《遥感蒸散发理论与应用》从地表蒸散发的观测和遥感观测原理入手，全面总结了遥感蒸散发的估算方法，并重点阐述了作者团队自主开发的PML遥感蒸散发模型及其相关应用的研究成果。《遥感蒸散发理论与应用》分为两个部分，**部分主要介绍了蒸散发的基础理论和遥感蒸散发的主要估算方法，核心内容是PML遥感蒸散发模型的基础理论、原理、模型方法和参数化方案。第二部分以遥感蒸散发的应用为主题，阐述了基于PML遥感蒸散发模型进行区域和全球蒸散发产品的生产、产品精度评价及与其他产品的对比、区域与全球蒸散发变化规律和归因、PML模型与水文模型的耦合、遥感蒸散发在水文过程模拟和预测中的应用、遥感蒸散发在干旱监测中的应用以及蒸散发的生态水文效应。

第0章 绪论
　　200多年以前，Dalton（1802）综合了风、空气温度和湿度对蒸散发的影响，提出了道尔顿蒸发定律，奠定了近代蒸散发研究的理论基础。随着相关学科的发展，许多学者开展了诸多蒸散发的观测和理论估算研究，为进一步理解蒸散发过程及其物理机制提供了基础。然而，关于蒸散发，初学者常混淆实际蒸散发、土壤蒸发（soil evaporation）、植被蒸腾（plant transpiration）、潜在蒸散发（potential evapotranspiration）、参考蒸散发、蒸发皿蒸发、水面蒸发等概念。所以，在此有必要先厘清有关蒸散发的若干概念。
　　1.地表蒸散发
　　一般而言，除了研究对象为水体或者裸土以外，地表蒸散发由土壤蒸发、植被蒸腾和植被叶片蒸发构成。其中，植被叶片蒸发是指植被叶片或根茎上的降水截留水分直接从液态变为气态的过程，也被称为植被叶片截留蒸发，其量级一般小于土壤蒸发和植被蒸腾，且持续时间较短，故在植被覆盖度较低的生态系统，植被叶片蒸发甚小。需要特别指出的是，Miralles等（2020）提出植被蒸腾的本质也是在植物光合作用中，水分通过气孔而汽化的过程，故其亦属于“蒸发”过程，并建议将传统的地表蒸散发改为“地表蒸发”。然而，为了避免混淆，本书仍然采用现今大多数文献中的用词，即用“蒸散发”来表达包括土壤蒸发、植被蒸腾、植被叶片蒸发等系列过程的整体。
　　1）土壤蒸发
　　土壤蒸发是指土壤中的水分沿土壤孔隙以水汽的形式逸入大气的过程。在太阳辐射、风、湿度等因素的作用下，表层土壤的水分得到超过分子间内聚力和土壤对水分子吸力的能量时，水分子开始进入大气。土壤表面水分逸出后，下层水分必须通过土壤输送到蒸发面，蒸发才能继续进行。根据土壤含水量的变化，土壤蒸发过程可分为三个阶段：①当土壤含水量饱和或趋近饱和时，土壤表层的蒸发消耗能得到充分补给，蒸发率达到*大，土壤水分的蒸发量趋近于相同气象条件下的蒸发力，但是这一阶段持续时间短暂，主要发生在土壤含水量接近田间持水量时；②随着土壤蒸发对土壤水分的不断消耗，土壤含水量降低，土壤的蒸发率也逐渐减小，这种情况下的土壤蒸发常见于降水结束后的一两天内；③当土壤表层干化时，土壤中的液态水无法输送到土壤表层，土壤蒸发基本不能在土壤表面进行，此时土壤中水分发生汽化，经分子扩散作用通过土壤表面进入大气中，随着水分散失逐步加深，水分子向外扩散速度逐渐变慢，土壤蒸发也逐渐变弱，这一阶段是土壤蒸发的主要阶段，也是持续时间*长的阶段，蒸发率小且稳定。除了气象因素，土壤含水量变化还受到植被根系吸水的影响，因此随着植被的变化，土壤蒸发也发生变化。
　　2）植被蒸腾
　　植被蒸腾是水分从活的植物体表面（以叶片为主）以水蒸气状态散失到大气中的过程。其主要作用方式有两种，一是通过角质层的蒸腾，即角质层蒸腾；二是通过植被气孔的蒸腾，即气孔蒸腾。与土壤蒸发不同，蒸腾作用不仅受外界环境条件的影响，还受植物本身的调节和控制，因此它是一个复杂的生理过程。从植物生理学角度而言，蒸腾作用是植物对水分进行吸收和运输的主要动力，特别是高大的植物。与此同时，因为矿物质要溶于水中才能被植物吸收和在体内运转，故蒸腾作用可使得矿物质随水分的吸收和流动而被吸入并分布到植物体各个部分中。除此之外，蒸腾作用能够降低叶片的温度，太阳光照射到叶片上时，大部分能量转变为热能，如果叶子不能降温，叶温过高，叶片会被灼伤。从更大的空间尺度来看，植被的蒸腾作用是下垫面影响局地气候的一个重要途径。因此，探讨植被蒸腾在地表总蒸散发中的比例不仅有助于理解不同地区水循环特征与机理，还对理解植被变化与全球气候变化的贡献有关键作用。
　　2.潜在蒸散发
　　潜在蒸散发的概念*早由Thornthwaite（1948）在其**的气候学分类研究中提出，是指空间尺度无限大、植被生长旺盛、供水充足的下垫面的蒸散发。其中，“空间无限大”是为了避免平流作用。但是，Thornthwaite（1948）并未给出具体的空间尺度大小。因此，潜在蒸散发的定义自从被提出以来一直较为“含糊”，特别是在以下两个方面：**，由下垫面热力性质的差异引起的“绿洲效应”局地平流会影响下垫面的能量平衡，故任何通过仪器观测的地表足够湿润但空间上不足够大的下垫面蒸散发并非真正意义的潜在蒸散发，因此，Brutsaert（2005）建议使用“表观潜在蒸散发”（apparent potential evapotranspiration）来表示这一现象。这一概念在干旱地区（如沙漠）尤为典型，即利用干旱地区的气象观测数据所计算的潜在蒸散发或蒸发皿观测的蒸发实际皆属于“表观潜在蒸散发”。第二，即便是供水足够充分的植被下垫面，其蒸散发亦不同于水面，即前者的气孔开闭过程会影响地气间的水汽传输。但二者的量级应极为接近，因为植被下垫面的粗糙度略大于水面，同等风速条件下前者的水汽传输系数大于后者，在一定程度上弥补了因气孔阻抗作用而减小的足够湿润的植被下垫面的蒸散能力。
　　潜在蒸散发估算方法的不统一亦是导致不同学者对潜在蒸散发的描述存在差异的原因之一。目前，*为普遍使用的是Penman（1948）法或Priestley和Taylor（1972）法，但方法中的参数存在较大的区域变异，通常需结合实际的观测数据进行校验方可使用。例如，不同学者对Penman（1948）法中的风速函数进行了广泛研究，指出其原始参数在不同下垫面条件下的适用性有显著差异（Ma et al.，2015）。
　　为了克服上述问题，1998年，联合国粮食及农业组织（简称联合国粮农组织，FAO）基于一个“假想下垫面”（供水充足、反照率为0.23、植被高12 cm），并根据叶面积指数（LAI）的经验关系预设了70 s/m的表面阻抗，提出了参考蒸散发（reference evapotranspiration）的概念（Allen et al.，1998）。可见，参考蒸散发是潜在蒸散发的一个特例，其真正的意义是上述“假想下垫面”的实际蒸散发。严格而言，参考蒸散发难以通过实际观测来验证（因为满足上述“假想下垫面”条件的观测场几乎不存在），但其概念使得不同地区的潜在蒸散发得以标准化，进而可以探讨气候要素对不同地区蒸发力的影响，为研究不同地区的水循环对气候变化的响应提供了合适的手段。
　　3.蒸发皿蒸发
　　蒸发皿蒸发量的观测主要是基于给定时间内蒸发皿中水位的变化，并结合降水资料，推算蒸发量。然而，不同国家或地区的蒸发皿类型有所差异。中国蒸发皿主要分为两类，即D20蒸发皿和E601B蒸发皿，前者自20世纪50年代以来在中国气象局下属气象站被广泛使用。21世纪以来，中国的D20蒸发皿逐渐被E601B蒸发皿替代。D20蒸发皿的口径为20 cm，深度为10 cm，观测时其被置于距离地面70 cm高的平台；E601B蒸发皿口径为61.8 cm，深度为68.7 cm，观测时蒸发皿的一部分被埋于土壤中，蒸发皿口高于地面约30 cm。按照世界气象组织（WMO）的分类，D20蒸发皿属于地上蒸发皿，E601B蒸发皿属于埋藏蒸发皿。除了中国常使用的这两种蒸发皿外，美国、澳大利亚等地多利用A型蒸发皿，其口径为121 cm，深度为25.5 cm，观测时被置于15 cm高且底部镂空的木质平台上。就地上蒸发皿而言，由于局地平流作用和侧壁辐射导致的蒸发皿内水体热储作用，其观测到的蒸发量远大于周围陆地环境的潜在蒸散量；就埋藏蒸发皿而言，尽管其侧壁辐射作用较为微弱，但是由于局地平流作用仍然存在，所以其蒸发量亦大于周围陆地环境的潜在蒸散量。
　　按克劳修斯?克拉珀龙（Clausius-Clapeyron）方程推算，全球变暖将使得水循环过程加剧（Huntington，2006），降水也将增加。Allen和Ingram（2002）的模拟结果显示，随着气温每升高1℃，降水会增加大约3.4%。观测显示，过去100年全球大部分地区的降水确实在增加（Ren et al.，2013），从而印证了水循环加剧的预测。然而，20世纪后半叶以来，全球许多地区的蒸发皿蒸发量在显著减小，这一现象*先被Peterson等（1995）报道，其指出美国和苏联的蒸发皿观测值在20世纪下半叶呈显著下降趋势。这种升温背景下蒸发皿蒸发量减小的现象又被称为“蒸发悖论”。McVicar等（2012）等系统综述了蒸发皿蒸发量减小的现象，提出风速减弱对该现象的贡献较大。然而，由于气候资料的一致性以及不同蒸发皿类型的观测结果转换还存在不确定性，气候变化背景下蒸发皿蒸发的变化机理还需要进一步深入研究。
　　4.水面蒸发
　　广义而言，水面蒸发即指自然水体由液态向气态的转变过程，传统的水体如海洋、水库、湖泊等的蒸发过程皆可归结为水面蒸发。水面蒸发与地表实际蒸散发*大的区别在于前者下垫面供水充足，蒸发的速率大小与空气动力学过程和辐射过程尤为相关。此外，水面蒸发还与水体的性质（如深度、面积、盐度等）有密切关系，加之地球不同水体存在不同的冰冻期，水面蒸发的观测与模拟一直是蒸散发领域的研究难点，尤以湖泊蒸发为甚。尽管不同湖泊蒸发模型被广泛应用（Rosenberry et al.，2007；Ma et al.，2016），但其输入数据大多源自湖泊周围的陆地环境下的观测资料，难以代表水体的真实情况，而且不同蒸发模型的适用性差异较大。因此，近年来利用涡度相关系统或大孔径闪烁仪对湖泊蒸发进行观测研究成为学术界的热点，如美国明尼苏达州的White Bear Lake（Xiao et al.，2018），法国南部的托湖（Bouin et al.，2012），中国的太湖（Lee et al.，2014）、纳木错（Wang et al.，2017）、青海湖（Li et al.，2016）、色林错（Guo et al.，2019）、洱海（Liu et al.，2015）、鄂陵湖（Li et al.，2015）、鄱阳湖（Zhao and Liu，2018）等地皆有重要进展。这些研究不仅有助于揭示不同性质的湖泊蒸发特征及其机理，还为未来发展适合于湖泊环境的蒸发模型提供了有效的基础数据。
　　参 考 文 献
　　Allen M R，Ingram W J.2002.Constraints on future changes in climate and the hydrologic cycle.Nature，419：228-232.
　　Allen R G，Pereira L S，Raes D，et al.1998.Crop Evapotranspiration：Guidelines for Computing Crop Water Requirements.Rome：Food and Agriculture Organization of the United Nations.
　　Bouin M N，Caniaux G，Traullé O，et al.2012.Long-term heat exchanges over a Mediterranean lagoon.Journal of Geophysical Research：Atmospheres，117（D23）：D23104.
　　Brutsaert W.2005.Hydrology：An Introduction.Cambridge：Cambridge University Press.
　　Dalton J.1802.Experimental essays on the constitution of mixed gases，on the force of steam or vapor from waters and other liquids，both in the Torricellean vacuum and in air，on evaporation，and on the ex

目录
序一
序二
前言
第0章 绪论 1
参考文献 4
第1章 地表蒸散发的观测与估算原理概述 6
1.1 地表蒸散发的主要观测方法 6
1.1.1 蒸渗仪法 6
1.1.2 波文比能量平衡法 6
1.1.3 涡度相关法 7
1.1.4 闪烁通量仪法 8
1.1.5 热脉冲法 8
1.2 地表蒸散发的主要估算原理 8
1.2.1 水量平衡法 8
1.2.2 彭曼综合法 9
1.2.3 蒸散发互补法 10
1.3 本章小结 11
参考文献 11
第2章 蒸散发的遥感估算方法 14
2.1 基于地表能量平衡的蒸散发估算方法 14
2.1.1 一源模型 14
2.1.2 二源模型 16
2.2 植被指数?地表温度三角/梯形空间法 17
2.3 基于Priestley-Taylor公式的蒸散发估算方法 19
2.4 基于气孔导度的蒸散发估算方法 19
2.5 本章小结 22
参考文献 22
第3章 PML遥感蒸散发模型 25
3.1 模型的基本原理 25
3.2 PML-V1模型 26
3.2.1 植被蒸腾和土壤蒸发 26
3.2.2 冠层截留蒸发 28
3.3 PML-V2模型 30
3.4 模型的参数化方法 31
3.4.1 模型的主要参数 31
3.4.2 模型的参数率定方法 31
3.4.3 点?面尺度扩展方法 32
3.4.4 参数化方法在全球和中国的应用 33
3.5 PML模型的精度评价 34
3.5.1 PML模型验证与性能指标 34
3.5.2 评价结果和分析 34
3.6 模型的优点和局限性 39
3.7 本章小结 41
参考文献 41
第4章 遥感蒸散发估算方法的主要挑战 45
4.1 基于遥感地表温度的能量平衡方法 45
4.2 基于冠层导度蒸散发模型 46
4.3 遥感蒸散发方法面临的挑战 48
4.3.1 模型结构复杂性与参数化之间的平衡 48
4.3.2 尺度效应和尺度扩展 49
4.3.3 物理模型与机器学习方法的耦合 50
4.3.4 蒸散发趋势的研究 51
4.3.5 地块尺度应用 51
4.4 本章小结 52
参考文献 52
第5章 遥感蒸散发数据产品 54
5.1 典型的全球或区域遥感蒸散发数据产品 54
5.1.1 基于能量平衡的遥感蒸散发数据产品 54
5.1.2 基于P-M公式的遥感蒸散发数据产品 56
5.1.3 基于P-T公式的遥感蒸散发数据产品 58
5.1.4 地球系统数据同化蒸散发数据产品 60
5.1.5 基于蒸散发互补关系的蒸散发数据产品 61
5.1.6 基于机器学习的蒸散发数据产品 61
5.1.7 不考虑遥感和气象数据的直接融合数据产品 62
5.2 PML-V2蒸散发数据产品详细介绍 63
5.2.1 PML-V2全球陆地蒸散发数据产品 63
5.2.2 PML-V2中国陆地蒸散发数据产品 65
5.3 当前遥感蒸散发产品存在的问题 82
5.4 本章小结 83
参考文献 83
第6章 陆地蒸散发的时空变化及归因 91
6.1 全球陆地蒸散发及其组分的空间格局 91
6.2 全球陆地蒸散发及其组分的变化趋势 93
6.2.1 全球陆地蒸散发的变化趋势 93
6.2.2 全球陆地蒸散发组分的变化趋势 94
6.3 全球陆地蒸散发变化的归因 95
6.3.1 气候因素对全球陆地蒸散发的影响 95
6.3.2 下垫面变化对全球陆地蒸散发的影响 96
6.4 中国陆地蒸散发的变化趋势和归因 98
6.4.1 近20年中国陆地蒸散发及其组分的时空特征 98
6.4.2 1982～2016年青藏高原蒸散发的变化趋势和归因 100
6.5 本章小结 113
参考文献 114
第7章 基于遥感蒸散发的径流模拟和预测 118
7.1 PML遥感蒸散发模型与集总式水文模型的耦合 118
7.1.1 模型耦合原理 118
7.1.2 耦合模型的应用效果评价 120
7.2 基于PML遥感蒸散发的水文模型率定 130
7.2.1 模型率定方法 130
7.2.2 模型率定应用效果评价 130
7.3 本章小结 152
参考文献 153
第8章 基于遥感蒸散发的水文效应研究 158
8.1 植被变绿的水文效应研究 158
8.1.1 植被变绿对区域土壤水分的影响 158
8.1.2 植被变绿对地表径流的影响 162
8.1.3 植被变绿对径流信号的影响 166
8.2 森林大火的水文效应研究 172
8.2.1 森林大火对径流的影响 172
8.2.2 森林大火对水储量的影响 178
8.3 基于遥感蒸散发对区域水储量变化及归因的研究 180
8.3.1 研究区概况 180
8.3.2 研究数据与方法 180
8.3.3 主要结果 183
8.4 本章小结 185
参考文献 186
第9章 基于遥感蒸散发的干旱研究 191
9.1 典型干旱指数的定义和方法 191
9.1.1 典型气象干旱指数 191
9.1.2 典型农业干旱指数 192
9.1.3 典型水文干旱指数 192
9.2 基于遥感蒸散发的干旱指数 193
9.2.1 基于遥感蒸散发的综合干旱指数构建 193
9.2.2 基于遥感蒸散发的改进型干旱指数（MDI）构建 194
9.2.3 基于遥感蒸散发的干旱指数应用及与传统干旱指数的对比研究 195
9.3 不同类型干旱传递规律研究 209
9.3.1 基于游程理论的气象?农业?水文干旱传递规律框架 210
9.3.2 黄河流域气象?农业?水文干旱传递规律 211
9.3.3 海河流域气象?农业?水文干旱传递规律 216
9.4 本章小结 221
参考文献 222
第10章 基于遥感蒸散发的作物耗水规律研究 228
10.1 作物耗水规律的研究背景和方法 228
10.1.1 作物耗水规律研究涉及的基本概念 228
10.1.2 作物耗水规律的估算方法 229
10.2 基于遥感蒸散发的区域作物耗水规律研究 232
10.2.1 中国主要粮食作物的空间分布和时间动态 232
10.2.2 中国主要粮食作物耗水的演变特征 234
10.2.3 中国主要粮食作物灌溉需水量的时空演变特征 238
10.3 基于遥感蒸散发的中国主要粮食作物用水亏缺量的归因分析 242
10.3.1 中国主要粮食作物用水亏缺量的季节性差异 243
10.3.2 中国主要粮食作物用水亏缺量的时空变化趋势 246
10.3.3 中国主要粮食作物用水亏缺量的主要驱动因子 249
10.4 本章小结 252
参考文献 253
第11章 遥感蒸散发的应用前瞻 258
11.1 大尺度水文特征变化与归因 258
11.1.1 气候变化下的陆地水循环演变 258
11.1.2 极端水文事件的变化 260
11.1.3 植被变化与水文循环的关系 261
11.2 无资料或资料稀缺地区的水文模拟和预测 261
11.2.1 径流模拟和预测 262
11.2.2 地下水及水储量变化的模拟和预测 263
11.3 水旱灾害监测与中短期预测 263
11.3.1 通过遥感蒸散发提升干旱灾害的监测能力 264
11.3.2 遥感蒸散发与干旱预报 264
11.3.3 遥感蒸散发与洪水预测和预报 265
11.4 其他方面 265
11.5 本章小结 267
参考文献 267
附录：全书主要变量列表 271