干旱区区域蒸散发量遥感反演研究

为研究干旱半干旱区蒸散发量,以新疆为研究区域,基于地表能量平衡,依据地表温度与反照率关系确定蒸发比,利用MODIS影像遥感估算新疆地区的蒸散发量。通过野外验证,模拟蒸散量与涡度相关仪野外观测量一致,平均误差在0.40mm/d。在干旱区,蒸散发量与降水的相关性在82%,与气温的相关性分别为46%。通过模型反演,2005年研究区在空间上以裸土蒸发为主,蒸发量在0-2mm/d之间,主要在塔里木盆地、准噶尔盆地和吐鲁番盆地,而蒸散发量较高地区主要为天山山脉下垫面为林地草地和平原绿洲农田区域,蒸散发量最大达6mm/d。     

土地利用/覆被变化对区域蒸散发影响的遥感分析——以吉林省乾安县为例

以吉林省西部乾安县为例,基于Landsat TM和ETM+影像,分析该区1989年和2001年2期土地利用/覆被变化对区域蒸散发的影响。结果表明:从1989-2001年,乾安县土地利用/变化显著。草地→耕地、草地与不同程度盐碱地、不同程度盐碱地内部的转换为主要土地利用变化类型。12年来,不同土地利用类型的平均日蒸散量格局基本一致,表现为:水体>湿地/耕地>林地>草地/轻度盐碱地>居民用地>中度盐碱地>重度盐碱地。其中,59.6%的地表蒸散强度变化区的土地利用/覆被发生变化。草地→耕地、草地→不同程度盐碱地、不同程度盐碱地→草地的蒸散强度变化以基本不变、减少、增加为主;由轻度盐碱地向重度盐碱地逐渐转变时,蒸散强度降低,反之增加。由于草地的植被覆盖度减少,其蒸散强度降低,而林地、居民用地、轻度盐碱地的植被覆盖度增加,蒸散强度以增加为主。     

基于SEBAL模型与MODIS产品的松嫩平原蒸散量研究

利用MODIS的地表温度/比辐射率、植被指数、地表反照率3种产品,结合气象站点的观测资料,通过基于地表能量平衡方程的SEBAL模型估算了松嫩平原2008年5月16日、6月16日、7月13日、8月15日、9月13日不同下垫面的地表蒸散量,并采用涡动相关数据对模型估算结果进行验证,发现估算值与实测值的变化趋势大体一致,平均误差在20%以内,基本上可以满足区域蒸散研究的精度要求。此外,还通过GIS空间分析方法探讨了松嫩平原2008年生长季内不同时相蒸散量的时空分布特征,并分析了蒸散量土地利用类型的关系,结果表明松嫩平原蒸散量的空间分布在很大程度上受气候特征、土壤供水条件及土地利用类型的影响,各时相的蒸散量大致表现为从西南部向东北部逐渐增加的变化趋势,水体、林地、沼泽湿地具有较高的蒸散量,耕地、居工地次之,草地的蒸散量最低。     

基于能量平衡算法的精河流域绿洲蒸散发时空变化模拟

基于1998、2007年和2011年三期遥感影像数据,利用SEBAL模型对研究区蒸散发进行了估算,并采用morlet小波分析和M-K突变检验,对实际蒸散量时空格局、变化特征及周期性进行了研究。结果表明:1998—2011年,研究区实际日蒸散发从4.90 mm下降到4.46 mm,总体呈下降趋势;研究区中部艾比湖湖面为极高值,其范围为7.3~9.32 mm,西北部、北部和东部为蒸散量低值区,其范围为0.53~1.27 mm;研究区不同土地类型的日蒸散量中未利用地最小,其次是建设用地,除水体外林地和耕地最高;研究区蒸散量存在26~30 a的周期变化规律,预测2022年将再次转入下降,而2030年蒸散量则将再次进入上升周期。     

青海湖沙柳河流域蒸散发时空变化特征

蒸散发(Evapotranspiration,ET)是植被和地面整体向大气输送的水汽总通量，其作为能量平衡及水循环的重要组成部分，不仅影响植物的生长发育，还可通过影响大气环流从而调节气候。本研究基于MODIS影像数据，结合数字高程模型(DEM)数据和气象数据，采用ArcGIS空间分析和数理统计方法对2000—2019年青海湖沙柳河流域近20 a的蒸散发时空特征进行了研究，并探究了流域蒸散发和气象因子的相关关系及其地形和海拔效应。结果表明：(1)青海湖沙柳河流域年均蒸散量在379.7～575.4 mm，平均蒸散量为501.9 mm，年均蒸散量呈显著的增加趋势(P<0.01)，线性斜率为5.98 mm·a^-1。(2)青海湖沙柳河流域多年平均蒸散量空间差异显著，其值表现为“中间高，两端低”的分布格局，即河源地区和下游河口三角洲地区低于中游地区。从不同植被类型带的多年平均蒸散量来看，高山草甸带>高山寒漠带>高山草原带。蒸散量较显著增加的区域主要分布在流域下游河口三角洲地区，占流域面积的9.7%，较轻微增加的区域占据流域主体，占流域81.2%。(3)年均蒸...     

基于MOD16的关中地区实际蒸散发时空特征分析

基于新型MOD16遥感数据集,在产品数据精度验证的基础上,利用GIS与RS技术统计分析关中地区2000—2012年间实际蒸散发(ET)时空演变特征及不同土地利用类型蒸散差异。结果表明:(1)MOD16-ET在关中地区数据精度良好,验证相对误差和相关系数分别为10.38%和0.69;(2)关中地区多年ET均值为520.05 mm·a-1,空间分布大致呈西南-东北递减的三级阶梯格局,四季ET空间分布与多年平均情况基本一致。(3)ET空间分布受地表覆盖类型影响显著,各地类蒸散强度排序依次为林地(623.67 mm·a-1)草地(504.51 mm·a-1)园地(460.86 mm·a-1)农田(448.89 mm·a-1)裸地(408.77 mm·a-1);(4)关中地区ET年际变化趋势以0.87 mm·a-1的速率增加,空间分布呈东部减小西部增加的趋势,其中春、夏季变化区域面积比例较大且以增加趋势为主,秋、冬季节绝大部分地区ET年际变化不甚明显。关中地区年内各月ET大致呈先升后降的变化趋势,且蒸散量主要集中于夏季。     

柴达木盆地多元信息融合遥感蒸散发估算

蒸散发是水循环中水量、能量平衡的关键过程。REDRAW模型对典型遥感蒸散发模型SEBAL干湿限选取方式进行改进，使用理论计算法估算干湿限地表温度以降低空间歧义性。为检验这两个模型在柴达木地区的适用性，以及气象校正对于蒸散发的敏感性，文中使用ERA5再分析数据、地表站点观测融合作为气象输入，采用REDRAW和SEBAL两种单源遥感蒸散发模型反演柴达木盆地2001-2020年1km×1km分辨率逐月蒸散发，由此求得多年平均蒸散发并水量平衡闭合验证。结果表明：REDRAW模型估算的柴达木盆地年均蒸散发为178.5mm,水量平衡闭合度为89.2%,较SEBAL模型能更好地描述该区域蒸散发特征；基于随机森林模型的气象校正算法可以纠正ERA5再分析数据的系统性偏差，能一定程度上消除缺乏气象站点观测引起的蒸散发估算误差。     

干旱区典型绿洲地表温度昼夜变化特征研究——以于田绿洲为例

文中利用2012年长时间序列MODIS地表温度产品,以于田绿洲为例进行干旱区地表昼夜温差时间和空间变化特征的研究。结合MODIS土地利用数据,进一步分析了不同土地利用类型下地表昼夜温差的长时序变化特征。结果显示:研究区绿洲地表昼夜温差在0-40℃之间,其年均值小于25℃,而对于地表昼夜温差范围在0-60℃荒漠区其年均值大于25℃;并且绿洲-荒漠交错带呈现出明显的锯齿状效应。不同土地利用类型的地表昼夜温差值的大小依次是未利用土地、林地、草地、耕地及建设用地。尽管土地利用类型对地表昼夜温差有较大影响,但是其时间序列变化特征并未受到土地利用类型的明显影响;不同土地利用类型具有相似的地表昼夜温差时序特征。相比于Terra卫星,Aqua卫星观测数据能够更好的反映地表昼夜温差的变化特征。     

汾河流域土地利用变化及生态环境效应

选取汾河流域为研究区，采用土地利用动态度、地学信息图谱、生态价值指数和植被覆盖度综合分析研究区2000年、2005年、2010年、2015年及2018年土地利用变化及生态环境影响效应问题。结果表明：（1）2000—2018年，流域建设用地、林地呈现增长趋势，增长面积分别为1350.90 km²、85.50 km²，增长率分别为92.83%、0.96%；耕地、草地出现小幅下降趋势，缩减面积分别为729 km²、674.10 km²，缩减率分别为-5.02%、-7.63%；水域及未利用土地维持多年平均水平，平均面积为297 km²、7.92 km²。空间格局呈现建设用地、耕地集中于流域核心区，草地、林地集中于边缘区的分异特征。（2）各时序综合土地利用动态度、土地转移图谱、土地利用涨落势变化近似，显著变化区主要位于流域盆地及其与山地过渡区，多年综合土地利用动态度为4.34%，单一土地利用动态度及土地利用涨势幅度最高的是建设用地及林地。（3）基于不同的主导土地利用...     

近50年来霍林河流域下游沿岸土地利用变化过程

本文以干旱半干旱脆弱区霍林河流域下游沿岸为研究靶区,利用1954和1964年地形图,1986、1996和2000年的TM遥感影像作为基本信息源,在GIS支持下,建立土地利用空间数据库,通过分析不同时段各土地利用类型的动态变化及其转换过程,揭示近50年来霍林河流域下游沿岸土地利用变化过程及其规律。研究得出,耕地和草地是霍林河流域下游沿岸的主要土地利用类型,次之为盐碱地,湿地和林地比重较小,人居地和沙裸地最小。计算土地利用动态度进行土地利用变化的数量分析发现,各土地利用类型之间以及同一土地利用类型在不同的研究时段都呈现出显著差异的速度变化,表现在速度变化的绝对量上、速度变化的方向上和土地利用综合动态度上,耕地和草地始终相反的速度变化方向说明二者之间存在密切的相互转换关系,而人居地和盐碱地始终一致的速度变化方向则说明人类干扰活动是研究区盐碱地面积扩张变化的一个主要因素。土地利用转换分析显示,霍林河流域下游沿岸各土地利用类型稳定性排序为耕地>湿地>人居地>盐碱地>林地>草地>沙裸地,它们之间的转换变化具有显著的差异性,同一土地利用类型在转出和转入土地利用类型及其转换量上的表现不同,且随时间推移亦发生变化,且这种转换变化在区域分布及空间构型上存在差异。转出的减少作用和转入的增加作用相叠加决定着研究区不同时段各土地利用类型的动态变化。     

蒸散发估算方法及其驱动力研究进展

蒸散发是水文循环的重要组成部分,也是度量土壤-植被-大气耦合系统中水文与能量传输的关键指标。因此,准确估算蒸散发,充分理解蒸散发的驱动力对干旱半干旱区水资源高效利用具有重要意义。本文对区域蒸散发估算方法进行了总结与归纳,并从气候变化和人类活动两个角度总结了干旱半干旱地区蒸散发变化的驱动力。最后,评论了当前蒸散发估算方法及其驱动力研究存在的问题,提出未来应加强蒸散发估算模型的改进与完善,合理规划土地利用,提高水资源利用效率,从而促进区域的可持续发展。     

蒸散发估算方法及其驱动力研究进展

蒸散发是水文循环的重要组成部分,也是度量土壤-植被-大气耦合系统中水文与能量传输的关键指标。因此,准确估算蒸散发,充分理解蒸散发的驱动力对干旱半干旱区水资源高效利用具有重要意义。本文对区域蒸散发估算方法进行了总结与归纳,并从气候变化和人类活动两个角度总结了干旱半干旱地区蒸散发变化的驱动力。最后,评论了当前蒸散发估算方法及其驱动力研究存在的问题,提出未来应加强蒸散发估算模型的改进与完善,合理规划土地利用,提高水资源利用效率,从而促进区域的可持续发展。     

Characterizing the spatiotemporal variations of evapotranspiration and aridity index in mid-western China from 2001 to 2016

Mid-western China is one of the most sensitive and fragile areas on the Earth. Evapotranspiration (ET) is a key part of hydrological cycle in these areas and is affected by both global climate change and human activities. The dynamic changes in ET and potential evapotranspiration (PET), which can reflect water consumption and demand, are still unclear, and there is a lack of predictive capacity on drought severity. In this study, we used global MODIS (moderate-resolution imaging spectroradiometer) terrestrial ET (MOD16) products, Morlet wavelet analysis, and simple linear regression to investigate the spatiotemporal variations of ET, PET, reference ET (ET₀), and aridity index (AI) in mid-western pastoral regions of China (including Gansu Province, Qinghai Province, Ningxia Hui Autonomous Region, and part of Inner Mongolia Autonomous Region) from 2001 to 2016. The results showed that the overall ET gradually increased from east to southwest in the study area. Actual ET showed an increasing trend, whereas PET tended to decrease from 2001 to 2016. The change in ET was affected by vegetation types. During the study period, the average annual ET₀ and AI tended to decrease. At the monthly scale within a year, AI value decreased from January to July and then increased. The interannual variations of ET₀ and AI showed periodicity with a main period of 14 a, and two other periodicities of 11 and 5 a. This study showed that in recent years, drought in these pastoral regions of mid-western China has been alleviated. Therefore, it is foreseeable that the demand for irrigation water for agricultural production in these regions will decrease.     

Spatio-temporal pattern and changes of evapotranspiration in arid Central Asia and Xinjiang of China

Accurate inversion of land surface evapotranspiration (ET) in arid areas is of great significance for understanding global eco-hydrological process and exploring the spatio-temporal variation and ecological response of water resources.It is also important in the functional evaluation of regional water cycle and water balance,as well as the rational allocation and management of water resources.This study,based on model validation analysis at varied scales in five Central Asian countries and China's Xinjiang,developed an appropriate approach for ET inversion in arid lands.The actual ET during growing seasons of the study area was defined,and the changes in water participating in evaporation in regional water cycle were then educed.The results show the simulation error of SEBS (Surface Energy Balance System) model under cloud amount consideration was 1.34% at 30-m spatial scale,2.75% at 1-km spatial scale and 6.37% at 4-km spatial scale.ET inversion for 1980-2007 applying SEBS model in the study area indicates:(1) the evaporation depth (May-September) by land types descends in the order of waters (660.24 mm) > cultivated land (464.66 mm) > woodland (388.44 mm) > urbanized land (168.16 mm) > grassland (160.48 mm) > unused land (83.08 mm);and (2) ET during the 2005 growing season in Xinjiang and Central Asia was 2,168.68×10 8 m 3 (with an evaporation/precipitation ratio of 1.05) and 9,741.03×10 8 m 3 (with an evaporation/precipitation ratio of 1.4),respectively.The results unveiled the spatio-temporal variation rules of ET process in arid areas,providing a reference for further research on the water cycle and water balance in similar arid regions.     

Evapotranspiration of an oasis-desert transition zone in the middle stream of Heihe River,Northwest China

As a main component in water balance, evapotranspiration is of great importance for water saving and irrigation-measure making, especially in arid or semiarid regions. Although studies of evapotranspiration have been conducted for a long time, studies concentrated on oasis-desert transition zone are very limited. On the basis of the meteorological data and other parameters(e.g. leaf area index(LAI)) of an oasis-desert transition zone in the middle stream of Heihe River from 2005 to 2011, this paper calculated both reference(ET0) and actual evapotranspiration(ETc) using FAO56 Penman-Monteith and Penman-Monteith models, respectively. In combination with pan evaporation(Ep) measured by E601 pan evaporator, four aspects were analyzed:(1) ET0 was firstly verified by Ep;(2) Characteristics of ET0 and ETc were compared, while the influencing factors were also analyzed;(3) Since meteorological data are often unavailable for estimating ET0 through FAO56 Penman-Monteith model in this region, pan evaporation coefficient(Kp) is very important when using observed Ep to predict ET0. Under this circumstance, an empirical formula of Kp was put forward for this region;(4) Crop coefficient(Kc), an important index to reflect evapotranspiration, was also analyzed. Results show that mean annual values of ET0 and ETc were 840 and 221 mm, respectively. On the daily bases, ET0 and ETc were 2.3 and 0.6 mm/d, respectively. The annual tendency of ET0 and ETc was very similar, but their amplitude was obviously different. The differences among ET0 and ETc were mainly attributed to the different meteorological variables and leaf area index. The calculated Kc was about 0.25 and showed little variation during the growing season, indicating that available water(e.g. precipitation and irrigation) of about 221 mm/a was required to keep the water balance in this region. The results provide an comprehensive analysis of evapotranspiration for an oasis-desert transition zone in the middle stream of Heihe River, which was seldom reported before.     

中国干旱半干旱地区土壤凝结水研究综述

中国北方干旱半干旱地区的气象条件有利于土壤凝结水的形成。从20世纪60年代以来,相继开展了一系列土壤凝结水的实验与研究。土壤凝结水特指地面温度和表层地温达到露点时,大气水汽和土壤孔隙水汽由汽态水凝结而成的液态水。近地气温、地温、相对湿度、下垫面性质、地下水埋深等因素都会影响凝结水形成的速度、深度和数量。土壤凝结水的水汽来源主要是近地表大气和包气带孔隙中的水汽。土壤凝结水是土壤水和地下水水分平衡不可忽缺的因素。土壤凝结水也是干旱半干旱地区的主要水源之一,具有重要的生态与环境意义。     

Model based decision support system for land use changes and socio-economic assessments

Hydrological models are often linked with other models in cognate sciences to understand the interactions among climate, earth, water, ecosystem, and human society. This paper presents the development and implementation of a decision support system(DSS) that links the outputs of hydrological models with real-time decision making on social-economic assessments and land use management. Discharge and glacier geometry changes were simulated with hydrological model, water availability in semiarid environments. Irrigation and ecological water were simulated by a new commercial software MIKE HYDRO. Groundwater was simulated by MODFLOW. All the outputs of theses hydrological models were taken as inputs into the DSS in three types of links: regression equations, stationary data inputs, or dynamic data inputs as the models running parallel in the simulation periods. The DSS integrates the hydrological data, geographic data, social and economic statistical data, and establishes the relationships with equations, conditional statements and fuzzy logics. The programming is realized in C++. The DSS has four remarkable features:(1) editable land use maps to assist decision-making;(2) conjunctive use of surface and groundwater resources;(3) interactions among water, earth, ecosystem, and humans; and(4) links with hydrological models. The overall goal of the DSS is to combine the outputs of scientific models, knowledge of experts, and perspectives of stakeholders, into a computer-based system, which allows sustainability impact assessment within regional planning; and to understand ecosystem services and integrate them into land and water management.     

塔克拉玛干沙漠腹地参考作物蒸散量与蒸发皿蒸发量的对比分析

利用2005-2010年塔克拉玛干沙漠腹地气象资料计算了极端干旱区塔克拉玛干沙漠腹地参考作物蒸散量(ET0),并与气象站蒸发皿蒸发量(Ep)进行了对比分析及影响因素的灰色关联度排序。结果表明:极端干旱区ET0最大值出现于7月,最小值则出现在1月;Ep最大值分别出现在6月,最小值出现在12月。灰色关联分析表明,在年时间尺度上与ET0关系最为紧密的气象因子是Umean,其次是Tmax,而影响Ep气象因子最为紧密的气象因子是Tmax,其次是Umean;在春、夏、秋、冬四个季节尺度上夏季对影响ET0和Ep的气象因子差异最大。ET0与Ep在春、秋、冬三个季节都成极显著关系,而在夏季呈显著线性关系,因此在不同时间尺度上二者可以进行互相替换。     

叶尔羌河流域绿洲蒸散量的遥感估算

以谐波法与双源遥感蒸散模型TSEB的耦合算法为基础,将模型反演的瞬时潜热通量扩展到日、月、年等时间尺度,并应用于新疆叶尔羌河流域绿洲。利用MODIS数据,结合地面气象资料,模拟分析了叶尔羌河绿洲2007年耗水的年内过程、区域分布以及不同土地利用的耗水比例。尽管该遥感方法只考虑地表能量平衡,但所模拟的绿洲年耗水总量与水量平衡法的估算结果接近,不同土地利用类型的蒸散量与类似山区来水条件下绿洲散耗型水文模型的模拟结果比较接近,表明该方法可以用于绿洲的耗水分析,估算结果可为绿洲水资源配置提供科学依据。     

地下水位下降对区域气候影响的虚拟试验

利用数值模拟方法,研究我国西北地区地下水位大幅度下降对干旱、半干旱气候变化的影响,并对地下水位变化和大气降水相互作用的反馈机制进行探讨.结果表明,地下水位大幅降落可以引发显著的气候效应,不仅引起降水的大幅度减少和近地面的增温,而且通过对土壤水状况的改变,引起了边界层结构和陆-气通量交换的变化.这些变化引起了局地对流层中低层大气环流的调整,进一步影响干旱气候.通过虚拟试验,反映了地下水变化对土壤水和大气降水等水分循环过程和干旱气候的巨大影响.