時間連續(xù)的地表蒸散發(fā)數(shù)據(jù)的計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及地表水技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種時間連續(xù)的地表蒸散發(fā)數(shù)據(jù)的計算方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 蒸散發(fā)（Evapotranspiration，ET)是地表水量平衡的重要分量，其能量形式-- 潛熱通量（LE)則是地表能量平衡的重要分量。潛熱通量將下墊面貯存的熱量通過湍流交 換的方式傳輸給大氣邊界層中靠近下墊面的氣層，是地球系統(tǒng)中重要的能量、物質(zhì)交換過 程。液態(tài)水的相變所需熱量即為潛熱，正是大氣熱量最大的單一熱源，因此，對于潛熱通量 的研究在天氣、氣候動力學中具有重要的地位。地氣間動量、水分、熱量的交換過程，特別是 潛熱、顯熱通量的定量化對于氣候變化模式、大氣環(huán)流模式以及水文模式中邊界條件的確 定意義重大。
[0003] 傳統(tǒng)的地表蒸散發(fā)觀測儀器觀測到的蒸散發(fā)均限于點尺度或者網(wǎng)格尺度，數(shù)據(jù)缺 乏區(qū)域代表性或難以反映地表蒸散發(fā)的空間分布。然而，蒸散發(fā)的估算和許多部門的現(xiàn)實 問題息息相關(guān)，如南水北調(diào)等大型調(diào)水工程的設計、三峽水庫的后效估計、科學用水合理灌 溉方案的制定、農(nóng)業(yè)旱災的監(jiān)測和預警、農(nóng)作物產(chǎn)量的估算及預報等。在這些蒸散發(fā)的實際 應用中，均需要區(qū)域尺度、長時間序列的蒸散量。由于儀器觀測地表蒸散發(fā)通常選在平坦、 均一的下墊面，很難代表所有類型的下墊面特征，因此僅通過內(nèi)插法很難獲得可靠的、能夠 反映下墊面異質(zhì)性的區(qū)域地表蒸散發(fā)。遙感技術(shù)通過大面積測定地表輻射以及溫度狀況， 可以提供與地表蒸散發(fā)變化相關(guān)的特征參量，這使得通過遙感估算蒸散發(fā)成為可能。目前， 國內(nèi)外學者已經(jīng)建立了大量基于遙感數(shù)據(jù)或者與遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合的區(qū)域蒸散發(fā)估算方法， 通過與遙感像元尺度的地面觀測蒸散發(fā)進行驗證，認為在非均一下墊面上，遙感監(jiān)測地表 蒸散發(fā)具有優(yōu)越性。
[0004] 然而，由于陸面過程的復雜性，遙感估算蒸散發(fā)的精度受到了多種不確定性的影 響，其中包括模型結(jié)構(gòu)、模型輸入數(shù)據(jù)、參數(shù)化方案以及空間和時間尺度方面的不確定性。 過去的研究重點多集中于瞬時地表蒸散發(fā)的獲取，對于瞬時蒸散發(fā)的時間尺度擴展方法尚 未給予足夠的重視。遙感瞬時蒸散發(fā)的時間擴展即將通過反演得到的瞬時蒸散發(fā)在時間尺 度上進行擴展，得到小時、日、旬、月乃至年的蒸散發(fā)。一方面，遙感獲得的僅是衛(wèi)星過境時 刻的瞬時地表信息，需要通過瞬時到日的時間擴展方法得到晴好日蒸散發(fā)；另一方面，在計 算長時間序列的地表蒸散發(fā)時，由于受到云雨天氣的影響，造成了大量數(shù)據(jù)的缺失，需要對 晴好日的蒸散發(fā)進行時間尺度擴展，才能得到月尺度的蒸散發(fā)。
[0005] 目前，對于日到月/年的時間尺度擴展方法的研究包括數(shù)學方法、地表阻抗方法 和參考作物蒸發(fā)比方法等，然而這些方法均未考慮遙感觀測自身的觀測誤差，因此具有一 定局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的實施例提供了一種時間連續(xù)的地表蒸散發(fā)數(shù)據(jù)的計算方法，以生成可供 多領(lǐng)域使用的高精度時間連續(xù)區(qū)域蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。
[0008] -種時間連續(xù)的地表蒸散發(fā)數(shù)據(jù)的計算方法，包括：
[0009] 在非晴好日，使用SCEJJA算法利用代價函數(shù)計算出能量分配項的調(diào)整因子α和 植被冠層阻抗項的調(diào)整因子β ;
[0010] 根據(jù)所述能量分配項的調(diào)整因子α和植被冠層阻抗項的調(diào)整因子β優(yōu)化非晴好 日的地表蒸散發(fā)模擬值的計算方法，再利用優(yōu)化后的計算方法計算出所述非晴好日的地表 蒸散發(fā)數(shù)據(jù)。
[0011] 進一步地，所述的方法還包括：
[0012] 晴好日的地表蒸散發(fā)數(shù)據(jù)用Penman-Monteith公式計算，所述Penman-Monteith 公式的基本形式為：
[
[0014] 其中，ET是晴好日的地表蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，λ是汽化潛熱，Δ是飽和水汽壓的平均斜 率，Rn是凈輻射，G是土壤熱通量，P a是空氣密度，Cp是干空氣比熱容，rs是冠層表面阻抗， ra是空氣動力學阻抗，e 3是實際水汽壓，e 3是飽和水汽壓，γ是干濕球溫度計常數(shù)：
[0016] ε是水蒸氣/干空氣的分子比重，P是大氣壓，λ是汽化潛熱
[0017] 進一步地，所述的方法還包括：將晴好日的地表蒸散發(fā)遙感觀測數(shù)據(jù)擴展到月/ 年，得到時間連續(xù)的地表蒸散發(fā)遙感觀測數(shù)據(jù)。
[0018] 進一步地，所述的在非晴好日，使用SCEJJA算法利用代價函數(shù)計算出能量分配項 的調(diào)整因子α和植被冠層阻抗項的調(diào)整因子β，包括：
[0019] 設定非晴好日的代價函數(shù)如下：
[0021] J(X)是代價函數(shù)，ET是優(yōu)化后的分析值，ETcib^晴好日觀測的地表蒸散發(fā)，ET sl" 是晴好日的地表蒸散發(fā)，N是同化窗口內(nèi)的遙感觀測值個數(shù)，Q是模型誤差，R是觀測誤差；
[0022] 所述SCEJJA算法的步驟如下：
[0023] 1、采樣：在參數(shù)空間內(nèi)隨機采集s個樣本點，并計算每個樣本點的代價函數(shù)值；
[0024] 2、排列樣本點：按照每個樣本點的函數(shù)值的大小對s個樣本點進行升序排序，使 第一個樣本點的代價函數(shù)值最小，最后一個樣本點的代價函數(shù)值最大；
[0025] 3、拆分為復合體：將所有s個樣本點按照排序平均分為p個復合體A1…A p，每個復 合體包括 m 個樣本點，其中，Ak= (X1Vxkj=X1^m0ilPj = I, .",Iiihk=I,…，p ;
[0026] 4、復合體進化：根據(jù)競爭復合體進化算法進化每個復合體；
[0027] 所述競爭復合體進化算法包括：
[0028] 41、從復合體中隨機選擇q個點組成一個子復合體；
[0029] 42、根據(jù)樣本點的函數(shù)值，從子復合體中選擇一個函數(shù)值最小的樣本點，并計算剩 余樣本點的質(zhì)心；
[0030] 43、將所述函數(shù)值最小的樣本點以所述剩余樣本點的質(zhì)心為中心投影，找到一個 新的樣本點，如果新樣本點的函數(shù)值在合理范圍內(nèi)，則到第44步，否則，在合理范圍內(nèi)隨機 取一個樣本點，到第45步；
[0031 ] 44、如果所述新的樣本點的函數(shù)值小于所述函數(shù)值最小的樣本點的函數(shù)值，則用 新樣本點取代所述函數(shù)值最小的樣本點，并到第47步，否則到第45步；
[0032] 45、將計算質(zhì)心和最差點之間的中點稱為縮小點，計算所述縮小點的函數(shù)值，如果 縮小點的函數(shù)值比所述函數(shù)值最小的樣本點的函數(shù)值要小，則用縮小點取代所述函數(shù)值最 小的樣本點，并到第7步，否則到第46步；
[0033] 46、在合理范圍內(nèi)隨機取一個點，將所述函數(shù)值最小的樣本點用這個點取代；
[0034] 47、重復第42步-第46步r次，r是一個用戶指定的參數(shù)；
[0035] 48、重復第1步-第7步s次，s是在復合體混合前需要進化的次數(shù)；
[0036] 5、混合復合體：將所有復合體中的樣本點合為一個樣本總體，將這個總體中的所 有樣本按照升序排序，重新分配樣本點到P個復合體中，并重復3至5的過程；
[0037] 6、檢查迭代結(jié)果：如果迭代結(jié)果滿足設定的迭代標準，則停止迭代，獲取迭代停止 時的α和β。
[0038] 進一步地，所述的根據(jù)所述述能量分配項的調(diào)整因子α和植被冠層阻抗項的調(diào) 整因子β優(yōu)化非晴好日的地表蒸散發(fā)模擬值的計算方法，再利用優(yōu)化后的計算方法計算 出所述非晴好日的地表蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，包括：
[0040] 其中，α是所述迭代停止時的能量分配項的調(diào)整因子，β是所述迭代停止時的植 被冠層阻抗項的調(diào)整因子，ET是晴好日的地表蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，P a是空氣密度，c ρ是干空氣比 熱容，rs是冠層表面阻抗，r a是空氣動力學阻抗，e 3是實際水汽壓，e 3是飽和水汽壓，γ是 干濕球溫度計常數(shù)。
[0041] 進一步地，在水體下墊面，水面蒸散發(fā)的變化用基于Penman公式的下式表示：
[0043]由上述本發(fā)明的實施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例致力于解決遙感 估算地表蒸散發(fā)中的時間尺度擴展問題，結(jié)合同化方法和Penman-Monteith公式對日蒸散 發(fā)進行日到月/年的時間尺度擴展，生產(chǎn)可供多領(lǐng)域使用的高精度時間連續(xù)區(qū)域蒸散發(fā)數(shù) 據(jù)集，降低由于非晴好日觀測數(shù)據(jù)帶來的觀測誤差，促進遙感估算ET產(chǎn)品在水文循環(huán)、陸 面能量相關(guān)領(lǐng)域的廣泛應用。
[0044] 本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0045] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 的附圖。
[0046] 圖1為本發(fā)明實施例一提供的一種時間連續(xù)的地表蒸散發(fā)數(shù)據(jù)的計算方法的處 理流程圖；
[0047] 圖2為2009年北京地表蒸散發(fā)的