1 甲地的年陆面蒸发量数值范围为 .简述东部地区年陆面蒸发量分布特...
杨敏芝+钟平安+汪曼琳+尚艳丽+程传民
摘要：区域陆面蒸散发的估算对于计算区域水资源总量，合理配置水资源具有重要意义。针对处于大汶河流域上游、受人类活动影响较小的雪野水库、黄前水库、东周水库控制子流域的实际特点，分别利用MODIS遥感方法、SWAT模型法、水面蒸发折算系数法对这三个子流域2000年一2008年的多年平均年陆面蒸发量及多年月平均陆面蒸发量进行估算，并基于水量平衡方程，结合各子流域的同期降雨与天然径流资料，对估算结果进行了分析比较。结果表明：在大汶河流域内，采用MODIS遥感方法估算实际陆面蒸散发的精度较低；水面蒸发折算系数法具有一定精度；SWAT模型法精度较高、适应性较好，估算误差仅在3%左右。研究结果可为半湿润区陆面蒸发估算方法的选择提供参考。
关键词：陆面蒸发；大汶河流域；MODIS遥感方法；SW-AT模型；折算系数法
中图分类号：TV125 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）05-0050-06
陆面蒸发包括地表水体的水面蒸发、土壤蒸发和植物散发等，是区域内各种下垫面条件下的总蒸发，同时也是地表热量平衡和水量平衡方程的重要组成部分。蒸发是决定区域水资源量多寡的重要环节，二者的时空分布规律之间存在着密切联系，因此陆面蒸发的计算在水资源研究中占有重要比重，对区域水资源优化配置具有重要意义。
实际陆面蒸发量由于区域下垫面情况复杂等多重因素很难由仪器直接测出，且精度难以保证，因此寻求合适方法估算区域陆面蒸发量并增加估算结果的可信度显得尤为重要，长久以来一直是水文界研究的热点与难点。目前，基于不同原理的陆面蒸散发估算方法如FAO PenmawMonteith法、SPAC水分传输综合模拟法、涡动相关观测法、蒸渗计观测法等有很多，这些方法存在所需资料难以获取且估算精度有限等问题导致普适度不高，在实际应用中受限较大。近年来，遥感技术弥补了传统实测方法无法满足大区域要求、耗时长、分辨率低的缺点，尤其是NASA发布的MODIS全球蒸散发产品MOD16，提供了高时空分辨率的陆地蒸散数据集，从而使从总体上把握整个区域系统的实际陆面蒸发量成为可能。同时，遥感技术也在分布式水文模型中得到了广泛应用，如SWAT模型能够利用GIS和RS提供的空间数据信息与少量气象资料对区域实际蒸散发进行定量模拟，模型中的蒸散发模块功能强大、物理基础扎实，已被一些学者应用于具体区域并取得了良好的估算效果。蒸发皿观测法，即水面蒸发折算系数法，因其计算简单、资料易于获取，也在一些地区得到了很好的应用。
结合以往的一些研究，易知：由于对不同方法估算的蒸散发量的理解存在一定偏差，加上蒸散发的各种影响因子随着气候及下垫面条件的变化不确定性较大，在陆面蒸发的估算过程中往往会进行不合理替代，从而因水量不平衡等问题而导致深入研究受限。因此，在具体的气候类型区对比研究不同方法的估算能力和适用性十分必要。鉴于此，本文将利用大汶河流域陆面过程综合观测资料，探讨MODIS遥感方法、SWAT模型法、水面蒸发折算系数法在大汶河流域的適应性，并根据水量平衡公式对其计算结果进行比较分析，以期为半湿润地区陆面蒸发研究方法的选择提供一定的参考。1研究区域概况
大汶河流域位于山东省中部的泰山南麓，总流域面积为9 069 km2，是黄河下游重要支流。流域地属温带大陆性半湿润季风气候区，多年平均年降水量711 mm，其中6月-9月降雨量占年降雨量的75%。流域内降水时空分布不均，东多西少，年际年内分配不均，旱涝灾害较严重。
本文选取了大汶河流域上游受人为调蓄、消耗影响较小，能大致反映流域天然径流情况的雪野水库、黄前水库以及东周水库控制的三个闭合子流域。其中，雪野水库位于莱芜市北部，黄前水库和东周水库分别位于泰安市的东北部和东南部，见图1。
2陆面蒸发量估算
2.1 M ODIS遥感方法
MODIS是中分辨率成像光谱仪（MODerate-resolution Imaging Spectroradiom eter）的简称，作为新一代‘图谱合一”的光学遥感仪器，其数据与产品已经被越来越多地用于监测地表能量平衡与水分状况。MODIS搭载在两颗太阳同步极轨卫星-Terra和Aqua上，为了获取多波段的降雨、蒸发等水文数据，两颗星相互配合每天或每两天对地球表面进行重复观测，从而使人们更加深入地理解全球陆地、海洋和低层大气内水分的动态变化规律。
近年来美国国家航空航天局基于彭曼·蒙蒂斯模型结合MODIS遥感数据在蒸散发反演算法上取得了重大突破，并在地球观测系统上发布了全球M ODIS陆地蒸散旬、月合成产品数据系列（MODl6），它能够提供模拟精度高达86%的地表蒸散量的特征参数，且能在NASA网站上免费获得，因此本文选用MODl6产品来进行大汶河流域实际蒸散发的估算。
MODl6产品数据集提供了包括蒸散发（ET）、潜热通量（LE）、潜在蒸散发（PET）和潜在潜热通量（PLE）的信息，M ODl6蒸散发算法基于彭曼公式，计算时分别考虑了土壤表面蒸发、植被冠层截留水分蒸发和植物蒸腾量等因素。公式如下：
首先建立大汶河流域SWA T模型，根据雪野水库、黄前水库、东周水库的实际经纬度人工添加三个水库控制点，根据加载的DEM数据自动划分生成54个子流域，如图2。在模型蒸散发模块中输入流域内3个代表性气象站泰安、泰山、淄川站的最高气温、最低气温与平均气温的数据，利用式（3）计算得出各子流域的逐月潜在蒸发量。得到潜在蒸发量之后，SWAT模型将计算植被冠层截留雨量蒸发、最大蒸腾量、最大升华量和最大土壤蒸发量，最后计算得出土壤的实际升华量和蒸发量，最终得到实际陆面蒸发量。本文选取了SWAT模型计算得到的大汶河流域中54个子流域2000年1月-2008年12月的逐月陆面蒸发资料，并计算得到三个水库控制的子流域2000年-2008年多年平均年陆面蒸发量，见表1。endprint
2.3水面蒸发折算系数法
水面蒸发是供水充分条件下的蒸发，常用来作为反映蒸发能力的一个指标，其与陆面蒸发相比具有不同热力学性质的蒸发面，但由于它们发生的气候条件类似，因此两者存在一定的关系，可由水面蒸发量乘一个折算系数间接求得陆面蒸发量，即
式中：E为陆面蒸发量；E0为水面蒸发量；K为综合陆面蒸发折算系数，与区域内气候条件、土壤特性、植被种类、植被覆盖率等因素有关，取值在0～1之间。
水面蒸发量一般可由E601型蒸发皿觀测值代替，本文采用的数据是雪野水库、黄前水库、东周水库2000年1月-2008年12月的E601型蒸发皿蒸散发资料，利用易于获得的水面蒸发量对大汶河流域陆面蒸发量进行估算，从而建立陆面蒸发与水面蒸发的关系。
为了避免自证，本文选取1980年-1999年资料数率参数K，并将优选的参数移植到2000年-2008年与其他两种方法比较。K值优选采用年径流残差平方和最小为目标函数，具体公式如下：
利用1980年-1999年的多年降雨、水面蒸发及天然径流资料，雪野水库、黄前水库、东周水库控制的三个子流域均能得出一个折算系数，分别为：0.76、0.70、0.47。率定期年径流过程对比见图3，由图可知，三个子流域的估算径流与天然径流拟合情况良好。
利用每个子流域算出的折算系数乘2000年-2008年的多年平均年水面蒸发量，从而求得2000年-2008年多年平均年陆面蒸发量，计算结果见表2。
4结果比较
为了验证区域蒸散发估算结果，选取了大汶河流域2000年-2008年的降水和实测径流资料，结合上文通过MODIS遥感数据、SWAT模型以及综合陆面蒸发折算系数估算的子流域多年平均年陆面蒸发量，运用水量平衡公式评估三种方法的估算精度：
式中：R为多年平均年径流量；P为多年平均年降水量；E为多年平均年陆面蒸发量；以上各项以水深mm计。
分别计算利用三种方法得到的三个子流域2000年-2008年的多年平均年径流量与多年平均年天然径流量的绝对误差与相对误差，结果比较见表3。水库控制子流域2000年-2008年多年平均月径流过程对比见图4。
由表3和图4可看出，不同子流域的结果是一致的，即利用SWAT模型计算得出的多年平均年径流量与多年平均年天然径流量的相对误差均为最小，误差值集中在3%左右；MODIS遥感方法计算的相对误差最大，三个子流域的平均值为29.4%；水面蒸发折算系数法计算的相对误差较小，平均值为9.5%。表明在大汶河流域，SWAT模型估算的陆面蒸发精度最高，水面蒸发折算系数法次之，在实际工作中可以采用这两种方法估算此流域的陆面蒸发。
5结论
区域陆面蒸散发的准确估算对区域水资源优化配置有一定参考价值。本文以大汶河流域的三个子流域为例对MODIS遥感方法、SWAT模型法、水面蒸发折算系数法对陆面蒸散发的估算效果进行了分析评价，得出以下主要结论。
（1）由于区域下垫面条件复杂，格点内蒸散发差异较大，因此利用MODIS全球蒸散发产品MOD16产品估算小区域陆面蒸发应当慎重，依据其评价区域天然径流量可能会产生较大误差。未来遥感技术应致力于增加卫星数量，实现多源遥感数据的融合，同时加强对于较小空间范围的监测，进一步提高产品精度。
（21利用水面蒸发折算系数法估算区域陆面蒸发具有一定精度，由于信息易于获取，在缺乏详细气象资料时，可作为可选的方法，但由于K的区域性较强，应进行仔细率定。
（3）SWAT模型估算流域实际陆面蒸散发的相对误差仅在3%左右，表明模型中的Hargreaves法在大汶河流域的应用效果好，只需要结合少量气象资料即可估算出高精度的流域实际陆面蒸散量。endprint
