潜在蒸散发估算的简化方法及其应用

潜在蒸散发在区域水量平衡、干旱程度评价、农作物需水量等方面的研究中具有重要的作用。然而,潜在蒸散发的空间化处理一直以来都是相关研究面临的一个挑战。基于新疆地区1960—2017年66个气象站的观测数据,通过一种简单的参数方程,实现了潜在蒸散发(ET_0)的空间化处理。研究结果表明:①简化参数方程中的2个重要参数a,c的空间分布呈现一定的规律,参数a在空间上呈现东南高,西北低的特点;参数c则随海拔的增加而增大。②简化参数方程与Penman-Monteith方法相比,拟合结果在日、月和季节尺度上的R~2值均大于0. 90,且R~2值随时间尺度的增加而增大。③将简化参数方程的拟合结果与CRU数据和MOD16A2数据进行对比发现:简化参数方程与Penman-Monteith方法拟合的R~2值较高,拟合效果和偏差指标表现更佳,而CRU、MOD16A2数据拟合的R~2值较低。简化参数方程所获得的潜在蒸散发精度高且空间分辨率更高(500 m×500 m),是一种适用于新疆地区潜在蒸散发估算的简便有效的方法。     

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。     

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。     

GLDAS数据产品在渭河流域潜在蒸散发模拟中的应用研究

蒸散发量是水资源管理的一个重要参数,目前的蒸散发模型中需要的大量气象参数,一般都是通过气象站点数据插值得到,对于缺资料和无资料地区有巨大的局限性。文中在对GLDAS气压、气温和风速数据产品年、月、日尺度进行有效性分析的基础上,将其应用于渭河流域潜在蒸散发模拟研究中,模型选用Penman-Manteith公式,对渭河流域2006-2009年日尺度上的潜在蒸散发时空结构进行了定量分析。结果表明:GLDAS数据产品精度较高,完全满足蒸散发研究的需要,较地面气象站点观测,具有较好的时空连续性,在全国性及区域性蒸散发模拟中具有较好的应用前景。     

基于辐射的潜在蒸散发量估算方法在黑河流域的适用性分析

准确估算流域潜在蒸散发量(PET)具有重要意义。文中基于黑河流域16个国家基本气象站1990～2000年的历史气象数据,利用FAO56-PM法和其它6种基于辐射的PET估算方法,对各站点PET进行估算。以PM法的计算结果作为标准,对6种方法进行参数校正,并对其估算精度进行评价。结果表明:采用初始参数时,Hargreaves法在黑河流域的PET估算精度最高。经过参数校正,Makkink法估算PET的精度最高。因此,在计算黑河流域PET时,推荐使用经过参数校正后的Makkink法。     

新疆塔里木盆地西缘参考作物蒸散发模型的适用性评价

参考作物蒸散发(ET0)是计算植被耗水量、分析区域水分平衡、管理水资源的基本参数。由于区域间气象条件的差异,ET0模型在不同地区表现出不同的适用性。文中以新疆塔里木盆地西缘的阿克苏地区为例,以PM模型计算值为标准,评价了H-S、P-T与Mc Cloud模型在研究区的适用性。结果表明:太阳总辐射与ET0日值之间呈现极强的相关性与偏相关性,说明太阳辐射能量是驱动SPAC系统中水分从植被向大气运动的主要动力;由于模型输入参数的不同,在ET0日值计算中,H-S模型、P-T模型与Mc Cloud模型计算值显著小于PM模型,其中以H-S模型计算精度最高,均方根误差为1.058mm,平均偏差为0.212mm;通过对H-S模型、P-T模型与Mc Cloud模型进行修正,不同模型的计算精度均有所提高,修正后Mc Cloud模型的计算精度最高,且3种模型修正后ET0日值与PM模型计算值无显著差异。文中研究结果可为塔里木盆地西缘地区参考作物蒸散发的计算提供重要参考。     

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。     

利用SEBAL模型对沙拉沐沦河流域蒸散发的分析

以2001年7月10日的MODIS数据为数据源,采用基于地表热量平衡的SEBAL模型估算位于半干旱地区的沙拉沐沦河流域的实际蒸散发量,综合分析蒸散发量与土地利用/覆被、地表温度、植被指数、高程、坡度和坡向的关系。结果表明:该流域的夏季日实际蒸散发量空间差异比较大,从0mm到6.57mm,平均蒸散发约2.90mm;蒸散发的空间分布不均匀,流域边缘林地覆盖区的蒸散发最高,中部和流域出口所在的草地、耕地分布区相对较低。实际蒸散发量与地表温度和归一化植被指数高度线性相关;不同的土地利用类型具有不同的日平均蒸散发量,林地的日平均蒸散发量最高,其次为耕地,建设用地最低。     

Hydrological and water cycle processes of inland river basins in the arid region of Northwest China

The increasing shortage in water resources is a key factor affecting sustainable socio-economic development in the arid region of Northwest China(ARNC). Water shortages also affect the stability of the region's oasis ecosystem. This paper summarizes the hydrological processes and water cycle of inland river basins in the ARNC, focusing on the following aspects: the spatial-temporal features of water resources(including air water vapor resources, runoff, and glacial meltwater) and their driving forces; the characteristics of streamflow composition in the inland river basins; the characteristics and main controlling factors of baseflow in the inland rivers; and anticipated future changes in hydrological processes and water resources. The results indicate that:(1) although the runoff in most inland rivers in the ARNC showed a significant increasing trend, both the glaciated area and glacial ice reserves have been reduced in the mountains;(2) snow melt and glacier melt are extremely important hydrological processes in the ARNC, especially in the Kunlun and Tianshan mountains;(3) baseflow in the inland rivers of the ARNC is the result of climate change and human activities, with the main driving factors being the reduction in forest area and the over-exploitation and utilization of groundwater in the river basins; and(4) the contradictions among water resources, ecology and economy will further increase in the future. The findings of this study might also help strengthen the ecological, economic and social sustainable development in the study region.     

近50年中国干旱半干旱地区降水量与潜在蒸散量分析

在中国干旱半干旱地区日气象数据分析的基础上,依据彭曼公式计算出潜在蒸散量,以及生长季内的年平均降水量与潜在蒸散量二者的差值,利用空间分异分析,气候倾向率检测,以及时间序列MK突变检验等方法分析了降水量与潜在蒸散量的时空变化特征。结果表明:总体来看,我国干旱半干旱区50年来东、西部的气候变化有明显的差异,西北地区降水量增加,潜在蒸散量减少,干旱化程度在减轻,且变化十分显著。而东部干旱半干旱区降水量减少,潜在蒸散量增加,干旱化严重。     

近50a西北干旱区降水量变化差异分析

利用近50a西北干旱区21个代表站点的逐月降水量资料,通过逐月降水量趋势系数和对西北干旱区降水量变化贡献最大的月份的比较,深入分析近50a西北干旱区降水量变化的差异,从而得到以下结论:(1)降水量变化具有明显的季节差异。西北干旱区春季降水量变化较为复杂;夏季除了新疆西北部降水量减少趋势外,其他地区降水量都以增加为主;秋季形成了从南到北降水量依次增加的格局;冬季在新疆东部、南部和河西走廊的降水量有减少趋势,新疆西北部和柴达木盆地降水量以增加为主。(2)对夏半年降水量增加贡献最大的月份主要在7月,在新疆东部、南部和柴达木盆地。冬半年降水量增加贡献最大的月份主要在3月,在新疆西部、南部地区、河西走廊和柴达木盆地。     

近40a西北干旱区极端气候变化趋势研究

本文选取了西北干旱区21个代表站点1961-2000年逐日气温和逐日降水量资料。用百分位阈值法分析极端年最低温度、年最高温度和极端降水量变化特征及其各分区极端气候变化趋势。研究结果表明:(1)西北干旱区近40a年最低温度的天数有减少的趋势,而年最高温度的天数略有增加趋势。(2)西北干旱区年最低温度有增加趋势,年最高温度略有减少趋势。从分区看,北疆和南疆的年最低温度有升高趋势,年最高温度有下降趋势;河西走廊、柴达木盆地年最低温度和最高温度有升高趋势。(3)近40a西北干旱区极端降水的天数增加了2天。     

Responses of water productivity to irrigation and N supply for hybrid maize seed production in an arid region of Northwest China

Water and nitrogen(N) are generally two of the most important factors in determining the crop productivity. Proper water and N managements are prerequisites for agriculture sustainable development in arid areas. Field experiments were conducted to study the responses of water productivity for crop yield(WP_(Y-ET)) and final biomass(WP_(B-ET)) of film-mulched hybrid maize seed production to different irrigation and N treatments in the Hexi Corridor, Northwest China during April to September in 2013 and also during April to September in 2014. Three irrigation levels(70%–65%, 60%–55%, and 50%–45% of the field capacity) combined with three N rates(500, 400, and 300 kg N/hm~2) were tested in 2013. The N treatments were adjusted to 500, 300, and 100 kg N/hm~2 in 2014. Results showed that the responses of WP_(Y-ET) and WP_(B-ET) to different irrigation amounts were different. WP_(Y-ET) was significantly reduced by lowering irrigation amounts while WP_(B-ET) stayed relatively insensitive to irrigation amounts. However, WP_(Y-ET) and WP_(B-ET) behaved consistently when subjected to different N treatments. There was a slight effect of reducing N input from 500 to 300 kg/hm~2 on the WP_(Y-ET) and WP_(B-ET), however, when reducing N input to 100 kg/hm~2, the values of WP_(Y-ET) and WP_(B-ET) were significantly reduced. Water is the primary factor and N is the secondary factor in determining both yield(Y) and final biomass(B). Partial factor productivity from applied N(PFP_N) was the maximum under the higher irrigation level and in lower N rate(100–300 kg N/hm~2) in both years(2013 and 2014). Lowering the irrigation amount significantly reduced evapotranspiration(ET), but ET did not vary with different N rates(100–500 kg N/hm~2). Both Y and B had robust linear relationships with ET, but the correlation between B and ET(R~2=0.8588) was much better than that between Y and ET(R~2=0.6062). When ET increased, WP_(Y-ET) linearly increased and WP_(B-ET) decreased. Taking the indices of Y, B, WP_(Y-ET), WP_(B-ET) and PFP_N into account, a higher irrigation level(70%–65% of the field capacity) and a lower N rate(100–300 kg N/hm~2) are recommended to be a proper irrigation and N application strategy for plastic film-mulched hybrid maize seed production in arid Northwest China.     

西北干旱区山地—绿洲—荒漠系统信息传递耦合关系

在干旱区的山盆体系中，胡杨、柽柳等天然植被的繁衍过程，是对热量、水分、土壤、气候等环境要素综合信息的反馈。太阳辐射量的变化，制约了生物和相关环境要素的分布格局。水资源的形成、转化、消耗过程中，与环境中的土壤、大气及生物发生水力联系，并输送了大量的泥沙、矿物质及无机盐类；地表水、地下水、土壤水、植物需及其相互转化过程中，存在着极其复杂的关系。无论是水分的蒸散、渗漏、运移及植物吸收，还是N、P等矿质元素的循环，都随地理环境的不同而有所不同，土壤微生物在整个过程中，发挥着极其重要的作用，人为的灌溉、开垦、施肥、管理措施，直接给土壤赋以附加信息。各种自然地理要素和人文因素的发展变化，沟通和联系着山地、绿洲及荒漠系统间的复杂关系。     

西北干旱区大气水分循环要素变化研究进展

西北干旱区是对全球气候变化响应最敏感的地区之一。全球变暖加剧水循环,引起大气水分循环要素发生明显变化。借助最新资料对过去50 a西北干旱区大气水分循环要素变化特征和相关科学问题进行了梳理总结,其主要结论:(1)西北干旱区水汽和降水量有一致性变化趋势,在20世纪80年代中后期突变型增多,21世纪初有微弱的减小态势。受季风强度减弱的影响,西北东部地区水汽和降水量减小明显。(2)降水量增加站点占到95.9%,形成了天山、祁连山等增湿中心,具有明显的增湿海拔依赖性特征。(3)实际蒸散发量呈微弱的减小趋势,天山山区明显减少,而祁连山地区明显增加。(4)干旱区西部夏季降水以西风带水汽输送为主,但大尺度大降水过程发生时,低纬水汽输送尤为重要。全球气候变暖在影响着大气水分循环要素明显变化的同时,也加剧了干旱区水循环过程和水资源的不确定性。     

Attribution analysis based on Budyko hypothesis for land evapotranspiration change in the Loess Plateau,China

Land evapotranspiration (ET) is an important process connecting soil, vegetation and the atmosphere, especially in regions that experience shortage in precipitation. Since 1999, the implementation of a large-scale vegetation restoration project has significantly improved the ecological environment of the Loess Plateau in China. However, the quantitative assessment of the contribution of vegetation restoration projects to long-term ET is still in its infancy. In this study, we investigated changes in land ET and associated driving factors from 1982to 2014 in the Loess Plateau using Budyko-based partial differential methods. Overall, annual ET slightly increased by 0.28 mm/a and there were no large fluctuations after project implementation. An attribution analysis showed that precipitation was the driving factor of inter-annual variability of land ET throughout the study period; the average impacts of precipitation, potential evapotranspiration, and vegetation restoration on ET change were 61.5%, 11.5% and 26.9%, respectively. These results provide an improved understanding of the relationship between vegetation condition change and climate variation on terrestrial ET in the study area and can support future decision-making regarding water resource availability.