[农业]利用土壤水分特征点组分温差假设模拟地表蒸散.pdf

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[农业]利用土壤水分特征点组分温差假设模拟地表蒸散

2007-06 北京师范大学学报(自然科学版) 43(3) Journalof Normal Science) 221 Beijing University(Natural 利用土壤水分特征点组分温差假设模拟地表蒸散* 辛晓洲” 柳钦火D 田国良D 李小文1’∞ (1)中国科学院遥感应用研究所,遥感科学国家重点实验室,100101,北京; 2)北京师范大学地理学与遥感科学学院,遥感科学国家重点实验室,环境遥感与数字城市北京市重点实验室,100875,北京) 摘要提出了一个土壤水分变化过程对土壤蒸发、植被蒸腾以及土壤温度、叶片温度的影响存在较明显差异的假 设,利用双层能量平衡模型推导出3个水分特征点(湿润、干旱和由湿到干的转折点)的组分温差(土壤温度减去叶片温 度)公式,利用特征点的辐射温度和实际测量的红外温度间的关系来计算实际显热和潜热通量.用2001年北京顺义区实 验期间的观测数据对本方法进行了验证,结果表明,用本方法能在只有一个角度的遥感温度数据情况下获取精度较高、 误差较小的地表蒸散模拟结果.该法在分解植被蒸腾、土壤蒸发以及监测表层土壤和根区土壤旱情方面有很大的潜力. 关键词土壤水分变化;组分温差;双层模型;辐射表面温度;蒸散;干边;湿边;转折点 用热红外通道的遥感数据精确计算地表热通量是 检验本方法的计算精度,将2001年北京顺义区实验期 学术界的热点和难点问题,由于其在气候、水文、生态 间的地面观测数据代入本方法进行计算,同时与其他 和农业等领域具有重要的科学意义和应用价值,该项 几种方法的计算结果进行对比.最后给出本文的结论 研究受到长期的关注和重视.在地表蒸散的遥感估算 和一些讨论. 中,热红外波段测量的辐射表面温度丁r是关键参数, 1模型与方法 但不能直接用来计算显热通量,因为与地气热量交换 密切相关的是表面空气动力学温度To.这2种温度之 1.1基本假设蒸散包含2个物理机制完全不同的 间的关系非常复杂,而且通常差异较大,根据实验记 过程——土壤蒸发和植被蒸腾,虽然二者都受太阳辐 录,在浓密植被中相差l~2℃[1],在稀疏植被中的差射能量大小及环境空气温湿度和风速的控制,但蒸发 距可以大于10℃[2J.单层能量平衡模型(或大叶模型) 和蒸腾发生的位置不同,机制不同,导致其过程和结果 在计算显热通量时直接用Tr替代T0,同时添加一顼都不同.土壤蒸发使土壤表面的水分汽化进入空气,土 剩余阻抗[3_6],或者建立t与T0关系的经验公式[7{].壤深层的水则不断地通过土壤孔隙向表层输送,但这 单层模型由于忽略了土壤在冠层能量平衡中的作用, 种水分运动速度是非常慢的,由此会导致表层土壤逐 因此在稀疏和干旱植被表面误差较大[1川.双层能量平 渐变干,从而使土壤表面蒸发阻抗变大,蒸发量减小, 衡模型E11-lZ]将植被冠层和下层土壤的能量平衡、通量土壤表面温度逐渐上升.当下层水来不及补充,导致表 传输过程分开考虑,利用组分温度(植被与土壤)和一 面数厘米的土壤干透结皮后,土壤表面的显热通量占 系列的传输阻抗来表达瓦,从而在理论上解释了瓦 据了绝对优势,此时蒸发小到可以忽略不计(尽管下层 和T。之间的差别. 的土壤可能还是比较湿的),根据土壤的能量平衡公 求解双层模型需要输入土壤和植被的温度,但传 式,如果其有效能量不增加,土壤表面的温度就不会继 统的遥感传感器(如AVHRR和MODIS等)只能提供续上升,而处于一种相对稳定的状态.蒸腾是植被的重 单一角度获取的辐射表面温度,无法反演组分温度.因 要生理生化过程,由于植被有发达的根系,可以钻人土 此在只有单角度红外观测数据时,必须增加额外的信 壤数十厘米、甚至数米深以吸收水分,当土壤表面的蒸 息或限

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