遼河三角洲地表蒸發(fā)量遙感估算

王 雪

（遼寧師范大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116029）

目前，水資源問題已成為人類面臨的最重要的自然資源問題之一，而幾乎所有的水資源問題都離不水循環(huán)過程的研究.蒸發(fā)是水資源狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化中的重要環(huán)節(jié)，陸地上一年的降水約66%通過蒸散發(fā)返回大氣[9].廣義的蒸發(fā)包括水面蒸發(fā)、地表蒸發(fā)和植物的蒸騰.地表蒸發(fā)過程受輻射、溫度、降水、風(fēng)速等氣象因素和植被覆蓋、土壤濕度、地形地貌等地表因素的共同影響.區(qū)域地表蒸發(fā)量的估計一直是學(xué)術(shù)界重點(diǎn)關(guān)注的研究焦點(diǎn)之一.在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，主要的熱交換方式就是地表和大氣之間的水交換，而以氣象站蒸發(fā)皿資料求得結(jié)果代表區(qū)域蒸發(fā)量的方法越來越難以符合實際要求，合理準(zhǔn)確地估算地表蒸發(fā)量，對水循環(huán)、水資源、水生態(tài)研究以及科學(xué)管理均具有重要意義.自1802年Dalton提出著名的Dalton蒸發(fā)定律以來,關(guān)于蒸發(fā)量估算問題的研究就沒有間斷過.國際上對于蒸發(fā)量的研究已有200多年的歷史,人們投入大量的精力來研究蒸發(fā)的理論、測定、計算等問題,取得了大量成果,但都是基于預(yù)測點(diǎn)和模擬的結(jié)果.到了20世紀(jì)后期,隨著遙感技術(shù)和GIS技術(shù)的發(fā)展,越來越多的學(xué)者投入到這方面的研究，至今已取得大量大范圍全覆蓋、精度更高的研究成果.

1 研究區(qū)概述與數(shù)據(jù)資料

遼河三角洲位于遼寧省西南部遼河平原南端，由三角洲平原、河口灣及其毗鄰的遼東灣淺海組成，介于東經(jīng)121°25′～122°31′，北緯 40°39′～41°27′之間，是我國七大江河三角洲之一.在行政區(qū)劃上包括絕盤錦市大部分地區(qū)、營口市和錦州市部分地區(qū).其中盤錦市位于遼河三角洲的核心地帶，是遼河三角洲的主體地區(qū).本文為研究方便，以盤錦市域作為遼河三角洲的研究區(qū).本區(qū)域?qū)儆谕撕Ｆ皆Y源豐富，風(fēng)景秀美.地勢平坦,地面高程小于7m,海岸地帶地勢低洼.區(qū)內(nèi)共有大小河流21條,其中較大的是遼河、大遼河、繞陽河、大凌河,平原河曲發(fā)育,遍布各種自然、人工濕地.本區(qū)海岸線長118km,有泥質(zhì)灘涂604km2,淺海水域分布著蛤蜊崗、黃沙崗等眾多水下沙洲.域內(nèi)的雙臺河口國家級自然保護(hù)區(qū)是全國最大的濕地自然保護(hù)區(qū)，其獨(dú)特的地理環(huán)境，孕育了風(fēng)光旖旎的濕地景觀.這里有一望無際的紅海灘，世界最大的蘆葦海以及各種珍稀鳥類，始終如一的原始自然風(fēng)貌使盤錦市獲得了“國家級生態(tài)示范區(qū)”的美譽(yù).本區(qū)域氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶园霛駶櫦撅L(fēng)氣候，溫度適宜，降水豐富，年平均溫度為8.5℃，年降水量650毫米.盤錦市是我國重要的蘆葦、糧食、石油生產(chǎn)基地，遼河油田是我國第三大油田,在地區(qū)經(jīng)濟(jì)中也起著支柱作用.

2 基本原理與方法

目前，許多學(xué)者通過試驗建立起了一系列的遙感蒸發(fā)計算模型，如 SEBAL模型【14—15】、SEBS模型【20—21】等.這些遙感模型雖然在參數(shù)的處理方面各有千秋，但基本原理都是根據(jù)能量平衡原理來計算.SEBS模型是由荷蘭學(xué)者蘇中波等提出用來估計大氣的湍流通量和蒸發(fā)比，SEBS應(yīng)用對地觀測的可見光、近紅外和熱紅外波段資料以及觀測的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行地表蒸發(fā)量估算.盡管該模型發(fā)展相對較晚，但多采用固定值的方法使之優(yōu)于其他方案，因而近兩年在國內(nèi)外都獲得了較廣泛應(yīng)用.

SEBS模型是根據(jù)表面能量平衡原理估算不同尺度的地表能量通量及地表相對蒸發(fā)的方法.其理論基礎(chǔ)是地表能量平衡方程，即凈輻射在地表感熱、潛熱和土壤熱通量之間保持平衡，任意時刻的地表能量平衡如下：

（1）式經(jīng)變換后可得：

式中Rn為凈輻射通量，G0為土壤熱通量，H為湍流顯熱通量，λE為湍流潛熱通量（地表蒸發(fā)所用能量）.

因此,只要分別求得了地表凈輻射通量Rn,土壤熱通量G0和感熱通量H,便可以計算出潛熱通量λE.利用(2)式獲得潛熱通量的方法稱之為余項法[14～18],但在SEBS模型中,潛熱通量是采用比值法求得的.

凈輻射通量Rn是地表能量、物質(zhì)輸送與交換過程的原動力,是氣候形成及氣候變化的主要因素.因而,地表得到的凈輻射是各種熱量交換的基礎(chǔ).地表凈輻射可用如下公式表達(dá):

式中α是反射率，Rswd，Rlwd分別為下行太陽輻射和長波輻射，ε為地表比輻射率，δ為Stefan-Bolzmann常數(shù)，T0為地表溫度.這些有關(guān)參數(shù)均可從遙感數(shù)據(jù)中獲得.

SEBS遙感模型要求輸入的地面氣象觀測要素主要有氣象站高程、海平面氣壓、相對濕度、日照時數(shù)、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水等，遙感資料選取美國NOAA衛(wèi)星的AVHRR資料，數(shù)據(jù)共有五個通道，Ch1、Ch2為可見光和近紅外通道，Ch3、Ch4、Ch5為中紅外和兩個熱紅外通道，本文選取遼河三角洲2010年1、4、7、10四個月相關(guān)資料作為研究數(shù)據(jù).

土壤熱通量G0也稱為土壤的熱交換量.它取決于地表特征(地面植被覆蓋率)和土壤含水量等,土壤熱通量在能量平衡方程中的比重較小，一般可通過它與凈輻射(Rn)的關(guān)系來確定,即進(jìn)入土壤熱通量可近似表示為Rn的函數(shù)：

式中:在地表全部被植被覆蓋時，G0與Rn的比值Γc=0.05(Monteith,1973)，而裸土?xí)r，Γs=0.315(KustasandDaughtry,1989).引入植被覆蓋率fc來描述植被的不同覆蓋程度.可通過遙感影像確定.

3 結(jié)果分析與討論

2010年遼河流域蒸發(fā)量見圖1.

圖1 2010年遼河流域蒸發(fā)量

A圖為春季，4月份總體特征為陸地部分的蒸發(fā)量偏高，海洋部分的蒸發(fā)量偏低.此時溫度轉(zhuǎn)暖，大部分積雪開始融化，農(nóng)作物開始生長，由于水平充足，森林植被蒸騰、蒸發(fā)量較大.B圖對應(yīng)盛夏，流域總體特征為陸地和海域部分的蒸發(fā)量最高.此時是農(nóng)作物生長的旺盛季節(jié)，蒸散量最高.由于夏季時節(jié)的氣溫高于全年其他季節(jié)，夏季海洋蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全年的其他時期.C圖為秋季，此時植被的生長已經(jīng)趨于緩慢，整個遼河三角洲流域的蒸發(fā)量較7月份都有很大的回落.而海岸線一帶大部分海域的蒸發(fā)量偏低，主要是因為遼東灣出現(xiàn)海冰所致.D圖對應(yīng)嚴(yán)冬，由于天氣寒冷，溫度較低，部分區(qū)域被雪覆蓋，整個流域的蒸發(fā)量為全年最低，，其中海域部分蒸發(fā)量極低.通過不同月份蒸發(fā)量的對比，可以在一定程度上反映整個遼河三角洲流域蒸發(fā)量的變化.從整體看，夏季蒸發(fā)量最高，冬季蒸發(fā)量最低.遼河三角洲陸地部分與海域部分蒸發(fā)量也存在明顯差異.陸地區(qū)域受人類活動影響，與植被的生長情況有很好的對應(yīng)關(guān)系，海域部分隨著溫度的變化而變化，海域區(qū)域蒸發(fā)量整體小于陸地區(qū)域蒸發(fā)量.

4 結(jié)語

遼河三角洲地理位置優(yōu)越，資源豐富.研究此區(qū)域蒸發(fā)量，對制定遼河三角洲水資源的利用方案具有重要意義.SEBS方法在利用遙感信息獲取空氣阻力、表面阻力和土壤熱通量等方面有較大的優(yōu)點(diǎn)，NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)時間分辨率高，可以免費(fèi)獲得，使蒸發(fā)量的遙感估算具有很好的應(yīng)用前景.將SEBS模型應(yīng)用在遼河三角洲流域，結(jié)合NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)和氣象觀測資料，估算了遼河三角洲流域夏秋冬各個季節(jié)的蒸發(fā)量，可以在一定程度上反應(yīng)出遼河三角洲流域蒸發(fā)量隨季節(jié)的變化的特征.春季蒸發(fā)量較低，夏季蒸發(fā)量最高，秋季蒸發(fā)量有很大的回落，冬季蒸發(fā)量最低.整個流域陸地部分和海域部分也有很大的差異，受植被、溫度、人類活動等因素影響，海域區(qū)域蒸發(fā)量整體小于陸地區(qū)域蒸發(fā)量.

利用遙感技術(shù)，結(jié)合氣象資料反演地表蒸發(fā)量是近幾年來的熱點(diǎn)研究問題尤其是利用高時間分辨率的遙感影像將大大提高反演地表蒸發(fā)量的精度.

〔1〕楊永民，馮兆東，周劍.基于SEBS模型的黑河流域蒸散發(fā)[J].蘭州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008（3）.

〔2〕宋文獻(xiàn)，江善虎，楊春生，王立明.基于SEBS模型的老哈河流域蒸散發(fā)研究[J].水資源與水工程學(xué)報,2012（2）.

〔3〕肖篤寧.遼河三角洲的自然資源與區(qū)域開發(fā)[J].自然資源學(xué)報,1994（3）.

〔4〕蔣衛(wèi)國，李京，李加洪，謝志仁，王文杰.遼河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J].生態(tài)學(xué)報,2005（4）.