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土耳其盖迪兹盆地基于SEBAL模型的灌溉显热和潜热通量研究

W.G.M. Bastiaanssen

国际水资源管理研究所，斯里兰卡 科伦坡

摘要：地表能量平衡算法（SEBAL）是基于光谱卫星测量的地表热通量相对较新的参数化方法。SEBAL需要空间分布、可见光、近红外和热红外数据，这些数据可以从Landsat专题制图仪中获取。SEBAL参数化是一种迭代的基于反馈数值的过程，该过程可以推导出辐射、热和蒸发通量，并由此估计了土耳其西部盖迪兹河流域的显热和潜热通量。卫星过顶过程中的能量平衡以及整体的24小时通量是以像素为单位计算的。本文将评估6月至8月间热通量的时间变化，讨论灌溉对能量分配和作物水分胁迫的影响。

关键词：蒸发，遥感，灌溉，作物水分胁迫，土耳其

1 介绍

蒸发是水分平衡的重要组成部分，尤其是当土地通过灌溉系统保持湿润时。在区域范围内确定作物用水量的消耗是理解资源管理是否充分的基础。灌溉农业是流域内最大的水资源消耗者，上游节水可能导致流域下游增加额外的水资源开发。尽管农作物和森林蒸发需要的水量比饮用和工业用水所需的水量更多，但对作物消耗量的估算程序则没有统一的看法。如过去一样，可以使用Bowen比法（Bowen，1926），热平衡法（例如Cermark等，1973）或湍流潜热通量涡旋相关数据（例如Schotanus，1983）; 但是所有这些技术都不能在区域尺度上提供一个适当的蒸发条件，因为水必须由不同的部门和用户共享。

水文模型和遥感技术是更适合于估算区域尺度上的蒸发和相关的水文过程的先进工具（Beven等，1988）。水文模型的优点是可以模拟竞争部门之间转移水的影响，并且可以研究人为情景对区域水文的影响。但缺点是需要大量的模型使用和广泛的实地数据，以便在区域尺度上进行适当的模型模拟。

实施详细的分布式水文模型可能需要几年的时间。应用基于遥感的蒸发程序的主要优点是,可以直接推导出土壤-水-植被系统消耗的水量，而无需量化其他复杂的水文过程。从头部调节器释放的用于灌溉和耗水的水之间的关系可以被确定，而不需要明确地说明水流量是如何流动,以及在灌溉方案或流域中如何被回收利用的。

在过去的10年中，人们提出了许多用于估算热量和蒸发通量的新型遥感算法。最常见的是由Kustas和Norman（1996）以及Bastiaanssen等人（1999年）提出的。该算法设计了用于土地的表面能平衡算法（SEBAL）来计算具有最小地面数据的区域尺度上的能量分配（Bastiaanssen等，1998），并将在本文中应用。SEBAL算法已经在埃及、印度、斯里兰卡、巴基斯坦和阿根廷的几种灌溉条件下进行了测试，以诊断作物消耗使用和作物水分胁迫和灌溉表现的一致性（例如Roerink等，1997）。本文的目的是探讨与地面数据关联的SEBAL参数化，并提供土耳其西部均匀棉花面积和异质河谷地面（葡萄，柑橘，桃子，橄榄和棉花）的瞬时和24小时表面能量平衡。

2 材料与方法

1998年6月26日（第177天）和1998年8月29日（第241天）从罗马Euro-image获得了两幅不同的Landsat-5图像。这些图像条代号/行编号为：180/33；过顶时间为当地时间09:30。两个日期都有良好的天气条件，并且不存在云层。来自两个不同气象地面站的数据可用于协助计算地表能量平衡条件。美国Menemen研究所校园自动气象站（纬度：36°36rsquo;45”; 经度：27°03rsquo;）配备有一个日射强度计，一个风速计，一个温度计和一个湿度传感器，且都可以提供一级记录。第二个站点设在一个处于生长季节的棉田（纬度：38°36rsquo;45”;经度：26°58rsquo;16”），配备有净辐射计，土壤热通量板，温度计和风速计。表1总结了Menemen研究所和棉田在6月26日（第177天）和8月29日（第241天）卫星过境时的地面气象条件。

表1 Menemen站（纬度：36°36rsquo;45”；经度：27°03rsquo;）和棉田（纬度：38°36rsquo;45”；经度：26°58rsquo;16”）1998年两个Landsat卫星过顶日（第177天和241天）的基本瞬时测量值

表2给出了选定日期的Lansat专题制图仪图像采集过程中的太阳辐射条件。短波入射辐射是从Menemen台推导出来的。 总入射辐射（短波和长波）取自棉田净辐射计的上穹顶。 假设晴空条件下这两个地点之间的太阳辐射是相似的，并且考虑到两个地点相隔仅6公里，则获得的长波辐射作为日射强度计和净辐射计读数之差。 日射强度计数据用于计算大气透过率和太阳辐射。辅助参数如磁偏角，距离太阳角小时天顶角已从标准辐射物理中计算得到(e.g. Iqbal, 1983; Monteith and Unsworth, 1990)。

表2 1998年在选定的两天（第177天和第241天）拍摄Landsat专题图时的日照条件

2.1 SEBAL方法

根据入射和反射的太阳辐射和热辐射计算瞬时净辐射值。输入项包括地面数据和遥感卫星通过专题绘图仪测量结果估算的地表反照率，地表发射率和的表面温度。考虑到地表加热，土壤湿度和拦截的太阳辐射的影响，也可以凭经验计算土壤热通量（另见公式（4））。根据SEBAL模型的一般物理原理，感热通量是通过单位非干燥非蒸发地面和湿表面类型的通量反演计算出来的。空间插值技术可以将将热辐射的空间变化和浮力对动量和感热通量产生的影响的空间变化结合起来。潜热通量被计算为能量平衡的残差。 Shuttleworth等人认为（1989），瞬时蒸发分数近似其24小时蒸发(Brutsaert and Sugita, 1992; Crago, 1996)，可以利用瞬时潜热通量计算实际24小时蒸发：

（1）

其中是24小时实际蒸发，是24小时净辐射，是瞬时蒸发，可由以下公式计算得到：

（2）

其中H是瞬时感热通量，是瞬时净辐射，是瞬时土壤热通量。宽波段大气反照率可以由大气层顶部的宽波段大气反照率经过大气校正计算得到(Zhong and Li, 1988)：

（3）

其中是偏移量（6月26日：0.038; 8月29日：0.035），是增益（6月26日：0.74; 8月29日：0.70）。 大气顶部的反照率由专题图谱带1,2,3,4,5和7计算得出。系数和是通过试算法获得的。偏移量主要来自爱琴海（=0.05），增益主要来自伊兹密尔镇西北海岸的盐分变化（=0.40-0.60），以及农作物（=0.15-0.25）。表面温度是从10.4-12.5mu;m波段的Plack定律的反演中计算出来的。

在大气中没有进行热储存的修正，由此得到的辐射表面温度已经针对天然地球表面的非黑度进行了校正。 土壤热通量可以利用Landsat图像通过下式计算得到：

（4）

其中（°C）是TM波段6估算的辐射表面温度，是地表反照率，NDVI是TM波段3和4确定的归一化植被指数。由于感热和潜热通量与动量通量相互作用，如果动量通量未知，热通量不能明确求解。因此，首先假定浮力对动量通量的影响是可以忽略的，尽管这是不正确的，但可以利用混合高度的风速和估算的动力输送的局部粗糙长度确定局部尺度的摩擦速度：

（5）

其中是局地摩擦速度，是100米高程的区域平均风速，是动量传输的局部表面粗糙长度, 有关棉花和葡萄的空气动力学特性的数据由Kustas等人（1989）和Sene（1994）的研究中获得，如表3所示。

表3 Gediz盆地种植的典型作物的空气动力特性。所有单位均以米表示