CN106709268A - 一种遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展的新方法，包括以下步骤：步骤1、收集气象数据和遥感数据，初步构建遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展新方法所需的输入数据集；步骤2、利用Penman‑Monteith方程变换形式，得到瞬时蒸散发估算模型和日尺度蒸散发估算模型；步骤3、在步骤2得到瞬时尺度和日尺度蒸散发估算模型的基础上，得到遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展的新方法；步骤4、基于步骤3提出的时间尺度扩展的新方法，利用收集的气象数据和遥感数据，得到日尺度的蒸散发值。本发明能够显著降低传统的恒定蒸发比时间尺度扩展方法对日尺度蒸散发的低估，而且物理基础较强，对于提高瞬时蒸散发的时间尺度扩展精度具有重要意义。

Description

一种遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展的新方法

技术领域

本发明属于蒸散发遥感反演的技术领域，特别是涉及一种遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展的新方法。

背景技术

蒸散发(ET)是陆表和大气水热传输中的重要组成部分，对水文学、气象学、农学、地学等学科的研究都有重要意义。基于遥感技术发展全遥感的蒸散发反演已成为定量遥感领域一个重要的研究方向。近几十年来，许多基于遥感技术不同复杂度和精确度的模型已被用于估算区域蒸散发。然而，这些遥感模型通常仅能在有限的卫星过境时刻提供瞬时卫星数据来估算瞬时ET，不能满足各种相关领域对日尺度或者更长时间尺度ET的需求。

目前，已经发展了多种方法用来进行遥感瞬时蒸散发的时间尺度扩展方法。恒定蒸发比法是目前应用最广泛的蒸散发时间尺度扩展方法，通过假定蒸发比(蒸散发与可利用能量的比值)在白天是恒定的来进行瞬时蒸散发的时间尺度扩展。然而，许多研究表明利用恒定蒸发比法扩展得到的日蒸散发存在明显的低估，低估甚至高达34％。因此，需要对恒定蒸发比方法进行进一步分析改进，发展精度更高的蒸散发时间尺度扩展方法，满足相关领域对高精度日尺度或更长时间尺度蒸散发的需求。

发明内容

为了解决上述技术问题中的不足之处，本发明提供了一种遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展的新方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展的新方法，其中，包括以下步骤：

步骤1：收集气象数据和遥感数据，初步构建遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展新方法所需的输入数据集；

步骤2：利用Penman-Monteith方程变换形式，得到瞬时蒸散发估算模型和日尺度蒸散发估算模型；

步骤3：在步骤2得到瞬时尺度和日尺度蒸散发估算模型的基础上，得到遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展的新方法；

步骤4：基于步骤3提出的时间尺度扩展的新方法，利用步骤1收集的气象数据和遥感数据，可得到日尺度的蒸散发值。

所述的遥感反演瞬时蒸散发时间尺度扩展的新方法，其中，所述步骤1中，所述收集的气象数据包括空气温度、大气压强、相对湿度、风速、地表净辐射通量数据等，遥感数据包括瞬时即卫星过境时刻的潜热通量LE(蒸散发的能量表述形式)数据。

所述的遥感反演瞬时蒸散发时间尺度扩展的新方法，其中，所述步骤2中，所述Penman-Monteith方程的变换形式为，公式一：

α＝Ω/Ω^*，

其中，Δ为饱和水汽压曲线斜率(kPa/℃)；LE为潜热通量(蒸散发的能量表述形式)(W/m²)；R_n为地表净辐射(W/m²)，G为土壤热通量(W/m²)；γ为干湿球常数(kPa/℃)；r_c为表面阻抗(s/m)；r_a为空气动力学阻抗(s/m)；r^*为LE等于平衡蒸散发时的临界地表阻抗(s/m)；ρ为空气密度(kg/m³)；C_p为空气比热(J/(kg·℃)；VPD为空气水汽压逆差(kPa)。

所述的遥感反演瞬时蒸散发时间尺度扩展的新方法，其中，所述步骤2中，将公式一应用到瞬时尺度和日尺度蒸散发的计算，可分别得到瞬时尺度和日尺度蒸散发的计算公式，公式二：

其中下标i和d分别表示瞬时和日尺度。

所述的遥感反演瞬时蒸散发时间尺度扩展的新方法，其中，所述步骤3中，在步骤2得到的瞬时尺度和日尺度蒸散发估算模型(公式二)的基础上，得到日尺度蒸散发的表达形式，公式三：

所述的遥感反演瞬时蒸散发时间尺度扩展的新方法，其中，为了减小模型方法的复杂性，假定Ω_d＝Ω_i，得到遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展的新方法，公式四：

其中，(LE_d)_improve为通过提出的新方法得到的日尺度LE，(LE_d)_conv为传统恒定蒸发比扩展模型得到的日尺度LE。传统恒定蒸发比方法中，蒸发比EF定义为蒸散发(LE)与可利用能量(R_n-G)的比值，通过假定瞬时蒸发比和日尺度蒸发比相等，在得到瞬时蒸发比、日尺度可利用能量的基础上，得到日尺度蒸散发值，即

所述的遥感反演瞬时蒸散发时间尺度扩展的新方法，其中，所述步骤4中，基于步骤3中所述的遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展新方法，利用步骤1中收集的气象数据和遥感数据，可得到日尺度的蒸散发值。

本发明主要通过Penman-Monteith方程的变换形式，在得到瞬时蒸散发估算模型和日尺度蒸散发估算模型的基础上，提出遥感反演瞬时蒸散发时间尺度扩展新方法，提出的时间尺度扩展新方法有效地考虑了传统恒定蒸发比扩展方法中的忽略项，可避免或减少传统恒定蒸发比方法的低估问题，得到更加准确的日尺度蒸散发值。

本发明具有以下有益效果：能够显著降低传统恒定蒸发比时间尺度扩展方法对日蒸散发的低估，提高遥感瞬时蒸散发扩展到日尺度蒸散发的精度。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明的具体实施方法如下：

步骤1：收集气象观测数据和遥感数据，初步构建遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展新方法所需的输入数据集；

收集的气象数据包括空气温度、大气压强、相对湿度、风速、地表净辐射通量数据等，遥感数据包括通过SEBAL模型基于地表能量平衡方程等得到的卫星过境时刻的潜热通量LE(蒸散发的能量表述形式)数据。

步骤2：利用Penman-Monteith方程变换形式，得到瞬时蒸散发估算模型和日尺度蒸散发估算模型；

首先对Penman-Monteith方程进行变换，可得到如下公式：

α＝Ω/Ω^*，

其中，Δ为饱和水汽压曲线斜率(kPa/℃)；LE为潜热通量(蒸散发的能量表述形式)(W/m²)；R_n为地表净辐射(W/m²)，G为土壤热通量(W/m²)；γ为干湿球常数(kPa/℃)；r_c为表面阻抗(s/m)；r_a为空气动力学阻抗(s/m)；r^*为LE等于平衡蒸散发时的临界地表阻抗(s/m)；ρ为空气密度(kg/m³)；C_p为空气比热(J/(kg·℃)；VPD为空气水汽压逆差(kPa)。

然后将上述变换公式应用到瞬时尺度和日尺度蒸散发的计算中，可分别得到瞬时尺度和日尺度蒸散发的计算公式，公式如下：

其中下标i和d分别表示瞬时尺度和日尺度。

步骤3：在步骤2得到瞬时尺度和日尺度蒸散发估算模型的基础上，得到遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展新方法中日尺度蒸散发的计算公式。公式如下：

为了减小模型的复杂性，假定Ω_d＝Ω_i，得到遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展新方法的最终形式，公式如下：

其中，(LE_d)_improve是通过提出的时间尺度扩展新方法得到的日尺度LE，(LE_d)_conv是传统的恒定蒸发比扩展模型得到日尺度LE。

传统恒定蒸发比法中，蒸发比EF定义为蒸散发(LE)与可利用能量(R_n-G)的比值，通过假定瞬时蒸发比和日尺度蒸发比相等，在通过遥感数据得到瞬时蒸发比，通过气象数据得到日尺度可利用能量的基础上，得到日尺度蒸散发值，即

步骤4：基于步骤3提出的遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展新方法，利用步骤1收集的气象数据和遥感数据，可得到日尺度的蒸散发值。

本发明提出的遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展的新方法具有如下特点：1)考虑了传统恒定蒸发比时间尺度扩展方法中忽略项的影响；2)模型基于以下假设的规则：综合考虑了模型复杂性和精度需求，假设瞬时的Ω_i与日尺度的Ω_d相等。本发明显著降低了传统的恒定蒸发比时间尺度扩展法对日尺度蒸散发的低估，提高了遥感瞬时蒸散发扩展到日尺度蒸散发的精度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，本发明还可以有各种变化和改进，这些改进也应视为本发明的保护范围，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展的新方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：收集气象数据和遥感数据，初步构建遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展新方法所需的输入数据集；

步骤2：利用Penman-Monteith方程变换形式，得到瞬时蒸散发估算模型和日尺度蒸散发估算模型；

步骤3：在步骤2得到瞬时尺度和日尺度蒸散发估算模型的基础上，得到遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展的新方法；

步骤4：基于步骤3提出的时间尺度扩展的新方法，利用步骤1收集的气象数据和遥感数据，可得到日尺度的蒸散发值。

2.如权利要求1所述的遥感反演瞬时蒸散发时间尺度扩展的新方法，其中，所述步骤1中，所述收集的气象数据包括空气温度、大气压强、相对湿度、风速、地表净辐射通量数据等，遥感数据包括瞬时即卫星过境时刻的潜热通量LE(蒸散发的能量表述形式)数据。

3.如权利要求1所述的遥感反演瞬时蒸散发时间尺度扩展的新方法，其中，所述步骤2中，所述Penman-Monteith方程的变换形式为，公式一：

$LE=\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\Δ}}{\mathrm{\Δ}+\mathrm{\γ}}(R_n-G)$

α＝Ω/Ω^*，

其中，Δ为饱和水汽压曲线斜率(kPa/℃)；LE为潜热通量(蒸散发的能量表述形式)(W/m²)；R_n为地表净辐射(W/m²)，G为土壤热通量(W/m²)；γ为干湿球常数(kPa/℃)；r_c为表面阻抗(s/m)；r_a为空气动力学阻抗(s/m)；r^*为LE等于平衡蒸散发时的临界地表阻抗(s/m)；ρ为空气密度(kg/m³)；C_p为空气比热(J/(kg·℃)；VPD为空气水汽压逆差(kPa)。

4.如权利要求1所述的遥感反演瞬时蒸散发时间尺度扩展的新方法，其中，所述步骤2中，将公式一应用到瞬时尺度和日尺度蒸散发的计算，可分别得到瞬时尺度和日尺度蒸散发的计算公式，公式二：

${\mathrm{LE}}_i={\mathrm{\α}}_i\frac{{\mathrm{\Δ}}_i}{{\mathrm{\Δ}}_i+{\mathrm{\γ}}_i}{(R_n-G)}_i,{\mathrm{LE}}_d={\mathrm{\α}}_d\frac{{\mathrm{\Δ}}_d}{{\mathrm{\Δ}}_d+{\mathrm{\γ}}_d}{(R_n-G)}_d$

其中下标i和d分别表示瞬时和日尺度。

5.如权利要求1所述的遥感反演瞬时蒸散发时间尺度扩展的新方法，其中，所述步骤3中，在步骤2得到的瞬时尺度和日尺度蒸散发估算模型(公式二)的基础上，得到日尺度蒸散发的表达形式，公式三：

${\mathrm{LE}}_d=\frac{{\mathrm{LE}}_i}{{(R_n-G)}_i}{(R_n-G)}_d\frac{{\mathrm{\Δ}}_d}{{\mathrm{\Δ}}_d+{\mathrm{\γ}}_d}\frac{{\mathrm{\Δ}}_i+{\mathrm{\γ}}_i}{{\mathrm{\Δ}}_i}\frac{{\mathrm{\α}}_d}{{\mathrm{\α}}_i}=\frac{{\mathrm{LE}}_i}{{(R_n-G)}_i}{(R_n-G)}_d\frac{{\mathrm{\Δ}}_d}{{\mathrm{\Δ}}_d+{\mathrm{\γ}}_d}\frac{{\mathrm{\Δ}}_i+{\mathrm{\γ}}_i}{{\mathrm{\Δ}}_i}\frac{{\mathrm{\Ω}}_i^{*}}{{\mathrm{\Ω}}_d^{*}}\frac{{\mathrm{\Ω}}_d}{{\mathrm{\Ω}}_i}$

6.如权利要求5所述的遥感反演瞬时蒸散发时间尺度扩展的新方法，其中，为了减小模型方法的复杂性，假定Ω_d＝Ω_i，得到遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展的新方法，公式四：

${\left({\mathrm{LE}}_d\right)}_{improve}=\frac{{\mathrm{LE}}_i}{{(R_n-G)}_i}{(R_n-G)}_d\frac{{\mathrm{\Δ}}_d}{{\mathrm{\Δ}}_d+{\mathrm{\γ}}_d}\frac{{\mathrm{\Δ}}_i+{\mathrm{\γ}}_i}{{\mathrm{\Δ}}_i}\frac{{\mathrm{\Ω}}_i^{*}}{{\mathrm{\Ω}}_d^{*}}={\left({\mathrm{LE}}_d\right)}_{conv}\frac{{\mathrm{\Δ}}_d}{{\mathrm{\Δ}}_d+{\mathrm{\γ}}_d}\frac{{\mathrm{\Δ}}_i+{\mathrm{\γ}}_i}{{\mathrm{\Δ}}_i}\frac{{\mathrm{\Ω}}_i^{*}}{{\mathrm{\Ω}}_d^{*}}$

其中，(LE_d)_improve为通过提出的新方法得到的日尺度LE，(LE_d)_conv为传统恒定蒸发比扩展模型得到的日尺度LE。传统恒定蒸发比方法中，蒸发比EF定义为蒸散发(LE)与可利用能量(R_n-G)的比值，通过假定瞬时蒸发比和日尺度蒸发比相等，在得到瞬时蒸发比、日尺度可利用能量的基础上，得到日尺度蒸散发值，即

7.如权利要求1所述的遥感反演瞬时蒸散发时间尺度扩展的新方法，其中，所述步骤4中，基于步骤3中所述的遥感反演瞬时蒸散发日尺度扩展新方法，利用步骤1中收集的气象数据和遥感数据，可得到日尺度的蒸散发值。