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基于遥感的测绘蒸散量：在加拿大陆地的应用

刘J.

加拿大遥感中心，渥太华，安大略省，加拿大

大气科学，物理学系，多伦多，安大略省多伦多大学，加拿大

J. M.陈

地理，多伦多大学，多伦多，加拿大安大略省部

加拿大遥感中心，渥太华，安大略省，加拿大

J. Cihlar

加拿大遥感中心，渥太华，安大略省，加拿大

2002年8月21日收到, 2003年1月31日修订, 2003年4月9日接受,2003年7月29日公布。

[1]所有加拿大陆于1996年的蒸散量（ET）估算在日常的步骤和1公里分辨率使用名为寒带生态系统过程模型生产力模拟器（BEPS）。该模型是由遥感叶面积指数和土地覆盖图以及土壤持水能力和日常气象数据驱动。所有主要的ET成分被认为是：植被蒸腾，林冠截留雨水的蒸发，土壤蒸发，在冬季和永久冻土和冰川地区雪升华，树冠拦截雪升华。在森林地区无论从林冠和林下植被蒸腾单独建模。在彭曼 - 蒙特斯方法应用于光影交错叶组分别在模拟冠级别的蒸腾，必要时作具有相当的枝叶丛生林冠方法论改进。模拟的ET地图显示明显的东西向和南北梯度以及与覆盖类型和植被密度的详细变化。据估计，1996年的相对丰水年，来自加拿大的陆地面积总ET（不包括内陆水域）为2037公里³。如果与基于从介质范围气象预测模型中的数据5351立方千米的总沉淀相比，ET的沉淀比为38％。在1996年，该ET平均超过加拿大陆地面积为228毫米/年，分为蒸腾102毫米/年和蒸发126毫米/年。森林地区贡献了全国ET的最大部分约59％。平均所有的覆盖类型，蒸腾占ET的45％，而在森林地区，蒸腾贡献ET的51％。每天ET的模拟结果与在三个森林站点，0.61 R2值和根涡度相关测量数据进行比较的意思0.7毫米/日方误差。

关键词：0315大气成分和结构：生物圈/大气相互作用; 1640全球变化：遥感; 1818水文：蒸散量; 1833年水文：Hydroclimatology; 9350信息相关的地理区域：北美;

关键词：蒸腾，蒸发，遥感，水文模拟，水文过程，加拿大

引文：刘，J.，M. Chen和J. Cihlar，基于遥感测绘蒸散：对加拿大的陆地，水上RESOUR的应用程序。 。RES，39（7），1189，DOI：10.1029/2002WR001680，2003。

1.简介

[2]蒸散定量信息（ET）在从印度次大陆到全球范围内大面积的水资源管理和气候研究非常有用。在这些尺度ET的空间分布历来用长期气象或径流数据估算，因为可用的输入数据往往是有限的[Hare,1980; Willmott et al., 1985; Henning, 1989; Mintz and Walker, 1993; Potter et al., 1993]。由于遥感数据具有覆盖面积大，频繁的更新和一贯的品质优势，基于遥感监测ET估算一直是众多研究的主题[Rango, 1989;Kuittinen, 1992; Kite and Piettroniro, 1996; Stewart et al.,1996; Sorooshian et al., 1997; Rango and Shalaby, 1999]。由于ET不能直接利用遥感技术测量，利用遥感数据ET间接估计已探索出多种方法，如能量平衡方式（或所谓的残余的方法）[Choudhury, 1997; Seguin, 1997]和普里斯特利泰勒或修改普里斯特利泰勒的方法[Jiang and Islam, 2001]。基于过程耦合ET遥感数据模型已经出现在过去的二十年。基于过程的模型模拟了一系列的物理和植物生理过程控制ET，如辐射吸收，截留和气孔运动。从流域到全球尺度，流程模型中的应用已有报道[Sellers et al., 1986; Running et al., 1989; Band et al., 1991; Wood and Lakshmi, 1993; Liu et al., 1997; Choudhury et al., 1998;Strasser and Mauser, 2001]。

[3]流程模型，用于ET映射时，有几个优点：（1）每个过程对总ET的贡献明确量化；（2）植被的效果通过使用诸如叶面积指数和植被功能参数，如气孔导度空间植被结构数据的考虑；（3）土壤湿度之间的相互作用和IT可以明确描述；（4）ET可以计算一个定义的时间段，而不是作为长期平均值，使得它的时间变化进行研究。流程模型通常是源于在各种细节待机/平积[Norman, 1979; Braud et al., 1995; Pauwels and Wood, 1999]。这些模型通常具有当超过因为由空间数据和计算资源的可用性的限制大面积实现被简化。

[4]根据个人情况，流程模型都建有不同的侧重点，复杂性，输入的要求，以及时间和空间分辨率。在这项研究中，一个简单的过程模型，即寒温带生态系统生产力模拟器（BEPS）[Liu et al., 1997], 为区域ET估计（107平方公里）开发。BEPS强调植被的数据，包括叶面积指数和植被类型的重要性，对符合条件的ET分布。这些空间明晰的植被数据来源于卫星数据。BEPS是专门为使用这些遥感数据而设计的。其次，BEPS利用了更强调空间分辨率，同时保持时间分辨率至其最大的可用计算资源和输入数据的方法。最后，在加拿大，BEPS聚焦在植被，气象学和土壤条件。本文的主要目的是通过流程建模和量化ET统计显示在一年内ET超过加拿大陆地的详细的空间分布格局。

2.模型和数据

2.1．模型的说明

[5] BEPS最初是为评估在加拿大陆地植物摄取碳而开发[Liu et al.,1997, 1999, 2002]。ET模拟由于碳吸收和水分状况之间的密切关系显然是模型的重要组成部分[Liu et al., 1997, 2001]。BEPS遵循并进一步发展嵌入FOREST-BGC的算法[Running and Coughlan, 1988]来描述植被的物理和生物过程。随着植被，气象和土壤空间明晰的输入数据，BEPS可以通过像素以上定义的域中运行像素，如加拿大，或任何部分。它具有灵活的空间和时间分辨率，只要每个像素的输入数据来定义。在这项研究中，BEPS的每日时间步1公里分辨率已运行，而每日BEPS的以30米分辨率的应用程序被报道[Zelic et al., 2002]，在20公里版本每小时BEPS的正在开发[Chan et al.,2000, 2001]。由Potter等证实，ET的敏感性由BEPS环境条件和植物特性模拟。[2001]在北方针叶林的网站九种模型的比较中。类似相比多数模型，BEPS是在现场的叶面积指数，气孔导度，空气温度和湿度的变化很敏感。在根而言意味着比较方误差与在现场测得的数据ET，BEPS排名第二低[Amthor et al., 2001]。

[6] 在这项研究中，BEPS的日常计算每个ET成分，总结日常值ET每年在地图的每一个像素。由于加拿大的森林大和冻土地区，冬季漫长赛季，蒸腾从森林和冰雪升华林下植被都考虑到，除了其他常见的ET组件。图1示出在BEPS考虑的部件。

图1.在BEPS模拟水通量。当空气温度（Ta）是零以上时，水通量在右侧的实线示出。否则，水通量在左侧虚线示出。在顶部，降水雨雪空气温度（Ta）之间的区别。

完整的ET模式是：

其中，Tplant是从植物或植物树冠蒸腾（树）的森林地区; TUNDER是蒸腾林下在森林，等于零非森林植被类型;Eplant和Splant分别是从植物蒸发和升华；soil从土壤蒸发；Sground是从升华地面上的雪。 时间相关的输入变量的模型是叶面积指数在生长季节期间10月11日一天间隔每天的气象数据，包括总呼入辐射，最高和最低温度，平均湿度和降水总量。其他输入变量包含土地覆盖类型和可用的土壤持水能力，无论是变种空间，但不变的时间在一年。

[7]具有可用空间的限制折衷数据和计算资源，下列处理通过了：（1）的环境和工厂条件视为像素内均匀；（2）侧像素之间的互动被忽视；（3）土壤处理作为一个层和湿气用桶模型计算；4）截获沉淀的剩余部分蒸发或升华后进入土为在一天结束二次穿透；（5）水蒸气气动阻力与描述针对不同的土地覆盖类型不同的代表值。

[8] Tplant是在植物的地区的主要成分之一。在彭曼 - 蒙特斯公式已被广泛应用在时间的单位叶面积瞬间来描述这一过程：

其中，Rn是在净W m^-2 的辐射，（见附录估计Tplant，Tunder和 Esoil计算Rn对林冠，林下土壤表面方法），是饱和水蒸气的变化率随着温度毫巴压摄氏度；是空气密度；是空气的比热恒温；VPD是毫巴蒸汽压赤字；是气动阻力，采取的是30 对作物和草地和5.0 森林和其他土地覆盖类型[Grace, 1983; Runningand Coughlan, 1988] （采取岭植被类型相关的常数误差分析见表4后面部分提供）；是湿度常数（=0.646 0.0006*Ta其中Ta是空气温度）；是依赖于空气温度的水的蒸发潜热（=（2.501-0.0024 *Ta）*10^6每千克）；为水蒸气表面电阻，作为植物个体的叶子，可以在辐射，空气温度，空气湿度，和土壤湿度的组合函数来描述，例如Liu等的气孔阻力[1999]。

[9] 从叶扩大Tplant使用的Penman-Monteith公式冠层的一个方便的方式是用林冠阻力，以取代。更换后，方程（2）变成一个“大叶模式”。大叶模型，找到足够ET估算，但偏估计群体光合[Chen et al., 1999; Lai et al.,2000]。大叶ET模型的需要调整各种植被类型之间的可变冠层结构。特别是北方森林通常是高度成群。为了与BEPS的碳成分一致，我们开发了阳光和阴影树叶分层树冠ET模式。当蒸腾用作支架上的总初级生产力的估计额外的限制的一致性就显得尤为重要。因此Tplant可以简单描述如下：

其中T表示叶片蒸腾，和LAI为叶面积指数（见LAI定义部分2.2.2）。下标“太阳”和“荫”表示阳光和阴影树叶，这是从计算[Chen et al., 1999]:

其中q是日平均太阳天顶角; 是丛生指数，分别取为0.5，0.65，0.8和0.9的针叶树，混交林，落叶和其他类型（草地，农田，苔原，等），[Liu et al., 1997]。

[10] Penman-Monteith公式还用于从森林的下木推定蒸腾。林下蒸腾通常被忽略以前的型号，但其对总ET的贡献被发现是在森林地区相当[Black and Kelliher, 1989]。一个关键的参数，林下LAI，测定在2.2.2节中讨论。

[11]从植物蒸发并升华取决于所截取的降水（雨或雪）（P_int）由植物和可用能量转换的固体或液体水为蒸汽。前者被简单地假设为正比于叶面积指数，通过沉淀约束：

其中，b_int是0.3毫米的截留系数每LAI每天[Running and Coughlan, 1988]；功能分取最小值两个输出。当空气温度高于零，则发生蒸发；否则，升华发生。因此，下面的等式是用来分别估计蒸发和升华：

其中，b_{abs_water}是吸收为水太阳辐射，以0.50 [Burman and Pochop, 1994]。b_{abs_snow_new}是新雪吸收太阳辐射，以0.1 [Oke, 1990]。是蒸发潜热（= 2.5*10^6 焦耳每千克在0℃）。lambda;s是升华的潜热（=2.8*10^6 焦耳每千克在0℃）。S_int是为每米每天截获的太阳辐射，这是与考虑树冠结构的LAI和丛生指数的换算（）。Sint太阳天顶角的影响被日常集成和找到解决办法：

其中S是太阳辐射从大气层每日总入射；theta;noon是中午太阳高度角，是纬度和一年中的一天功能[Oke,1990]。P（theta;noon）是中午的空隙部分。1和2的反射率的上方和下方遮篷和分别被分配为0.05和0.06值[Liu et al., 1997]。

[12]在无雪领域，蒸发从土壤（Esoil）使用Penman-Monteith公式估算，而在冰雪覆盖的地区蒸发被设置为零。在等式（2）的表面电阻被替换为水蒸汽土壤阻力[Monteith, 1981; Shuttleworth and Wallace, 1985]。

[13]如果在地面上存在积雪，从雪升华等于可用能量升华现有雪：

其中，snow是雪水当量（毫米）;C_snow是用于通过升华转移到潜热的太阳辐射的分数系数。这大约是0.12冰和雪[Saunders et al., 1997]。

[14] BEPS假定土壤根区域是一定尺寸的桶。每天，在一个像素从土壤所有的水输入和输出求和。如果总超过了根区保水能力，水就会流出来桶。过量的水的总量被视为流出。

2.2．空间明确的输入数据

[15]如前所述，BEPS需要土地覆盖，叶面积指数，土壤有效持水能力，以及每日气象数据输入数据。在覆盖加拿大5700像素由4800线1公里分辨率的域名制备在空间明晰的形式这些数据。域名是在兰伯特等角圆锥（LCC）的投影（49和77N标准的相似之处，95W子午线）。所有输入数据加工成本决议和投影之前或模型执行过程中。1996年度入选过加拿大陆地面积呈现每年ET模式的快照。

2.2.1.土地覆盖

[16]需要在土地覆盖类型的信息来定义描述个别生物群落类型的参数，并根据生物群落类型，控制模式例程。这也是在发展生物群落依赖

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