一种基于区域尺度蒸发衰退估计城市蓄水能力的方法与流程

1.本发明属于城市蓄水能力的技术领域，具体涉及一种基于区域尺度蒸发衰退估计城市蓄水能力的方法。


背景技术：

2.与自然生态系统不同，城市生态系统包括大量人工改造的不透水表面，如屋顶、广场和混凝土或沥青道路。城市不透水表面的变化导致地表能量和水平衡的变化。首先，不透水地表覆盖促进地表径流的产生，并使其快速通过地面和排水系统，这进一步限制了城市蒸散发可用的水资源，产生了间接的城市热岛效应。其次，它增加了城市洪水，这给城市居民造成了严重的灾难，制约了城市的可持续发展。
3.已经提出了一系列解决城市水和能源平衡的解决方案，如水敏感城市设计、低影响发展、海绵城市和自然解决方案，这些解决方案都有促进城市储水能力增加的能力。众多基于自然的解决方案之一是在城市或城市周边种植城市树木或安装其他绿色基础设施，以提高城市蓄水能力和减轻集中的城市不透水表面的负面影响。增加城市植被通常在改善热舒适和调节城市水循环方面发挥重要作用。这主要是因为冠层蒸腾是大气水分的重要来源，也是蒸散发(et)的关键分区之一。et通过抵消温度和湿度的波动在气候稳定中发挥核心作用，因此在与减缓城市热岛和城市干岛有关的管理决策中至关重要。考虑到植被覆盖对蓄水量的重要性，提高城市蓄水量对城市植被规划提出了更高的要求。因此，以et为切入点，评估不同植被特征对城市蓄水量的影响，对解决城市水能平衡问题具有重要意义。
4.由于城市地表的固有异质性，估算城市的蓄水量仍然具有挑战性。城市有效蓄水量被定义为大气中可用于et的动态蓄水量，包括土壤湿度、截留降水、地下水和从湖泊到天坑的开放水。该方法能够克服城市地表的异质性，直接根据蒸散发量化城市蓄水量。但该方法采用城市涡动相关方差(ec)测量的蒸散发来估算有效蓄水量，反映了不透水面、植被、开放水域等所有et来源，但无法分析城市植被和气候之间的比例差异。此外，有限的遗址数量使得解释城市之间的差异变得困难。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种基于区域尺度蒸发衰退估计城市蓄水能力的方法，以解决由于城市地表的固有异质性，难以估算城市蓄水量的问题。
6.为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
7.一种基于区域尺度蒸发衰退估计城市蓄水能力的方法，其包括以下步骤：
8.s1、获取区域尺度数据，并基于该数据计算日尺度的城市实际蒸散发；
9.s2、采用若干年的日降水数据估算城市在每次降雨后的干燥时期，并将若干年的干燥时期天数的平均值作为城市整体消耗水分的平均时间；
10.s3、根据日尺度的城市实际蒸散发和干燥时期天数的平均值估算城市蒸发消耗量
的平均值，该城市蒸发消耗量的平均值即为城市的总体蓄水能力。
11.进一步地，步骤s1中计算日尺度的城市实际蒸散发，包括：
12.et＝e
t
+eb+ei+eu13.其中，et为蒸散发，e
t
为冠层蒸腾量，eb为土壤蒸发量，ei为截流蒸发，eu为不透水面蒸发。
14.进一步地，根据自然下垫面的植被生态生理特征和土壤水分约束计算土壤蒸发量eb和冠层蒸腾量e
t
，包括：
[0015][0016][0017][0018]fwet
＝rh4[0019]fapar
＝m1evi+b1[0020]fipar
＝m2ndvi+b2[0021][0022][0023][0024]ftrm
＝(1-rh
4(1-vwc)(1-rh)
)fm+(rh
4(1-vwc)(1-rh)
)f
trew
[0025][0026][0027][0028][0029][0030]
其中，f
wet
为相对表面湿度；f
rew
为土壤水分和土壤性质约束；δ为温度-饱和水汽压斜率；γ为干湿表常数；r
ns
为表层土壤净辐射；r
nc
是冠层截获的净辐射；g为地面热通量；f
trm
为生态生理标量；θ
obs
为土壤湿度观测值，θw为凋萎系数，θ
fc
为田间持水量；fg为绿色冠
层所占比例，f
t
为温度限制因子，fm为水分限制因子，f
sm
为土壤水分限制因子，f
aparmax
为f
apar
的最大值，rh为相对湿度，t
max
为最高气温，t
opt
为植被最佳生长温度，evi为增强型植被指数，ndvi为归一化植被指数，f
apar
为被树冠吸收par系数，f
ipar
为被树冠截取par系数，par为系数是光合有效辐射的比例，rh为相对湿度，vwc为体积含水量，f
trew
为植被蒸腾对土壤水分的敏感性，θ
cr
为土壤水分可用性限制et的临界土壤水分，为植物生根深度调整后的表层土壤水分凋萎系数，zr为植物有效根深，zr
scalar
为根系深度的开方；p为土壤水分有效性对蒸腾的限制因子；pet为潜在蒸散发；a为zr对θ
cr
施加影响的权重。
[0031]
进一步地，植物有效根深的计算，包括：
[0032][0033]
θ
p
＝θ
fc-θw[0034]
w＝p/pt
[0035][0036]
其中，αr为平均降雨深度，θ
p
为植物有效含水量，θw为凋萎系数，w为年平均降水量p与潜在蒸腾速率pt之比；
[0037]
a的计算公式为：
[0038][0039][0040]
wue＝gpp/et
[0041]
其中，γr为实际根呼吸速率，为20℃时根的呼吸速率，ta为空气温度，q
10
为温度系数，表示温度每升高10℃引起的根呼吸速率变化；rld为根长密度，srl为比根长，wue为初级生产总值gpp与et的比值，f
gs
为基于叶面积指数的生长季长度分数。
[0042]
进一步地，计算所述表层土壤净辐射r
ns
和冠层截获的净辐射r
nc
，包括：
[0043]rn
＝r
nshort-r
nlong
[0044]rnshort
＝(1-r)i
t
[0045]rnlong
＝r
ld-r
lu
[0046]rlu
＝σt4[0047][0048]rnc
＝r
n-r
ns
[0049]
其中，rn是净辐射，r
nshort
和r
nlong
分别为净短波辐射和净长波辐射；r为地表反照率，i
t
为向下的短波辐射，r
ld
为向下的长波辐射，r
lu
为向上的长波辐射，t为气温，σ为斯蒂芬
玻尔兹曼常数；为消光系数，lai为叶面积指数。
[0050]
进一步地，采用van dijk模型计算截流蒸发ei，包括：
[0051][0052][0053][0054]fer
＝fv·fer0
[0055]
sv＝s
leaf
·
lai
[0056]
其中，p为降雨率；p
wet
为冠层湿润时的参考阈值降水速率；f
er
为暴雨期间平均蒸发速率与平均降雨强度之比；sv为冠层降雨蓄积能力；f
er0
为单位植被覆盖度蒸发速率与降雨强度比；s
leaf
为单位叶面积冠层降雨蓄水量；fv为叶面积分数，由叶面积指数lai和参考叶面积指数lai
ref
计算；f
er0
和s
leaf
均为自由参数。
[0057]
进一步地，根据城市不透水面和自然裸土表面，构建区域尺度蒸散发模型：
[0058][0059][0060]fer
＝fu·fer0
[0061]
其中，fu为不透水面覆盖面积的分数，su为不透水面库容。
[0062]
进一步地，步骤s3中根据日尺度的城市实际蒸散发和干燥时期天数的平均值估算城市蒸发消耗量的平均值，包括：
[0063][0064]
其中，s为每次降水后完全干燥过程中消耗的动态蒸散发总量看，t为每次降水后干燥的天数，λ为多年尺度上每次降水后干燥的天数，et0为每次降水后第一天的初始蒸散发et。
[0065]
本发明提供的基于区域尺度蒸发衰退估计城市蓄水能力的方法，具有以下有益效果：
[0066]
本发明模型将人类活动下的城市设施，如水库、建筑物、不透水地面和自然生态系统的土壤、湖泊等全部统一考虑，基于蒸散发消耗水分，共同纳入到了城市蓄水的计算和分析当中，不仅考虑到人类活动对城市蓄水的作用，同时考虑到城市绿地、湖泊分布对城市蓄水的作用，而且具备多尺度分析功能，可以在区域尺度上进行模拟，而不仅是站点尺度，使得城市蓄水能力这一属性的综合评估成为了现实，是一个具有“自然-社会”二元水循环的模型，对城市建设规划和城市应对气候变化具有借鉴作用。
[0084][0085][0086][0087]ftrm
＝(1-rh
4(1-vwc)(1-rh)
)fm+(rh
4(1-vwc)(1-eh)
)f
trew
[0088][0089][0090][0091][0092][0093]
其中，f
wet
为相对表面湿度；f
rew
为土壤水分和土壤性质约束；δ为温度-饱和水汽压斜率；γ为干湿表常数，取值0.066；r
ns
为表层土壤净辐射(w
·
m-2
)；r
nc
是冠层截获的净辐射；g为地面热通量(w
·
m-2
)；f
trm
为生态生理标量；θ
obs
为土壤湿度观测值，θw为凋萎系数，θ
fc
为田间持水量；fg为绿色冠层所占比例，f
t
为温度限制因子，fm为水分限制因子，f
sm
为土壤水分限制因子，f
aparmax
为f
apar
的最大值，rh为相对湿度，t
max
为最高气温，t
opt
为植被最佳生长温度，evi为增强型植被指数，ndvi为归一化植被指数，f
apar
为被树冠吸收par系数，f
ipar
为被树冠截取par系数，par为系数是光合有效辐射的比例，rh为相对湿度，vwc为体积含水量，f
trew
为植被蒸腾对土壤水分的敏感性，θ
cr
为土壤水分可用性限制et的临界土壤水分，θ
wpzr
为植物生根深度调整后的表层土壤水分凋萎系数，zr为植物有效根深，zr
scalar
为根系深度的开方；e为土壤水分有效性对蒸腾的限制因子；pet为潜在蒸散发；a为zr对θ
cr
施加影响的权重，取值0.1，，b1＝-0.048，b2＝-0.05，m2＝1，m1＝1.3632，0≤m1≤1.4；
[0094]
植物有效根深的计算，包括：
[0095][0096]
θ
p
＝θ
fc-θw[0097]
w＝p/pt
[0098][0099]
其中，αr为平均降雨深度，θ
p
为植物有效含水量，θw为凋萎系数，w为年平均降水量p与潜在蒸腾速率pt之比；
[0100]
a的计算公式为：
[0101][0102][0103]
wue＝gpp/et
[0104]
其中，γr为实际根呼吸速率，r
r20
为20℃时根的呼吸速率，ta为空气温度，q
10
为温度系数，表示温度每升高10℃引起的根呼吸速率变化；rld为根长密度，rld设置为0.1cm root
·
cm-3
soil，srl为比根长，srl设置为1500cm root
·
g-1
root，wue为初级生产总值gpp与et的比值，f
gs
为基于叶面积指数的生长季长度分数。
[0105]
计算表层土壤净辐射r
ns
和冠层截获的净辐射r
nc
，包括：
[0106]rn
＝r
nshort-r
nlong
[0107]rnshort
＝(1-r)i
t
[0108]rnlong
＝r
la-r
lu
[0109]rlu
＝σt4[0110][0111]rnc
＝r
n-r
ns
[0112]
其中，rn是净辐射，r
nshort
和r
nlong
分别为净短波辐射和净长波辐射；r为地表反照率，i
t
为向下的短波辐射，r
ld
为向下的长波辐射，r
lu
为向上的长波辐射，t为气温，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数；为消光系数，取值0.6，lai为叶面积指数，lai来源于modis(moderate-resolution imaging spectroradiometer)空间分辨率为500米，时间分辨率为8天。
[0113]
采用van dijk模型计算截流蒸发ei，包括：
[0114][0115][0116][0117]fer
＝fv·fero
[0118]
sv＝s
leaf
·
lai
[0119]
其中，p为降雨率；p
wet
为冠层湿润时的参考阈值降水速率；f
er
为暴雨期间平均蒸发速率与平均降雨强度之比；sv为冠层降雨蓄积能力；f
er0
为单位植被覆盖度蒸发速率与降雨强度比；s
leaf
为单位叶面积冠层降雨蓄水量；fv为叶面积分数，由叶面积指数lai和参考叶面积指数lai
ref
计算；f
er0
和s
leaf
均为自由参数。
[0120]
本实施例基于分辨率为30m
×
30m的不透水面分布数据来估算0.1
°×
0.1
°
网格的不透水面率，并将不透水面分布数据与土地利用覆被数据想结合，构建包含有城市不透水面分布的新的土地利用覆被分布，基于30m
×
30m的全球不透水面多时相数据集(resolution multi-temporal mapping of global urban land)耦合进全球土地覆被类型分布数据中(其原数据不包含不透水面的分布)，构建一个新的包含不透水面分布的土地利用覆被类型数据，将其计算为0.1
°×
0.1
°
网格中的不透水面分数(不透水面面积占0.1
°×
0.1
°
网格的比例)数据作为后续不透水面模块蒸发的输入参数。
[0121]
根据城市不透水面和自然裸土表面，构建区域尺度蒸散发模型：
[0122][0123][0124]fer
＝fu·fero
[0125]
其中，fu为不透水面覆盖面积的分数，su为不透水面库容
[0126]
步骤s2、采用若干年的长期日降水数据估算城市在每次降雨后的干燥时期，并将若干年的干燥时期天数的平均值作为城市整体消耗水分的平均时间。
[0127]
步骤s3、根据日尺度的城市实际蒸散发和干燥时期天数的平均值估算城市蒸发消耗量的平均值，该城市蒸发消耗量的平均值即为城市的总体蓄水能力。
[0128]
步骤s3中根据日尺度的城市实际蒸散发和干燥时期天数的平均值估算城市蒸发消耗量的平均值；日蒸散发与限水条件下的储存有关，在没有降雨的城市地区，在多日干旱期间，不透水表面通常会迅速枯竭，储存量反映的是作为蒸散发离开城市表面的水的总和：
[0129][0130]
其中，s为每次降水后完全干燥过程中消耗的动态蒸散发总量看，t为每次降水后干燥的天数，λ为多年尺度上每次降水后干燥的天数，et0为每次降水后第一天的初始蒸散发et。
[0131]
本发明基于2009-2018年中国四个主要城市群的日et模型计算了其蓄水容量。假设每次降雨事件后城市蓄水都被完全填满。由于大气中的可用储水量会因物候等因素而变化，计算了年代际尺度上的平均s，以简化这种变化。通常情况下，由于城市地表的异质性和人类活动的复杂性，城市储水能力的测量具有一定的难度。本研究基于上述方法量化了中国四大城市群的城市蓄水量，该方法已被验证为可靠的方法。
[0132]
本实施例的数据来源：
[0133]
利用中国气象驱动数据集(cmfd)，基于pt-jpl模型在区域尺度上模拟蒸散发及其划分。日气象数据包括2009-2018年的降水、温度、辐射、水汽压、比湿度和气压。
[0134]
模拟动态有效生根深度(zr)的输入数据包括2002-2011年基于微波数据同化的中国土壤水分数据集和土壤水力特性(即田间容量、植物有效水分和植物枯萎系数)源自高分辨率土壤水力特性全球地图，该地图是通过基于物理的保水模型的分层参数化生成的，空间分辨率为1公里
×
1公里。
[0135]
植被数据包括叶面积指数(lai)、增强植被指数(evi)和归一化植被指数(ndvi)。lai数据来源于中分辨率成像光谱仪(modis)lai产品(mod15a2hv006)。ndvi和evi数据来源于modis。总初级生产力(gpp)数据来自modis(mod17a2h)。土地覆盖分类采用modis土地覆盖类型。城市土地分布来自全球城市土地的高分辨率多时相地图。反照率数据来自全球陆地表面卫星(glass)产品。
[0136]
为了评价模型et的性能，gleam(全球陆地蒸发阿姆斯特丹模型；使用gleam v3.2)和pml_v2 et数据集作为基准。gleam以降水、土壤水分和植物含水量为限制条件估算蒸散发，并对1980-2016年期间的蒸散发进行分区:蒸腾、土壤蒸发、截留损失、水面蒸发和升华，空间分辨率为0.25
°×
0.25
°
。pml_v2 et数据集来自国家青藏高原数据中心，包括2002年7月至2019年8月的蒸腾、土壤蒸发、冠层截水汽化和水、雪、冰蒸发和升华，空间分辨率为0.05
°×
0.05
°
。为了一致性比较，将不同分辨率的数据重新网格化为0.05
°×
0.05
°
经纬度网格作为模型，具体可参看图1～图5。
[0137]
本实施例的方法直接基于日蒸散发的计算总和，因此仅需要验证日蒸散发的可靠性即可：
[0138]
参考图1，为本实施例2009-2018年(a)四个城市群(b)jjj、(c)长三角、(d)珠三角和(e)成渝的模拟月蒸散发与gleam蒸散发的空间平均比较。2009-2018年(f)四个城市群(g)jjj、(h)长三角、(i)珠三角和(j)cy的模拟的日蒸散发与gleam蒸散发的空间平均比较。
[0139]
图2为2009-2018年年平均蒸散发的空间分布，年平均蒸散在四个城市群中最高的是珠三角的840mm，最低的是京津冀的540mm。显示了年平均s的空间分布，其特征与et相似，其中珠三角s最高，为13.63mm，京津冀s最低，为10.63mm。四个城市群的s分布范围从2毫米到28毫米。还显示了衰退时间尺度(λ)的空间分布，结果表明λ与et和s的分布不同，京津冀最大7.63d,cy最小4.94d，λ的空间分布与降水的分布相关。et和s的空间分布与植被的分布相似。
[0140]
图3为本实施例2009-2018年四个城市群年平均蒸散发(mm)和s(mm)的空间分布，点表示不透水表面网格。这四个城市群分别是京津～冀(jjj)、长三角(yrd)、珠三角(ped)和成渝(cy)。箱形图表示et、s和λ值在四个城市群的分布，箱形图中的小方格代表均值，箱形图中的水平线代表中位数。
[0141]
图4为年平均降水量的空间分布(p；mm)在2009-2018年的四个城市群(a)京津冀，(b)长三角，(c)珠三角和(d)成渝。
[0142]
图5为2009-2018年京津冀、长三角、珠三角、成渝四个城市群年平均lai(m2·
m-2
)的空间分布。
[0143]
本发明模型将人类活动下的城市设施(水库、建筑物、不透水地面)和自然生态系统的土壤、湖泊等全部统一考虑，基于蒸散发消耗水分，共同纳入到了城市蓄水的计算和分析当中，不仅考虑到人类活动对城市蓄水的作用，同时考虑到城市绿地、湖泊分布对城市蓄水的作用。
[0144]
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。