修正型指数化蒸散模型对中国华北地区干旱监测应用

修正型指数化蒸散模型对中国华北地区干 旱监测应用 摘要对一个指数化蒸散模型进行引进、 关键词遥感；蒸散；干旱监测 中图分类号P405文献标识码A文章编号0439-8114 2014 04-0771-06 The Improvement of the Exponential Evapotranspiration ET Model and Its Application on Monitoring Drought in Northern China ZHENG You-feia, b, JIANG Fei-yana, WU Rong-juna, b a. College of Atmospheric Physics； b. College of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Ination Science Technology, Nanjing 210044, China Key words remote sensing； evapotranspiration； drought monitoring 干旱是一种缓慢潜在的自然灾害，也是人类面临的主要 自然灾害之一。干旱灾害具有发生频率高、持续时间长、影 响范围广、后续影响大等特点，对生态环境和农业造成非常 大的危害［1］。随着经济发展和人口膨胀，水资源短缺现象 日趋严重，这也直接导致了干旱地区的扩大和干旱化程度的 加重。在全球气候变化背景下，干旱灾害的不确定性和随机 性相应增强，带来的危害也越来越难以控制，怎样有效地监 测干旱成为人们所关心的问题。 卫星遥感技术具有宏观、快速、动态、经济等特点。研 究人员将瞬时的蒸散速率与卫星所观测到的地表温度和植 被覆盖部分相联系起来，得到了许多干旱监测模型，如温度 与植被指数的特征三角空间方法［2］ Temperature/NDVI triangle 、陆地表面能量平衡算法［3］ Surface energy balance algorithm for land, SEBAL、地表能量 平衡系统［4］ Surface energy balance system, SEBS和 双层能量平衡模型［5］ Two-source energy balance model, TSEB等。Carlson等［6］和Gillies等［2］都针对土壤和水 分评估工具SWAT提出了 LST-NDVI特征三角空间方法的 反转技术用来估算土壤湿度o Nagi er等［7］利用SEBS能量平 衡方程估算了美国西部的河岸植被的蒸散情况。 Verstraeten等［8］结合物理模型和经验模型预测大面积的 蒸散值。这些蒸散模型都以能量传输的物理过程为基础，输 入一系列通过遥感或地面仪器直接或间接测量的数据，再利 用余项法，通过地表能量平衡来估算蒸发散射ET。在估 算地表通量时，需要大量的地表观测数据［9, 10］,且需要 复杂的地面模型和遥感数据配合，使得计算过程变得繁杂 [11]。 本研究通过引进、修正并验证一个简单的线性双层经验 蒸散方程，在验证模型准确性的基础上，利用模型计算得到 的蒸散干旱指数EDI对中国华北地区一次干旱事件进行 监测，开展历史实证研究，检验模型在实际干旱监测工作中 的应用前景。 1材料与方法 1.1数据资料 本研究建模及进行干旱监测时所用到的遥感数据主要 有全球能源和水循环试验The global energy and water cycle experiment, GEWEX的长、短波辐射数据，分辨率 为1 Xl ；中分辨率成像光谱仪MODIS Moderate-resilution imaging spectroradio-meter的 L2级产品M0D11系列的日夜地表温度，及16天合成产品 MOD 13系列的MODIS加强型植被指数Enchanced vegetation index, EVI,分辨率都为 0. 05 X0. 05 。 为得到修正型指数化蒸散模型的系数，从ARM Atmospheric radiation measurement美国和欧洲通量 观测网站上选取了分布全球的21个站点表1的地面观测 数据，利用非线性回归分析得到模型系数。 1. 2修正型指数化蒸散模型 2.2模型应用 在模型的应用阶段，选取了华北地区的一次干旱过程， 利用改进后的模型进行监测，并与帕默尔干旱指数（PDSI） 进行对比验证，以期检验修正型指数化蒸散模型在实际干旱 监测中的运用效果。 图3是对2002年春季华北地区的一次干旱事件进行监 测的过程。从整体上看，1〜6月，干旱首先是从华北北部， 即山西、河北西北部地区开始发展，之后逐渐扩大和加深， 至6月时，整个华北地区都处于一个较干旱的状态。2002年 1月，较干旱的点主要位于山西、河北省西北部，与内蒙古 接壤处。3月，干旱区域明显扩大，整个华北大部分地区都 出现了不同程度的干旱，EDI较大的地区主要还是在山西、 河北大部。整体上来看，整个河北地区的EDI分布都有不同 程度的上升，趋近于向干旱发展，且干旱程度由南向北呈逐 渐加深的趋势。进入4月，华北北部大部分区域都处于一个 较干旱的状态。5月时，华北北部干旱区域的EDI开始逐渐 减小。6月时，虽然河北北部的大部分地区EDI较前面几个 月减小了，但整个河北地区的平均EDI在一个上升的状态， 这也表明河北地区仍处于一个较干旱的状态。较往年同期， 华北大部分区域1〜3月的降水量普遍偏少4成以上，同时 气温又持续异常上升，所以导致了此次干旱事件的发生。 PDSI小于-3时表示干旱，而PDSI大于3时为湿润，这 与EDI的表示方法是相反的，EDI是数值越大则表示越干旱。 图4是相应的华北地区同时段的帕默尔干旱指数等值线分布 图。从图4中可以看到，与EDI分布情况相似，1月时，华 北北部的山西、河北等地都位于一个小的帕默尔指数分布中 心下，低值中心分别达到了-8和-10,说明此区域处于一个 非常干旱的状态。值得注意的是，帕默尔指数的监视结果显 示，华北地区较干旱的区域始终在北部地区，且1〜6月的 等值线图上看不到较明显的变化。说明帕默尔干旱指数不能 明确指明干旱发生发展的趋势变化，这与其自身的滞后性有 关，因其是对前期降水数据和土壤含水量的统计。不同于此, 图3中的EDI则能较好地表明干旱的发展趋势，因改进型指 数化蒸散模型是对实时数据进行计算而模拟得到实时的地 表蒸散情况，所以相应的干旱指数EDI也是对实时的地表干 旱情况的一个反映和监测，这是改进型指数化蒸散模型的一 大优势。 在前面研究的基础上，进一步做同时段华 北地区EDI与帕默尔干旱指数的空间分布散点图，分析两者 在空间上的相关性，也是对修正型指数化蒸散模型的进一步 验证。两者由于数值表示的意义不同，所以呈负相关关系。 图5的结果表明，EDI与帕默尔干旱指数在空间分布上具有 很好的相关性，2002年1〜6月，两者的决定系数范围达到