银川平原年蒸散量的估算

【摘 要】表面能量平衡系统(SEBS)是应用卫星对地观测的可见光、近红外和热红外波段资料，结合实测气象数据或大气模式输出数据，根据表面能量平衡原理估算不同尺度的地表大气湍流通量，从而估算地表相对蒸散的一种方法。将水文数据与遥感数据相结合，对银川平原2004年的区域蒸散量进行了估算，评价了区域蒸散的时空变化规律。结果表明：银川平原的夏季秋季日蒸散量较大，日均蒸散达2.34mm/d；冬季日蒸散较小。在空间上，蒸散量主要以黄河两岸、农田灌溉区以及平原内部的湖沼分布区等地较高。

【关键字】NOAA 表面能量平衡原理（SEBS ） 蒸散 银川平原

中图分类号：G623.8文献标识码：A文章编号：1003-8809（2010）-11-0092-04

Annual Evapotranspiration Assessment of Yinchuan Plain

[Abstract] Using visible and infrared satellite remote sensing data, Surface Energy Balance System (SEBS) is based on land surface energy balance theory combined with the in-situ meteorological data or the product of atmospheric numerical model to estimate land surface turbulent flux and the relative evaporation at different scales. On the basis of hydrological and remote sensing data, this paper calculated the annual regional evapotranspiration (ET) of Yinchuan Plain in the year 2004 and assessed the temporal and spatial variation of regional ET. The result indicated that the daily ET of Summer and Autumn is relatively high in the Yinchuan Plain and the average daily ET is 2.34 mm/d. On the contrary, the daily ET of Winter is relatively small. In spatial, the ET inthe riparian of the Yellow River, the irrigation area and wetland area is relatively high.

[Keywords NOAA, Surface Energy Balance System, Evapotranspiration, the Yinchuan Plain

图2-1 交通位置图

1、引言

银川平原属干旱半干旱地区，缺水少雨，地下水资源在人类生存和社会发展中扮演着极为重要的角色。地下水资源合理开发利用的前提是深入认识水循环规律，定量评价地下水资源，最终达到可持续利用的目标。银川平原水资源循环过程中，大面积的蒸发是地下水的主要排泄方式，也是造成土壤盐碱化的主要原因。准确评价区域蒸散发量是深入了解地下水－地表水－大气水相互转换机理的核心问题，同时，对植被生态的保护均具有重要意义。

2、研究区概况

银川平原位于宁夏回族自治区北部，南起青铜峡峡口，北至石嘴山，西靠贺兰山，东倚鄂尔多斯台地。是宁夏政治、经济、文化的中心，也是宁夏经济最发达、人口最密集的地区。地理坐标为东经105°45′―106°56′，北纬37°46′―39°23′。南北长165km，东西宽42―60km，面积7790km2，海拔1100―1200m，经黄河长期冲积，形成一个狭长的冲积平原，是宁夏地势最低处。银川平原与贺兰山山区、山地、平原、台地等正负地形相伴而生，南北延伸、东西排列，呈平行带状分布，图（2-1）。按中国气候区划，银川平原地处中温带干旱区，冬季正当西北高寒流南下之要冲，夏季处于东南湿润气流北行之末梢，形成典型大陆性气候。其特征是冬长夏短，干旱少雨，日照充足，蒸发强烈，气温年、日差较大，风大沙多，无霜期短而多变，并有干旱、冰雹、霜冻等灾害性天气。银川平原实测的太阳辐射总量为146千卡/平方厘米/年。银川平原年平均气温9.0℃，极端最低气温-30.6℃，极端最高气温41.4℃；年日照时数为近3000小时。年平均降水量185 mm，多集中在6―9月，占全年降水量的68.1%，降雨年际变化大，季节分配不均匀，且多以暴雨的形式出现，历时短，强度大。年蒸发量为1825mm，接近降雨量的10倍，夏季蒸发量最大，占年蒸发量的44%―50%，冬季蒸发量最小，占年蒸发量的4%―8%。年平均湿度为55%，干燥度较高，由南往北递增。

3、计算理论和方法

基于能量平衡系统SEBS（Surface Energy Balance System）的理论是荷兰学者苏中波先生于2000年提出的计算区域蒸发量的理论方法。是当前应用比较广泛的模型，该模型主要包括4个方面：（1）确定一系列地表物理参数，如反照率、比辐射率、地表温度、植被覆盖度等；（2）建立热传导粗糙度模型；（3）利用总体相似理论（BAS）确定摩擦速度、显热通量和奥布霍夫稳定度；（4）利用地表能量平衡指数（SEBI）计算蒸发比。

在SEBS中，摩擦速度、感热通量和奥布霍夫稳定性长度可以通过求解线性方程组得到。对于地面上几米高度的区域观测数据，由于表面通量与地表变量和大气表层变量相关，因此所有的计算所采用的都是Brutsaert（1999）给出的莫宁―奥布霍夫相似性函数。通过Brutsaert（1999）提出的大气边界层总体相似性理论（BAS）函数代替MOS稳定度函数，方程组可以将表面通量与地表特征参数以及大气混合层的参数联系到一起，而这些参数则可以由无线电探空仪观测数据或大气模型的输出数据得到。根据极限条件的能量平衡来确定蒸发比（潜热通量与有效能量之间的比值），最后通过利用表面能量平衡原理来确定湍流热通量。此外，利用蒸发比守恒的性质，根据每天总的有效能量可以确定日蒸发量。

表面能量平衡是由表面净辐射驱动的，白天主要是太阳短波辐射。在地表，净辐射在感热通量、潜热通量和地面热通量间平衡，任一时刻的地表能量平衡如下：

（3-1）

式中：Rn为净辐射通量，G0为土壤热通量，H为湍流显然通量，λE为湍流潜热通量。

为了确定蒸发比，需要考虑在极限状态下的能量平衡关系。在地面极端干燥的状态下，由于土壤水分的限制使得潜热通量为零，而感热通量则达到其最大值。根据方程（3-1），可以得到

（3-2）

当地表完全湿润时，蒸发以潜在的最大速率进行，感热通量则达到其最小值，即

（3-3）

之后，相对蒸发可以通过下式求得

（3-4）

将式（3-1）、（3-2）及（3-3）代入方程（3-4）中，即可得到

（3-5）

式中Λr是相对蒸发比，为实际蒸散量与最大蒸散量之比，Hdry是干限状态下的感热通量，Hwet是湿限状态下的感热通量。

日蒸散量用式（6）计算：

（3-6）

式中 为日蒸发比，ρw 为水的密度。

本项研究采用了研究区2004年1-12月份，空间分辨率为1.1km的NOAA卫星数据，同时还选取了与卫星数据时间相对应的银川气象站的气象数据，主要包括：气象站高程、海平面气压、气温、风速、风向及相对湿度。

4、银川平原年蒸散量的估算

利用SEBS程序计算出的为日蒸散发量，取计算区域内所有象元蒸发量值的平均值作为银川盆地日均蒸散发量。欲将日蒸散发量转化为年蒸散发量的长时间序列，首先把日蒸散发量转化为月份蒸散发量，之后总和得到年蒸散发量。

本次研究是根据银川气象站2004年每天的日蒸散发量进行转化的，以推算1月份的蒸发蒸腾量为例：1月份有1景分辨率为1100m的遥感数据反演的蒸散发量结果。利用SEBS程序计算的2004年1月8日蒸散发量为：0.48mm，而气象站测得的2004年1月8日蒸发量为：0.504mm，根据公式（4-1）转化得到2004年1月份其它日期SEBS计算的蒸发量值，然后求和即得1月份蒸发量。

（4-1）

－1～31日的序号；

－转化的第日SEBS模型计算的蒸发量；

－第日气象站的蒸发量。

用同样的方法求出其他11个月的各月蒸散发量，求和得出全年的蒸散量为659.52mm。采用遥感方法计算出的月蒸发数据形成的蒸发曲线（如图4-1）所示。一年中7月份的蒸发量最大，接近120mm，其次为6月份和8月份。我们以3月~5月的蒸发量设定为春季蒸发量，6月~8月的蒸发量设定为夏季蒸发量，9月~11月的蒸发量为秋季蒸发量，12月~2月为冬季蒸发量。则银川平原各季的蒸发量的大小关系柱状图（见图4-2）。从（图4-2）中可以看出银川平原各季的蒸散发量年内变化较为明显。极端蒸发量最大值出现在夏季，极端蒸发量最小值出现在冬季，且年内变化基本符合如下规律：夏季>春季>秋季>冬季。

图4-1 2004年银川平原月蒸散量的变化曲线

图4-2 2004年银川平原各季蒸散量柱状图

ENVI中银川平原的整体象元值为5741，根据NOAA数据1.1km×1.1km的空间分辨率，可以得出计算的银川平原的面积为6947km2。由此得出银川平原2004年的区域蒸散发量为659.52mm×6947 km2×103=45.82亿m3。

5、蒸散规律分析

经过修正的银川平原2004年1-12月的地表蒸散量，如图5-1所示。

图5-1 银川平原2004年1月--12月日蒸散量图

（1）银川平原蒸散量的时间变化规律

从银川平原2004年12个月的NOAA图像计算的日蒸发量结果（图5-1）可以看出，银川平原在春季和冬季日蒸散相对较少，1月份、12月份日均蒸散量为0.5mm/day，2月份、11月份日均蒸散为1.46mm/day和1.02mm/day。存在大量蒸发量为0或者接近0的地区。蒸发量在区域上变化幅度较小。在夏季和秋季（5-10月份）区域蒸散发量大，日均蒸散发量超过2.34mm/day，7月份达到最大日蒸散发量为3.54mm/day。蒸散发量的变化幅度较大。4月下旬对银川平原进行引黄灌溉，种植的农作物主要以小麦为主，这时的小麦处于返青、拔节阶段，开始逐渐生长，耕地的蒸腾蒸发量随之开始增加。进入到5月中旬，地面植被以小麦和草地为主。此时小麦经历了快速发育期、生育中期和成熟期，此时是银川平原水稻插秧季节，耕地的蒸发蒸腾量陡然增加，6月上旬小麦收割、玉米播种，7月份为玉米幼苗期。在7、8、9月份，水稻由拔节、抽穗、灌浆到成熟，耕地的蒸发蒸腾量仍保持在较高值。到了10、11月份，银川平原的农作物全部收割，下垫面上基本没有农作物的存在，因温度低、降水少，蒸发量一直在减少。而对于人工地，由于5~9月份的气温较高，太阳净辐射大，故这些月份的蒸发量也明显高于其他月份。区域蒸散发量存在先增大后减小的趋势。

（2）蒸散量的空间分布

从空间上看，蒸散发量主要以黄河两岸、农田灌溉区以及平原内部的湖沼分布区等地较高。这是由于这些地区地下水位埋深浅，土壤含水量较大，是主要引水灌溉区域。从图像上可以看出在枯水期，银北的蒸发量要比银南的大，这是因为银北的地下水位埋深比银南地区地下水位埋深浅，地表蒸发能够得到更多的地下水的补给；在丰水期，由于降水和农业灌溉的影响，植被覆盖好的银川平原南部地区的蒸散量要大于盐碱化较严重的银北平原。对于同一个月的不同土地利用类型，其平均蒸发蒸腾量不相同。在整个1年内的各月中，各土地利用类型的平均蒸发蒸腾量之间的大小关系也不完全是固定不变的，例如：对于耕地和人工建筑用地，在农作物没有开始生长的时间内耕地的平均蒸发蒸腾量与人工建筑用地的平均蒸发蒸腾量相接近，而当农作物进入快速发育期并到成熟期时，耕地的平均蒸发蒸腾量就明显大于人工建筑用地地的平均蒸发蒸腾量。在各种土地利用类型中，人工建筑用地的平均蒸发蒸腾量最小。

6、结论

在这项研究中，通过应用表面能量平衡系统（SEBS）对银川平原2004年的蒸散量进行了计算，得出以下结论：

1）银川平原的夏季和秋季（5-10月份）区域蒸散量相对较大，日均蒸散量超过2.34mm/day，7月份达到最大，日蒸散量为3.54mm/day；

2）根据对1-12月逐月蒸散量的计算，银川平原2004年的蒸散量为45.82亿m3；

3）从空间上看，银川平原的蒸散量主要以黄河两岸、农田灌溉区以及平原内部的湖沼分布区等地较高。同时，银北蒸散量高于银南地区。

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