黑龍江省干旱遙感監測中基于能量平衡模型的應用

劉 迪，馬占岳

(黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080)

科技成果

黑龍江省干旱遙感監測中基于能量平衡模型的應用

劉 迪，馬占岳

(黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱 150080)

以能量平衡方程為理論基礎，將遙感反演蒸散發與干旱遙感指數兩種方法加以融合，并對前人的經驗模型進行適當改進，以簡單的實用化作物缺水指數作為監測干旱的指數，對黑龍江省進行旱情監測，可以提高干旱監測實用化程度。

土壤墑情;能量平衡;遙感監測;日蒸散發;缺水系數;模型應用

1 引言

隨著人造衛星發射成功，遙感對地觀測技術為能量平衡這課題帶來了新的生命力。利用遙感數據可確定地表溫度、濕度以及地表植被類型、參數等，而這些因子都直接影響土壤－植被－大氣系統的水熱交換;另外，衛星傳感器的觀測范圍廣、獲取信息量大、速度快等優點也能夠較客觀的反映近地層水熱通量的大小及變化過程，這些就為大面積監測地表水熱通量區域分布的研究提供了極大的優勢。在經典的能量平衡理論的基礎上，探討利用遙感技術推算能量平衡方程中的各組分，應用于農業和其他領域，在監測農作物產量、地表蒸散發量、農田干旱等領域。

2 干旱遙感監測中能量平衡模型的機理

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用極軌氣象衛星云圖對作物蒸發散及潛熱通量進行了研究。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，用衛星熱紅外數據，估算大面積的蒸發散。

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，主要是蒸散發的遙感反演或是利用干旱遙感指數對旱情進行評估，現有的模型方法基本上都是經驗、半經驗公式，其中有些模型的物理理論基礎明確，但計算過程復雜，對地面實測資料依賴太多，因而計算結果的精度不高。因而以能量平衡方程為理論基礎，將遙感反演蒸散發與干旱遙感指數兩種方法加以融合，并對前人的經驗模型進行適當改進，以簡單的實用化作物缺水指數作為監測干旱的指數，對黑龍江省進行旱情監測，可以提高干旱監測實用化程度。

地表得到的凈輻射是各種熱量交換的起點，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、凝結的潛熱通量，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。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。當有植被或作物覆蓋時，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(Crop water stress index，CWSI)，其表達式為:

式中:Ed為實際蒸散發量;E0為潛在蒸散發量，或稱蒸散發能力，即在充分供水條件下的蒸散發能力。然后通過CWSI求取土壤含水量，相關研究表明，CWSI與作物對水分的提取有很好的關系。作物缺水指數是計算能量平衡的基本公式。在利用能量平衡方程監測旱情時，關鍵在于計算蒸散發量。在利用遙感方法計算蒸散發時，首先要對遙感數字圖像進行預處理，通過極軌氣象衛星的第一、二、四、五通道，獲得地表反照率(a)、植被指數(NDVI)和蒸發散表面溫度(T0)這幾個參數的影像圖，并在GIS技術支持下進行空間插值，根據地面站點的位置從圖上可讀出各站點對應的參數數值。然后分別計算公式中Rn、H、G各分項值，最后便可得到瞬時的蒸發散值LE。由于進行旱情監測時我們感興趣的是一天總的蒸發散量，因而就需要根據瞬時的蒸發散值推求出一天的蒸發散量值。

3 求解蒸散發的思路

基于能量平衡的干旱遙感監測模型在求解蒸散發日總量時的思路如下:首先，根據在晴天條件下顯熱通量與凈輻射之比在正午時等于全天的比值，如果認為日顯熱通量與瞬時顯熱通量之比為凈輻射折算系數的話，那么就是說一天的凈輻射總量是可通過凈輻射折算系數由瞬時凈輻射值得到，然后利用波文比能量平衡法的優點，避免考慮求算日土壤熱通量，直接由計算得到的瞬時顯熱通量、潛熱通量及凈輻射量計算日潛熱通量;最后根據日潛熱通量推算日蒸散發量。另外，在推算日蒸散發總量時，考慮到不同氣溫對應的水分汽化當量是不同的，通過氣溫與水汽當量的線性相關關系，用日平均氣溫對應的汽化當量推算日蒸發散總量。

用模型計算的日蒸散發結果與潛在蒸發散相比就得到作物缺水系數，進而可對干旱的發生和分布進行監測。通過在黑龍江省的數值試驗，證明該種方法監測旱情結果的精度可滿足實際生產的需要。

利用遙感技術可獲取能量平衡方程中物理項的信息，這就是利用能量平衡方程的理論基礎。而作物缺水指數模型中，潛在蒸散發能力E0的求算涉及很多地面實測資料，而要獲得與衛星過境時同步的地面資料就更加難以實現。因此以能量平衡方程為基礎，用NOAA極軌氣象衛星的數據資料和盡量少的地面氣象站資料，通過經驗、半經驗公式估算能量平衡方程中各分量值，求算出實際蒸散發量Ed及潛在蒸散發值E0，計算作物缺水指數CWSI，進而對旱情的分級及空間分布進行半定量的評估。

作物缺水指數模型是根據作物冠層能量平衡方程式推導出來的，Ed和E0兩個都是物理學指標，理論上Ed≤E0。Ed越小，CWSI越大，反映了土壤供水能力越差，即土壤越易發生干旱。由于蒸散發量與土壤含水量即供水能力有很大關系，所以CWSI與土壤含水量有密切關系，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與土壤含水量的模型都是統計線形關系。普遍認為，用作物缺水指數估算土壤含水量平均相對誤差在20%左右是可以接受的精度。但對于土壤不缺水的狀況該方法只能給出一個下限，而不能給出這種狀況土壤水分的量級。

4 結語

綜上所述:遙感監測中基于能量平衡原理的作物缺水指數CWSI與土壤水分狀況有密切的關系。在缺少土壤水分實測資料的情況下，可利用作物缺水指數來對干旱進行監測，半定量地給出土壤嚴重干旱、中旱、輕旱、正常和濕潤等的分布圖，以利于合理指導農田灌溉，推動節水農業的發展。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.干旱遙感監測模型研究及墑情預報探索［D］.北京:中國水利水電科學研究院，2005.

［2］ 李芳花，司振江，黃彥，劉迪.黑龍江省墑情監測信息管理系統的應用研究［C］//中國農業工程學會.2005年中國農業工程學會論文集.廣州:中國農業工程學會，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，主要從事農業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，主要從事農田水利試驗研究等工作。