瞬時潛熱通量經(jīng)時間尺度擴展的日蒸散發(fā)量估算

0蒸散發(fā)日間尺度擴展蒸發(fā)（et）是耕地生態(tài)系統(tǒng)水量和能量平衡的重要組成部分。在干旱和半干旱地區(qū)，蒸發(fā)量占耕地總消耗量的80%以上。因此，定量計算蒸發(fā)量對研究區(qū)域內(nèi)的水循環(huán)機和農(nóng)業(yè)水管理具有重要意義。衛(wèi)星遙感產(chǎn)品提供空間連續(xù)的地表參數(shù),是模擬大范圍地表蒸散發(fā)的有效途徑。然而,通過遙感手段獲取的地表參數(shù)在時間上是不連續(xù)的,只能提供每日1~2次的衛(wèi)星過境瞬時值。為了計算日蒸散發(fā)量,必須將遙感反演得到的瞬時潛熱通量進行時間尺度擴展。研究者提出了多種蒸散發(fā)時間尺度擴展方法,例如經(jīng)驗擬合法、正弦函數(shù)法、蒸發(fā)比法、作物系數(shù)法等,這些時間尺度擴展方法在不同氣候條件和下墊面條件下的適用范圍和精度各不相同。目前,在中國根據(jù)遙感數(shù)據(jù)估算潛熱通量進而計算日蒸散發(fā)量的研究有很多,但根據(jù)Li等在中國西北部干旱區(qū)的葡萄園及劉國水等在北京大興站冬小麥產(chǎn)區(qū)分別進行的蒸散發(fā)時間尺度擴展的結(jié)果表明,不同的時間尺度擴展方法針對不同氣候區(qū)及不同作物類型存在適用性上的差異。為此,有必要在更多氣候區(qū)及下墊面條件下比較不同的蒸散發(fā)日尺度擴展方法,評價其模擬精度。本研究結(jié)合中國北方華北平原和東北平原3個通量站及五種典型農(nóng)田下墊面的長期觀測數(shù)據(jù),對常用的四種蒸散發(fā)時間尺度擴展方法進行比較和精度評價,并對時間尺度擴展方法的誤差來源進行分析。1數(shù)據(jù)和方法1.1實驗站的建設和運行本研究分別選取了位于華北平原的高營實驗站和位于東北平原的通榆實驗站開展研究。高營實驗站位于山東省聊城市位山灌區(qū)一處典型農(nóng)田內(nèi),主要作物是冬小麥/夏玉米輪種,每年10月中旬到次年6月為小麥生長季,6月中旬到10月為玉米生長季。在農(nóng)田內(nèi)通過一套渦度相關(guān)系統(tǒng)連續(xù)、定量觀測潛熱和顯熱通量,采樣頻率為10Hz,每半小時輸出一次時段平均值,安裝高度距地面3.7m。通榆觀測實驗站位于吉林省白城市通榆縣,分別在高粱作物生長區(qū)和農(nóng)田棄耕后的野生草地生長區(qū)設立兩個通量站,高粱的生長季為每年5月到10月,10月初收割完畢。冬、春季農(nóng)田為裸土覆蓋,無作物生長。草地生長季與高粱大致相同。該觀測站同樣通過渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測潛熱和顯熱通量,安裝高度距地面2.0m。對渦度相關(guān)系統(tǒng)的觀測值進行結(jié)果校正和質(zhì)量控制,剔除了有降水日數(shù)據(jù)和系統(tǒng)記錄的質(zhì)量不好的數(shù)據(jù),作為本研究的驗證值。具體的校正方法和質(zhì)量控制方法請參考。除了渦度相關(guān)系統(tǒng)之外,兩個觀測實驗站還分別安裝有氣壓、氣溫、凈輻射、土壤熱通量等要素的觀測設備。實驗站的自然地理條件參見表1,2個實驗站的儀器、數(shù)據(jù)及實驗的詳細介紹可以分別參考和。氣象觀測數(shù)據(jù)的存儲頻率是10min,為了與渦度相關(guān)的觀測值相匹配,將其進行半小時平均作為輸入數(shù)據(jù),即在后文中,采用半小時平均值代表蒸散發(fā)時間尺度擴展的瞬時值。為了評估研究區(qū)域內(nèi)小麥、玉米、高粱、草地及裸土五種典型下墊面類型的蒸散發(fā)時間尺度擴展方法可靠性,本研究分別選取高營觀測站2005-2008年4個小麥季、玉米季及裸土季的數(shù)據(jù),以及通榆觀測站2003-2004年2個高粱生長季、草地生長季及裸土季的數(shù)據(jù)進行分析。1.2擴展時間尺度的方法根據(jù)文獻調(diào)研,本研究選取了目前常用的4種蒸散發(fā)時間尺度擴展方法進行對比,包括蒸發(fā)比法、改進的蒸發(fā)比法、正弦關(guān)系法及作物系數(shù)法。1.2.1土壤熱輻射作用蒸發(fā)比(evaporativefraction)定義為瞬時潛熱通量與有效能量之間的比值式中,λE為潛熱通量,W/m2,Rn為凈輻射,W/m2,G為土壤熱通量,W/m2,上標i表示瞬時值,后文同。假定蒸發(fā)比在白天恒定不變,則蒸發(fā)比法(后文寫作“EF法”)計算日蒸散發(fā)量的公式為式中,ETd為日蒸散發(fā)量,mm/d,上標d表示日內(nèi)值,cf為時間換算因子,λv為汽化潛熱,J/kg,ρw為水的密度,kg/m3。汽化潛熱采用以下公式計算其中,Ta為空氣溫度,℃。1.2.2土壤熱通量的計算改進的蒸發(fā)比法(后文寫作“改進EF法”)在蒸發(fā)比法的基礎上做了改動,假定土壤熱通量在一天內(nèi)的均值為0,則可以忽略公式(2)中的G項,以減小土壤熱通量計算的不確定性帶來的誤差。改進后的蒸發(fā)比為則日蒸散發(fā)量可以寫作1.2.3日蒸自蒸發(fā)的熱正弦關(guān)系法(后文寫作“正弦法”)由Jackson等提出,與太陽短波輻射類似,假定瞬時潛熱通量在日內(nèi)呈現(xiàn)正弦變化的趨勢,則日蒸散發(fā)可以寫作式中,t為日內(nèi)時刻,N由下面公式計算式中,D是儒略日,a和b是與緯度有關(guān)的參數(shù)。1.2.4作物騰發(fā)量與kc作物系數(shù)定義為瞬時蒸散發(fā)與參考作物騰發(fā)量的比值式中,ETr為參考作物騰發(fā)量,W/m2,由彭曼公式計算,ETi為瞬時蒸散發(fā),W/m2,由瞬時潛熱通量經(jīng)過單位換算得到,Kc是作物系數(shù),無量綱。假定作物系數(shù)在白天恒定不變,則日蒸散發(fā)量可由下式計算(后文寫作“Kc法”)1.3模型的均方根誤差relatorpo底行為為了定量評價4種蒸散發(fā)時間尺度擴展方法的模擬結(jié)果,本研究除了采用均值標準偏差(bias),線性擬合的斜率(a)、截距(b)、確定性系數(shù)(r2),以百分比表示的相對均方根誤差(relativerootmeansquareerror,rrmse)等常規(guī)的統(tǒng)計指標外,另外采用了效率系數(shù),ε,定義為式中,Oi為觀測值;Ei為模擬值;O為N個觀測值的平均值。ε的取值范圍是-∞到1,ε值越接近1表示模擬的結(jié)果越好。2結(jié)果與討論2.1日蒸散發(fā)的擬合在比較4種時間尺度擴展方法模擬精度之前,對各方法的日內(nèi)變異性進行分析。采用1.2節(jié)中介紹的4種擴展方法,對高營站2005-2008年的觀測數(shù)據(jù)和通榆站2003-2004年的觀測數(shù)據(jù)分別進行計算,每種方法選取上午9:00到下午15:00共7個時刻分別進行尺度擴展,并與觀測站實測的日蒸散發(fā)進行線性擬合,擬合結(jié)果如表2所示。從表中可以看出,4種方法在兩個站點的擬合斜率在日內(nèi)均呈現(xiàn)上升趨勢,在中午12:00到下午13:00點左右,擬合斜率接近為1,這說明4種尺度擴展方法對采用不同時刻瞬時值估算日蒸散發(fā)量的計算結(jié)果具有很大的差異性。4種擴展方法擬合后的截距都較小,除了高營站利用下午15:00的瞬時值進行擴展的結(jié)果外,其他擴展結(jié)果的擬合截距均小于0.1。而從擬合的確定性系數(shù)來看,4種方法均呈現(xiàn)出中午高、上午和下午低的特點。表2的統(tǒng)計結(jié)果顯示出蒸散發(fā)時間尺度擴展方法存在著一定的規(guī)律性,即采用上午時刻的瞬時值可能造成日蒸散發(fā)被低估,而采用下午時刻的瞬時值可能造成日蒸散發(fā)被高估。2.24模擬結(jié)果的比較對2個站點不同下墊面情況分別討論,對比4種時間尺度擴展方法模擬結(jié)果。圖1是擴展結(jié)果相對誤差bias的對比結(jié)果,從圖中可以看出,采用不同時刻瞬時值的日蒸散發(fā)模擬結(jié)果具有明顯的系統(tǒng)性偏差,總體來看在作物生長季呈現(xiàn)單調(diào)遞增的關(guān)系,但在通榆站的高粱下墊面則呈現(xiàn)早晚高、中午低的上凹趨勢。而在2個站點的裸地下墊面,日內(nèi)變化規(guī)律不是很顯著,尤其在通榆站,4種方法差異較大,但在下午均呈現(xiàn)出明顯升高的特點。對4種方法在不同下墊面作物的模擬結(jié)果進行比較,EF法和正弦法的系統(tǒng)偏差非常劇烈,一般情況下在上午顯著偏低而在下午則顯著偏高;改進EF法的系統(tǒng)偏差小于EF法和正弦法,模擬結(jié)果與實測值吻合較好,波動不大;正弦法在絕大多數(shù)時段模擬結(jié)果總體高于其他3種方法;而Kc法則總體低于其他3種方法。4種方法在不同的下墊面情況下表現(xiàn)出了較強的一致性和規(guī)律性,但相對而言,改進EF法的模擬相對誤差較小,且對于不同時刻的瞬時值均具有較好的適應性。圖2是擴展結(jié)果相對均方根誤差rrmse的對比結(jié)果,以百分比表示。rrmse隨瞬時值時刻的變化呈現(xiàn)出顯著的規(guī)律性,在2個站點的全部下墊面作物均呈現(xiàn)出早晚高,中午低的上凹規(guī)律,進一步印證了圖1中所闡釋的尺度擴展方法對不同模擬時刻的系統(tǒng)性偏差。具體來看,在高營站的作物生長季節(jié)中,采用正午和接近正午時刻的模擬相對rrmse最低,而裸地下墊面則在下午14:00左右rrmse達到最低值。而通榆站的最小rrmse出現(xiàn)時刻提前,在作物生長季為上午10:00到11:00,而裸地下墊面則為正午。此外,高營站在上午的模擬結(jié)果的相對均方根誤差較下午更大。但是對于通榆站而言,上午的相對均方根誤差較下午明顯減小。從數(shù)值上看,在高營站作物生長時期,采用接近中午時刻的模擬結(jié)果的rrmse小于20%,而作物生長期的通榆站的模擬誤差要大于高營站,rrmse在30%左右。在美國玉米和大豆站進行類似研究的結(jié)果表明,rrmse大概在15%~40%。2個站點的裸地的rrmse顯著大于作物生長時期,甚至超過100%,這是因為其蒸散發(fā)量的絕對值較小。橫向?qū)Ρ?種方法的結(jié)果表明,4種方法在接近正午時刻的rrmse差別不大,但正弦法在高營站及通榆站的作物生長季節(jié)明顯不適用?？紤]到不同的模擬時刻,改進EF法在絕大多數(shù)情況下模擬的rrmse小于其他3種方法,與圖1中bias的模擬結(jié)果類似。圖3是擴展結(jié)果效率系數(shù)ε的對比結(jié)果,效率系數(shù)對不同的作物類型和不同的瞬時時刻的規(guī)律與前面2個統(tǒng)計結(jié)果類似,值得注意的是在裸地下墊面情況下,2個站點在上午和下午均出現(xiàn)了效率系數(shù)小于0的情況。這說明采用時間尺度擴展方法模擬的結(jié)果比采用觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計平均值的模擬結(jié)果更差。在高營站的小麥和玉米下墊面,在中午12:00時效率系數(shù)最高,上午和下午逐漸減小;而在通榆站,中午12:00的效率系數(shù)出現(xiàn)一個波谷,小于臨近的上午和下午時刻。根據(jù)4種方法的橫向比較,在高營站,Kc方法在下午時段內(nèi)的效率系數(shù)較高,但是在上午時段表現(xiàn)不佳,而正弦法在上午根據(jù)4種擴展方法對兩個站點不同下墊面類型選取不同瞬時值時刻的擴展結(jié)果進行詳細分析和比較,可以總結(jié)出以下幾點:1)同一種尺度擴展方法對于不同氣候條件和不同下墊面類型的模擬結(jié)果差異較大,總的來看,對于有植被覆蓋的作物生長季節(jié)的模擬結(jié)果要優(yōu)于沒有植被覆蓋的裸土表面;2)對于同一種下墊面條件,選取不同的瞬時值時刻的模擬結(jié)果差異也很大,但具有很強的規(guī)律性,即采用中午和接近中午的瞬時值時刻的模擬結(jié)果好于上午和下午的時刻。高營站采用上午的瞬時值模擬結(jié)果比下午要差,反之,通榆站采用上午的瞬時值模擬結(jié)果比下午要好。3)雖然4種方法在模擬過程中顯示出了相似的規(guī)律性,但是總的來看,改進EF法的各項指標在兩個站點的各種下墊略優(yōu)于其他方法,但下午時段的效率系數(shù)顯著低于其他3種方法,EF法的結(jié)果較為穩(wěn)定,但相比較而言均低于改進EF法。在通榆站,4種擴展方法的變異性要小于高營站,基本呈同樣的規(guī)律,但也能看出正弦法在上午的時刻表現(xiàn)較好,而下午時刻表現(xiàn)較差,EF法和Kc方法在不同時段內(nèi)都比較穩(wěn)定,但是仍然略低于改進EF法。整體來看,改進EF方法在大多數(shù)情況下的效率系數(shù)要高于其他3種方法,而且也更為穩(wěn)定,在上午9:00和下午15:00仍然能維持較高的水平。Ibanez和Castellvi在地中海地區(qū)將該方法應用于小麥、草地和苜蓿作物中進行驗證,取得了良好的效果。面類型中的表現(xiàn)均優(yōu)于其他3種方法。Chavez等對美國愛荷華州玉米和大豆農(nóng)田進行蒸散發(fā)尺度擴展對比,他指出在非均勻地表情況下,EF法的結(jié)果更好,而在均勻地表情況下,Kc方法的結(jié)果更好,與本研究得到的結(jié)果不同。這說明不同的方法對不同的區(qū)域和作物均有不同的適應性。具體來說,緯度的差異可能導致時相差異,使不同時間的模擬值存在較大差異。例如在本研究區(qū)內(nèi),采用正弦法的模擬精度隨時間變化很大。另一方面,下墊面條件和氣象條件可能導致波文比絕對值差異較大,從而使某種方法的敏感性過高。例如在通榆站,Kc法的模擬結(jié)果總體偏低。此外,地表參數(shù)及能量通量的觀測及模擬不確定性也可能導致不同方法之間存在精度差異。例如在本研究區(qū)內(nèi),G的觀測誤差較大,因此改進EF法沒有考慮G,精度反而更高。2.3日蒸蒸發(fā)尺度擴展試驗盡管2.2節(jié)的結(jié)果顯示采用中午時刻的瞬時值進行蒸散發(fā)尺度擴展的結(jié)果較好,但是目前常用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的過境時間均為上午或者下午(例如:Landsat為上午10:00,AVHRR為下午14:00,MODISTerra為上午10:00左右,MODISAqua為下午14:00左右),因此,有必要對衛(wèi)星過境時刻的瞬時值進行尺度擴展的精度進行分析。為此,我們選取了精度相對較高的改進EF法進行精度評價,分別選取上午10:00和下午14:00兩個典型的衛(wèi)星過境時刻(后文簡稱為上午衛(wèi)星和下午衛(wèi)星)對高營站和通榆站各植被覆蓋類型進行尺度擴展,結(jié)果分別如圖4和5所示。從圖中可以看出,總體來說模擬值與觀測值吻合較好,離散程度不高,但是也存在著系統(tǒng)誤差,采用上午衛(wèi)星模擬的日蒸散發(fā)量均偏小,擬合斜率的最小值為0.77(高營站玉米下墊面),最大值為0.96(通榆站高粱下墊面)。值得注意的是,高營站的上午衛(wèi)星模擬值偏小程度較通榆站高,三種植被類型的擬合斜率均小于0.9,而通榆站則均在0.9以上。除了通榆站高粱下墊面之外,采用下午衛(wèi)星模擬的日蒸散發(fā)量均偏大,擬合斜率的最小值為1.06(高營站裸土下墊面),最大值為1.16(通榆站草地下墊面)。通榆站高粱下墊面采用下午衛(wèi)星的模擬值擬合斜率為0.96,與上午衛(wèi)星的擬合結(jié)果一致,因為該方法對通榆站高粱下墊面的模擬并沒有太大的系統(tǒng)偏差(見圖1),但對高粱下墊面模擬的離散程度卻大于其他四種下墊面。根據(jù)對蒸散發(fā)尺度擴展的精度分析可以總結(jié)出以下幾點:1)模擬值與實測值的一致性較好,離散程度不大;2)有植被覆蓋的情況下模擬結(jié)果要優(yōu)于裸土下墊面;3)采用上午衛(wèi)星的模擬結(jié)果普遍偏小,而采用下午衛(wèi)星的模擬結(jié)果普遍偏大。造成這種系統(tǒng)誤差的可能原因是遙感蒸散發(fā)時間尺度擴展方法中隱含的某一變量(如蒸發(fā)比、作物系數(shù)等)在日內(nèi)保持不變的假定在該研究區(qū)內(nèi)不成立。2.4不同季節(jié)蒸發(fā)比的變化根據(jù)1.2節(jié)中對4種蒸散發(fā)時間尺度擴展方法的介紹以及2.2節(jié)中的結(jié)論可以推測,目前常用的遙感蒸散發(fā)時間尺度擴展方法中假定某一變量在日內(nèi)保持不變的假設不成立,本節(jié)中以蒸發(fā)比為例,分析其在日內(nèi)的變化規(guī)律。根據(jù)公式(1)中對蒸發(fā)比的定義,對兩個站點不同下墊面的蒸發(fā)比多年平均值和標準偏差進行日內(nèi)變化分析(圖6)。從圖中可以看出,高營站的小麥和玉米季的蒸發(fā)比在日內(nèi)呈顯著的上升趨勢,例如小麥季的蒸發(fā)比從上午9:00的0.45左右升高到下午15:00的0.8左右,玉米季也從0.4升高到0.6左右,這與目前常用的四種蒸散發(fā)擴展方法所需的蒸發(fā)比日內(nèi)不變的前提假定不相吻合,這也是造成尺度擴展方法在不同時刻模擬結(jié)果存在較大系統(tǒng)偏差的原因。通榆站的高粱作物的蒸發(fā)比在白天保持較為平穩(wěn)的狀態(tài),僅在下午14:00之后有略微上升,草地的蒸發(fā)比呈上升趨勢,但是升高幅度較小,僅從0.3升高到0.45。兩個站點的裸地蒸發(fā)比在白天都沒有明顯的變化趨勢,高營站呈輕微的上凹形狀,中午12:00的蒸發(fā)比達到最低,上午和下午較高,與Gentine等對裸土的研究結(jié)果一致。通榆站也呈上凹形狀,但不顯著,上午和下午的蒸發(fā)比僅比中午左右略高。Brustaert和Sugita在研究中指出中午的蒸發(fā)比與日內(nèi)平均蒸發(fā)比的相關(guān)性最好,這與本研究的研究結(jié)果一致。另外,日內(nèi)蒸發(fā)比變化過程多年平均值的誤差棒也顯示在圖6中,為了圖示清晰,誤差棒只在一側(cè)表示。從圖中可以看出,高營站的蒸發(fā)比日內(nèi)變化的標準偏差較小,并且上午的標準差小于下午,從上午9:00到下午15:00,小麥季和玉米季的標準偏差大約從0.15增加到0.2左右。高營站裸土的標準偏差的變化幅度在0.1到0.15之間,但是由于裸土的蒸發(fā)比絕對值較小,因此歸一化的標準偏差要大于小麥季和玉米季。通榆站有作物覆蓋季節(jié)的蒸發(fā)比日內(nèi)變化多年平均值的標準偏差大概在0.1到0.2之間,由于其蒸發(fā)比絕對值較小,歸一化標準偏差要大于高營站。但通榆站裸地的蒸發(fā)比標準偏差相比高營站卻明顯偏小,除了下午3點時刻由于通榆站緯