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基于遥感和通量观测的实际蒸散发机理研究与模型应用

张晓龙  
【摘要】:实际蒸散发是陆地生态系统水、能量循环的关键变量和重要纽带,准确地估算实际蒸散发对于全球气候变化研究、水量平衡估算、农业水资源管理和水文模型应用等研究领域具有重要意义。为了探讨实际蒸散发与潜在蒸散发的关系及研究实际蒸散发估算模型的实用性,本研究基于高时空分辨率地面气象要素(ITPCAS)再分析数据集分析了中国大陆区域潜在蒸散发和气象因子的时空变化特征及其响应关系,并基于通量观测数据分析了实际蒸散发对气象因子及下垫面的响应关系。在此基础上,本研究在不同时间尺度上探讨了实际蒸散发和潜在蒸散发之间的关系,并基于广义互补理论模型定量分析了两者之间的关系,统一解释了蒸发正比假设和蒸发互补相关假设。同时,在不同下垫面情况的通量站点和典型流域对比分析了四种互补相关理论模型,并利用其中表现最好的模型估算了典型流域实际蒸散发。主要研究成果如下:(1)修正后的ITPCAS再分析资料中的气象要素及估算的地表净辐射在中国大陆各区域具有较高的精准度和较好的适用性。基于该数据集得到1979—2015年中国大陆91.8%的区域气温呈上升趋势,平均变化速率为0.388℃/10a;82.4%的区域降水呈上升趋势,平均变化速率为2.19 mm/a;62.1%的区域风速为下降趋势,平均变化速率为-0.062(m/s)/10a;87.6%的区域水汽压差为上升趋势,平均变化速率为0.034kPa/10a;70.5%的区域净辐射为下降趋势,变化速率为-1.433(MJ/m2)/10a。(2)1979—2015年中国大陆区域超过一半的站点和区域不存在“蒸发悖论”现象。中国大陆62.1%的区域潜在蒸散发为上升趋势,平均速率为1.13 mm/a,秋、冬季潜在蒸散发上升速率较大。气温和风速是潜在蒸散发变化的主要影响因子。(3)在多年平均尺度上,中国大陆区域的潜在蒸散发和降水呈正相关关系;在年尺度上,潜在蒸散发和降水呈负相关关系。在湿润季节或湿润地区潜在蒸散发和降水呈负相关关系,在干燥季节或干燥地区潜在蒸散发和降水无明显相关关系。潜在蒸散发与互补相关假设的湿度因子呈负相关关系,而与Budyko假设的湿度因子呈正相关关系。(4)30min尺度下实际蒸散发变化主要受净辐射的影响,日尺度下实际蒸散发变化主要受净辐射和气温的影响。在中国北方区域下垫面越湿润,实际蒸散发消耗的能量占比越大;不同下垫面实际蒸散发对不同季节的降水事件的响应不同;实际蒸散发的变化主要受下垫面类型、辐射和气温的影响。(5)选择特定的湿度因子时,典型流域和通量站点均符合蒸发互补相关假设。在互补相关理论中,使用未修正的Penman公式估算的潜在蒸散发时,不对称性是普遍存在的。在年尺度和日尺度上,越湿润地区/时段,实际蒸散发和潜在蒸散发之间正相关性越强;越干燥地区/时段,实际蒸散发和潜在蒸散发之间负相关性越强。(6)广义互补相关理论模型表现比传统互补相关理论模型均有大幅度提升。在不同下垫面通量站点对比验证多种互补相关理论模型,S型广义互补相关理论模型表现最好。利用S型广义互补相关理论模型估算黄河源区实际蒸散发,模型估算结果可以较好的反应典型流域下垫面情况。1979—2015年黄河源区96.6%的区域实际蒸散发呈上升趋势,平均变化速率为0.45 mm/a;在年尺度上,实际蒸散发变化主要受气温和净辐射的影响;在月尺度上,实际蒸散发变化主要受净辐射的影响。


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