遥感蒸散发模型鲁棒性及其参照干湿限机理研究

Estimating land surface evapotranspiration (ET) using remote sensing is recently a research focus in the study of global climate change and land surface processes. It is widely applied in water cycle study and water resources management in catchment scale due to its ability of monitoring regional evapotranspiration. However, based on our follow-up study of the application of international remotely sensed ET models, it is found that the ET estimation seems to be highly un-robust due to the spatial ambiguity issue existing in common remotely sensed ET models. The development of remotely sensed ET models is reviewed carefully and systematically to analyze the possible causes of spatial ambiguity issue. The concepts of reference dry and wet limits are proposed in this study to make the commonly used dry and wet limits (pixels) become ideal statuses rather than relative statuses. It is assumed that reference dry and wet limits are strictly related to the atmospheric environment and, thus, they could be derived theoretically to avoid the spatial ambiguity issue resulting from the uncertainties in selecting dry and wet limits. This study incorporates numerical simulations, observations in field scale and remote sensing technique to verify the mechanism of available energy allocation and the characteristics of some key parameters of reference dry and wet limits. Based on the previous study of commonly used models such as SEBAL and Ts/VI models, a new kind of model based on reference dry and wet limits is developed and proposed to improve the regional ET estimation.

利用遥感技术反演陆面实际蒸散发，是近年全球变化和陆面过程研究的热点之一。因其具有对区域尺度实际蒸发的监测能力，在流域水循环与水管理中得到积极响应。然而，通过对国内外利用遥感蒸散发模型反演陆面蒸发实践的跟踪发现，常用的模型存在空间歧义性问题，造成反演结果的高不稳定性。本申请将系统研究遥感蒸散发模型的发展历程及其反演蒸散发的原理，分析空间歧义性的形成机理；从变相对干湿限到绝对干湿限的学术思想出发，提出参照干湿限概念；提出区域参照干湿限与区域气候和土壤背景场信息严格相关的假定并推导求解，以消除传统模型干湿限选定的不确定性所导致空间歧义性的缺陷；综合采用数值模拟、试验观测和遥感同化等方法从多角度研究和验证参照干湿限中可用能量分配机制和关键参数；以广泛应用的SEBAL、Ts/VI等模型基础，发展基于参照干湿限理论的新一代遥感蒸散发模型，提高遥感蒸散发模型反演结果的准确性和稳定性。

蒸散发是水文循环的关键环节，传统的观测手段通常局限于点尺度。遥感技术能连续动态地获得一定时空分辨率的地表参数信息，为获得空间分布的区域蒸散发信息提供可能。由于间接观测、模型假定及参数化的经验性等原因，基于遥感技术的蒸散发反演结果的精度一直受到关注，影响其在相关水文水资源研究及应用领域的发展。针对以上问题，本研究围绕遥感蒸散发模型的鲁棒性开展研究，以获得更为可靠的遥感蒸散发反演方法及数据。.分析表明，蒸散发反演结果的不稳定性主要是反演方法的空间歧义性导致的。围绕该问题，本研究提出参照干湿限的概念及相关假设以克服空间歧义性问题，并给出参照干湿限地表温度的推导求解过程，结合数值模拟和试验观测手段，验证了参照裸土干限和参照裸土湿限的可用能量分配假设及其关键参数取值的合理性。针对传统遥感蒸散发模型特征空间边界确定存在较大经验性的问题，利用参照干湿限对特征空间边界进行纠正，并利用两种方法插值估算实际蒸散发。利用站点数据对其进行验证，同时将结果与其他研究者相关成果进行对比，结果表明，利用参照干湿限重新确定特征空间边界后，蒸散发反演精度在可接受范围之内。针对SEBAL模型干湿限像元选取存在较大不确定性的问题，基于参照干湿限提出遥感蒸散发模型REDRAW。验证结果表明，REDRAW在偏干旱和偏湿润地区都较SEBAL有更高的可靠性。基于参照干湿限提出地表温度空间降尺度的梯形法，尝试解决地表温度空间降尺度常用方法在植被指数变化范围较小时可能会失效的问题。两个地区的降尺度试验表明，梯形法在不同植被指数条件下都具有一定可靠性。针对参照干湿限的鲁棒性，系统梳理已有蒸散发模型研究中的阻抗参数化方案，对归纳出的可用于遥感蒸散发模型的方案进行了参照干湿限理论推导及蒸散发反演值的影响分析。最后，针对已有参照干湿限算法参数化方案的不足，分别从变化梯形特征空间、变化参照植被高度、双源阻抗模式三个角度探索了理想参照干湿限算法，并应用于遥感蒸散发模型中。