基于MODIS数据的甘南草原区域蒸散发量时空格局分析

土壤含水量等，一般采用其与地表净辐射的关系来
间接计算。
植被覆盖区域：
G
=
(
Ts
-
273.16 α
)(0.0038α
+
0.0074α2)
（7）
(1 - 0.98NDVI 4)Ln
裸露：G = 0.20Ln
（8）
3.2.4 显热通量 显热通量的计算式为[20]：
H = ρCp(Ts - Ta)/γa
（9）
2 研究区概况
甘南藏族自治州位于北纬 33°06'N-35°44'N，东 经 100°46'E-104°44'E，地处青藏高原东北边缘，长 江、黄河上游，甘、青、川交界处，甘肃省西南部（图 1）。地势西高东低，境内地貌复杂多样，东南部为 高山峡谷，中北部属山间盆地，西部为山原盆地，土
收稿日期：2010-05-05；修订日期：2010-10-12 基金项目：国家自然科学基金项目（编号：40961026）；甘肃省自然科学基金项目（编号：0803RJZA088）；西北师范大学地理与环境科学学 院学生学术科研资助金（2010）。 作者简介：赵军，男，山西河津人，教授，研究方向为地理信息系统应用。 E-mail：zhaojun@nwnu.edu.cn
（3）
式 中 Q 为 太 阳 总 辐 射 ；α 为 地 表 反 照 率 ；σ 为
Stefan-Boltzman 常数，其值等于 5.67×10-8W/m2/K2；εa
为大气发射率；εb为地表比辐射率；T a 为大气平均作
用温度；Ts 为表面温度。
Q
=
I
(a
+
b
n N
)
（4）
式中I为太阳常数，其值等于 1368W/m2；a为常数，其
MODIS 可为地学应用提供 0.405～14.385μm 之间的
36 个离散波段的图像，最高空间分辨率为 250 m ，
时间分辨率较高，可以每两天内连续提供地球上任
何地方白天反射图像和昼夜发光光谱图像数据。
与应用广泛的 NOAA 数据相比，MODIS 在陆面蒸散
发方面的应用有更广阔的前景。NDVI、地表温度和
等地表参数，这些地表参数可以通过 MODIS 系列产
品获得。本研究中所用到的数据分辨率统一至
250m，数 据 采 用 Albers Conical Equal Area 投 影 、
GCS_Krasovsky_1940 地理坐标系。
3.2 研究模型
3.2.1 基本原理 地球表层存在多种能量交换过程，
除分子热传导、辐射和对流方式外，还存在平流、湍
计算公式为：
εb = 0.004[(NDVI - NDVImin)/(NDVImax -NDVImin)]2 + 0.986
（6）
赵 军等：基于 MODIS 数据的甘南草原区域蒸散发量时空格局分析
343
2011 年 2 月
式中 NDVImax和 NDVImin分别表示植被和裸土的 NDVI 值。
3.2.3 土壤热通量 土壤热通量取决于地表特征和
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342
资源科学
第 33 卷 第 2 期
图 1 研究区在甘肃省中的位置
Fig.1 The study area location in Gansu Province
地面积约 3 8000km2；有高山草地、高山森林和丘陵
低山 3 个自然区；海拔 1172~4920 m，大部分地区海
计
基于 ET 比率不变法，忽略白天和夜晚抵消的
土壤热通量 G，可以将瞬时地表蒸散发量扩展到日
蒸散发量Led（mm）：土壤热通量通过经验公式计算 得到感热通量，通过近地表与空气的温差和点上测
量的风速估算；潜热通量作为能量平衡的余项求
得，然后假设 ET 比潜热通量与可利用能量之比在
一天范围内为常数，推算出日 ET[21]，
平衡公式[16,17]：
Le = Ln - G - H
（2）
式中 Le 为潜热通量；Ln 为地表净辐射；H 为显热通
量；G 为土壤热通量。
3.2.2 地 表 净 辐 射 地 表 净 辐 射 Ln 利 用 Stefan
-Boltzmann 定律来估算：
Ln = Q(1 - α) + σ(εaTa4 - εbTs4)
地表窄波段反照率数据为经过验证、MODIS 科学组
推荐使用的 L3 级产品，版本为 4.0。地表宽波段反
照率由窄波段反照率按照公式得到[14,15]。
α = 0.160α1 + 0.291α2 + 0.243α3 + 0.116α4 +0.112α5 + 0.081α7 - 0.0015
（1）
本 文 选 择 SEBS 模 型（Surface Energy Balance
为：
a = 12.0 - 5.69 × 0.01L - 2.02 × 10-4 L2 + 8.25
×0.01 × 10-4 L3 - 3.15 × 0.001 × 10-4 L4
（16）
b = 0.123L - 3.Baidu Nhomakorabea0 × 10-4 L2 + 8.00 × 0.001 ×10-4 L3 + 4.99 × 0.001 × 10-4 L4
L
d e
/Lei
=
2Ne
/π
sin(πt/Ne)
（14）
式中Led为日 ET 量；Lei为 i 时刻 ET 量；t 为卫星获取数
据的时间（从日出开始计算）；Ne为日 ET 时数，根据
经验公式计算：
Ne = 0.945{a + b sin 2[π(D + 10)/365]} （15） 式中 D 为一年中观测的天数；a、b 为系数，计算式
式中ρ为空气密度；Cp是定压比热，二者乘积称为空
气的体积热容量，通常取常数 1205Ws/m3/K；γa为空
气动力学阻抗：
γa=4.72[ln（z/z0）]2（/ 1+0.54U1）
（10）
式中 z 为参考高度，一般取 2m；U1 为参考高度处的
风速；Z0为粗糙长度，可由植被冠层高度 h 确定：
Z0=0.13h
（11）
植被高度可根据叶面积指数 LAI 间接获得：
h = exp[32 (LAI - 5.5)]
（12）
叶面积指数与 NDVI 有十分密切的关系，研究
区叶面积指数分布图可通过 NDVI 获得：
LAI = -4.9332 - 86.2804 ln(1 - NDVI) （13）
4 结果与分析
4.1 蒸散发的空间分布与各分量地表特征参数统
拔在 3000 m 以上。属高寒湿润气候区，年均气温
1.7℃，高原主体部分年均温低于 3℃，≥10℃的气温
持续期仅有两个多月，年降雨量 400~800 mm，是甘
肃省降雨量最多的地区之一。研究区土壤、植被受
海拔、地形和气候等因素的影响，垂直分布明显，随
海拔从低到高，土壤依次分布有山地粟钙土、山地
黑钙土、褐土、棕壤、暗棕壤、草甸土、沼泽土、亚高
山草甸土及高山草甸土；植被类型依次为山地草
原、沼泽草甸、盐生草甸、林间草甸、亚高山灌丛草
甸、亚高山草甸、高寒草甸。
3 数据来源与研究模型
3.1 数据来源与处理
本 文 采 用 的 遥 感 数 据 是 美 国 NASA 提 供 的
2000 年 和 2009 年 7 月 中 旬 MODIS 影 像 数 据 。
（17）
式中 L 为纬度。
根据上述转换公式将瞬时 ET 量转换成日 ET，
即得甘南草原的日 ET（图 2）。 遥感 ET 提供了可视
化的 ET 量空间分布。由图 2 可知，由于受到太阳辐
射、地表温度、风速等的影响，2000 年研究区当日的
ET 位 于 0.9816~8.2081mm，平 均 为 5.5141mm；而
System），模型所需要的气象数据（气温、相对湿度、
风速、气压、降水等）采用选用研究区及周边包括合
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作、临潭、卓尼、舟曲、迭部、玛曲、碌曲、夏河、临夏
等 9 个气象站提供的站点数据，并利用 Kriging 方法
进行插值处理。输人的参数中来源于遥感数据的
有：地表反照率、植被指数、比辐射率、植被覆盖度
流和因水的相变而引起的热量转换形式。地表得
到的净辐射是各种热量交换的起点，其能量分配形
式主要包括用于大气升温的感热通量、用于水分蒸
发（凝结）的潜热通量以及用于土壤（或其它下垫
面）升温的土壤热通量，另外还有一部分消耗于植
被光合作用和生物量增加，其所占比例较小，可忽
略不计。根据能量平衡原理得到蒸散发面的能量
（西北师范大学地理与环境科学学院，兰州 730070）
摘 要：针对甘南草原生态系统水资源压力日益增大及草原退化的形势，本研究采用理论基础坚实、区域应用 限制小、反演陆面蒸散发量较为合理准确的 SEBS（Surface Energy Balance System）模型。在此基础上，将新一代对 地观测数据 MODIS 应用于反演甘南草原区域地表蒸散发（Evapotranspiration，ET），并对甘南草原区域 7 月份的日均 ET 进行了反演，分析了 2000 年和 2009 年间该区域 ET 的时空分布格局和发展变化。同时，采用图像剖面线分形的 方法描述研究区遥感 ET 的局部以及微观的结构特征，了解遥感 ET 分布的空间差异和变化趋势。研究表明：该区 域日均 ET 总体上是减少的，其中一些区域变化幅度较大，减少了 50%左右；其中，在地表水含量丰富的吉木都塘草 原风景区和桑科草原风景区以及西库乎鹿场附近的黄河支流、尕海自然保护区、科才苦河、白龙江、拱坝河及洮河 的水体周围，ET 量才有 7.00mm 左右，主要与该区域水资源的减少有关。
第 33 卷 第 2 期 2011 年 2 月
2011，33（2）：341-346
Resources Science
Vol.33，No.2 Feb.，2011
文章编号：1007-7588（2011）02-0341-06
基于 MODIS 数据的甘南草原区域 蒸散发量时空格局分析
赵 军，刘春雨，潘竟虎，刘英英，杨东辉
值等于 0.25；b为常数，其值等于 0.50；n为日照时数；
N 为可照时数[18]。
εa
=
1.24[(0.6108
×
exp
17.27(Ta - 273) 237.3 + Ta - 273
×
Hr)/Ta]
（5）
式中Hr为相对湿度。 εb为地表比辐射率，它与归一化植被指数 NDVI
有 着 密 切 关 系 ，当 [19] NDVI<0.05 时 ，取ε6=0.973；当 NDVI>0.70 时，取ε6=0.99；当 0.05≤NDVI≤0.70 时，
关键词：MODIS；甘南草原；蒸散发（ET）；时空格局；SEBS 模型
1 引言
陆面蒸散发量（ET）是陆地表层水循环中最大、 最难估算的分量。在农业生产、耕地保育、生态环 境保护、草地资源合理利用与定量化管理等方面， 对区域 ET 的精确估算及其时空分布特征的把握是 非常重要的环节 。 [1] 遥感估算 ET 是目前获取区域 尺度上 ET 的主要手段[2,3]。随着相关理论研究的发 展，涌现出了一批遥感估算区域 ET 的模型 。 [4-7] 利 用遥感进行 ET 研究具有快速、准确、大区域尺度及 地图可视化显示等特点。S.S.Ray 等利用多时相遥 感数据反演得到的植被指数计算作物系数结合利 用实际观测数据通过空间插值估算出的参考作物 蒸散发一起计算实际蒸散分布[8]。Lu Zhang 等在总 结已有方法的基础上，提出了遥感数据估算区域蒸 散发的一层阻抗模型，通过 Monin-Obukhov 相似性 理论和遥感监测的表面温度结合能量平衡方程确 定 空 气 动 力 学 阻 抗 和 表 面 阻 抗 ，结 合 NOAA-AVHRR 遥感影像和地面气象数据应用到一 层阻抗模型中，在区域的尺度上估算蒸散发量，很
具 有 代 表 性 。 [9] 李 红 军 等 和 刘 朝 顺 等 分 别 采 用 Landsat7 ETM+数据利用 SEBAL 模型估算了河北栾 城 县 和 山 东 垦 利 县 的 遥 感 ET[10,11]；莫 兴 国 等 在 NOAA-AVHRR NDVI 数据的驱动下，利用土壤-大 气-植被传输机理模型模拟了华北平原冬小麦和夏 玉米生育期的 ET 过程[12]，从 20 世纪 90 年代初开始， 中日合作在中国西部黑河地区开展了地-气相互作 用实验研究，先后进行了地表特征参数遥感反演和 地表能量通量遥感研究，并用于青藏高原地区[2,3,13]， 为寒旱区 ET 遥感研究奠定了基础。本文使用新一 代对地观测数据 MODIS 并依据 SEBS 模型，通过遥 感手段研究中国西北内陆高寒区甘南草原的 ET 时 空分布格局和发展变化。