Transcript ETWatch: 蒸散遥感估算方法与应用讲座课件（PPT

ETWatch: 蒸散遥感估算方法与应用
吴炳方
中国科学院遥感与数字地球研究所
2014年1月 北京
典型流域的节水投资
规划年节水管理总投资额 (亿元)
流域
海河流域
黄河流域
规划年
农业
工业
生活
总额
2001-2010
144
157
9
310
2011-2030
169
103
13
285
2001-2010
162
91
5
258
2011-2030
134
62
8
204
（China water resources, 2003）
地下水超采
总额: 80~100 亿m3
华北平原
地下水漏斗
4亿m3 (新疆)
5亿m3(辽西)
5亿m3(山东)
7亿m3(汾河)
10亿m3 (淮河)
年均超采率: 30~60亿m3
地下水潜在开采量
水管理存在的问题

灌溉效率增加节约的水资源，被用来
扩大灌溉面积，导致了更大的水资源
消耗，减少了下游的来水量。

十一五期间，宁夏引黄河水量减
少25亿立方米，新增灌溉面积
66.5万亩，灌溉水利用系数由
0.38提高至0.43，粮食产量提高

耗水量？
1. ET 介绍
2. ETWatch新集成化方法
3. 黑河流域ET动态监测
4. 模型评估
5. ETWatch应用
蒸散(ET)-真实耗水量

蒸散是水分循环的重要组成部分

ET是干旱、半干旱地区水资源的主要消耗量


澳大利亚90%的降水以蒸散发的形式回到大气中

埃及80%的入境水资源通过ET消耗

海河流域98% 的水以ET形式消耗

吐鲁番更是高达99%
ET的监测与降雨和水文观测同等重要。
蒸散量观测方法

水平衡方法
– 水文模型: P+I=ET+R+S
– 蒸渗仪: 一段时间内的土壤水分变化

能量平衡方法
– Penman-Monteith (Monteith, 1965)
– 潜在ET 和作物系数.
ETc = ETo* Kc*Ks
大孔径闪烁仪
– 波文比系统
– 大孔径闪烁仪
– 涡度相关系统

点数据，不能反映ET的空间异质 性
涡度相关系统
区域ET遥感估算方法

与传统方法的结合
– 遥感数据：分类，每种作物类型的作物系数, Ray etc（2001），
Goodrich etc（2000），Granger etc(2000), …

与水文模型结合
– Mauser etc.（1998）PROMET Model; Chen etc.(2002）NDVI-DSTV
Model, Olioso etc.（1999） SAVT Model; Keur etc.（2001）
DAISY Model

能量平衡
– Shuttleworth and Wallace 1985: The theoretical relationship between
foliage temperature and canopy resistance in sparse crop
–
–
–
SEBAL （Bastiaanssen, W. G.,Menenti, M., et al. 1998 ）, GEF项目只
引进了可执行文件
SEBS (Su, Z. 2002), 948项目, 水利部干旱监测
METRIC (Allan, 2005): 改进了 SEBAL模型
1. ET 介绍
2. ETWatch新集成化方法
3. 黑河流域ET动态监测
4. 模型评估
5. ETWatch应用
ETWatch模型集成
Aqua
FY3
Landsat
HJ，ZY-3
FY2
Envisat
Radarsat
GPS/北斗
气象
 模型集成
 多源遥感协同
P-M 反演
净辐射模
型
土壤热通 大气水汽
量模型 含量模型
空气动力学
粗糙度模型
边界层高
度算法
地表阻抗模型
土壤湿度
风速
 净幅射
 土壤热通量
晴天的地表阻抗
LAI
 模型方法：
净辐射
土壤热
通量
水汽含
量
粗糙度
边界层气
象参量
 粗糙度模型
 边界层
 时间拓展方法
逐日地表阻抗
山区
能量平衡方程
Penman-Montieth
城镇
睛天的蒸散
(高、中、低分辨率)
净辐射
裸土
水体
逐日蒸散
（中低分辨率）
ET融合模型
高时空分辨率的蒸散
ETWatch
ETWatch模型输入数据
参量
描述
数据来源
晴天
阴天
Rn
净辐射
遥感+气象
G
土壤热通量
遥感
○
×
rs
陆地表阻抗
遥感+气象
es
饱和水汽压
气象
ea
实际水汽压
气象
ra
空气动力学阻抗
气象
Z0m
空气动力学粗糙度长度
遥感
NDVI
归一化植被指数
遥感
LST
地表温度
遥感
Albedo
地表反照率
遥感
LAI
叶面积指数
遥感
Meteo
parameters
相对湿度,平均风速,日照时数,空气
压强,空气温度
边界层空气温度,边界层风速,边界
层空气压强,边界层湿度,边界层露
点温差
气象
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
遥感
○
ABL
○
地表阻抗模型重建获得
○
○
○
×
○
S-G模型重建获得
×
○
Filter方法扩展获得
○
LAI-NDVI转换获得
○
○
1. ET 介绍
2. ETWatch新集成化方法
3. 黑河流域ET动态监测
4. 模型评估
5. ETWatch应用
ETWatch模型监测结果
2000-2012年黑河流域年蒸散发时间序列
2000年
2001年
2002年
2003年
2004年
2005年
2006年
2007年
2008年
2009年
2010年
2011年
2012年
ETWatch模型监测结果
黑河流域典型下垫面类型下日ET(2000.1.12012.12.31)时间变化
10
阿柔站
关滩森林站
花寨子站
盈科站
9
8
daily ET/mm
7
6
5
4
3
2
1
0
20000101
20001231
20011231
20021231
20031231
20041230
20051230
20061230
20071230
20081229
20091229
20101229
20111229
201212
ETWatch模型监测结果
2000-2012年黑河流域降水亏缺
ET
P
ET-P
1. ET 介绍
2. ETWatch新集成化方法
3. 黑河流域ET动态监测
4. 模型评估
5. ETWatch应用
大满站
2012年中游绿洲大满站蒸散发数据及验证结果
9
8
ET/mm
7
蒸散发日变化过程线
ET_EC(Da ma n)
ET_EC(3号)
ETWa tch
6
5
4
3
160
蒸散发月变化过程线
ET_EC(Daman)
140
ET_EC(3号)
120
ETWatch
100
ET/mm
10
80
60
2
1
40
0
20
0
1th
中游绿洲大满站地表蒸散发数据
其中：
ET_EC(Daman)代表着大满超级站涡动观测值
ET_EC(3号)代表着涡动矩阵中3号站点涡动观测值
2th
3th
Month
m01
m02
m03
m04
m05
m06
m07
m08
m09
m10
m11
m12
year
4th
5th
6th
7th
8th
9th 10th 11th 12th
ET_EC(Daman)
ET_EC(3号)
126.06
140.88
129.83
124.36
145.13
113.74
ETWatch
4.08
7.19
30.54
46.14
77.74
130.11
134.45
110.70
67.44
25.23
9.30
2.86
645.77
9
5
4
ET/mm
10
20120526
20120529
20120601
20120604
20120607
20120610
20120613
20120616
20120619
20120622
20120625
20120628
20120701
20120704
20120707
20120710
20120713
20120716
20120719
20120722
20120725
20120728
20120731
20120803
20120806
20120809
20120812
20120815
20120818
20120821
20120824
20120827
20120830
20120902
20120905
20120908
20120911
20120914
ET/mm
大满站
2012年6-9月份中游绿洲大满站蒸散发数据及验证结果
ET_EC(Daman)
ET_EC(3号)
1
470
ETWatch
8
460
460.60
7
450
6
440
441.01
430
431.23
3
2
420
410
0
400
ET_EC(Daman)
ET_EC(3号)
ETWatch
2012年5月26至9月14日, ETWatch估算值与大满站EC观测值以及涡动矩阵中3号
EC观测值对比图
Future ETWatch

Integration of remote sensing and insitu for





Filling satellite gap
Real time ET generation
More accurate and reliable ET data
Suitable both for watershed plan and
agriculture water management
In situ tower networks: for eddy
covariance and other five layers of
meteorological sensors.
1. ET 介绍
2. ETWatch新集成化方法
3. 黑河流域ET动态监测
4. 模型评估
5. ETWatch应用
Application: ETWatch in China
Hai basin 1984-2009
Haihe2003-2009
Beijing 2002-2010
Aibi2006-2009
Tianjing 2002-2008
Turpan2006-2015
Hebei 2002-2008
Sanbei2003-2009
水管理方法
传统水管理
水平衡分析
需水预测
供水来源
(使用新的输水设备和
灌溉技术提高供水量)
ET管理
耗水平衡分析
不同区域的耗水量
不同区域可耗水量
(节水潜力和用水效率分析)
ET管理目标
转变
无效ET
节水
增加效益
有效ET
可控ET
无效ET
不可控ET
ET
可控和不可控ET ：可控ET是指可以人为控制的蒸散发量，如农田ET；不
可控ET指不能或难以干扰区的蒸散发量，如水面、林地和草地ET,不可控
ET包括雨养农业区、林地、自然草地和湿地区耗水。
 有效和无效ET:：有效ET是指所有对经济社会和生态系统有益的蒸散发量，
包括农作物、林地和草地等的消耗量；无效ET指未利用土地上产生的蒸
散发量，如盐碱地、水库水面、荒漠
 ET 管理目标：(1) 减少无效ET；(2) 将部分无效ET 转变成有效ET；(3)
增加有效ET的生产力。

ET管理的内容





耗水平衡
真实节水分析
提高水分生产力
水管理效益监测与评价
……
 海河流域
 北京市
 吐鲁番
 世行项目
流域综合耗水量
 区域耗水量的估算基于能量平衡角度估算，分为三部分：
一部分是太阳能
一部分是生物能
一部分是矿物能。
 98% 的水量通过蒸腾蒸发（ET）的方式消耗掉
流域耗水平衡分析
分项 (108m3)
2002
2003
2004
2005
2006
2007
1320.2
1899.0
1764.8
1595.8
1448.8
1590.4
1603.1
46.4
36.1
42.3
37.3
46.3
42.8
41.9
2.60%
1273.8
1862.9
1722.4
1558.5
1402.5
1547.5
1561.3
97.40%
1.8
21.8
37.1
24.9
13.9
17.1
19.4
1511.5
1833.8
1661.8
1556.6
1672.7
1639.8
1646
100.00%
农业蒸散发（ ET）
842.2
970.0
919.6
843.8
902.3
889.9
894.6
54.30%
生态环境ET
637.5
832.4
706.6
671.0
728.7
708.2
714.1
43.40%
0.8
0.8
0.8
0.8
0.8
0.8
0.8
0.10%
30.9
30.6
34.9
40.9
40.9
40.9
36.5
2.20%
-193.1
43.4
65.9
14.4
-237.8
-66.5
-62.3
水资源量 I+P
入境流量 I
降水量 P
出境水量 R
水资源消耗量 Q
生活耗水量Qb
工业生产耗水量Qm
区域蓄变量 ⊿s
Average
 2002-2007年区域平均蓄变量为 -62.3 亿方
 农业耗水量占全流域耗水量的54.3%，而农业用水量约占流域用水量的70%
%
100.00%
流域水分亏缺
ET
P
ET-P
Unit of Agriculture & Environment, IRSA, CAS
Spatio-temporal variation of
Evapotranspiration in Hai basin
from 1984 to 2009
1981
1989
1998
北京市耗水结构
2004-2008年北京市各类用地耗水
亿方
2004
2005
2006
2007
2008
平均
百分比
水体
2.0
1.9
2.2
2.4
2.3
2.2
2.5%
林地
52.8
51.1
50.5
53.8
55.1
52.7
60.8%
草地
4.2
3.8
3.6
3.7
3.6
3.8
4.4%
耕地
22.7
20.3
19.1
2% 2%
20.0
21.2
20.7
23.8%
6.1
7.6
5.9
建设用地
5.3
5.2
5.1
24%
未利用地
1.6
1.5
总计
88.7
83.8 4%
7%
1.5
1.5
1.4
82.0
87.6
91.2
1.5
86.7
61%
6.8%
水体
林地
1.8%
草地
耕地
建设用地
未利用地
密云县耗水结构
2004-2008年密云县各类用地耗水
类型
2004 2005 2006 2007 2008
(亿方) (亿方) (亿方) (亿方) (亿方)
水体
0.66
0.67
0.73
林地
8.46
8.51
8.01
草地
1.60
1.43
1.44
2.5%
耕地
1.96
1.74
1.79
建设用地 0.31
0.31
0.22
15.3%
未利用地 0.47
0.44
0.46
总计
13.46 10.8%
13.11 12.65
0.94
0.66
8.33
7.62
1.30
1.30
3.5%
2.08
2.47
5.6%
0.40
0.41
0.49
0.43
13.53 12.89
平均
(亿方)
百分比
%
0.73
8.18
1.41
2.01
0.33
0.46
13.13
5.6%
62.3%
10.8%
15.3%
2.5%
3.5%
水体
100.0%
林地
草地
62.3%
耕地
建设用地
未利用地
水分生产率分析
CWP 
Yi
te
 ET
；
ts
te
Yi  Hi   DM
ts
多年平均ET(mm)
生物量（kg/ha）
水分生产率（kg/m3）
 平原区耕地多年平均水分生产率为
1.0kg/m3 ，整体水平偏低。
 北部滦河和北四河下游平原水分生产
率不超过0.8kg/m3，
 南部平原水分生产率均值较北部平原
高，最高可达1.09kg/m3
 当ET达到575mm时，水分生产率保持不
变，产量增长幅度明显降低
平原区ET、产量、水分生产率关系
流域农业节水潜力
 以各个水资源三级功能分区的平均水分生产率为临界值，
得到流域平原区总的节水潜力为68亿方。
遥感估算灌溉水量（2002-2006）（mm）
2002
2003
2004
2005
2006
节水效果评价
Before Project
After Project
节水效果评价-管灌措施
管
灌
，
200
5
小麦季管灌措施实施以后，两个区域ET差值由原来的负值转变
为正值,意味着管灌实施区域耗水量减少；
 小麦季项目实施区比非项目区单位面积耗水量小16.5mm

农业节水管理措施成效
900
大兴小麦管灌措施平
均节水16.5mm
700
600
500
400
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1991
1990
石家庄栾城北屯示范
区，秸秆覆盖 平均节
水49.6mm
800
1200
节水区果园
邯郸市内丘果园滴灌
措施平均节水77mm;
非节水区果园
ET (mm)
700
600
邯郸市曲周县，种植
结构调整平均节水
82mm
500
400
小麦-玉米ET
小麦-玉米 灌溉水
棉花 灌溉水
800
600
400
200
300
2009
1995
900
800
700
600
500
1997
1999
2001
2003
2005
2007
900
0
降水量
灌溉需水量
ET
750
150
600
300
450
450
300
600
150
750
0
900
2007
2005
2003
2001
1999
1997
1995
1992
2009
2007
2005
2003
2001
1999
1997
1995
1992
1990
1990
400
北屯村示范区,采取
农艺、工程、科学灌
溉管理等相结合的综
合节水模式，平均节
水76mm;
大曹庄村示范区,工
程措施平均节水
47mm.
ET、灌水量(mm)
2008
2007
2006
2005
0
1000
ET(mm)
棉花 ET
1000
蒸散量/mm
800
各项节水措施实施成效对比
节水效果
小麦管
灌
果园
种植结 综合节
秸秆覆
综合节水
喷灌+滴
构
水
盖
(农艺+工程+管理）
灌
调整 (工程）
面积/10^4km2
4.5
4.5
0.2
4.5
5.4
5.4
节水量/mm
16.5
49.6
77.0
82.0
47.0
76.0
节水总量/10^8m3
7.4
22.3
1.4
36.8
25.4
41.1
采补平衡亏缺量
/10^8m3
54.9
40.0
60.9
25.5
36.9
21.2
农田可控ET/mm
休耕面积/10^4km2
南水北调工程引水90～140亿方
/年，是解决海河流域水资源亏
缺、逐步改善流域生态环境的
一个重要举措。
109.0
1.9
占灌溉农田面积
19.9%
/%流域62.3亿方水资源量亏缺，综合节水实施节水总量41.1亿方，各项节水

措施实施仍不能实现流域水资源的采补平衡，需要休耕19.9%的农田面积。
密云县耗水结构
密云县水库上下游各类用地多年平均耗水
水库上游
水库下游 耗水总量 上下游耗水比
类型
面积(亩) ET(亿方) 面积(亩) ET(亿方)
水体
127234.0
0.70
6647.3
0.03
22.9
林地
1526436.0
6.17
459581.2
2.01
3.1
草地
269653.6
0.93
127371.6
0.49
1.9
耕地
220545.0
0.77
337873.0
1.24
0.6
建设用地
21245.8
0.06
93545.2
0.27
0.2
未利用地
101515.5
0.36
0.10
3.7
总计
2266629.9
8.99
27614.8
1052633.
1
4.14
2.2
水库上游耗水量是下游耗水量的2.2倍
密云水库耗水量多年平均计0.67亿方，占水面总耗水量
的91%，占上游总耗水量的7.5%


水土保持工程对耗水格局的影响
密云水库上游耗水变化率分析
 2000年后林灌草蒸散比重由90年代68.5% 增大到71.4%, 而耕
地耗水比重减少了5.43%。
 上下游耗水比值在2000年有明显的突变,从5.48增加到7.04。
耕地
草地
耕地
39
19.5
19
37
y = -0.7204x + 38.929
36
35
34
↓ 4.1%
33
2002
2003
百分比/%
百分比/%
38
草地
↑ 1.57%
18.5
18
y = 0.3511x + 16.355
17.5
17
16.5
2004
2005
2006
2007
2008
16
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
林灌
林灌
39.5
百分比/%
39
38.5
y = 0.2467x + 37.457
38
37.5
37
36.5
36
2002
↑ 2.0%
2003
2004
2005
2006
2007
2008
 2002-2008年，永定河上游耕地
耗水比重减少，下降率为4.1%；
 林灌和草地耗水比重增加，增长
率分别为2%、1.57%。
区域可控ET
月ET
月ET
统计时间
参数
可控ET:农田，果园和人
月ET
工草坪等区域蒸散值与
叠加求和
文件个数不
满足条件
荒草地或休耕地蒸散的
错误信息
文件个数
满足条件
差值
生长季/年ET
土地利用图
NDVI文件
NDVI文件
NDVI文件
空间统计
分类
林灌草ET，水体，
建设用地，未利用地
ET
耕地，园地，
人工草地，
耕地，园地，人工草
地不可控ET
区域不可控ET
植被生长区域
耕地区可控ET
不可控ET:
•生态ET：林地, 灌木，
草地, 水面
•建设用地ET:城镇，农
村和独立工矿用地
•耕地，园地，人工草坪
扣除可控ET的蒸发量
40
小麦可控ET分析：
1.小麦总耗水1.57亿方，可控ET为
0.97亿方，占总耗水的61.7%，
2.单位面积可控ET为207.1mm,不可
控ET为127.6mm
玉米可控ET分析：
1.玉米总耗水2.88亿方，可控ET为
1.76亿方，占总耗水的61%;
2.单位面积可控ET为144mm,不可控
ET为91.4mm
41
耕地可控ET分析：
1.北京市耕地耗水量19.8亿方，占全市
耗水量的25.2%。
2.耕地可控ET为12.42亿方，占耕地总
耗水量的62.7%，在耕地区约计1/3的水
资源量是不可控的。
3.单位面积可控ET为272.3mm，不可控
ET为218.2mm
4.保证九个农田保护区耕地的可控ET为
6.03亿方，占耕地耗水量的27%
42
节水型社会建设呼唤耗水管理
Lawn耗水(0.6t/m2.year)
电厂冷却塔（ 年耗20亿m3 ）
人工湖
退草植树
北京人造雪场(年耗百万m3)
北京洗车(年耗20个昆明湖）
渠道衬砌-减少渗漏、加强蒸发
解决方法
城市绿地、人工林、人工水面的遥感ET监测
工、矿业耗水监测方法
基于耗水的水资源管理制度(收费、水权、法律等)
推广减少耗水量的技术和意识
实现基于ET的节水型社会建设
结论
 ET遥感监测精度与降雨量/径流量的观测精度取与同一水平
 ET管理可以简化水资源管理方法，提高水资源管理的精细水平
 ET管理的核心是:
 流域尺度的可持续耗水量控制
 灌区尺度提高水分生产率