基于能量平衡的蒸散發(fā)模型研究進(jìn)展

基于能量平衡的蒸散發(fā)模型研究進(jìn)展

1蒸散發(fā)的地理分布模型蒸發(fā)和植被蒸發(fā)是土壤、氣和生物圈（et）的主要過程，也是水循環(huán)中最重要的組件之一。人類研究蒸散發(fā)已有很長的歷史,尤其是近半個(gè)世紀(jì)以來,從計(jì)算可能蒸發(fā)的Penman公式的建立,到估算非飽和面蒸發(fā)的Penman-Monteith公式的提出,再到基于植物生理、微氣象學(xué)的土壤-植被-大氣傳輸模型,人們?cè)噲D從理論上模擬和估算蒸散發(fā)。而為了得到真實(shí)的蒸散發(fā)值,亦發(fā)展起來眾多實(shí)測(cè)方法,如器測(cè)法、波文比-能量平衡法、田間水量平衡法、渦度相關(guān)法等。大量的理論和實(shí)踐證明,蒸散發(fā)及其時(shí)空分布與氣象狀況、土壤水分、植被等因素彼此關(guān)聯(lián)而又相互制約,難以準(zhǔn)確獲取。傳統(tǒng)估算和實(shí)測(cè)蒸散發(fā)的方法大都基于局地尺度。由于在較大空間尺度內(nèi)陸面特征和水熱傳輸具非均勻性,因此傳統(tǒng)方法難以獲得區(qū)域尺度的蒸散發(fā)。遙感技術(shù)的興起使估算區(qū)域尺度的蒸散發(fā)成為可能:非接觸大面積的遙感地表輻射和溫度狀況,直接提供了土壤-植被-大氣系統(tǒng)的界面能量信息;多光譜、多角度的遙感資料可反演蒸散發(fā)估算所涉及的下墊面特征參數(shù);多時(shí)相的熱慣量遙感可反映土壤和植被水分狀況。自20世紀(jì)70年代以來,涌現(xiàn)出許多估算蒸散發(fā)和地表通量的模型,而估算蒸散發(fā)的傳統(tǒng)方法也由于利用遙感數(shù)據(jù)所提取的信息在時(shí)空尺度上得以擴(kuò)展。2地表能量及地表輻射強(qiáng)度r利用遙感手段估算區(qū)域蒸散發(fā)(潛熱)的基本思想是豎直方向的能量平衡。忽略光合作用耗能和水平方向能量輸入的能量平衡方程為:式中,R為凈輻射通量,G為土壤熱通量,H為感熱通量,λE為潛熱通量。R由太陽入射角、地表反照率、地表比輻射率、地表溫度和大氣下行輻射等確定。G通常由R和下墊面特征參數(shù)如葉面積指數(shù)、NDVI等確定。H和λE的確定是遙感蒸散發(fā)模型的核心,而不同的遙感蒸散發(fā)模型在確定感熱通量和潛熱通量的過程中具有不同的角度和建構(gòu)思想。利用遙感數(shù)據(jù)可以獲取能量平衡各項(xiàng)所需的地表溫度、地表比輻射率以及地表反照率、葉面積指數(shù)、植被覆蓋度等下墊面特征參數(shù)。由于不同遙感模型的設(shè)計(jì)原理、對(duì)氣象要素和經(jīng)驗(yàn)關(guān)系依賴程度以及研究對(duì)象的特點(diǎn)不同,使其具有不同的實(shí)用性和反演精度。2.1空氣動(dòng)力學(xué)溫度taero模型刻畫凈輻射通量和湍流熱交換有兩種方式。一種是將能量界面當(dāng)作組分均勻的單層“大葉”,對(duì)土壤和植被不做區(qū)分。另一種是分別考慮土壤和植被水熱傳輸特性及其相互作用的多層模型,其中雙層模型被廣泛應(yīng)用。對(duì)于單層模型,感熱通量的基本表達(dá)式為:式中,Taero為空氣動(dòng)力學(xué)溫度,即土壤和植被水熱匯(源)處的溫度;Ta為參考高度(一般認(rèn)為在冠層上方2m)處的溫度;ra是空氣動(dòng)力學(xué)阻抗,是風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度和動(dòng)量傳輸粗糙長度zm的函數(shù);rex被稱為“剩余動(dòng)力學(xué)阻抗”。剩余動(dòng)力學(xué)阻抗由熱量傳輸阻抗大于動(dòng)量傳輸阻抗引起。McNaughton和VandenHurk認(rèn)為剩余動(dòng)力學(xué)阻抗與冠層的特征有關(guān),但從1973年開始,Garratt和Hicks用[ln(zm/zh)]/(0.4u*)來估計(jì)剩余動(dòng)力學(xué)阻抗rex,其中,In(zm/zh)=2,u*是摩擦速度。剩余動(dòng)力學(xué)阻抗近30年來一直是微氣象學(xué)領(lǐng)域研究的課題之一。Kustas等人用輻射溫度Trad代替式中的空氣動(dòng)力學(xué)溫度Taero,熱量傳輸粗糙長度與動(dòng)量傳輸粗糙長度的關(guān)系用kB-1表示,即zm=zhexp(kB-1)。kB-1與陸面特征、植被高度及結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。在下墊面均勻條件下,通常取zm/zh=10,即kB-1=2.3。因此,式(2)和式(3)又可表示為:通常,遙感數(shù)據(jù)可獲得地面輻射溫度Trad,但Trad與溫度剖面曲線zh高度的空氣動(dòng)力學(xué)溫度Taerd不同。不同的模型在處理Taero和Trad的差異上有不同的思路。例如Stewart等用“剩余阻抗”作為Trad代替Taero的調(diào)節(jié)因子,以減小二者的誤差。但剩余阻抗往往與觀測(cè)角度、風(fēng)速等因素有關(guān),其確定往往具有較大的經(jīng)驗(yàn)性。值得指出的是“剩余阻抗”與前述“剩余空氣動(dòng)力學(xué)阻抗”不是一個(gè)物理概念,在實(shí)踐中應(yīng)該區(qū)別對(duì)待。Troufieau等人直接對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)和地表溫度差進(jìn)行調(diào)整,通過實(shí)驗(yàn)確定經(jīng)驗(yàn)系數(shù),以消除Trad代替Taero的差異,并將kB-1系數(shù)或剩余動(dòng)力學(xué)阻抗整合在溫度差的調(diào)整中,因此感熱通量又可表示為:式中,α和β為實(shí)驗(yàn)所確定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù),與植被和地表特征有關(guān)。由于植被參數(shù)和地表特征的空間非均勻性,導(dǎo)致α和β亦有較大的空間非均勻性和不確定性,從而導(dǎo)致該方法在實(shí)踐中難以應(yīng)用。上述單層模型在求解出感熱通量以后,潛熱通量就是凈輻射通量扣除土壤熱通量和感熱通量的剩余,因此又稱為“剩余法”或“余項(xiàng)法”。單層模型在反演植被覆蓋度較高、下墊面均勻的陸面蒸散發(fā)時(shí)精度較高,并且由于所涉及的空氣動(dòng)力學(xué)阻抗能夠根據(jù)下墊面特征及常規(guī)氣象觀測(cè)資料較為容易求解,因此獲得廣泛應(yīng)用。單層模型中假設(shè)感熱和潛熱交換是在相同的空氣溫度下進(jìn)行的,水汽源是飽和的,冠層表面與葉片氣孔腔溫度相同,單層“大葉”與參考高度處的感熱和潛熱交換從同一高度開始。但自然界的植被冠層在大多數(shù)情況下并非單一和均勻致密。當(dāng)?shù)乇頌椴糠种脖桓采w時(shí),土壤和植被的水熱交換可能不在同一高度并且溫度也不相等,單層模型的假設(shè)不再成立。所以,單層模型反演精度較大程度上依賴熱量傳輸粗糙長度的精度以及輻射溫度與空氣動(dòng)力學(xué)溫度差的精度。因此,以弱化輻射溫度代替空氣動(dòng)力學(xué)溫度的經(jīng)驗(yàn)性,更真實(shí)地模擬稀疏植被覆蓋條件下土壤和植被的湍流交換,定量描述陸面特征的空間非均勻性對(duì)地表通量的影響,分別獲得植被和土壤的潛熱通量為目的,產(chǎn)生了一系列陸面參數(shù)化(LandSurfaceParameterization,SLP)方案的多層模型以及應(yīng)用較為廣泛的雙層模型(TwoSourceModel)并取得了較高的精度[5,6,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25]。其中,雙層模型根據(jù)土壤和植被的相互作用機(jī)制及阻抗聯(lián)結(jié)方式不同,又分為串聯(lián)模型(SeriesModel),平行模型(ParallelModel)以及補(bǔ)丁模型(PatchModel)或馬賽克模型(MosaicModel)等。2.2儲(chǔ)層蒸蒸發(fā)模型1948年,Penman提出基于能量平衡原理估算可能蒸發(fā)的公式,即Penman公式。Monteith于1965年將冠層阻抗的概念引入Penman公式中,表征植被生理作用和土壤供水狀況對(duì)潛熱通量的影響,以估算非飽和下墊面的實(shí)際蒸散發(fā),得到著名的Penman-Monteith公式。Penman-Monteith公式已經(jīng)被證明在估算致密冠層的蒸散發(fā)中有較好的效果。經(jīng)過合適定義表面阻抗后的PenmanMonteith公式也可以用在稀疏植被覆蓋的陸面蒸散發(fā)估算中。但由于決定表面阻抗的植被生理特征、環(huán)境因子、土壤供水狀況等因素較為復(fù)雜,致使表面阻抗本身難以確定,從而限制了PenmanMonteith公式空間尺度的擴(kuò)展。Shuttleworth于1991年提出了由串聯(lián)雙層模型衍生的PenmanMonteith公式。該模型假設(shè)冠層和土壤的水熱匯于冠層內(nèi)的假想高度處,并作為水熱通量源與大氣進(jìn)行湍流交換。1963年,Bouchet提出了著名的互補(bǔ)關(guān)系原理,即:濕潤環(huán)境下實(shí)際蒸散發(fā)和潛在蒸散發(fā)相等;隨著土壤水分減少,實(shí)際蒸散發(fā)減小,而潛在蒸散發(fā)增加,二者的增量絕對(duì)值相等;潛在蒸散發(fā)變化范圍為在濕潤環(huán)境下其值的1—2倍間。互補(bǔ)關(guān)系原理為估算實(shí)際蒸散發(fā)開辟了一個(gè)嶄新的途徑。以該原理為基礎(chǔ),根據(jù)濕潤環(huán)境蒸散發(fā)、潛在蒸散發(fā)的表達(dá)式不同,產(chǎn)生了一系列估算實(shí)際蒸散發(fā)的互補(bǔ)關(guān)系模型。遙感手段可以提供彭曼類蒸散發(fā)模型中計(jì)算凈輻射和土壤熱通量的參數(shù)和各種阻抗所涉及的部分下墊面特征參數(shù),但阻抗中涉及的土壤水分狀況和植被生理特征較難為遙感手段直接獲得。除此以外,彭曼類模型在應(yīng)用到區(qū)域尺度時(shí),還需要精確模擬參考高度溫度場、風(fēng)速場和濕度場,而氣象模型往往由于空間分辨率較低而不能滿足蒸散發(fā)估算的精度要求。因此彭曼類模型較多地依賴于氣象數(shù)據(jù)和植被特征(如葉面積指數(shù)、植被覆蓋度、最小氣孔阻抗等)。但迄今為止,互補(bǔ)關(guān)系原理中潛在蒸散發(fā)和實(shí)際蒸散發(fā)增量絕對(duì)值相等尚未得到證明,同時(shí)由于濕潤環(huán)境蒸發(fā)和非飽和面潛在蒸發(fā)有多種定義,致使基于該原理的蒸散發(fā)模型估算結(jié)果會(huì)有較大的差別。2.3關(guān)于蒸飽和指數(shù)與地表溫度關(guān)系的研究各種遙感蒸散發(fā)模型對(duì)經(jīng)驗(yàn)和機(jī)理的依賴程度有所不同。機(jī)理模型里也有經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)的估計(jì),經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠镆灿形锢頇C(jī)制的成分。這里所指的遙感經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒簧婕巴牧鹘粨Q機(jī)理和能量平衡中感熱通量的精確計(jì)算,直接建立對(duì)蒸散發(fā)較為敏感和重要的氣象或下墊面特征與蒸散發(fā)(潛熱)或蒸發(fā)比的關(guān)系以估算蒸散發(fā)。Jackson等人于1977年得到田間尺度的日蒸散發(fā)量同午間瞬時(shí)地表溫度和參考高度溫度差的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。Seguin和Itier對(duì)遙感熱紅外數(shù)據(jù)獲得的地表溫度估算日蒸發(fā)量作了進(jìn)一步的闡釋,之后該方法在大尺度遙感蒸散發(fā)估算中被應(yīng)用。這類方法的一般關(guān)系可表示為:式中,A和B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),隨研究區(qū)而不同;Rday為日凈輻射,日土壤熱通量晝夜抵消可忽略不計(jì);Ts為地表溫度,可以從星載或機(jī)載傳感器的熱紅外波段反演獲得。此關(guān)系隱含蒸發(fā)比或波文比在一日之內(nèi)恒定這一假設(shè)。有學(xué)者認(rèn)為A和B是風(fēng)速、粗糙長度和大氣穩(wěn)定度的函數(shù),試圖減小A和B確定時(shí)的經(jīng)驗(yàn)性,尋找不局限于局地尺度的A和B的表達(dá)式。Carlson和Buffum認(rèn)為參考高度氣溫Ta應(yīng)該取在地表上方50m處,此處空氣處于穩(wěn)定均勻狀態(tài),(Ts-Ta)n中的指數(shù)n和B是NDVI3的函數(shù)?；谥脖桓采w度對(duì)蒸散發(fā)影響的認(rèn)識(shí),Moran,Carlson,Nemani等揭示了NDVI和Ts的關(guān)系,認(rèn)為植被指數(shù)(NDVI,SAVI等)與地表溫度有關(guān),而地表溫度與蒸散發(fā)有關(guān),從而為分析植被指數(shù)和溫度的關(guān)系最終獲得蒸散發(fā)開辟了新的途徑。Carlson,Price,Lambin等人認(rèn)為植被指數(shù)與Tw的空間變異常存在三角形關(guān)系。較低的地表溫度對(duì)應(yīng)濕潤或植被覆蓋下墊面(冷邊),較高溫度對(duì)應(yīng)干燥或土壤裸露下墊面(熱邊)。通過揭示NDVI與Ts的關(guān)系以獲得蒸發(fā)比已有很多成功的例證。Moran等對(duì)灌溉農(nóng)田和草地的研究顯示,地表與大氣的溫差與土壤調(diào)節(jié)系數(shù)呈現(xiàn)一種接近梯形的關(guān)系。通過確定梯形的“干邊”和“濕邊”以計(jì)算作物水分脅迫指數(shù)(CropWaterStressIndex,CWSI)。Carlson等利用NDVI與Ts的關(guān)系提出了一種估計(jì)根區(qū)和土壤表面水分以及植被覆蓋度的方法。Jiang和Islam利用三角形關(guān)系,逐像元估算了Priestley-Taylor系數(shù),從而利用Priestley-Taylor公式估算了美國南大平原的蒸散發(fā)。Roerink等提出了簡化的能量平衡指數(shù)模型(SimplifiedSurfaceEnergyBalanceIndex,S-SEBI)。該模型利用反照率同地表溫度的關(guān)系估計(jì)“干邊”和“濕邊”,即地表溫度的邊界,以反映土壤水分狀況,從而利用地表反照率和地表溫度直接獲取蒸發(fā)比。遙感經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牧硪环N思路是探討植被指數(shù)和作物系數(shù)的關(guān)系,通過氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算作物潛在蒸散發(fā)(參考蒸散發(fā)),乘以作物系數(shù)就可以得到作物實(shí)際蒸散發(fā)量。但是,決定作物系數(shù)的因素很多(如作物種類、生育期、土壤水分等),單純以植被指數(shù)估計(jì)作物系數(shù)存在較大不確定性。張仁華從表觀熱慣量中挖掘信息潛力,提出了差分熱慣量的概念,建立了表觀熱慣量與波文比之間的關(guān)系,嘗試以新的思路求解潛熱通量。遙感經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥畲蟮膬?yōu)越性在于不需要?dú)庀笥^測(cè)數(shù)據(jù),僅用遙感數(shù)據(jù)反演的地表溫度、地表反照率、植被指數(shù)等參數(shù)就可以逐像元計(jì)算蒸發(fā)比和潛熱通量,規(guī)避了機(jī)理模型中所需氣象場模擬的不確定性,可以用于無氣象資料地區(qū)的蒸散發(fā)估算,簡單實(shí)用。但是該方法需要遙感影像范圍內(nèi)大氣狀況相對(duì)穩(wěn)定,且差異不大,并存在極干和極濕的區(qū)域。如果“干邊”和“濕邊”附近的離散點(diǎn)較多,將使得其確定具較大的經(jīng)驗(yàn)性。在以定量化和高精度為目的的蒸散發(fā)反演中,遙感經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗x精確估算區(qū)域尺度蒸散發(fā)還有距離,而機(jī)理模型更為常用。3空氣動(dòng)力學(xué)阻抗3.1SEBALBastiaanssen等提出陸面能量平衡算法(SurfaceEnergyBalanceAlgorithmforLand,SE-BAL)估計(jì)能量平衡方程各分量。該模型應(yīng)用于晴朗天氣條件下具有“極干”和“極濕”表面的研究區(qū),利用遙感可見光、近紅外和熱紅外數(shù)據(jù),反演地表反照率、NDVI、地表比輻射率、地表溫度等參數(shù),結(jié)合較少氣象參數(shù),如大氣溫度、風(fēng)速和大氣透過率及植被高度等下墊面信息,不需要進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,就可以得到不同土地覆被類型的凈輻射通量、土壤熱通量和感熱通量,用剩余法得到潛熱通量(蒸散發(fā))。該模型為眾多研究案例證明是有效和實(shí)用的[61,62,63,64,65,66,67]。SEBAL是基于能量平衡的單層模型。其核心思想在于通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):地表輻射溫度與空氣動(dòng)力學(xué)溫度和氣溫的差有良好的線性關(guān)系。通過選擇圖像上的“極冷點(diǎn)”(植被覆蓋度高,地表溫度最低,H=0)和“極熱點(diǎn)”(植被覆蓋度低,地表溫度最高,λE=0)求解線性回歸系數(shù)初始值a和b,模型中的kB-1取2.3。聯(lián)合初始a和b值求解感熱通量。用初始H值計(jì)算Monin-Obukhov長度并進(jìn)行大氣穩(wěn)定修正。得到修正以后的空氣動(dòng)力學(xué)阻抗后,重新取“極熱點(diǎn)”對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)阻抗值,確定線性回歸系數(shù)a和b。重復(fù)上述過程,迭代至“極冷點(diǎn)”和“極熱點(diǎn)”的空氣動(dòng)力學(xué)阻抗及a和b均收斂為止。其中,穩(wěn)定修正函數(shù)有多種表示方式。SEBAL中感熱通量的算法不涉及氣溫、濕度等氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),利用Monin-Obukhov相似假設(shè),通過“極冷點(diǎn)”和“極熱點(diǎn)”確定空氣動(dòng)力學(xué)溫度與氣溫差的線性回歸系數(shù),迭代求解感熱通量。這樣一個(gè)機(jī)制保證了熱量傳輸粗糙長度、溫度梯度與感熱通量耦合關(guān)系的自動(dòng)調(diào)整,使遙感輻射溫度直接用在感熱通量的計(jì)算中,規(guī)避了剩余阻抗的經(jīng)驗(yàn)性調(diào)整和氣象要素插值帶來的誤差。SEBAL的主要不足在于:(1)研究區(qū)需要存在極冷和極熱地表面,并且在“極冷點(diǎn)”和“極熱點(diǎn)”的選擇中,應(yīng)該排除地表溫度的離群值。例如,“極冷點(diǎn)”有可能是薄云,而不是真實(shí)地表的最低溫度。冷熱點(diǎn)的選擇具較大經(jīng)驗(yàn)性,熱點(diǎn)粗糙長度對(duì)感熱通量的計(jì)算較為敏感;(2)在求解潛熱通量時(shí),模型使用剩余法。感熱通量求解獨(dú)立于遙感反演的能量收入項(xiàng),而采用所有像元中選擇的冷熱點(diǎn)提供的同一邊界條件。由于風(fēng)速和地表溫度反演的不確定性,感熱通量有可能超過能量收入,這會(huì)對(duì)反演潛熱通量帶來誤差;(3)在復(fù)雜地形和下墊面條件下,地表粗糙長度會(huì)有很大不確定性,用經(jīng)驗(yàn)的辦法定義粗糙長度會(huì)產(chǎn)生誤差。3.2SEBS荷蘭籍華人蘇中波提出陸面能量平衡系統(tǒng)(SurfaceEnergyBalanceSystem,SEBS)估算湍流熱通量。SEBS利用遙感數(shù)據(jù)和氣象觀測(cè)資料,可獲得非均勻下墊面尺度不同的地表湍流熱通量和蒸發(fā)比。它包括4個(gè)模塊:(1)利用遙感數(shù)據(jù)反演地表物理參數(shù),例如地表反照率、比輻射率、地表溫度、植被覆蓋度等;(2)結(jié)合Choudhury和Monteith提出的完全植被覆蓋下kB-1系數(shù)計(jì)算模式,Brutsaert提出的裸地kB-1系數(shù)計(jì)算模式,提出計(jì)算部分植被覆蓋條件下的kB-1,從而確定熱量傳輸粗糙長度;(3)根據(jù)莫寧-奧布霍夫相似(Monin-ObukhovSimilarity,MOS)或整體大氣邊界層相似(BulkAtmosphericBoundaryLayerSimilarity,BAS)原理,利用風(fēng)速、參考高處溫度、地表溫度計(jì)算感熱通量,并分大氣近地面層(AtmosphericSurfaceLayer,ASL)或大氣邊界層(AtmosphericBoundaryLayer,ABL)尺度進(jìn)行穩(wěn)定修正;(4)利用逐像元極限狀態(tài)的能量平衡原理為感熱通量提供邊界條件,求得相對(duì)蒸發(fā)比,從而確定潛熱通量。SEBS屬于單層模型的范疇,但其在處理熱量傳輸粗糙長度時(shí)與一般的單層模型有顯著區(qū)別(圖1)。熱量傳輸粗糙長度因受地形、環(huán)境變量和下墊面幾何特征等眾多因素影響而十分復(fù)雜,導(dǎo)致利用地表輻射溫度在陸面湍流通量和蒸發(fā)比估算當(dāng)中帶來較大不確定性。而眾多的研究中都取固定kB-1值或直接取固定zh。SEBS的主要?jiǎng)?chuàng)新之一是,提出了在kB-1的參數(shù)化計(jì)算方法,減小了在反演大尺度非均勻地表面由于熱量傳輸粗糙長度不確定性所帶來的誤差。該算法如下:式中,fc是植被覆蓋率;fs=1-fc;Cd為葉片的拖曳系數(shù),一般取0.2;C,為葉片熱交換系數(shù),其取值范圍為0.005N≤Ct≤0.075N(N為葉片參與熱交換的面數(shù),取1或2);u(h)為冠層頂部的水平風(fēng)速(m/s);土壤熱交換系數(shù),Pr為Prandtl數(shù),取0.71;粗糙度Reynolds數(shù)Re*=hsu*/v,hs為土壤粗糙度長度,典型的土壤表面粗糙長度在0.005-0.02m之間,大氣動(dòng)力學(xué)粘度v=1.327×10-5(P0/P)(T/T0)1.81,其中,P,T分別為周圍環(huán)境壓力和氣溫,P0=101.3kPa,T0=273.17K;h為冠層高度。nec為冠層風(fēng)速剖面衰減系數(shù):在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中的基本單元是像元,因此各種地表特征參數(shù)都是指像元的有效平均值。kB-1的這一算法意味著SEBS比其他單層模型需要獲取更多下墊面信息。SEBS的另一個(gè)主要?jiǎng)?chuàng)新是基于能量平衡指數(shù)概念(SurfaceEnergyBalanceIndex,SEBI),逐像元計(jì)算“干限”和“濕限”的能量平衡以確定溫度梯度的邊界條件,使得反演的感熱通量被調(diào)整在可獲得能量、氣象要素和地表溫度所確定的范圍內(nèi)。而過去基于SEBI概念的方法是對(duì)所有的像元采用同一個(gè)邊界條件。逐像元的確定SEBI和熱通量使SEBS適合于與數(shù)值氣候預(yù)報(bào)模型耦合輸出大氣邊界層參數(shù),經(jīng)過數(shù)據(jù)同化后可為水文、氣象和生態(tài)模型提供精確的分布式輸入變量,提高模擬精度。SEBS的主要不足在于:(1)反演早晨或下午,即大氣在穩(wěn)定狀態(tài)和非穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)刻的通量誤差較大,這是由穩(wěn)定修正函數(shù)的局限所致;(2)對(duì)湍流通量反演較為敏感的風(fēng)速場、溫度場、濕度場需要足夠的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)才能夠應(yīng)用氣象模型進(jìn)行模擬以達(dá)到摩擦速度在25%以內(nèi),地表溫度與參考高度溫度差在2K以內(nèi)的精度范圍。經(jīng)驗(yàn)插值往往得不到較好的氣象場;(3)對(duì)kB-1的合理估計(jì)意味著需要更多的下墊面信息,在沒有研究區(qū)先驗(yàn)了解的情況下,較難減小KB-1的不確定性。3.3TSEB雙層能量平衡(TwoSourceEnergyBalance,TSEB)模型將陸面分為土壤和植被,通過輻射通量和定向輻射溫度分解,或利用Priestley-Taylor公式計(jì)算密集植被覆蓋或濕潤環(huán)境的組分溫度和熱通量初始值,建立組分能量平衡方程,聯(lián)立方程組求解組分熱通量或相關(guān)過程參數(shù)。其中較為典型的有Shuttleworth和Wallace于1985年提出的串聯(lián)模型和Norman等于1995年提出的平行模型。串聯(lián)模型將下層土壤與植被冠層看作上下疊加、彼此連續(xù)的湍流源。底層的水汽與熱量匯合于冠層內(nèi)的假想高度處,并通過頂層離開,從整個(gè)冠層發(fā)散的總熱通量是各層熱通量之和。而平行模型認(rèn)為土壤和植被是獨(dú)立通量源,分別與大氣進(jìn)行湍流交換。二者的阻抗聯(lián)結(jié)方式如圖2。TSEB采用比爾定律分解凈輻射通量:式中,Rns和Rnc分別為土壤和植被獲得的凈輻射,fc為植被覆蓋度。式中,α為衰減系數(shù),α=g/cos(θ),g是與葉角分布有關(guān)的參數(shù);θ是觀測(cè)天頂角。對(duì)于統(tǒng)一葉角分布的植被,g取0.5。植被和土壤的能量平衡方程分別為:對(duì)于平行雙層模型:式中,腳標(biāo)c和s分別表示冠層和土壤,rs為土壤表面阻抗。輻射溫度采用下列公式進(jìn)行分解:Becker和Li指出,對(duì)于8—14μm和10—12μm的波段范圍,n取4。如果遙感數(shù)據(jù)獲得兩個(gè)觀測(cè)角度的輻射溫度,可以聯(lián)立求解組分溫度Tc和Ts。但是,利用多角度分解輻射溫度必須進(jìn)行重采樣。對(duì)于僅有一個(gè)觀測(cè)角度的遙感數(shù)據(jù),需要利用Priestley-Taylor公式計(jì)算初始組分潛熱通量,聯(lián)立式(18)求得組分溫度和組分感熱通量,最后用剩余法分別得到潛熱通量。對(duì)于串聯(lián)雙層模型:同理,如果能夠利用輻射溫度分解Tc和T8,就可以求解Th,eh以及組分能量平衡方程。如果僅有一個(gè)觀測(cè)角,就需要利用Priestley-Taylor公式聯(lián)立公式(14)一公式(15),公式(19)一公式(20)求解。其中,ea和eh分別為參考高度和假想高度的水汽壓,各種阻抗由氣象要素、植被特征和土壤水分狀況決定,其表達(dá)式在眾多文獻(xiàn)中均有論述。綜上所述,雙層模型更真實(shí)地刻畫了土壤-植被-大氣系統(tǒng)(Soil-Vegetation-AtmosphereSystem,SVAT)水熱交換機(jī)制,在理論上比單層模型進(jìn)步,尤其是反演稀疏植被覆蓋條件下的水熱通量,其優(yōu)越性更為顯著。利用遙感熱紅外溫度分解組分溫度,將簡化雙層模型能量平衡方程的求解,回避利用Priestley-Taylor公式計(jì)算初始組分潛熱通量的經(jīng)驗(yàn)性。國內(nèi)外學(xué)者利用不同遙感數(shù)據(jù)和方法反演組分溫度已有很多研究。土壤和冠層與大氣間的水熱交換阻抗ras,rac以及冠層阻抗rsc涉及植被結(jié)構(gòu)、生理特征及土壤水分狀況,難以利用遙感數(shù)據(jù)直接獲取,這成為雙層模型在大尺度范圍反演蒸散發(fā)的主要障礙。另外,凈輻射分解受植被結(jié)構(gòu)、觀測(cè)角度等影響,會(huì)對(duì)通量反演帶來不確定性。4主要問題4.1日平均凈輻射的觀測(cè)和估算絕大多數(shù)遙感蒸散發(fā)模型計(jì)算的是衛(wèi)星過境時(shí)刻的瞬時(shí)潛熱通量,而在應(yīng)用當(dāng)中,往往需要小時(shí)、日乃至更長時(shí)段的通量或蒸散發(fā)。在日蒸散發(fā)反演中,SEBAL,SEBS等模型都是假定正午附近遙感瞬時(shí)蒸發(fā)比(λE/(λE+H)在一天之內(nèi)恒定的方法估算日蒸散發(fā)。如果衛(wèi)星是早晨或者下午過境,由于大氣處在穩(wěn)定和非穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)換階段,反演的蒸發(fā)比誤差較大。在此方法中,日平均凈輻射通量對(duì)反演精度有很大影響,需要對(duì)日平均凈輻射通量作精確的觀測(cè)或估算。但氣象臺(tái)站的輻射或日照觀測(cè)數(shù)據(jù)的代表性需充分評(píng)估。氣象臺(tái)站一般都處于地勢(shì)平坦、周圍少障礙物的區(qū)域,對(duì)平地有較好代表性。如果研究區(qū)地形復(fù)雜,坡度、坡向和周圍地形遮蔽均會(huì)對(duì)輻射產(chǎn)生顯著影響,尤其是在中高緯度地區(qū),反演蒸散發(fā)將會(huì)帶來較大誤差。這就需要考慮地形和氣象條件,用參數(shù)化的方法計(jì)算日平均凈輻射。Kimura等利用Allen提出的小時(shí)和日參考作物蒸散發(fā),將瞬時(shí)通量拓展為日蒸散發(fā),取得了比蒸發(fā)比方法更好的結(jié)果。Jackson等認(rèn)為在晴朗天氣下,日潛熱通量分布符合正弦函數(shù)規(guī)律:式中,t為時(shí)間變量,trise和tset分別為日出和日落時(shí)刻,λEmax為日最大潛熱通量。由衛(wèi)星過境時(shí)刻tpass,rise,tset和遙感瞬時(shí)潛熱通量可解λEmax,之后再對(duì)式t(21)積分,可得到日蒸散發(fā)。謝賢群經(jīng)過田間試驗(yàn)指出,農(nóng)田蒸散發(fā)開始晚于日出lh,結(jié)束提前日落lh。Batra等認(rèn)為,蒸散發(fā)開始晚于日出2h,結(jié)束提前日落1h。可見,利用此法需要根據(jù)試驗(yàn)研究確認(rèn)日蒸散發(fā)的起始時(shí)刻以調(diào)整公式(21)的周期,并且需要苛刻的氣象條件。對(duì)于長時(shí)間序列的拓展,一般利用遙感反演當(dāng)日的蒸發(fā)比分割鄰近的遙感影像缺失時(shí)段的日總輻射估算影像缺失時(shí)段的實(shí)際蒸散發(fā)。但未知時(shí)段與研究時(shí)段必須接近,否則誤差較大。4.2數(shù)-地表溫度關(guān)系的遙感模型有些領(lǐng)域(如作物需水監(jiān)測(cè))需要高頻次的遙感蒸散發(fā)結(jié)果。極軌氣象衛(wèi)星能夠提供足夠的時(shí)間分辨率,但空間分辨率過于粗糙又往往不能達(dá)到精度要求;可見光和近紅外波段的空間分辨率高于熱紅外波段,基于植被指數(shù)-地表溫度關(guān)系的遙感模型,需要注意地表溫度亞像元尺度的空間變異對(duì)植被指數(shù)造成的影響;在遙感與非遙感數(shù)據(jù)融合中,非遙感信息往往是基于點(diǎn)尺度,而遙感數(shù)據(jù)空間分辨率由米到公里不等。有學(xué)者定義“有效參數(shù)”(EffectiveParameter)使點(diǎn)尺度的信息與像元尺度信息相匹配,而另一種思路是以獲得亞像元尺度的土地覆被、組分溫度等為目的。這些融合或分離方法、誤差評(píng)價(jià)等仍需要進(jìn)一步研究。因此,尺度的問題非常復(fù)雜,包括:遙感參數(shù)反演中的尺度問題及其對(duì)通量計(jì)算的影響;如何確定不同尺度和不同下墊面狀況下適用的模型及參數(shù);如何考慮不同尺度上平流的影響;如何在不同尺度上進(jìn)行有效驗(yàn)證等。4.3結(jié)論introduction各種遙感蒸散發(fā)模型有不同的優(yōu)劣和適用條件,應(yīng)考察模型的假設(shè)和基本原理,結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn)和可獲得參數(shù),在進(jìn)行敏感性分析基礎(chǔ)上選擇合適的模型進(jìn)行蒸散發(fā)反演,對(duì)于一些經(jīng)驗(yàn)性模型還需要進(jìn)行參數(shù)率定。Zhan等對(duì)Kustas等提出的基于kB-1的單層模型、Troufleau等提出的基于輻射溫度經(jīng)驗(yàn)調(diào)整的單層模型、Norman等提出的平行雙層模型和Lhomme提出的溫差經(jīng)驗(yàn)調(diào)整雙層模型進(jìn)行了比較研究和敏感性分析,指出:平行雙層模型獲得最好的結(jié)果,其對(duì)Priestley-Taylor指數(shù)、葉面積綠度比例和輻射消減因子的敏感性較小,有較大的應(yīng)用潛力;而溫差經(jīng)驗(yàn)調(diào)整雙層模型對(duì)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)有較大的敏感性,誤差最大;單層模型的精度較大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和粗糙長度,粗糙長度的精確確定是提高單層模型反演精度的關(guān)鍵。單層模型假設(shè)土壤和植被的水汽阻抗相等,這在植被稀疏、土壤干燥的情況下會(huì)造成較大誤差。此外,應(yīng)注意各種模型的區(qū)別、聯(lián)系以及適用條件。Biftu和Gan經(jīng)過試驗(yàn)研究后指出:PenmanMonteith公式在計(jì)算致密冠層的針葉林和灌溉區(qū)有較好的效果,但是在估算混交林和草原效果不好,這與其冠層致密、供水充分的適用性條件相符。Granger和Gray提出的基于互補(bǔ)關(guān)系的模型在濕潤環(huán)境中應(yīng)用偏差較大,這是其相對(duì)蒸發(fā)主要由外動(dòng)力氣象因子決定而與凈輻射關(guān)系較小的定義所致。串聯(lián)雙層模型在各類土地覆被類型和土壤水分狀況下效果都比較好。Norman指出,在半干旱區(qū)稀疏叢生植被條件下,土壤和植被之間的作用比在致密冠層條件下小,平行雙層模型因其簡化計(jì)算流程而比串聯(lián)雙層模型更為適用。Chebhouni等在稀疏植被覆蓋下用阻抗面積加權(quán)的補(bǔ)丁模式亦得到較好效果。Blyth和Harding認(rèn)為叢生植被高與其間距之比較大的非均勻下墊面可當(dāng)作稀疏冠層,較小則當(dāng)作補(bǔ)丁模式,因此模型選擇應(yīng)考慮尺度。在補(bǔ)丁模式中,組分間沒有耦合,總通量為組分通量的面積加權(quán)和。而平行雙層模型認(rèn)為組分獨(dú)立與大氣進(jìn)行湍流交換,但又沿用了串聯(lián)模型總通量為組分通量和的假設(shè),因此自發(fā)表以來備受關(guān)注。在實(shí)際應(yīng)用中,采用串聯(lián)模式還是并聯(lián)模式,需要視組分間關(guān)系而定。如果植被覆蓋度較高,組分間上下排列,可選擇串聯(lián)模型;如果植被覆蓋度較低,組分間并聯(lián)排列,或叢生塊狀植被鑲嵌于土壤間,可選擇并聯(lián)模型。不過組分間的耦合強(qiáng)弱不僅與其排列模式和結(jié)構(gòu)有關(guān),還與外動(dòng)力條件有關(guān)。因此合理和定量的判斷組分間關(guān)系及阻抗聯(lián)結(jié)方式是利用雙層模型反演蒸散發(fā)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。4.4復(fù)雜地形下的生態(tài)響應(yīng)現(xiàn)有的遙感蒸散發(fā)模型大多數(shù)基于豎直方向的能量平衡原理,未考慮水平方向的能量輸入,反演非均勻下墊面熱通量時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤差。不同土地覆被類型由于植被類型、覆蓋率、反照率等性質(zhì)差異導(dǎo)致水熱傳輸機(jī)理的差異和可獲得輻射能量與土壤水分的不同。例如處在沙地或干旱環(huán)境中的水體、濕地、草地等,作為獨(dú)立冷源受到水平方向的干熱空氣和自身冷空氣的共同作用,形成冷源內(nèi)部的逆溫穩(wěn)定層,即“冷島效應(yīng)”;而對(duì)于冷源周圍的干旱環(huán)境,則會(huì)受到冷源水平輸送的水汽和本身土壤蒸發(fā)的共同作用,形成近地面層比濕隨高度遞增的“逆濕現(xiàn)象”。而在復(fù)雜地形條件下,能量、土壤水分和氣象要素的分布差異更大,平流的影響更為顯著,尤其是在不同土地覆被類型的過渡帶。目前的陸面參數(shù)化模式很少涉及平流與局地環(huán)流的過程和模擬,在估算非均勻下墊面和復(fù)雜地形的蒸散發(fā)時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤差。值得指出的是,應(yīng)用沒有考慮平流作用的模型計(jì)算陸面通量時(shí),如果感熱通量出現(xiàn)負(fù)值則不一定是平流作用造成的結(jié)果,有可能是地表溫度反演和氣象要素插值帶來的誤差或穩(wěn)定修正函數(shù)失效所致。4.5多通量遙感模演與亞像元尺度檢測(cè)精度檢驗(yàn)對(duì)應(yīng)用模型來說是最基本的要求之一。遙感蒸散發(fā)模型的精度檢驗(yàn),包括輸入關(guān)鍵參數(shù)的檢驗(yàn)和最終結(jié)果的檢驗(yàn)。輸入?yún)?shù)的檢驗(yàn)可保證過程和結(jié)果的一致性,避免由于累積誤差相抵導(dǎo)致結(jié)果偶然正確。最終結(jié)果的檢驗(yàn)一方面是評(píng)價(jià)估算值的精確程度,另一方面是根據(jù)誤差反饋掌握模型的適用性,以對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)。目前對(duì)于潛熱通量(蒸散發(fā))的檢驗(yàn)多利用實(shí)測(cè)的辦法,例如滲漏儀法、波文比法和渦度相關(guān)法。但是,實(shí)測(cè)潛熱通量往往只能代表特定的點(diǎn),而像元尺度的檢驗(yàn)則是目前所有遙感蒸散發(fā)模型均面臨的棘手問題。尤其是利用MODIS和NOAA這樣的中低分辨率數(shù)據(jù)反演的結(jié)果。在下墊面均勻條件下,可以認(rèn)為觀測(cè)數(shù)據(jù)在像元尺度上有較好的代表性。但是當(dāng)下墊面不均勻而地形復(fù)雜時(shí),點(diǎn)上的觀測(cè)數(shù)據(jù)就不具備像元尺度的代表性。測(cè)點(diǎn)位置的選擇、大氣邊界層變量的時(shí)段平均觀測(cè)值與遙感反演瞬時(shí)值是否等價(jià)、基于能量平衡方程閉合的波文比法和未經(jīng)過閉合的渦度相關(guān)法的差異以及通量觀測(cè)區(qū)范圍的確定等均會(huì)造成精度檢驗(yàn)上的困難。利用低分辨率數(shù)據(jù)反演的平均通量和參數(shù)可用經(jīng)過地面實(shí)測(cè)驗(yàn)證的高分辨率同一時(shí)段的遙感數(shù)據(jù)反演結(jié)果進(jìn)行亞像元尺度的整合,以比較和評(píng)價(jià)其結(jié)果。利用大孔徑閃爍儀(LargeApertureScintillometers,LAS)測(cè)量像元尺度平均感熱通量已有不少應(yīng)用案例。對(duì)于區(qū)域尺度的結(jié)果檢驗(yàn),有限的點(diǎn)抑或像元尺度上的檢驗(yàn)仍不是嚴(yán)格意義上的精度檢驗(yàn),下墊面均勻的像元