逐漸升高，在0～9.5 mm/d，但北部出現(xiàn)大面積蒸散發(fā)量較低的區(qū)域，該區(qū)域是蒲城縣蔬菜種植區(qū)，5月已完成收獲，因此北部出現(xiàn)大面積蒸散發(fā)量較低的現(xiàn)象。蒲城縣主要農(nóng)作物是小麥和玉米，主要經(jīng)濟(jì)作物為梨，6月是小麥的收獲期，而經(jīng)濟(jì)作物處于生長(zhǎng)期，因此6月中旬呈現(xiàn)日蒸散發(fā)量高低交錯(cuò)的現(xiàn)象。11月氣溫逐漸降低，植被生長(zhǎng)進(jìn)入末期，地表含水量下降，全縣蒸散發(fā)量較低。

2.3 日蒸散發(fā)量與植被指數(shù)(NDVI)的關(guān)系

為了進(jìn)一步量化地表特征參數(shù)與蒸散發(fā)量之間的關(guān)系，通過(guò)取點(diǎn)回歸發(fā)現(xiàn)(圖3)，NDVI與蒸散發(fā)量之間呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.669 3。說(shuō)明，該地區(qū)地表蒸散發(fā)受下墊面特征的影響較為顯著，植被蒸騰占蒸散發(fā)的比重較大。

3 結(jié)論與討論

利用Landsat-8遙感數(shù)據(jù)，基于SEBAL模型獲取蒲城縣不同日期的蒸散發(fā)量，結(jié)果表明，4—6月蒲城縣蒸散發(fā)量高低區(qū)域分布變化較大，主要原因是地表在農(nóng)作物收獲后變?yōu)槁阃粒狈χ脖徽趄v。通過(guò)與氣象站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行間接驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，基于SEBAL模型反演結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差為0.72 mm/d，誤差在合理范圍。通過(guò)取點(diǎn)回歸發(fā)現(xiàn)，植被指數(shù)與蒸散發(fā)量呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.669 3。表明，基于SEBAL模型反演地表蒸散發(fā)量在農(nóng)業(yè)區(qū)具有較好的應(yīng)用效果。但由于受天氣影響，農(nóng)業(yè)區(qū)的遙感影像多存在云量過(guò)多的問(wèn)題，需在后期的研究中不斷改進(jìn)。