晉祠泉域地表蒸散發(fā)的遙感計算與分析

蘭 榮 輝

(山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，山西 太原 030024)

1 研究區(qū)概況

晉祠泉域位于山西省中部、太原盆地西側(cè)，面積為2 030 km2，其中裸露可溶巖面積391 km2。晉祠泉域總體上西北高、東南低，海拔標高在760 m～2 100 m之間[2]。區(qū)內(nèi)多年(1956年—2012年)平均降水量為462.4 mm，降雨年內(nèi)分布極不均勻。由于大氣降水入滲是晉祠泉域巖溶地下水的主要補給源之一，泉域內(nèi)植被相對發(fā)育，地表蒸散蒸騰作用明顯，所以研究晉祠泉域地表蒸散發(fā)對于巖溶地下水補給的影響不容忽視。

2 模型原理及數(shù)據(jù)來源

2.1 模型原理

計算研究區(qū)的蒸散發(fā)量采用SEBS模型，該模型通過地表能量平衡原理演化而來，地表面能量平衡是指地表面向大氣空間支出熱量和從空間獲取熱量相平衡的情況，實際為入射到地表面的太陽凈輻射能在地表面的轉(zhuǎn)換和再分配過程。其公示表示為：

Rn=H+LE+F+P

(1)

其中，Rn為凈輻射；H為感熱通量；LE為潛熱通量；F為土壤熱通量；P為光合作用消耗量。由于光合作用消耗量一般不計，因此將式(1)轉(zhuǎn)化成式(2)來計算潛熱通量LE：

LE=Rn-H-F

(2)

將下載好的遙感數(shù)據(jù)影像通過ENVI平臺可以直接求得一般地表參數(shù)，包括凈輻射、感熱通量、土壤熱通量等，然后根據(jù)式(2)通過平臺求得研究區(qū)內(nèi)每個像元的潛熱通量，繼而將其轉(zhuǎn)化為蒸散發(fā)量[1]。

2.2 數(shù)據(jù)來源

計算所用到遙感數(shù)據(jù)為NASA官方網(wǎng)站上獲取的MODIS數(shù)據(jù)，下載2008年—2012年研究區(qū)云量較少的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，用MRT再投影工具重新對數(shù)據(jù)進行投影變換，再提取出計算時所需要的波段。

以文獻[2]里所涉及的泉域范圍為主要依據(jù)，利用ARCGIS平臺矢量化作圖來繪制泉域的邊界矢量數(shù)據(jù)。

高程數(shù)據(jù)為地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站數(shù)據(jù)資源中所獲取的90 m分辨率的DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)。

氣象數(shù)據(jù)由中國地面氣候資料網(wǎng)站上獲取，下載2008年—2012年5年四個氣象站(太原、興縣、原平、離石)的氣象資料，通過對資料進行整理，得出計算時所用到的氣象資料輸入數(shù)據(jù)集(文本文檔)。

3 蒸散發(fā)量計算及結(jié)果驗證

3.1 年度蒸散量計算思路

SEBS模型通過預處理過的MODIS數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)只能計算出某一天的蒸散發(fā)量，由于數(shù)據(jù)云層的影響導致一年好多天都是無數(shù)據(jù)的，因此，通過計算出來蒸散發(fā)量與氣象站的同期蒸散量做對比來估算其他天無數(shù)據(jù)的蒸散發(fā)量。

假設通過SEBS模型計算出某月第i天的蒸散發(fā)量ESi，通過與第i天氣象站觀測量EMi的對比得到一個比例系數(shù)：

μ=ESi/EMi。

通過此比例系數(shù)與其余時段氣象站的蒸散發(fā)量EMj來估算其余時段的蒸散發(fā)量，即：

ESj=μ/EMj。

把估算出來的每天蒸散發(fā)量進行相加得到本月的蒸散發(fā)量，在得到年度中所有月份的蒸散發(fā)量后，進行匯總推算出晉祠泉域全年的蒸散發(fā)量[2]。

3.2 結(jié)果驗證

為了對計算結(jié)果進行驗證，需引入氣象站點獲得的實測蒸發(fā)值來進行對比，由于氣象站資料是通過蒸發(fā)皿測得的，因此需要先引入蒸發(fā)皿折算系數(shù)將其折算為大面積水面蒸發(fā)值，再引入水陸折算系數(shù)將其折算為陸地蒸發(fā)值，最后將兩者數(shù)據(jù)統(tǒng)一為一個標準進行對比。

由于太原氣象站離研究區(qū)較近，選用太原站的氣象數(shù)據(jù)來進行驗證。根據(jù)以前學者的研究，水陸折算系數(shù)冰期取0.6，非冰期取0.62，蒸發(fā)皿折算系數(shù)0.9[4]。

通過ENVI計算所得到的蒸散發(fā)量存在于每個像素中，選定氣象站所在位置可以將數(shù)據(jù)提取出來。選定2012年每個月無云日的計算量與氣象站數(shù)據(jù)折算結(jié)果進行對比，結(jié)果見圖1。由圖1中可以看出兩者結(jié)果大致統(tǒng)一，數(shù)據(jù)方面經(jīng)過計算相對誤差都在20%以內(nèi)，因此可以判定本次遙感計算結(jié)果是比較穩(wěn)定的能夠達到精度要求。

4 蒸散發(fā)的影響因素

研究區(qū)地表蒸散發(fā)變化規(guī)律：經(jīng)計算得出研究區(qū)2008年—2012年每年的蒸散發(fā)量值分別為406.43 mm，379.08 mm，393.45 mm，403.31 mm，429.75 mm。5年間蒸散發(fā)量均值為402.4 mm，最大值為2012年的429.75 mm，最小值為2009年的379.08 mm。

圖2是晉祠泉域2008年—2012年5年內(nèi)月際蒸散發(fā)曲線。可以得出，晉祠泉域每年的蒸散發(fā)變化趨勢較為一致，都是凍融期較低，汛期較高。由于冬季植被相繼枯萎，淺層地表大部分被冰層覆蓋，蒸發(fā)蒸騰作用不明顯，造成地表蒸發(fā)量降低，某些地區(qū)會出現(xiàn)蒸散量極低的情況。夏季由于蒸散發(fā)量的來源降水量充足，植被茂盛，蒸騰作用較為強烈，此時蒸散發(fā)量達到年內(nèi)峰值。

圖3為氣溫月平均值與蒸散發(fā)量月平均值的關(guān)系曲線，由圖中可以看出兩者存在指數(shù)正相關(guān)的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.675，因此可以得出結(jié)論，氣溫越高，蒸散發(fā)量越高，反之亦然。

為了驗證降雨量跟蒸散發(fā)量的關(guān)系，選取了研究區(qū)內(nèi)的13個氣象站，用泰森多邊形對每個氣象站進行分區(qū)，在得出每個氣象站的控制面積后，通過與研究區(qū)總面積的比值決定每個氣象站降雨量所占比例，再進行疊加計算出研究區(qū)5年內(nèi)每月的降雨量。

圖4為蒸散發(fā)量與降雨量的對比關(guān)系。可以看出晉祠泉域每年的降雨量遠遠大于蒸散發(fā)量，而兩者在年內(nèi)的分布情況也較為相似，汛期降水量大，蒸散發(fā)強烈，冰期降水量變小，蒸散發(fā)量也降為最低。由圖4中還可以看出降水量一般年內(nèi)的最大值較蒸散發(fā)量年內(nèi)最大值晚1個～2個月出現(xiàn)，春季鋒面雨帶還沒到達，而氣溫回升快，蒸發(fā)量大，農(nóng)作物用水增加，這就造成了華北平原春季干旱的情況。

圖5為晉祠泉域蒸散發(fā)量與高程對比關(guān)系圖。由圖5中看出高程在1 500 m以內(nèi)時蒸散發(fā)量是隨著高程的變大而變大的，隨著高程的增加，蒸散發(fā)量也變得不穩(wěn)定，原因可以歸結(jié)為隨著高程到達一定高度，氣候條件與植被的蒸騰作用變得不穩(wěn)定，計算所用到高程較高的點較少，存在一定的誤差，造成了圖5中線性的不規(guī)律波動。

5 結(jié)語

1)晉祠泉域2008年—2012年地表蒸散發(fā)量年度變化較小，年平均值為402.4 mm。

2)晉祠泉域地表蒸散發(fā)量的年內(nèi)規(guī)律為：汛期蒸散量最大，冬季凍融期蒸散量最小。

3)蒸散發(fā)量和降水量在年內(nèi)的變化具有正相關(guān)關(guān)系，而降水量明顯大于蒸散發(fā)量，降水量一般年內(nèi)的最大值較蒸散發(fā)量年內(nèi)最大值晚1個～2個月出現(xiàn)。

4)氣溫越高，蒸散發(fā)量越高，反之亦然。高程在1 500 m以內(nèi)時蒸散發(fā)量是隨著高程的變大而變大的，隨著高程的增加，蒸散發(fā)量變得不穩(wěn)定。