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SEBAL模型区域优化及蒸散量与土地利用/覆被变化关系研究

作　者: 张殿君
导　师: 张学霞
学　校: 北京林业大学
专　业: 地图学与地理信息系统
关键词: 蒸散发黄土高原土地利用/覆被变化全球变化 SEBAL模型
分类号: S11
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

全球水资源而临匮乏难题,蒸散发(Evapotranspiration,以下简称ET)作为陆面耗水的主要方式,已经引起人们的关注。蒸散发包括土壤蒸发和植物蒸腾,在此过程中,需要对周围环境吸收热量,故蒸散发不仅是水平衡项,也是热平衡项。区域蒸散发研究,对了解一个地区的水资源利用状况具有重要意义,并可以为该地区的水资源合理利用与优化配置提供决策与支持。黄土高原位于大陆腹地,气候较干旱,降水稀少,蒸发强烈,水源短缺。本文选取黄土高原典型流域甘肃天水罗玉沟流域为研究区,以2006年和1986年两个时段的TM影像为原始数据,通过对SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land)模型进行区域优化并估算蒸散量,采用地面实测日蒸散发资料对估算结果进行验证,表明SEBAL模型在该流域较为适用。同时,得到该流域蒸散发的空间变化规律,并结合该流域相应时段的土地利用变化进行对比分析,最后对蒸散发与地表参数的关系及其敏感性进行了分析,得到如下主要结论：①采用地表反射率和DEM对SEBAL模型进行区域优化,之前遥感反演日蒸散量平均为3.25mm,误差为12.68%；优化后日蒸散量为2.96mm,平均相对误差为8.32%,反演精度显著提高。②流域内蒸散量呈现西北高、东部低的空间分布规律,尤其在高植被覆盖区蒸散量比较大。不同土地利用类型日蒸散量差异显著。基本规律为：水体>林地>梯田>建筑用地。其中,水体和林地日蒸散量最大,平均值分别为3.89mm和3.01mm,梯田次之,平均为2.92mm,建筑用地最小,平均值为2.8mmm。③罗玉沟流域20年间研究区的土地利用／覆盖变化显著,变化面积达到87.03%。梯田、自然植被、建设用地的面积均有不同程度的增加(分别增加了275.0%,17.05%,14.32%)；坡耕地和裸地的面积急剧减少(分别减少了76.5%与20.31%)。流域内土地利用变化明显,主要为坡耕地向梯田和林地转移,ET的空间分布与土地利用／覆盖类型有关,土地利用／覆盖的特点基本控制了研究区域ET的分布特点。④利用日蒸散量与地表因子进行相关性分析,得到：日蒸散发量与NDVI成线性相关,其相关系数R2达到0.58；日蒸散发量与植被覆盖度呈高度线性相关,其相关系数R2为0.866；与地表温度呈指数关系；与高程因子呈微弱的线性相关,与坡度、坡向关系不明显。⑤2006年比1986年ET显著增大(>0.5)的区域占到罗玉沟总面积的47.6%,明显减小的占到13.2%。研究区域内ET的空间分布与土地利用/覆盖类型有关,ET增大的区域基本上是从坡耕地变为梯田和林地,改变的土地利用类型有利于地表的蒸散发,故ET增大;ET显著降低的区域主要集中在裸土地和建筑用地,土地利用/覆盖的特点基本控制了研究区域ET的区域分布特点。在气候变化大背景下,近20年研究区温度逐渐升高,使得2006年各个类型的日ET量都大于1986年的日ET量。两个时期都表现为水体最大,梯田次之,建设用地的ET最小。不同土地利用/覆盖类型下ET和植被覆盖度之间都存在明显的相关关系。区域蒸散发可以敏感地反应土地利用/覆被变化引起的能量和水分运动,能表征气候变化对地表特征的影响,研究流域内蒸散发分布规律可为罗玉沟流域土地利用规划、环境规划提供科学支持。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
1. 绪论  9-19
  1.1. 研究目的与意义  9-10
  1.2. 蒸散发研究方法进展  10-16
    1.2.1. 蒸散发估算方法  10-12
      1.2.1.1. 单点测定  11-12
      1.2.1.2. 区域反演  12
    1.2.2. 蒸散发估算模型  12-16
      1.2.2.1. 机理模型  12-14
      1.2.2.2. 半经验模型  14-15
      1.2.2.3. 经验模型  15-16
  1.3. 技术路线  16-19
2. 研究方法  19-25
  2.1. SEBAL模型介绍  19
  2.2. 净辐射通量  19-21
    2.2.1. 地表反射率  20-21
    2.2.2. 大气下行长波辐射  21
    2.2.3. 地表向上长波辐射  21
  2.3. 土壤热通量(G)  21-22
  2.4. 显热通量(H)  22-24
    2.4.1. 中性稳定度下的摩擦风速U*  22
    2.4.2. 地表粗糙度zom  22-23
    2.4.3. 空气动力学阻力rah  23
    2.4.4. 循环递归运算  23-24
  2.5. 日蒸散  24-25
3. 研究区概况  25-29
  3.1. 地形  25-26
  3.2. 气象水文  26
  3.3. 植被  26-27
  3.4. 社会经济条件  27-29
4. 数据准备与处理  29-33
  4.1.1. 数据准备  29-30
    4.1.1.1. 影像数据  29
    4.1.1.2. DEM数据  29
    4.1.1.3. 气象数据  29-30
    4.1.1.4. 土地利用图  30
    4.1.1.5. 实测数据  30
  4.1.2. 数据处理  30-33
    4.1.2.1. 遥感影像预处理  30-31
    4.1.2.2. 土地利用分类  31
    4.1.2.3. 流域划分  31-33
5. 蒸散发反演与结果分析  33-41
  5.1. 地表参数反演  33-35
    5.1.1. 归一化植被指数  33
    5.1.2. 地表反射率  33-34
    5.1.3. 地表温度  34-35
    5.1.4. 地表发射率  35
  5.2. 模型各分量反演  35-36
    5.2.1. 净辐射量  35-36
    5.2.2. 土壤热通量  36
  5.3. 反演结果分析  36-41
6. 模型验证与地表参数关系研究  41-49
  6.1. 模型验证  41
  6.2. 蒸散发与关键参数关系研究  41-44
    6.2.1. 日蒸散发量与归一化植被指数(NDVI)的关系分析  41-42
    6.2.2. 日蒸散发量与植被覆盖度的关系分析  42
    6.2.3. 日蒸散发量与地表温度的关系分析  42-43
    6.2.4. 日蒸散发量与地形参数的关系分析  43-44
      6.2.4.1. 高程对蒸散的影响研究  43-44
      6.2.4.2. 坡度、坡向对蒸散的影响分析  44
  6.3. 蒸散发与土地利用关系研究  44-49
    6.3.1. 土地利用变化  44-46
    6.3.2. 蒸散发变化  46-47
    6.3.3. 蒸散发变化与土地利用变化之间的关系  47-49
7. 结论与展望  49-51
  7.1. 结论  49-50
  7.2. 展望  50-51
参考文献  51-56
个人简介  56-57
导师简介  57-58
在读期间主要成果  58-61
致谢  61

SEBAL模型区域优化及蒸散量与土地利用/覆被变化关系研究

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