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基于改进Penman-Monteith模型的城市地表蒸散发定量遥感估算研究

张宇  
【摘要】:地表蒸散发作为区域地表能量平衡与水资源循环的重要环节,对全球能量与水分分布起到了重要的调节作用,因此,地表蒸散发的准确估算,不仅对区域水资源的精确管理、尤其是对农林用的水科学配置具有重大意义,而且对区域气候尤其是区域热环境的预测具有重要的作用。但是,目前绝大多数估算地表蒸散发的数学模型,基本上都是针对自然地表或农业用地,而对于地表覆盖类型以不透水面为主体,植被与土壤面积比例相对较小的城市地区地表蒸散发的模型算法相对较少。因此,开展城市地表蒸散发遥感反演模型研究,不仅对扩展区域地表蒸散发的研究范围以及完善区域地表能量平衡的系统构成具有重要的理论意义,还对进一步探索城市自然或人工景观对城市热环境的调节机理以及改善城市人居环境具有重要的现实意义。本文在对传统RS-PM遥感反演蒸散发模型进行改进的基础上,提出了城市RS-PM模型。主要改进包括:应用混合像元分解提取的植被组分丰度参数与裸土组分丰度参数,替代传统RS-PM模型中利用植被覆盖度指数量化植被和裸土所占面积比例,以解决植被覆盖度指数无法计算不透水面组分比例的问题;应用改进多源平行模型替代双源模型对植被与裸土的组分净辐射通量分别进行计算,并提出了纯净像元分割法对组分潜热通量进行计算,以解决传统RS-PM模型忽略地表能量在不透水面组分上的分配问题。基于以上改进,本文以江苏省徐州市主城区为研究区,选取2014至2016年各个季节共8期Landsat 8 OLI/TIRS遥感影像数据以及相应时期的气象数据、通量观测数据等作为研究数据,应用城市RS-PM模型对研究区8个时期的城市地表蒸散发进行了反演,并通过Footprint模型计算得出了反演结果的观测源区加权平均值(源区反演值),以获取同涡度相关仪地面观测验证数据相同的空间代表范围,进而对模型反演结果精度进行验证;同时,通过敏感性分析计算确定了城市RS-PM模型中新加入的3个主要参数(植被组分丰度参数、裸土组分丰度参数和地表温度参数)对模型反演结果的影响程度;最后,应用数值分析与缓冲区分析分别从数量和空间上确定并量化了地表蒸散发对城市热环境的调节效应。取得的主要研究结果与结论如下。(1)城市RS-PM模型改进了针对复杂下垫面地表组分比例、组分有效能量以及组分潜热通量的算法,使得模型对城市地区地表蒸散发的模拟更为合理。在模型参数计算中优化了对地表净辐射参数和组分温度参数的计算方式,包括基于改进多源平行模型理论并根据地表组分的特性差异,细化了对地表组分净辐射的计算;根据参数的敏感性简化了组分温度的计算过程,使得城市RS-PM模型可适用于多种类型的多光谱遥感数据。城市RS-PM模型的蒸散发模拟结果与地面通量观测结果之间的线性拟合优度、均方根误差、平均相对误差以及相关系数分别为0.8965、24.14 W·m~(-2)、18.5%和0.9546,具有较高的反演精度。因此,应用城市RS-PM模型对城市地区地表蒸散发进行估算是可行的。(2)城市RS-PM模型中植被组分丰度参数与裸土组分丰度参数分别与模型反演地表蒸散发结果之间存在着线性正相关关系,其中,模型反演结果对于植被组分丰度参数变化的敏感性相对较强,对裸土组分丰度参数变化的敏感性较弱;地表温度参数与模型反演地表蒸散发结果之间存在着非线性负相关关系,且模型反演结果对地表温度参数变化的敏感性较弱。因此,可以判断植被组分丰度参数对城市RS-PM模型反演结果的影响权重相对较高,是模型中的关键参数,而裸土组分丰度参数与地表温度参数对模型反演结果的影响权重相对较低,在计算中属于非关键参数。(3)在高温季节,城市地表温度与地表蒸散发之间存在着显著的负相关关系,地表温度随着地表蒸散发量的增加而降低;在低温季节,地表温度与地表蒸散发之间的相关性较弱。因此,在高温季节,地表蒸散发对地表温度的调节效应更为显著。对地表蒸散发强度较高区域进行缓冲区空间分析的结果显示:缓冲区层次由内到外地表温度逐渐上升,与地表蒸散发的变化趋势相反,相邻缓冲区之间地表蒸散发的平均值变化量与地表温度的平均值变化量之间存在着较为显著的线性负相关关系,二者之间的线性拟合函数估算结果表明城市地表蒸散发量每提高10 W·m~(-2),相应地表温度约下降0.56 K。


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