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地表蒸散发过程是地气之间水分输运转化过程的“出口”环节,在我国西北干旱区特别是本论文研究的黑河流域地区,对区域上蒸散量的准确估算事关该地区社会、经济发展的核心问题即“水”问题,因而有着十分重要的理论研究和现实应用价值。
本文在指出蒸散发研究的目的和意义后,从方法论的角度较为全面地总结了目前蒸散发量研究特别是遥感蒸散研究的现状和面临的主要困难,在详细探讨遥感蒸散研究的主要思想、方法和存在问题的基础上,认为卫星遥感技术是目前开展区域蒸散研究中行之有效的手段,从而确立了本论文利用卫星资料定量遥感估算我国西北内陆河黑河流域蒸散发量的研究目标。同时认为,还需要分析影响蒸散发量估算的主要约束因子,确立适用于该地区的蒸散发量遥感估算模型及其主要地表参数计算方案。
论文作者经过对黑河流域的实地考察,在收集、整理了该地区较为详细的气象观测资料和“金塔实验”等地面观测验证资料后,首先利用DEM资料分析了复杂地形条件下地形参数-坡度、坡向、天空可见因子和地形结构参数对地表辐射收支,特别是太阳短波辐射收支的影响,提出了利用MODIS观测资料结合气象资料,求取该区域复杂地形条件下地表净辐射通量的方案。
进而,论文给出适合于该区域的各地表参数求取方案和计算地表热通量的遥感参数化方案,计算出区域面上地表植被参数(归一化植被指数NDVI、修正的土壤调整植被指数MSAVI、植被覆盖度Pv和叶面积指数LAD和地表特征参数(地表温度T()和地表反照率α)以及地表热通量(感热通量H()、土壤热通量G0和潜热通量λE)的空间分布。
论文根据上述估算结果,特别是区域上潜热通量空间分布结果,进一步依据蒸散发量时间尺度扩展方案即METRIC(Mapping EvapoTranspiration athigh Resolution with Internalized Calibration)模式中参考蒸发比ETrF概念和方法,利用黑河流域各气象站日照时数观测资料并结合DEM资料计算出的地形遮蔽因子数据,将晴空条件下瞬时的潜热通量空间分布扩展为日蒸散量和逼近实际天气条件的逐月蒸散量空间分布,获得黑河流域2004年度蒸散总量空间分布,计算出黑河流域该年度地表蒸散水分总量为125.54×108m3。
本研究对遥感蒸散发量估算结果进行了验证,包括与地面点观测结果的对比验证和流域尺度的验证两部分。前者,由于论文采用的地面验证资料其试验场即金塔绿洲地表具有高度非均匀性,导致对非均匀地表条件下中分辨率如MODIS遥感资料适用性问题的简单探讨。分析后认为,由于黑河流域小尺度绿洲如金塔绿洲下垫面地表热力状况具有较大空间变率,而传感器对地观测时像元对地表特性具有“平均”作用,致使中分辨率MODIS资料遥感估算的地表潜热通量和日蒸散量较地面实测真值偏低,相对误差约23%和16%左右。如果考虑到大、中尺度上遥感应用的资料来源问题,例如高分辨率资料价格昂贵而中分辨率资料却可以免费获取,以及对地动态监测时它们时间分辨率的显著差异,作者认为中分辨率资料的一定精度偏低是可以接受的,它可为大尺度区域上蒸散的遥感估算发挥重要作用。后者,由于黑河流域空间广阔和其环境的复杂特性,论文间接地根据黑河流域多年平均径流量、冰雪融水、地下水采掘量等数据配合年度降水量资料,在水量平衡基础上简化地判断遥感估算区域蒸散量的量级合理性和定量化数值结果准确度。分析认为,本论文估算的黑河流域蒸散发总量,无论在整个流域内还是在上、中、下游不同区域上,均基本满足水量平衡关系,因而蒸散估算结果是可信的,估算结果量级上也是可靠的。
此外,论文还简单分析了黑河流域蒸散量空间分布的季节变化特征,及不同土地利用条件下,即地表主要按耕地、林地、草地、裸地、湿地或水面划分时,年度蒸散发总量的空间分布特征。
最后,通过总结本论文工作,我们认为开展大尺度上遥感蒸散研究已经较为成熟,今后可以实现该项工作的业务化方面的应用。