空气动力学粗糙度的遥感方法及其在蒸散发计算中的应用研究

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1、博士学位论文空气动力学粗糙度的遥感方法及其在蒸散发计算中的应用研究作者姓名：于名召指导教师:吴炳方研究员遥感与数字地球研究所曾红伟副研究员遥感与数字地球研究所学位类别:理学博士学科专业:地图学与地理信息系统研究所:中国科学院遥感与数字地球研究所2018年6月ResearchonremotesensingmethodsfortheaerodynamicroughnesslengthanditsapplicationinevapotranspirationcalculationAdissertationsubmittedtoUniversity

2、ofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofCartographyandGeographicInformationSystemsByMingzhaoYuSupervisor:ProfessorWuBingfangInstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciences,BeijingJune20183中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重声

3、明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：日期：中国科学院大学学位论文授权使用声明本人完全了解并同意遵守中国科学院有关保存和使用学位论文的规定，即中国科学院有权保留送交学位论文的副本，允许该论文被查阅，可以按照学术研究公开原则和保护知识产权的原则公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。涉密

4、及延迟公开的学位论文在解密或延迟期后适用本声明。作者签名：导师签名：日期：日期：5本论文得到以下项目支持1.国家自然科学基金面上项目，“空气动力学粗糙度多源数据协同反演模型研究”（No.41271424）；2.中国科学院前沿科学重点研究计划，“地表潜热通量的遥感机理”(No.QYZDY-SSW-DQC014)；3.国家重点研发计划，“全球变化大数据的科学认知与云共享平台”（No.2016YFA0600304）。摘要摘要陆面与大气之间在多种时空尺度的相互作用，是气象学、生态学、水文学和全球变化等领域的研究热点。空气动力学粗糙度作为地气相互作用

5、过程中的重要地表参数，在地表与大气间的物质与能量交换过程中扮演着重要的角色。空气动力学粗糙度被定义为中性稳定的近地面大气条件下，地表上方风速等于零的某一几何高度。它表征地表空气动力学特征，反映地表下垫面特征的差异对风速的减弱作用。然而，准确的估算空间尺度的空气动力学粗糙度一直是通量计算过程中的难点，目前关于空气动力学粗糙度的研究也难以统一和广泛适用。本文依托黑河和海河流域多年积累的气象和通量观测数据，引入多源遥感数据，通过分析、建模、应用、评价的过程，分析了不同下垫面条件下空气动力学粗糙度的影响要素及贡献率，提出了基于归一化冷热点植被指数（

6、HDVI）的作物冠层空气动力学粗糙度估算方法，同时发现，空气动力学粗糙度计算的准确性直接影响蒸散发的估算精度，主要包括以下几个部分：（1）以风温风速廓线数据为基础，利用Monin-Obukhov相似理论计算瞬时的空气动力学粗糙度，利用相关性分析和因子分析的方法分析不同下垫面条件下空气动力学粗糙度的影响要素。结果表明，风速、风向、大气稳定度、地形和植被特征都是影响空气动力学粗糙度的因素，但不同下垫面条件下各因素对空气动力学粗糙度的作用程度不同。空气动力学粗糙度在植被生长季和非生长季均表现出和风速负相关的关系；风向对空气动力学粗糙度的影响主要取

7、决于地形条件，在地形较平坦的地区空气动力学粗糙度不随风向发生明显变化，而在起伏地形条件下，空气动力学粗糙度在不同风向上呈现出差异性的分布规律；空气动力学粗糙度在不同大气稳定度条件下也存在明显差异，对于相同的地表粗糙元素，稳定大气条件下的空气动力学粗糙度要明显大于不稳定状态。因此，在瞬时空气动力学粗糙度模型构建的过程中，对风速、风向和大气稳定度等空气动力学因子的考虑必不可少。对影响空气动力学粗糙度的因子归类并计算因子贡献率，结果显示气象因子和地形因子是影响草地下垫面和森林下垫I摘要面z0m的主要驱动因子（对草地下垫面的贡献率分别44.03%和

8、38.33%，对森林下垫面的贡献率分别42.87%和38.66%），植被因子和气象因子是影响农田下垫面z0m的主要驱动因子（贡献率分别53.14%和30.29%），因子分析的结果