[发明专利]一种基于端元信息模型估算土壤和植被蒸散发的方法

摘要

本发明公开了一种基于端元信息模型估算土壤和植被蒸散发的方法，包括以下四个步骤：步骤1：确定基于端元信息模型的结构，建立基于端元信息模型，初步构建基于端元信息模型的输入数据集；步骤2：进行基于端元信息模型中土壤‑植被系统中能量平衡各分项在土壤和植被中的分解；步骤3：利用地表能量平衡理论和Penman‑Monteith方程，计算基于端元信息模型四个极限端元的地表温度；步骤4：估算得到基于端元信息模型中位于端元之间其他像元的地表温度和蒸散发。本发明能够有效考虑下垫面表层含水量和根区含水量对土壤蒸发和植被蒸腾的不同响应过程，提高估算下垫面地表土壤和植被蒸散发的精度。

主权项

1.一种基于端元信息模型估算土壤和植被蒸散发的方法，包括以下步骤：步骤1：确定基于端元信息模型的结构，建立基于端元信息模型，初步构建基于端元信息模型的输入数据集；所述基于端元信息模型包括一条湿边和两条干边，基于端元信息模型的定义过程为：当土壤表层和根区含水量充足时，土壤和植被均处于最大蒸发，对应状态定义为“湿边”；当土壤表层含水量为0，土壤蒸发为0，而植被仍处于潜在蒸发的临界状态定义为“干边I”,即土壤干边；当土壤表层含水量为0，根区含水量开始减少，植被蒸腾减小，直至为0的临界状态定义为“干边II”,即植被干边；所述基于端元信息模型根据土壤和植被的含水量和蒸散发的极限值，定义以下四个极限端元：1)干燥裸土端元，表层土壤含水量为0，蒸散为0；2)干燥植被端元，表层和根区土壤含水量为0，蒸散为0；3)湿润裸土端元，处于潜在蒸散；4)湿润植被端元，处于潜在蒸散；所述基于端元信息模型中，进行极限端元温度计算之前，首先需要进行土壤和植被系统中土壤和植被组分能量的分解，根据各自组分分解得到的能量进行各端元温度的计算；步骤2：根据土壤‑植被系统的能量平衡方程，Rn‑G‑H‑LE＝0    (1)进行基于端元信息模型中土壤‑植被系统中能量平衡各分项在土壤和植被中的分解运算；其中，Rn，G，H和LE分别为地表净辐射、土壤热通量、感热通量和潜热通量，单位均为W/m2；各能量通量的土壤和植被组分分解步骤为：步骤2011：将净辐射分解为土壤净辐射Rn,s和植被净辐射Rn,v，Rn＝Rn,s+Rn,v    (2)步骤2012：土壤热通量仅为土壤中能量，G＝Gs    (3)步骤2013：将感热通量分解为土壤感热通量Hs和植被感热通量Hv，H＝Hs+Hv    (4)步骤2014：将潜热通量分解为土壤潜热通量LEs和植被潜热通量LEv，LE＝LEs+LEv    (5)其中，上述公式的下标s和v分别表示土壤和植被组分；步骤3：在步骤2进行土壤和植被组分能量分解的基础上，利用地表能量平衡理论和Penman‑Monteith方程，计算基于端元信息模型四个极限端元的地表温度，具体包括以下步骤：步骤3011：在步骤2011分解得到土壤组分净辐射Rn,s和步骤2012得到土壤热通量Gs的基础上，计算干燥裸土端元的温度Tsd，步骤3012：在步骤2011分解得到植被组分净辐射Rn,v的基础上，计算干燥植被端元的温度Tvd，步骤3013：在步骤2011分解得到的土壤组分净辐射Rn,s和步骤2012得到土壤热通量Gs的基础上，计算湿润土壤端元的温度Tsw，步骤3014：在步骤2011分解得到植被组分净辐射Rn,v的基础上，计算湿润植被端元的温度Tvw，其中，ρ为空气密度；Cp是定压比热；γ为干湿球常数；Δ为饱和水汽压差对温度的斜率；VPD为水气压亏缺；Ta为近地表气温；rvw和rvd分别为供水充足和干燥的植被冠层阻抗；rav和ras分别为植被和土壤上层的空气动力学阻抗，其中，k为von karman常数；u为风速；zu和zt分别为风速和空气温度的测量高度；Ψm和Ψh分别为动量和热量稳定度校正函数；d为零平面位移；zom是地表动量粗糙度；zoh是热量传输粗糙度；对于rav，d＝0.67h，zom＝0.1h，zoh＝0.1zom，h为植被高度；对于ras，d≈0m，zom＝0.005m，zoh＝0.0005m；步骤4：在步骤3得到四个极限端元的地表温度的基础上，估算基于端元信息模型中位于四个极限端元之间像元对应下垫面的土壤和植被的温度和蒸散发，最终得到研究区所有像元土壤和植被的温度和蒸散发值。