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1、 1基于遥感资料的流域地表水循环模拟及检验* 周锁铨1) 薛根元2) 张 翠1) 梁 旭3) (1)南京气象学院资源环境与城乡规划系南京江苏 210044南京气象学院大气科学系南京江苏2100442) Department of Civil and Environmental Engineering, University of California, Berkeley, CA 94720-1710, USA) 摘 要 地表水通过与蒸散大气水汽传输降水的形式对太阳辐射在全球的再分布其者关键的作用水在大气和陆面之间的迅速循环以及植被和土壤对这一循环起着的控制作用突出强调了水分循环对全球能量传输的
2、重要性为了研究地表水的循环过程以便利用水量平衡检验陆面过程模式探讨采用遥感资料表征地表覆盖的不均匀性及不均匀性对地表水分量的影响进而对气候的影响本文利用 1992 至 2001 年10 年逐日降水气温湿度风速和气压资料采用气候要素逐步插值方法修改 VIC 模式同一栅格中多种覆盖类型蒸发的计算方法采用遥感地表覆盖类型和 LAI 资料考虑次网格植被分布不均匀性计算各种植被类型对地表水循环的贡献比较遥感资料与采用中国资源环境数据库中的植被覆盖类型对地表水文过程模拟的差异 分析 VIC 模式模拟的汉江上游 南水北调工程水源区褒河流域地表水的空间分布利用实测水文资料检验模拟的结果并对应用遥感资料模拟结果
3、进行了合理的解释结果表明逐步插值法能够有效地提高气候要素的插值的精度减小插值误差由 4 k m 分辨率 D E M 得到褒河流域的河网与实际状况是吻合的利用 VIC 模式模拟褒河流域的陆面水文过程是成功 模拟的水分分量的分布合理物理成因清晰量值大小准确基于遥感资料模拟的地表水平衡分量的空间分布更为合理尤其是改善了河流流量峰值的模拟遥感植被类型叶面积指数较好地反映了实际地表覆盖状况和叶面积指数的季节变化情况中国资源环境数据库 中的落叶阔叶林分布 使得计算的蒸散明显增加 地表径流总量减少地下径流也减少其结果导致进入河流的流量减少因而模拟的流量的峰值偏小与实测误差较大 地表水通过与蒸散大气水汽传输降
4、水的形式对太阳辐射在全球的再分布其者关键 的作用水在大气和陆面之间的迅速循环以及植被和土壤对这一循环起着的控制作用突 出强调了水分循环对全球能量传输的重要性 许多研究发现 地表水平衡中各分量 如径流 蒸发渗透和土壤湿度与地表覆盖类型土壤类型前期土壤湿度地形和降水等有着密 切的联系对于大尺度区域如气候模式范围一个网格中的径流渗透土壤湿度通 常认为是相同的即不考虑小于网格尺度的物理过程事实上在一个网格中很可能存在不 同的径流渗透和土壤湿度的产生机制1因而在同一网格的不同部分产生的径流渗透和 土壤湿度很可能是不同的 不考虑地表覆盖类型或植被类型的空间变化性 可能导致高估或 低估这些地表水文分量 这导
5、致后期土壤湿度计算较大的误差 因此准确的地表覆盖是计算 地表水分平衡合理地表示地气系统相互作用的基础23 现行的陆面过程模式假定每个网格中的地表植被覆盖降水土壤湿度地形指数的统 计分布是相同的这显然无法准确合理有效地考虑由于植被产生的次网格蒸发蒸散地 表径流和降水不均匀状况对于大尺度的 GCM 模式或区域尺度模式这种次网格植被和 土壤不均匀性在地表径流的计算中起着重要的作用它直接影响到土壤湿度的状况而土 壤干湿的状况对季节的降水有明显的影响45678进而影响到季和年的气候状况9 * 国家重点基础研究973项目中国水圈环境关键与典型事件时空尺度定量遥感信息系统与应用示范2001CB309404海
6、 外杰出青年合作项目遥感在长江流域陆面水文过程中的应用40128001/D05国家自然基金青藏高原植被下垫面对大气环 流影响的数值试验49375248 联合资助 作者简介周锁铨男1961 年生江苏丹阳人博士教授Email: .cn 分会场 S 3 2地表覆盖类型的不准确将会产生明显的水文差异 一般的研究表明 森林砍伐引起年平 均流量的增加Mahmood10发现不同土地覆盖可以影响高达 36%的年总蒸散能够显著地改 变土壤水分周期和最终的水分平衡的计算11Costa12分析了热带河流流量和降水的 50 年时 间序列 在降水并没有明显变化的条件下 当热带森林变为农田后 平均河流流量增加 25% 在
7、水流较大的季节增加 28%季节流量峰值提前一个月出现进一步分析表明植被覆 盖改变了区域的水文响应这表明地表覆盖不同产生的计算差异是明显的 在模拟水文循环中经常遇到这些在空间和时间尺度上影响水文过程的变化性问题 为了模拟流域的水平衡 概念模式试图表示水文过程的各个分量 概念模式确定一个流域是 一个单位线并且用整个流域的气象和地理的变量的平均值输入模式对于水文性质均匀 且完整的流域模式可能产生合理的结果 但是在实际工作中一般很难找到这样的流域 地表 覆盖类型植被的组成和结构以及土壤性质等都使得流域陆面产生不均匀性而且很难用 概念模式详细地描述短时间尺度的动态水文过程 VIC 模式对地表不均匀性的描
8、述 有利于在流域中表示植被对地表水文过程的作用 以 满足空间模拟的各种需要因此 VIC 模式在应用遥感资料方面有良好的基础但要求向模 式提供准确的地表覆盖和叶面积指数的资料 遥感技术已有能力提供地表的空间和时间的信 息是获得水文模式所需资料的可行的方法1314遥感在水文研究和水资源管理方面的研究 在过去 10 年中取得了进展一般来说遥感资料应用在以下方面(i)原始的遥感图像直接 用于识别重要的水文现象如洪水淹没区雪盖 (ii)处理过的遥感资料可用来提供水文参 数场如降水土壤湿度但这要求对电磁信号与水文参数之间的关系有了解 (iii) 多光 谱遥感资料用于确定地面参数如植被覆盖类型及密度在遥感水
9、文学领域一个最为重 要的发展是根据能量平衡方法由光谱卫星遥感资料计算蒸散的实际分布15Ayenew16利 用这一方法计算卫星资料记录白天可能蒸散 尽管遥感资料的应用已得到广泛的承认 但是 实际上在水文模拟中应用的例子仍然很少 在研究水文过程中选择最合适的光谱数据 解译 这些数据以提取有用的信息还是有困难的17 由光学遥感得到的植被参数在水文过程中还没有充分利用 尤其是植被结构参数 如叶 面积指数在降水截流蒸散及流域的水平衡方面起着重要的作用植被在山坡上沿着地形 逐渐变化例如在汉江流域上游的褒河流域不同高度的植被类型可能是不同的在山顶温 度较低植被以针叶林为主山下温度较高以阔叶林为主同一高度不同
10、坡向的植被分布 不同如迎风坡植被茂盛背风坡植被稀少在某些情形下即使在同一坡度上也需要将 不同地方的植被分开MODIS1km 的植被数据其分辨率能与 VIC 水文模式的分辨率相适 应同时 VIC 能够考虑同一网格中植被的不均匀分布状况计算各种植被类型对地表水循 环的贡献因此本文利用 VIC 模式采用 MODIS 遥感资料输入随时间变化的叶面积指数 的遥感资料 比较遥感资料与常规地表植被覆盖类型资料所产生的地表水文过程的差异 分 析采用遥感资料模拟地表水文过程的效果并利用实测水文资料检验模拟的结果 1. 主要计算方法 VIC 明显不同于一般的土壤植被大气传输方案1819如 BATS20SiB21以
11、及分布式水文 模式它以空间上渗透能力变化的理论为基础能表示地表次网格上的空间不均匀性以及 土壤水分蒸发和径流的产生利用概率分布形式表示尺度小于网格的植被覆盖的空间不 均匀性 由于植被对地表和大气的能量和水分交换起着控制作用 VIC 可以考虑同一格网中 不同地表类型包括裸土植被参数如叶面积指数最小气孔阻抗粗糙度位移长度等可 根据不同的植被类型而不同蒸散作为净辐射和水汽压的函数采用 Penman-Monteith 方程 计算实际的蒸散是植冠蒸发每种植被类型的蒸腾裸土蒸发与其所覆盖面积百分比权重 乘积的和被植冠截流的降水允许以蒸发潜力蒸发可以根据植冠和结构阻抗进行调整蒸3散的计算公式考虑了植冠阻抗包
12、括土壤水分温度和水汽压缺损空气动力学阻抗和冠 层结果阻抗植冠的截流作为 LAI 的函数地下方案考虑 3 个土壤层上层的湿度通过降 水渗透获得从第一层到第二层的传输是通过 Brooks Corey 不饱和水力传导率重力下泄 本文对地表蒸散的计算进行修改设第 n种地表覆盖类型植冠储存的截水量为n iWn Ln imLAIKW=是在冠层所能截留的最大水量n pE是在冠层阻抗为 0 时由Penman-Monteith 公式计算的地面蒸发潜力n wr是水汽输送的空气动力学阻抗n cr是植冠阻抗其中n cr0是最小植冠阻抗nf是植冠截留的降水用于蒸发的比例LK是常数取0.2mm则最大的冠层蒸发为 nn w
13、n wn pn imn in crrrEWWE032* + = 1 如果降水率小于植冠的蒸发当没有足够的截留水供给大气的需求则植冠的蒸发为n cnn cEfE*=植被的蒸散为 ()n cnn wn wn pn imn in n cnn wn wn pnn vegrrrrEWWfrrrrEfE+ +=032010 . 1 2 第一项表示没有植冠截留降水产生的蒸发第二项表示既有蒸发又有蒸散 对于裸土假设在一定范围内渗透率表示为 ()ibmii1A 11= 其中 i, mi是渗透力和最大渗透力A 是渗透力小于 i 的面积部分ib是渗透形状参数设sA表示饱和的土壤部分0i表示相应的渗透力则当不饱和时在
14、裸土中蒸发力soilE ()+=ssiAAbmpsoildA AiidAEE0110 113 pE是裸土的蒸发潜力第一个积分表示饱和土壤面积的贡献是蒸发潜力由于第二积分没有解析解soilE可以通过指数序列展开 ()()() +=.131211113210iiibiibs iibs ii s mspsoilAbbAbbAbbAiiAEE4 则地表某像元的总蒸发可表示为 () =+=NnsoilN vn tn cn vECEECE115 4其中n vC是第 n 中植被类型覆盖的比例n=1,2,3,N1+N vC是裸土覆盖面积的比例+=111Nnn vC通过像元中各种植被的比率n vC来表示像元中植
15、被空间分布的不均匀性这对于分辨率较低的像元特别重要 因为其中可能有几种植被覆盖类型 各类植被在不同像元中的比例 是不同的 VIC 模式设计的方案能对像元中的各种植被类型分别计算 从而显著提高了对像 元中蒸散计算的准确性 但是在计算像元中某种植被对地表水分的影响时 并没有考虑这种 植被覆盖度对地表水分量的影响即认为植被的覆盖度是 100%植被覆盖是没有空隙的 事实上一年四季植被不可能完全覆盖地表总是有空隙的这就是说植被覆盖的区域既有 植被的蒸散和植冠的蒸发 又有植被空隙处的地表土壤透过空隙的蒸发 因此需要对以上地 表蒸散方案进行改进夏季植被生长茂盛叶子形成的植被覆盖度或遮蔽度较大植被几乎 可以完全覆盖地表冬季植被的叶子凋落落叶林植被中的空隙较大因此植被覆盖度与植被的叶面积指数有关Kenlo22采用归一化植被指数来求得植被的覆盖度 () ()rednirrednir RRRRNDVI+= 6 () ()minmaxmin NDVINDVINDVINDVIn =
