基于遥感与气象信息的江西省陆地生态系统蒸散及其组分模拟与水源供给研究

摘要

蒸散包括植被蒸腾、土壤蒸发和林冠截留蒸发三个组分,是土壤-植物-大气系统中能量、水分传输和转换的主要途径。准确估算陆地生态系统蒸散不仅对研究全球气候演变、环境问题以及水资源评价等扮演着重要角色,而且对合理开发、利用、管理宝贵的水资源、指导农业的排水与灌溉、监测农业旱情、提高农业水资源利用率等也意义重大。
　　 本论文以江西省陆地生态系统蒸散及其组分与水源供给状况时空分布格局为科学问题,首先,依托中国陆地生态系统通量观测网络(ChinaFLUX)千烟洲站提供的通量/气象数据为关键数据源,对基于生态系统过程机理的遥感蒸散模型PT-FI模型进行验证和改进,构建了本地化的遥感蒸散模型PT-WE模型。其次,结合国家气象站点与遥感数据,对区域尺度江西省陆地生态系统蒸散及其组分进行模拟,并结合区域尺度的降水数据,评价江西省陆地生态系统蒸散及其组分和水源供给状况的时空分布格局。本论文主要在以下几个方面开展工作并获得了一些认识和结论:
　　 (1)基于遥感蒸散模型PT-FI模型为理论框架,评价了利用PT-FI模型估算生态系统蒸散的优势。针对PT-FI模型蒸散及其组分估算可能存在的各种问题,对模型涉及到的关键变量与参数进行了验证与修改,并给出了具体的解决方案,构建了适用于站点及区域尺度的江西省陆地生态系统蒸散及其组分估算模型PT-WE模型。
　　 (2)应用PT-WE模型,以中国生态系统研究网络(ChinaFLUX)千烟洲试验站通量观测数据进行验证,结果表明:(1)年均蒸散总量模拟值比实测值偏低2.4％,决定系数与均方根误差分别为0.83和0.61mm·d-1;(2)土壤蒸发、林冠截留蒸发和植被蒸腾分别占总蒸散量的12％、23％和65％。其中,土壤蒸发季节及年际变化相对稳定:林冠截留蒸发季节变化明显且在不同年份差异较大;植被蒸腾季节变化明显,但年际变异较小;(3)在1-3月植被光合作用较弱,植被蒸腾与蒸散比小于30％。随着植被蒸腾的增强,从4月份开始植被蒸腾与蒸散比迅速增加,在生长旺季(7月低)可达到约90％。通过相关研究的验证,表明PT-WE模型具有较优是适用性。由于PT-WE模型所需数据在区域尺度较易获取,从而为开展江西省陆地生态系统蒸散及其组分模拟研究提供方法支撑。
　　 (3)温度、相对湿度和净辐射的空间化数据是本研究中区域生态系统蒸散估算时所需要的输入参数。净辐射数据参考相关研究,采用目前国内最为准确的ChangJen-Hu修正式进行处理,对所需的太阳总辐射数据采用Angstrom方程进行计算。利用国家气象台站观测数据,使用目前公认插值效果较为领先的AUSPLIN模型进行温度、相对湿度和净辐射数据插值。所获取的区域尺度数据为蒸散及其相关研究提供宝贵数据集。
　　 (4)建立2001-2009年江西省植被指数空间数据集:包括域8天合成归一化植被指数(NDVI)、增强植被指数(EVI)。植被指数数据根据MODIS8天合成地表反射率计算获得,并利用时间序列谐波分析法(HANTS)对计算后的植被指数数据进行异常值处理。
　　 (5)利用气象与遥感数据,基于PT-WE模型,进行江西省陆地生态系统蒸散及其组分模拟,得到2001-2009年8天时间尺度蒸散信息。结果表明:全省年均值为510mm,从南部到东北部,年蒸散均值有逐渐减少的变化趋势。植被蒸腾量年均值约在70-510m之间,全省平均值为387mm;占总蒸散量的75.8％;土壤蒸发量在18-270mm之间,全省平均为64mm,占总蒸散量的12.6％:林冠截留蒸发量在15-100mm之间,全省平均值为54mm,占总蒸散量的11.3％。
　　 (6)依据水量平衡原理,基于空间化的降水数据、蒸散数据,对江西省2001-2009年年均水源供给总量状况进行模拟,江西省年均水源供给量在约790-2100mm之间,均值为1044mm,约为1740亿立方米,呈东高西低的分布态势;年径流系数均值为0.67,分布趋势与水源供给趋势接近。