基于MOD16產(chǎn)品的塔里木河流域 蒸散量時(shí)空分布特征

艾力亞·艾尼瓦爾，玉米提·哈力克，買爾當(dāng)·克依木，艾薩迪拉·玉蘇甫

(新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 / 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046)

0 引 言

氣候變暖導(dǎo)致地球熱量平衡失調(diào)，影響了全球水資源的優(yōu)化調(diào)配，改變蒸散量時(shí)空分布格局，直接影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展[1,2]。蒸散(Evapotranspiration,ET)作為地表能量平衡和水分狀況的關(guān)鍵參數(shù)，也是水循環(huán)中最直接受土地利用和氣候變化影響的重要因素，分析其時(shí)空變化趨勢(shì)及其對(duì)氣候變化和人類干擾的響應(yīng)，對(duì)深入理解全球水循環(huán)和氣候演變過(guò)程具有重要的理論和實(shí)踐意義[3,4]。ET分為實(shí)際蒸散(AET, Actual Evapotranspiration)和潛在蒸散(PET, Potential Evapotranspiration)。AET是指發(fā)生在土壤和植被表層實(shí)際被蒸發(fā)的水分量，也包括植物表面和體內(nèi)的水分蒸騰，是決定土壤—植被—大氣系統(tǒng)中能量、水分交換的主要途徑，也是衡量水分變化的客觀變量。PET是指在有充分供水條件下陸面可能達(dá)到的最大蒸發(fā)量，在干旱區(qū)決定該地區(qū)氣候變化和水資源時(shí)空分布的重要指標(biāo)[5,6]。

由于不同下墊面會(huì)體現(xiàn)不同的物理特性，蒸散的觀測(cè)與定量分析較為復(fù)雜，所以傳統(tǒng)計(jì)算方法均以“點(diǎn)”位的觀測(cè)資料為基礎(chǔ)在小尺度上開(kāi)展了研究[7]，而較大區(qū)域范圍進(jìn)行蒸散觀測(cè)成本高、難以獲取長(zhǎng)期連續(xù)的觀測(cè)結(jié)果，數(shù)據(jù)代表性和可比性差，缺乏對(duì)整個(gè)流域系統(tǒng)實(shí)際蒸散量的總體認(rèn)識(shí)，使得傳統(tǒng)的局地小尺度研究方法很難直接外推到中、大尺度區(qū)域[8,9]。相對(duì)于傳統(tǒng)的蒸散估算方法，遙感技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)區(qū)域能量平衡和水分狀況已成為一種成熟的研究手段。它具有較好的時(shí)效性和區(qū)域性特點(diǎn)，為大尺度非均勻地表蒸散研究提供了新途徑，可以使蒸散的計(jì)算在時(shí)空尺度上擴(kuò)展研究[10,11]。最近國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于蒸散的研究已獲得卓越的成果[12]。童瑞等運(yùn)用Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)方法和Budyko水分能量平衡公式，分析了AET、PET、蒸散率和干燥指數(shù)的時(shí)空變化趨勢(shì)[13]；胡珊珊等利用Penman-Monteith公式和Budyko假設(shè)的傅抱璞公式，對(duì)PET和AET的變化特征進(jìn)行對(duì)比研究，并初步分析了AET、PET與降水的關(guān)系[14]；張長(zhǎng)春等融合TM和NOAA遙感數(shù)據(jù)，利用SEBS模型獲取了黃河三角洲地表ET的區(qū)域分布信息[15]；田國(guó)良等利用AVHRR數(shù)據(jù)和氣象站資料估算了麥田的蒸散量分布特征[16]；李寶福等基于SEBAL模型估算塔里木河干流區(qū)ET，并對(duì)各土地利用(覆被)類型的ET進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析[17]。2011 年美國(guó)NASA研究團(tuán)隊(duì)在MODIS 遙感數(shù)據(jù)蒸散反演算法上取得了重要成果，并通過(guò)NASA地球觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)布了全球MODIS 陸地蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)(MOD16)[18,19]，該數(shù)據(jù)通過(guò)了全球通量塔站臺(tái)的檢驗(yàn)，模擬精度達(dá)到86%，具有高時(shí)間分辨率以及免費(fèi)獲取等特點(diǎn)，能夠提供地表蒸散量的特征參數(shù)。目前，MODIS 作為新一代資源衛(wèi)星傳感器在研究典型生態(tài)系統(tǒng)蒸散時(shí)空分布以及變化趨勢(shì)時(shí)有一定的優(yōu)勢(shì)。如我國(guó)白洋淀流域[14]、鄱陽(yáng)湖流域[20]、三江平原[21]、陜西省[22]、漢江流域[23]等分別在站點(diǎn)尺度和區(qū)域尺度上檢驗(yàn)了MOD16 產(chǎn)品在我國(guó)的應(yīng)用精度[24]，并深入討論我國(guó)2000-2014年的ET時(shí)空格局和驅(qū)動(dòng)因素。

塔里木河流域氣候干燥、降水少、蒸散大，水資源短缺是該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保育的瓶頸[25,26]；長(zhǎng)期處于饑渴狀態(tài)的區(qū)域環(huán)境對(duì)水循環(huán)的變化極其敏感，而蒸散是影響水循環(huán)過(guò)程的關(guān)鍵因素[27]?？茖W(xué)預(yù)測(cè)塔里木河流域地表蒸散量變化趨勢(shì)，不僅有利于加深該區(qū)域生態(tài)環(huán)境與氣候變化的認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)水資源評(píng)價(jià)及合理開(kāi)發(fā)利用、旱澇氣候監(jiān)測(cè)與預(yù)警等方面具有重要意義[28]?；诖?，本文以塔里木河流域?yàn)檠芯堪袇^(qū)，以2000-2014年1 km 空間分辨率的MOD16 產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源，在年、月時(shí)間尺度上對(duì)塔里木河流域地表AET和PET的時(shí)空格局特征進(jìn)行深入分析，以期揭示地表AET和PET的變化規(guī)律，為“一帶一路”樞紐區(qū)水資源可持續(xù)管理與水分高效利用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

塔里木河流域(34°20′-43°39′N, 71°39′-93°45′ E)四周高山環(huán)繞，地勢(shì)西高東低(見(jiàn)圖1)，整個(gè)流域涵蓋了南疆5地州，總面積約102 萬(wàn)km2，人口971 萬(wàn)人[29]。流域包括塔里木盆地周圍向心聚流的9大水系，多年平均水資源總量為430.2 億m3，其中地表水資源量為409.9 億m3，地下水與地表水不重復(fù)量為20.4 億m3[30]。塔里木河流域多年平均降水總量為1.164 3×1011m3，占全疆降水總量的45.3%(流域面積占全疆總面積的60%)，降水量呈現(xiàn)出北多南少，西多東少的特點(diǎn)，且山地多于平原。山區(qū)年平均降水量250～500 mm，平原年平均降水量20～80 mm[31]。日照時(shí)間充足、降水量少[32]、地表熱量豐富、極端干旱[33]，年平均氣溫約為7～14 ℃。由于特殊的地理位置、地形和氣候條件的影響，植被覆蓋率低，沙漠戈壁和裸地面積大，使其生態(tài)系統(tǒng)比較敏感，生態(tài)環(huán)境十分脆弱[34]。

圖1 研究區(qū)土地利用(土地覆蓋)空間分布Fig.1 The spatial distribution of land use/cover of the study area

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

MOD16蒸散產(chǎn)品下載地址為http:∥www.ntsg.umt.edu/project/mod16。根據(jù)MOD16產(chǎn)品數(shù)據(jù)軌道號(hào)的排列規(guī)律及研究區(qū)所在地理位置，選擇的衛(wèi)星軌道號(hào)為h26v05和h27v05，其中涵蓋了塔里木河流域2000-2014年共15 a的數(shù)據(jù)。MOD16產(chǎn)品包括全球植被覆蓋區(qū)域的月、年時(shí)間尺度的蒸散量(AET)、潛在蒸散量(PET)，空間分辨率為1 km。借助于NASA提供的MRT (MODIS Reprojection Tool) 投影轉(zhuǎn)換工具將原始的數(shù)據(jù)格式(HDF，Hierarchical Data Format)轉(zhuǎn)換為 GeoTiff 格式，將SIN投影轉(zhuǎn)為WGS-1984/Geographic 經(jīng)緯坐標(biāo)系，并進(jìn)行圖像空間拼接。根據(jù)下載網(wǎng)站提供的數(shù)據(jù)使用說(shuō)明，剔除數(shù)據(jù)中的無(wú)效值并還原真實(shí)值。最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量裁剪并獲取研究區(qū)各年、月AET和PET值。

為了檢驗(yàn)塔里木河流域MOD16蒸散量的準(zhǔn)確性，選取位于塔里木河流域內(nèi)的巴音布魯克、巴倫臺(tái)、大山口、和靜、庫(kù)車、喀什、和田等13個(gè)氣象觀測(cè)站的2000-2004年月時(shí)間序列的實(shí)際蒸發(fā)皿ET數(shù)據(jù)與 MOD16-PET數(shù)據(jù)在“點(diǎn)”尺度上進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 方 法

ET年際變化評(píng)估指標(biāo)[35,36]借鑒線性傾向估計(jì)計(jì)算每個(gè)像元2000-2014 年的ET時(shí)間線性傾向率(S):

式中：S為線性傾向值；n為年序列總長(zhǎng)度(n=15)；i為具體計(jì)算年份；ETi為第i年的MOD16-AET/PET；S為負(fù)表示隨時(shí)間i的增加，ET變化處于減少趨勢(shì)，S為正表示隨時(shí)間i的增加，ET變化處于增加趨勢(shì)[35]。

3 結(jié)果與分析

3.1 MOD16產(chǎn)品精度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)區(qū)域蒸散量的準(zhǔn)確性，在研究區(qū)內(nèi)15個(gè)基本氣象站中(見(jiàn)圖1)選取有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的13個(gè)氣象觀測(cè)站的2000-2004 年月時(shí)間序列的小型蒸發(fā)皿ET數(shù)據(jù)在“點(diǎn)”尺度上進(jìn)行精度驗(yàn)證。在干旱半干旱地區(qū)，決定蒸發(fā)皿蒸發(fā)和實(shí)際蒸發(fā)的主要因素是能量，水分是次要因素。因此，兩者以相反的變化趨勢(shì)為主[37,38]。PET表示的是有充分供水條件下陸面可能達(dá)到的最大蒸散量。從而可知，通過(guò)蒸發(fā)皿ET與MOD16-PET的相關(guān)性來(lái)檢驗(yàn)MOD16蒸散產(chǎn)品在塔里木河流域內(nèi)的可用性是可行的。

從圖2可以看出蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)ET和MOD16-PET的擬合效果較好，總體上呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.81。結(jié)果表明MOD16 地表蒸散產(chǎn)品在研究區(qū)范圍內(nèi)的精度良好，可以用于分析和探討塔里木河流域地表蒸散量的時(shí)空變化研究。

圖2 潛在蒸散量與氣象站月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between MOD16-PET product and monthly ET at meteorological stations

3.2 平均AET 、PET的時(shí)間分布特征

2000-2014年塔里木河流域地表AET、PET年際波動(dòng)不大，AET波動(dòng)范圍為306.54～383.77 mm，多年平均AET值為345.04 mm；PET波動(dòng)范圍為1 551.97～1 744.85 mm，多年平均PET值為1 641.52 mm。年AET波動(dòng)最為突出的年份是2012年和2008年，相對(duì)變化率分別為10.09%和-12.56%。年P(guān)ET波動(dòng)最為突出的年份是2007年和2003年，相對(duì)變化率分別為5.92%和-5.77%(見(jiàn)圖3)。AET為地表實(shí)際蒸散量，PET為一定氣象條件下水分供應(yīng)不受限制時(shí)的最大蒸發(fā)蒸騰量，AET與PET的差距可以說(shuō)明地表的缺水情況，也就是干旱程度。從圖3中可以看出，AET與PET差距之大，說(shuō)明塔里木河流域整體上缺水，干旱。

圖3 2000-2014年塔里木河流域AET、PET不同年月變化Fig.3 Annual and monthly variations of AET and PET in Tarim River basin during 2000-2014

塔里木河流域地表AET、PET年內(nèi)分布處于先增大后減少的單峰形變化趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在7月(見(jiàn)圖3)。AET、PET都比較集中在4-9月，10 -次年3月變動(dòng)波動(dòng)比較平緩，平均AET值約24.34 mm，PET值約81.99 mm，4-7 月處于快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，7月達(dá)到最高值，分別為62.62 mm 和215.80 mm，8 月份開(kāi)始迅速下降，12月處于最小值，分別為22.69 mm 和67.21 mm。7月AET與PET差距較大，說(shuō)明塔里木河流域在7月處于最干旱狀態(tài)。按季節(jié)來(lái)看，春季即3-5月AET和PET處于增加趨勢(shì)，夏季氣溫達(dá)到最高值，因此6月份開(kāi)始都迅速增長(zhǎng)，秋季即9-11月降水量減少、氣溫下降，兩者隨之處于急劇減少趨勢(shì)，到了冬季處于最低值，12-次年2月保持最低值，無(wú)明顯的變化。夏季兩者之間的差距最大，此時(shí)研究區(qū)最干旱、缺水。

3.3 平均ET 、PET的空間分布特征

根據(jù)圖4所示，塔里木河流域2000-2014年平均AET與PET具有明顯的空間分布差異，兩者空間分布格局體現(xiàn)出從盆地中心往外環(huán)狀分布的特征，且AET與PET值的增減分布正好相反。多年平均AET波動(dòng)范圍為48.4～790.8 mm，PET波動(dòng)范圍為684.6～2 630.9 mm。流域外圍天山山脈、阿爾金山、昆侖山、帕米爾高原等邊疆山區(qū)AET值明顯高于平原綠洲地區(qū)，為248～786.6 mm，PET值比較低，為684.6～1 466.4 mm。環(huán)塔里木盆地的尉犁綠洲、渭干河綠洲、阿克蘇綠洲、喀什綠洲、葉爾羌綠洲及和田綠洲區(qū)AET值均比較低，為48～248 mm，PET值較高，為1 466.4～2 630.9 mm。由于MOD16產(chǎn)品覆蓋范圍為有植被區(qū)域，所以在圖4中塔克拉瑪干沙漠腹地、東部大范圍荒漠戈壁區(qū)域、南部喀喇昆侖山山脈帶狀山麓地帶等沒(méi)有植被區(qū)域?yàn)榭瞻?，沒(méi)有數(shù)據(jù)。

圖4 塔里木河流域年平均AET、PET空間分布Fig.4 The spatial distribution of mean annual AET and PET of Tarim River basin

根據(jù)AET與PET的相反關(guān)系可以看出，流域北部天山山脈、阿爾金山、昆侖山、帕米爾高原等邊疆山區(qū)水分比較充足，而環(huán)塔里木盆地的綠洲區(qū)域干旱缺水。圖5為塔里木河流域4季多年平均AET、PET空間分布圖，從圖5中可以看出，AET各季節(jié)空間分布具有明顯的差異性。4季AET的大小關(guān)系為：夏>春>秋>冬，春季(3-5月)為3.5～212.9 mm，平均值為100.2 mm；夏季(6-8月)為9～386.3 mm，平均值為134.06 mm；秋季(9-11月)為7.4～178.1 mm，平均值為77 mm；冬季(12-2月)為27～111.4 mm，平均值為67.55 mm。AET在夏季最高，其次為春季、秋季，冬季最少。春季氣溫慢慢升高、降水量逐漸增多、植被返青，AET也隨之升高。夏季氣溫達(dá)到最高值，受西風(fēng)氣流的影響，水汽來(lái)源充沛，使得降雨量大、太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，不同地貌類型的AET達(dá)到最大值，因此，AET比其他季節(jié)較大。夏季雖然北部天山山脈的氣溫較低，但河流水量充沛、風(fēng)速大、土壤含水量高、植被處于生長(zhǎng)期、蒸騰和蒸發(fā)作用旺盛，再加上高山融雪而引起的徑流增加為地表AET提供了充分條件，因此，沿北部天山區(qū)域AET仍保持高水平。秋季氣溫開(kāi)始下降、降水減少、植被處于衰敗階段，地表AET比夏季相對(duì)較少，在此期間AET最高值同樣出現(xiàn)在流域外圍的天山、阿爾金山、昆侖山、帕米爾高原等邊疆山區(qū)，跟春季AET空間分布一致。冬季AET明顯減少，在前3季均為高值的北部天山山脈轉(zhuǎn)變?yōu)榈椭担胁康钠皆c山區(qū)的過(guò)渡帶、博斯騰湖流域、尉犁綠洲以及渭干河綠洲等區(qū)域AET相反較高。主要的原因是，冬季在北部山區(qū)的氣溫比中部低得多，植被量少，河流處于枯水期，沒(méi)有良好的蒸發(fā)條件，導(dǎo)致AET顯著減少。

圖5 塔里木河流域不同季節(jié)平均AET、PET空間分布Fig.5 The spatial distribution of AET and PET in different seasons in Tarim River basin

3.4 地表ET、PET的變化趨勢(shì)分析

圖6表示，近15 a來(lái)塔里木河流域地表AET、PET變化趨勢(shì)空間分布情況。從圖6中可以看出，AET在博斯騰湖、開(kāi)都河流域、渭干河綠洲、阿克蘇綠洲、喀什綠洲及葉爾羌綠洲部分地區(qū)有明顯增加趨勢(shì)，面積約占總面積的3%；沿昆侖山一帶和塔里木盆地外緣水資源豐富的綠洲區(qū)有輕微增加或者基本不變趨勢(shì)，面積約占22%和28%；北部位于天山山脈的巴音布魯克草原、西北邊的天山山脈有減少趨勢(shì)，輕微減少和嚴(yán)重減少區(qū)域面積約占總面積的23%和24%。PET在位于天山南部的巴音布勒克草原以及塔里木河中游尉犁綠洲等區(qū)域有明顯增加趨勢(shì)，面積約占總面積的19%；天山西部、開(kāi)都河流域、渭干河綠洲和阿爾金山等區(qū)域有輕微增加或者基本不變趨勢(shì)，約占總面積的21%和25%；在環(huán)塔里木盆地的綠洲城市如阿克蘇市、喀什市、和田市沿線綠洲和昆侖山北坡山前荒漠草原等區(qū)域有減少趨勢(shì)，輕微減少和嚴(yán)重減少區(qū)域面積約占總面積的29%和6%。塔里木河流域多年AET總體上處于基本不變趨勢(shì)，基本不變的區(qū)域面積約占總面積的28%；PET處于輕微減少趨勢(shì)，約占總面積的 29%。按增加或減少的趨勢(shì)所占的面積來(lái)看，AET有增加趨勢(shì)的區(qū)域面積明顯小于有減少趨勢(shì)的區(qū)域面積，PET有減少趨勢(shì)的區(qū)域面積小于有增加趨勢(shì)的區(qū)域面積，區(qū)域AET減少趨勢(shì)和PET增加趨勢(shì)表明該區(qū)域干旱加重[39]。

圖6 塔里木河流域年際與不同季節(jié)AET、PET變化趨勢(shì)Fig.6 The variation trend of annual and seasonal AET and PET in Tarim River basin during 2000-2014

4 結(jié) 論

本文利用MOD16產(chǎn)品，對(duì)新疆2000-2014年期間地表AET、PET時(shí)空變化格局及其變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步揭示兩者之間的關(guān)系。主要結(jié)論如下：

(1)2000-2014 年塔里木河流域地表AET、PET年際波動(dòng)不大，AET波動(dòng)范圍為306.54～383.77 mm，多年平均AET值為345.04 mm；PET波動(dòng)范圍為1 551.97～1 744.85 mm，多年平均PET值為1641.52 mm。塔里木河流域地表AET與PET之差較大，說(shuō)明該流域整體上缺水，干旱。地表AET、PET年內(nèi)分布處于先增大后減少的單峰形變化趨勢(shì)，峰值位于7月。AET、PET都比較集中在4-9月，10 -次年2 月份變動(dòng)波動(dòng)比較平緩，峰值位于7月，分別為62.62 mm 和215.80 mm，12月處于最小值，分別為22.69 mm 和67.21 mm。7月AET與PET之間的差距最大，說(shuō)明塔里木河流域在7月處于最干旱狀態(tài)。

(2)塔里木河流域2000-2014 年平均AET、PET具有明顯的空間分異特征，兩者空間分布格局體現(xiàn)出以塔里木盆地為中心，環(huán)狀分布的特征，且AET、PET值的增減分布正好相反。流域外圍的天山山脈、阿爾金山、昆侖山、帕米爾高原等邊疆山區(qū)AET值明顯高于平原綠洲地區(qū)，為248～786.6 mm，而PET值比較低，為684.6～1 466.4 mm，表明山區(qū)水分比較充足。環(huán)塔里木盆地的尉犁綠洲、渭干河綠洲、阿克蘇綠洲、喀什綠洲、葉爾羌綠洲及和田綠洲區(qū)ET值均比較低，為48～248 mm，而PET值較高，為1 466.4～2 630.9 mm，表明綠洲平原地區(qū)水分條件差，干旱缺水特征明顯。

(3)從 2000-2014年間塔里木河流域地表AET、PET變化趨勢(shì)來(lái)看，AET總體上處于基本不變趨勢(shì)，基本不變的區(qū)域面積約占總面積的28%；PET處于輕微減少趨勢(shì)，約占總面積的29%。按增加或減少的趨勢(shì)所占的面積來(lái)看，AET有增加趨勢(shì)的區(qū)域面積小于有減少趨勢(shì)的區(qū)域面積，PET有減少趨勢(shì)的區(qū)域面積小于有增加趨勢(shì)的區(qū)域面積，區(qū)域AET減少趨勢(shì)和PET增加趨勢(shì)表明該區(qū)域干旱加重。

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