基于遥感和通量观测的实际蒸散发机理研究与模型应用

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 潜在蒸散发模型研究
•     1.2.2 “蒸发悖论”现象及潜在蒸发变化原因分析
•     1.2.3 实际蒸散发测定方法
•     1.2.4 实际蒸散发模型研究
•     1.2.5 实际蒸散发的两种假设
•   1.3 存在的主要问题及发展趋势
•   1.4 研究目的与内容
•   1.5 研究技术路线
• 2 气象因子的时空变化特征分析
•   2.1 研究区域及数据来源
•     2.1.1 研究区域概况
•     2.1.2 数据来源及数据处理
•   2.2 研究方法
•     2.2.1 净辐射估算方法
•     2.2.2 回归趋势分析
•     2.2.3 Mann-Kendall非参数检验法
•     2.2.4 未来趋势（R/S）分析方法
•     2.2.5 评估方法
•   2.3 再分析数据集适用性分析
•     2.3.1 站点相关系数比较
•     2.3.2 站点均方根误差比较
•     2.3.3 站点平均误差比较
•     2.3.4 部分风速数据修正
•     2.3.5 ITPCAS再分析数据集适用性评价
•   2.4 气象因子的时空变化特征
•     2.4.1 气象因子的空间分布
•     2.4.2 气象因子变化趋势特征
•     2.4.3 气象因子年际变化特征
•     2.4.4 气象因子年内变化特征
•   2.5 讨论
•   2.6 小结
• 3 潜在蒸散发对气象因子的响应
•   3.1 数据来源和研究方法
•     3.1.1 数据来源
•     3.1.2 潜在蒸散发估算方法
•     3.1.3 归因分析方法
•     3.1.4 蒸发皿数据的处理
•   3.2 蒸发皿蒸发量的变化趋势分析
•     3.2.1 蒸发皿蒸发量年际变化趋势
•     3.2.2 “蒸发悖论”规律分析
•   3.3 估算的潜在蒸散发时空变化特征
•     3.3.1 估算的潜在蒸散发与蒸发皿蒸发量的关系
•     3.3.2 潜在蒸散发空间分布和趋势特征
•     3.3.3 潜在蒸散发年际变化特征
•     3.3.4 潜在蒸散发年内变化特征
•   3.4 潜在蒸散发对气象因子的响应分析
•     3.4.1 潜在蒸散发对气象因子响应的年际变化
•     3.4.2 潜在蒸散发对气象因子响应的年内变化
•   3.5 讨论
•   3.6 小结
• 4 潜在蒸散发与湿度因子的关系
•   4.1 潜在蒸散发与降水的关系
•     4.1.1 多年平均潜在蒸散发与降水的关系
•     4.1.2 潜在蒸散发与降水的年际变化关系
•     4.1.3 潜在蒸散发与降水的年内变化关系
• pen时空变化特征'>  4.2 Prec/ET_pen时空变化特征
• pen空间分布特征'>    4.2.1 Prec/ET_pen空间分布特征
• pen年际变化特征与趋势'>    4.2.2 Prec/ET_pen年际变化特征与趋势
• pen年内变化特征与趋势'>    4.2.3 Prec/ET_pen年内变化特征与趋势
• rad/ET_pen的时空变化特征'>  4.3 E_rad/ET_pen的时空变化特征
• rad/ET_pen空间分布特征'>    4.3.1 E_rad/ET_pen空间分布特征
• rad/ET_pen年际变化特征与趋势'>    4.3.2 E_rad/ET_pen年际变化特征与趋势
• rad/ET_pen年内变化特征与趋势'>    4.3.3 E_rad/ET_pen年内变化特征与趋势
• rad/ET_pen极值的变化范围'>    4.3.4 E_rad/ET_pen极值的变化范围
•   4.4 讨论
• rad和E_aero的空间分布特征'>    4.4.1 E_rad和E_aero的空间分布特征
• pen和E_rad/ET_pen的关系'>    4.4.2 Prec/ET_pen和E_rad/ET_pen的关系
•   4.5 小结
• 5 实际蒸散发对气象因子及下垫面的响应
•   5.1 观测站点、观测内容及数据处理
•     5.1.1 观测站点介绍
•     5.1.2 观测内容
•     5.1.3 通量数据前期处理
•     5.1.4 通量数据后期处理
•   5.2 实际蒸散发的日动态变化特征
•   5.3 实际蒸散发的季节变化特征
•   5.4 不同下垫面实际蒸散发对气象因子的响应
•     5.4.1 30 min尺度上实际蒸散发对气象因子的响应
•     5.4.2 日尺度上实际蒸散发对气象因子的响应
•   5.5 不同下垫面实际蒸散发对能量的占比分配特征
•   5.6 不同下垫面实际蒸散发对降水事件的响应
•   5.7 讨论
•   5.8 小结
• 6 实际蒸散发与潜在蒸散发关系探讨
•   6.1 研究方法和典型区域
•     6.1.1 流域尺度实际蒸散发计算
•     6.1.2 典型流域基本情况
•   6.2 年尺度上实际蒸散发与潜在蒸散发的关系
• a和ET_pen的相关性分析'>    6.2.1 年尺度上ET_a和ET_pen的相关性分析
• a和ET_pen随湿度因子的变化'>    6.2.2 年尺度上ET_a和ET_pen随湿度因子的变化
•   6.3 日尺度上实际蒸散发与潜在蒸散发的关系
• a和ET_pen的相关性分析'>    6.3.1 日尺度上ET_a和ET_pen的相关性分析
• a和ET_pen随湿度因子的变化'>    6.3.2 通量站点ET_a和ET_pen随湿度因子的变化
•   6.4 斜率回归法对实际蒸散发与潜在蒸散发关系的分析
•     6.4.1 斜率回归法的推导过程
• a和ET_pen关系'>    6.4.2 年尺度上ET_a和ET_pen关系
• a和ET_pen关系'>    6.4.3 日尺度ET_a和ET_pen关系
•   6.5 讨论
•   6.6 小结
• 7 实际蒸散发估算模型对比及应用
•   7.1 蒸发互补相关理论模型
•     7.1.1 传统互补相关理论模型
•     7.1.2 多项式广义互补相关理论模型及物理边界条件
•     7.1.3 S型广义互补相关理论模型及物理边界条件
•   7.2 互补相关理论模型在通量站点的对比
•     7.2.1 模型表现评价指标
•     7.2.2 通量站点模型参数率定及评价
•   7.3 互补相关理论模型在典型流域的对比
•     7.3.1 典型流域概况
•     7.3.2 典型流域模型参数率定及评价
•   7.4 S型广义互补相关理论模型在典型流域的应用
•     7.4.1 典型流域实际蒸散发的时空变化特征
•     7.4.2 典型流域实际蒸散发对气象因子的响应
•   7.5 小结
• 8 结论与展望
•   8.1 结论
•   8.2 论文创新点
•   8.3 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主要研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张晓龙

导师: 沈冰,黄领梅

关键词: 蒸散发,蒸发悖论,蒸发互补相关理论,再分析数据集,通量数据

来源: 西安理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学,气象学

单位: 西安理工大学

基金: 国家自然科学基金(51679185,51509202),国家重点研发计划资助项目(2017YFC0403605)

分类号: P407;P426.2

DOI: 10.27398/d.cnki.gxalu.2019.000038

总页数: 168

文件大小: 12840K

下载量: 104