基于静止气象卫星地表温度的时空连续日尺度地表蒸散发模型研究

Estimation of daily evapotranspiration using remote sensing data is significant for the eco-hydrological research and the development of quantitative remote sensing. Consider the weak temporal effectiveness and the lower resolution of the soil moisture stress factor parameterization for the surface resistance in Penman-Monteith (P-M) equation, and the potential ability of land surface temperature (LST) to reflect the soil moisture condition, this project try to develop a model to enhance the accuracy of daily evapotranspiration by improving the calculation of soil moisture stress factor by utilizing LST information. Based on the integration of the remotely sensed based surface energy balance model and P-M equation, remote sensing LST information could be converted to soil moisture information. By taking full advantage of the high frequent temporal resolution LST observations from geostationary meteorological satellite, the spatial-temporal continuous daily soil moisture information could be obtained through spatial/temporal scale expansion with reasonable assumption about the soil moisture, and then the spatial-temporal continuous daily evapotranspiration could be calculated by using P-M equation. The proposed study is helpful to improve the research level in quantitatively estimating Terrestrial evapotranspiration, which will meet the national needs for drought monitoring and water resource management.

利用遥感信息进行日尺度地表蒸散发估算是定量遥感的重要方向。考虑到当前基于彭曼模型的区域尺度日蒸散发估算方案中表面阻抗模型的土壤水分胁迫因子的参数化方案存在时效性和空间分辨率不足的问题，以及缺乏对遥感地表温度观测信息的有效利用。本项目旨在现有遥感蒸散发模型研究基础上，耦合基于地表温度的地表能量平衡模型和彭曼模型，实现地表温度到土壤水分的信息转换，借助于静止气象卫星的高频地表温度观测，通过理论假设及尺度转换等方法，获得日尺度上时空连续土壤水分相关信息，从而优化土壤水分胁迫因子的估算，实现日尺度土壤蒸发与植被蒸腾的准确估算。项目研究有助于提高区域尺度蒸散发估算精度，促进遥感数据在生态水文科学研究中的应用，满足国家干旱监测，水资源管理等方面的需求。

遥感信息对于日尺度地表蒸散发估算具有重要意义，静止气象卫星能够提供高频地表观测，为蒸散发研究提供了新的机遇。考虑到当前基于彭曼模型应用广泛，但是其表面阻抗模型的土壤水分胁迫因子的参数化方案存在时效性和空间分辨率不足的问题；于此同时，遥感地表温度更为真实、客观有效的反映地表的水热异质性，基于地表温度的地表能源平衡模型可以准确反映地表瞬时通量，但是无法应用于时空连续的地表蒸散发估算的局面。针对于此，本项目在现有遥感蒸散发模型研究基础上，耦合基于地表温度的地表能量平衡模型和彭曼模型，将土壤水分信息表达为土壤水分胁迫因子，实现瞬时地表温度到潜热通量再到土壤水分信息转换。通过地面观测的验证，提出土壤水分信息的日尺度稳态观点。在此基础上，借助于静止气象卫星的高频地表温度观测，通过土壤水分日尺度稳态假设和土壤水分的时空连续性特征，实现土壤信息的时空尺度扩展，获得日尺度上时空连续土壤水分相关信息，从而完成瞬时离散地表温度信息到时空连续土壤水分胁迫因子的估算。从而实现了地表温度信息对于彭曼模型表面阻抗的改进，进而在双源彭曼模型基础上实现日尺度土壤蒸发与植被蒸腾的准确估算。基于2009年MTSAT-2和2013年FY2-F黑河地区地面站点验证表明，模型框架合理，具有良好可操作性，模型精度可靠。本项目提出的模型，可以直接有于区域尺度蒸散发估算，不仅对生态水文研究具有重要意义，而且可以应用干旱监测，农田灌溉，农作物估产以及水资源管理等方面。