分布式模型在流域蒸散模拟中的应用与验证

本文根据四川杂谷脑河流域上游地区1989—2000年的气象站常规观测数据，应用分布式模型方法，考虑流域的空间异质性及时空变异性，选择离散单元格尺度为500m，时间步长为1d，采用Penman—Monteith公式的改进形式，估算流域多年平均潜在蒸散量的时空分布；结合流域下垫面特点，估算逐日实际蒸散量的时空分布；并将模型模拟的多年平均值与研究区同期水量平衡法计算结果相比，相对误差＋3．47％且时空分布合理。本研究为流域分布式降雨一径流模型提供了可靠的实际蒸散量模拟方法。     

白洋淀流域潜在蒸散量与实际蒸散量变化分析

基于Penman-Monteith公式和Budyko假设,利用白洋淀流域1960年-2011年的气象、水文资料,计算分析了该流域潜在蒸散量与实际蒸散量的长期变化趋势,并初步分析了实际蒸散量变化与降水变化、潜在蒸散量变化的关系。结果表明:过去52年白洋淀流域潜在蒸散量和实际蒸散量分别以10.3mm/(10a)和11.6mm/(10a)的速度呈下降趋势;年代际变化分析表明,潜在蒸散量的下降趋势在不同年代际间具有持续性,而实际蒸散量则表现为波动下降,其波动性受降水波动的影响,年实际蒸散量的变化与年降水的变化呈正相关关系(R2=0.99),与潜在蒸散量的变化呈负相关关系(R2=0.37),即降水量的变化对实际蒸散量的变化起主要控制作用。     

三种通过常规气象变量估算实际蒸散量模型的适用性比较

为了分析比较3种通过常规气象变量估算实际蒸散量模型的适用性,采用无量纲化分析方法将基于互补相关理论的平流-干旱（简称AA模型）模型和Granger模型与Katerji和Perrier提出的通过气象变量确定表面阻力进而直接估算实际蒸散量的PenmanMonteith(PMKaterji)模型转化为类似的可比形式,即将实际蒸散量与Penman潜在蒸散量之比(蒸散比)表示为Penman潜在蒸散量中辐射项所占比例的函数。3种模型分别采用不同的函数形式,通过对函数特性的分析发现, AA模型适用于既不非常干燥和也不非常湿润的环境,计算的实际蒸散量在干燥的环境下偏小,而在湿润的环境下偏大;Granger模型在蒸散比变化范围较大都适用,并且在一般湿润状况下与AA模型近似等价;PMKaterji模型在蒸散比变化范围较大时模拟效果不好。通过干旱(黑河试验沙漠与戈壁站)与湿润(淮河试验安徽寿县站)两种状况下的实测数据的对比分析验证了理论分析的正确性。     

CMADS驱动SWAT模型在水循环模拟中的应用——以洱海流域为例

基于大气数据驱动水文模型的输出结果开展水循环模拟研究是大气和水文学界的研究热点。利用中国大气同化驱动数据集CMADS驱动SWAT模型,模拟2009～2016年期间洱海流域关键水循环要素的时空分布特征。结果表明:①CMADS数据集可很好地驱动SWAT模型,在洱海流域适用性较好,可用于水循环模拟研究。②从时间上看,洱海流域年降水量、实际蒸散和年产水量均呈现出先减少后增加的趋势,分别以4.6,29.3,15.0 mm/a的速率递增,多年平均降水量、多年平均实际蒸散发和多年平均产水量分别为792.8,565.5,286.1 mm。从空间上看,洱海西部降水最丰沛,东部地区次之,北部地区最低;实际蒸散发空间差异性相对较小,高值区主要分布于洱海湖区周围;产水量空间分布差异性较大,洱海西部产水量最大,其次为洱海北部和东部山区。③湿润度呈现出增加的趋势,而产水系数表现出减少的趋势,多年平均湿润度和产水系数分别为0.61和0.43;实际蒸散发与降水变化趋势一致,但与潜在蒸散发变化趋势相反,表明水分条件是限制洱海流域潜热的主要因子。     

SEBAL模型在台兰河流域蒸散发研究中的应用

由于陆地表面的空间非均匀性,传统的观测手段难以由点向面拓展。采用基于地表热量平衡的SEBAL模型,利用MODIS影像数据估算了位于干旱地区的台兰河流域的实际蒸散发量及其时空分布特征。结果表明:日蒸散发量的实测值与反演值相关性为0.88,月蒸散发量的实测值与反演值相关性为0.91,精度较高。估算全年总的蒸散量约为7.04亿m3,比水量平衡法计算的蒸散量大4%。通过各精度的检验可知,该模型计算结果较为可信。     

VIC模型在大洋河流域水土流失模拟研究中的运用

本文以大洋河流域作为研究流域,将VIC模型和改进通用土壤侵蚀方程进行耦合,实现水土流失时空分布式模拟。研究结果表明:VIC模型可运用于该流域水土流失模拟,模拟的2000~2010年流域输沙量相对误差小于10%,含沙量过程确定性系数达0.65以上;土壤侵蚀模数在100~3500t/km2·a受流域降水空间分布影响总体上呈现南小北大的分布规律。研究成果给该流域水土流失的分布式模拟提供了较为重要的参考。     

基于Priestley-Taylor模型的贵州省涟江流域蒸散发时空变化及其影响因素分析

开展蒸散发时空变化及其驱动因素研究,对流域水土资源开发管理和可持续利用具有重要意义。基于Priestley-Taylor模型,结合地表温度、地表反照率、NDVI、太阳天顶角、DEM、土壤和土地利用覆盖类型等多源遥感数据,对贵州省涟江流域2005—2014年ET(Evapotranspiration,蒸散发)时空格局及其影响因素进行研究。结果表明:Priestley-Taylor模型在涟江流域的反演精度良好,相对误差为-1.39%～12.05%,估算结果能够满足该区的蒸散发研究需求;涟江流域2005—2014年ET多年均值为901.08 mm/a,总体呈波动增加趋势,增长率为36.8 mm/(10a),年内ET呈春、夏季节高而秋、冬季节低的单峰变化形式;流域ET的空间差异明显,总体呈东南、东北高,西部和中部地区低的空间分布格局,春、夏、秋季ET的空间分布与多年平均空间分布基本一致,而冬季的空间分布较为不同;不同土地覆盖类型的蒸散强度表现为:常绿针叶林永久湿地落叶阔叶林裸地或低值被覆盖地城市建成区,高植被覆盖区的蒸散发大于低植被覆盖区;不同土壤类型的蒸散发表现为:石灰土黄壤红壤水稻土紫色土。石灰土的土层较薄,蒸散量较大,不利于土壤水分涵养。     

栅格新安江-地表地下双人工调蓄分布式水文模型

为了提高地表地下双重人类活动干扰下的流域洪水模拟精度,基于调蓄水库概念提出了考虑地表水利工程和地下水超采影响下的网格化降雨径流模拟方法,通过在栅格新安江模型基础上引入地表地下双调蓄模块,构建了栅格新安江-地表地下双人工调蓄分布式水文(GXAJ-DAR)模型,将该模型同半分布式新安江-海河模型在海河的典型流域清水河流域进行了验证比较。结果表明：GXAJ-DAR模型在清水河流域的模拟精度高于新安江-海河模型;基于栅格的双调蓄结构能根据水利工程控制区域和地下水埋深的实际空间分布对地面和地下径流人工调蓄过程进行准确模拟;GXAJ-DAR模型对自由水蓄水库蓄水容量参数的取值较新安江-海河模型更加合理,能有效提高清水河流域的洪水模拟精度。     

基于改进遥感蒸散模型的西南地表蒸散研究

基于卫星遥感资料以及气象站点数据,利用基于地表净辐射、植被指数、月平均气温和月温差的混合型线性双源遥感蒸散模型估算了我国西南地区地表蒸散量,并与MODIS数据作对比验证。结果表明:改进后的遥感蒸散模型估算的蒸散值与MODIS监测的值具有很好相关性,其模拟精度依次为:秋季冬季夏季春季。利用改进后的模型研究了西南地表蒸散,发现近20 a来该地区实际蒸散呈现明显的增加趋势,春、夏两季蒸散量较大,占全年总量的62.3%,春季由东南向西北递减,广西大部分地区以及云南南部实际蒸散量较大,而川西则较小;夏季与秋季呈现由东向西递减的趋势,由广西、贵州、重庆向云南和四川递减;冬季则呈现由南向北递减的规律。     

基于MOD16产品的涟江流域蒸散量时空变化特征

地表蒸散量对调节区域水热条件起着重要作用,也是区域水文水循环研究的重要内容。基于MOD16遥感数据集,分析2000—2014年涟江流域地表蒸散量的时空变化特征。研究表明:涟江流域蒸散量实测值与MOD16遥感产品之间的相关系数较高(R~2=0.91),表明该数据集能满足对涟江流域地表蒸散发的研究需求;流域不同季节、不同土地利用类型及地貌类型的蒸散量存在差异性,表现为:夏季春季秋季冬季,林地草地耕地未利用地建设用地,岩溶高原峰丛洼地;15 a间的多年平均蒸散量总体呈上升趋势,尤其是2011—2014年的蒸散量较大,气温、降水、土地利用方式和地质条件背景对地表蒸散发产生重要影响,植被覆盖的增加是流域蒸散量上升的主要原因。研究结果对科学认识地表蒸散发的时空变化特征及其影响因素、流域水循环研究、水资源的合理开发利用和生态环境建设具有重要的理论与实践意义。     

基于Budyko理论的北京地区实际蒸散发估算及特征研究

为了探究近些年北京地区实际蒸散发的时空变化特征,采用基于Budyko理论的傅抱璞经验模型,对北京地区1980-2016年实际蒸散发进行了估算;并根据Mann-Kendall趋势分析、相关分析等方法,对研究区实际蒸散发的时间变化特征、空间格局以及影响因素进行了探讨;为提高傅抱璞经验模型在研究区的适用性,依据北京地区历史时期水文气象数据,结合水量平衡法对该模型参数进行了校准和验证。结果表明:优化参数后的经验模型在研究区具有较高的模拟精度,且适用性较强;北京地区多年实际蒸散发均值为447 mm;时间尺度上,呈不显著的下降趋势;空间上,表现出明显的空间异质性,其中,蓟运河山区的蒸散发最大,其次为潮白河流域东部;实际蒸散发的这种时空变化特征与区域降水量密切相关。     

基于地表能量平衡的大尺度流域蒸散发遥感估算研究

蒸散发是地表能量平衡的关键环节,准确估计流域蒸散发对水资源管理、作物估产、以及环境保护等具有重要意义。研究结合中国中高纬度区域气候特征、土地利用类型以及植被动态特征,改进了基于地表能量平衡系统(Surface Energy Balance System,SEBS)的蒸散发估算模型。以松花江流域为例,进行大尺度流域的多年蒸散发反演。通过多年流域水量平衡、流域内生态观测实验以及全球通量观测网络评价数据验证模型估算精度,同时借助陆面过程模型和NASA的MOD16蒸散发产品进行交叉验证,评估模型模拟精度。结果表明,改进的SEBS模型在全国范围内精度并不统一,但在松花江、辽河流域估算精度较高,因此基于地表能量平衡的蒸散发估算模型是一种估算我国中高纬度区域蒸散发的可行方法。松花江流域时空变化研究发现,流域多年蒸散发总值变化不大,但存在空间上的变异性。     

黄淮海流域实际蒸散发时空演变规律分析

蒸散发是气候系统能量循环和水分循环的关键要素,探究黄淮海流域实际蒸散发的演变规律及其影响因素对深入理解该区域水循环对气候变化的响应具有重要意义。基于1980—2018年黄淮海流域的GLEAM蒸散发产品数据、气象数据和NDVI数据,采用线性回归法、Mann-Kendall检验及相关性分析等方法,分析了实际蒸散发的时空演变规律及其影响因素。结果表明:GLEAM产品的计算值在黄淮海流域的验证精度较好,流域内多年平均实际蒸散发量为474 mm,呈显著上升趋势。实际蒸散发的空间变化范围是183~708 mm,空间差异显著,呈现从东南向西北方向递减的趋势,季节的空间分布与年际分布特征基本一致。实际蒸散发与NDVI均呈显著正相关关系,与降水和气温以正相关关系为主。黄淮海流域降水变化不明显,气温显著升高,NDVI增加是流域内实际蒸散发量显著上升的主要原因。     

基于广义互补原理的嘉陵江流域实际蒸散发时空分布特征及影响因素

为深入了解嘉陵江流域实际蒸散发特征及其变化原因,基于1956—2000年嘉陵江流域13个气象站点逐日观测资料以及流域逐年径流数据,运用广义互补相关原理模型,分析嘉陵江流域实际蒸散发量E_Ta时空分布特征,通过分析Pearson相关系数研究实际蒸散发量和气象因子的相关性,探讨其变化原因。结果表明:①广义互补相关原理理论模型适用于嘉陵江流域,且E_Ta估算精度高,平均绝对误差为6.79 mm,平均相对误差仅为1.42%;②1961—2000年嘉陵江流域实际蒸散发量时间分布上呈现缓慢降低趋势,下降速率达-5.3 mm/(10 a),空间分布表现为北高南低、东高西低,最大值649.86 mm,出现在甘肃省迭部县;最低值188.26 mm,位于四川省松潘县;③1961—2000年嘉陵江流域日照时数和日较差的下降导致辐射能量项的降低,致使实际蒸散发量减少,日最高温、日最低温、实际水汽压的增加以及2 m风速的下降造成空气动力学项的减少,缓解了实际蒸散发量的减弱。首次将广义互补相关原理理论模型运用到嘉陵江流域E_Ta的计算,取得了较好的估算精度,为嘉陵江流域的水资源评价、制定正确的水资源规划及未来实现水资源持续发展提供科学依据。     

基于两种SPEI序列的淮河流域干湿特征变化

基于FAO56 Penman-Monteith和Hargreaves-Samani两种潜在蒸散发计算方法得到了12个月尺度的标准化降水蒸散指数(SPEI),研究了1960—2016年淮河流域干湿时空变化特征以及两种SPEI序列对相关气象要素的敏感性。结果表明:两种SPEI序列均显示流域呈变湿趋势,温度距平值与SPEI负相关,与潜在蒸散发距平值正相关;空间上,流域西北和东部地区呈显著变湿趋势,中部地区为不显著变干趋势; SPEI去趋势后,流域的干湿变化斜率减小,去趋势过程不改变SPEI的趋势变化分布,只影响流域的干湿变化幅度;气象要素的趋势变化可影响流域干湿变化趋势和干湿等级,淮河流域干湿变化影响因素由强到弱顺序依次为温度、日照时数、风速和相对湿度。     

基于SWAT模型的秦淮河流域气候变化水文响应研究

为了解气候变化对水文水资源的影响机理,以秦淮河流域为研究区构建SWAT模型,使用SWAT-CUP对模型进行参数敏感性分析、率定及验证,并采用任意假设法设计未来气候情景,分析温度及降雨变化对流域径流及实际蒸散发量的影响。结果表明:模型在月径流模拟中具有较高的精度,适用于秦淮河流域气候变化下的水文响应研究;气温降低或降雨量上升都会引起流域径流量增加,反之则减少;实际蒸散发量与降雨量正相关,而实际蒸散发量对气温变化的响应不明显;平水年径流量对降雨量变化的响应较强,枯水年径流量对温度变化的响应较强;枯水年实际蒸散发量对降雨量变化的响应较强。     

变化环境下韩江生态流量演变特征分析

选取位于粤东、闽西南地区的韩江流域为研究对象,基于CA-Markov模型对2050年流域土地利用空间格局进行预测,构建SWAT分布式水文模型,以未来土地利用情景和气候变化情景为变量进行水文模拟,分析不同情景下韩江生态流量的时空演变特征。结果表明,未来城镇化扩张将使梅江支流中上游成为韩江流域内生态流量对土地利用变化最为敏感的区域;土地利用和气候变化将导致韩江流域枯水期流量整体减小,枯水期流量对环境变化更加敏感;韩江流域生态流量变化特征将呈现从西南到东北由升到降的趋势,梅江支流中上游地区的生态流量将得到改善;梅江和汀江两大支流上游区域生态流量对气候变化更为敏感;韩江流域径流总量下降,但丰枯流量分化加剧,长期来看枯季生态流量保障风险可能进一步增大。     

基于 Kc和 NDVI 关系的蒸散发量空间尺度提升 及时空变化

为探究流域长时序高空间分辨率蒸散发量计算对区域水资源开发利用、水利工程规划设计及农业可持续发 展的重要意义,以河北省邢台市柳林流域为研究对象,基于 Penman-Monteith 模型和蒸渗仪实测蒸散发数据计算 不同时期的流域作物系数（Kc）,并建立 Kc与归一化植被指数（normalized?difference?vegetation?index,NDVI）的关系, 利用 250?m 分辨率 NDVI 产品将蒸渗仪测算的蒸散发量升尺度到柳林流域,计算流域各网格 2000—2021 年的蒸 散发量,分析蒸散发量的时空变化规律。结果表明：柳林流域多年平均潜在蒸散发量为 1?135.6mm,呈下降趋势; 多年平均蒸散发量为 591.4mm,呈上升趋势。蒸散发量在空间上西北高东南低,四季蒸散发量空间分布特征与多 年平均蒸散发量一致,且季节上分配不均。基于 NDVI 估算的蒸散发量与水量平衡法计算的蒸散发量 2000—2020 年多年平均相对误差为 7.9%,说明利用 Kc与 NDVI 关系可以较精确地对蒸散发量进行空间尺度提升。