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基于遥感及气象数据的湿润指数获取及分析的解决方案

       湿润指数是表示气候湿润程度的指标,又称湿润度、湿润系数。用地面水分的收入量与支出量的比值表示。比值越大,表示气候越湿润;比值越小,则气候越干燥。大陆性气候地区湿润指数小,海洋性气候地区湿润指数大。湿润指数能够较客观地反映某一地区的水热平衡状况。湿润指数广泛应用 于气候干湿状况评价、生态环境变化等研究中,研究地表湿润状况变化特征及成因,对科学预测城市 未来地表湿润特征也具有重要的意义。

       本方案利用联合国粮农组织推荐的 Penman-Monteith 公式计算参考作物蒸散(ET0)和湿润指数(W),并根据《农业气候区划及方法》,将我国湿润系数进行分级,可分为七级,分别为干旱、半干旱、干半湿润、湿半湿润、湿润、潮湿以及过湿。在对研究区的生态状况进行全面调查的基础上,制定了较为合理的技术路线,为国家的农业建设提供依据。

1、数据准备及预处理

      预处理包括陆面参数的反演、研究区提取、坐标系统转换等。具体预处理的陆面参数及处理方法如下:(1) 地表温度,在陆面蒸散研究中是重要的参数,不仅对计算地面向上长波辐射通量很重要,而且也是决定地表感热通量和潜热通量的重要参数。利用卫星遥感数据反演地表温度主要受到大气和 地表比辐射率两方面影响。目前,对地表温度反演最常用的方法是分裂窗算法,本方案中地表温度反 演同样是采用该研究方法。(2) 植被覆盖,是植物群落总体或各个体的地上部份的垂直投影面积与样方面积之比的百分数,它反映植被的茂密程度和植物进行光合作用面积的大小,该数据分类是采用时间序列NDVI 为识别标识的方法对每年的土地覆盖进行分类的。(3) 比辐射率,是同一温度下地表发射的辐射量与黑体发射的辐射量的比值,是反映物体热辐射性质的一个重要参数,与物质的结构、成 份、表面特性、温度以及电磁波发射方向、波长(频率)等因素有关,该方案采用引入植被覆盖度的方法计算陆面比辐射率。(4) 地表反照率,是指地表对入射的太阳辐射的反射通量与入射的太阳辐射通量的比值,决定了多少辐射能被下垫面所吸收,因而是地表能量平衡研究中的一个重要参数,该数据 经严格的大气校正后得到。(5) 气溶胶光学厚度,该方案中以晴空反射率作为参照,考虑 BRDF 效应的影响,从每景数据中反演气溶胶的光学厚度及类型,并对云进行了屏蔽处理。该数据的净辐射数据 反演的重要参数。(6) 总辐射值,是以晴空地表反射率为参照,以大气辐射传输方程建立晴空、气溶 胶及云状态下的长波下行辐射、短波下行辐射及光合有效辐射的查找表,通过查表反演此三种辐射的 瞬间值,然后通过多观测点的时间序列插值估算得到的。

       气象数据来自中国气象局,包括月平均最高气温、月平均最低气温、月日照时数、2m 处风速、相对湿度,降雨量等。数据经过严格的质量控制和筛选后,采用DEM 为协变量的ANUSPLIN 插值方法内插得到气象格点数据或grid 数据,空间分辨率1km×km。

2、研究方法

2.1 地表净辐射

      地表净辐射量的表达式为:

       Rs↓是下行到达地表的太阳短波辐射;RL↑是下行的长波辐射;RL是上行的长波辐射。单位均为W·m-2。

2.2 土壤热通量

      土壤热通量可通过与 Ts、Rn、α、NDVI 有关的经验公式得到。

2.3 潜在蒸散量

       国际粮农组织FAO 推荐的Penman-Monteith 模型是计算参考作物蒸散量的标准方法,全面考虑了影响田间水分散失的大气因素和作物因素,把能量平衡、空气动力学参数和表面参数结合在一起,可应用于世界各个地区,估值精度较高,具有良好的可比性。FAO P-M 模型对参考作物蒸散量ET0 定义为“从一种假定作物植株高度为12cm,反射率为0.23,表面阻力为70s/m 的参考作物冠层的蒸 散量相当于高度一致、生长旺盛、完全覆盖地面且水分供给充足的开阔绿色植被的蒸散量。”其公式:

       ET0为参考作物日蒸散量(mm/d);Rn为日净辐射量(MJ/(m2·d));G 为日土壤热通量(MJ/(m2d));γ为湿度计常数(kPa/℃);T 为地表高2m 处的日平均气温(K);U2 为地表高2m 处的日平均风速(m/s);es 为饱和水汽压(kPa);ea 为实际水汽压(kPa);Δ为饱和水汽压温度曲线斜率(kPa/℃)。

2.4 湿润指数计算

       根据各站每月的降水量和潜在蒸散量,采用公式:

W  = R  / ET0

       其中,W 表示湿润指数,R 表示降水,ET0 表示潜在蒸散,单位均为mm。

3、模拟结果与分析

       基于以上分析,得到我国 2005 年湿润指数的结果并对结果进行分析。主要分析如下:

(1)2005 年中国湿润指数的空间分布格局(如下图)

(2)研究区干湿带界线划分

(3)研究区农业干旱的监测

图 2005年中国湿润指数分布图 

 

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