基于MODIS數(shù)據(jù)的柴達(dá)木盆地區(qū)域蒸散量的變化特征

金曉媚，郭任宏，夏 薇

（中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083）

地表的蒸發(fā)和植被的蒸騰共同構(gòu)成蒸散(Evapotranspiration，ET)。蒸散是大氣－植被－土壤中能量交換的主要途徑［1］。研究區(qū)域蒸散的時(shí)空分布特征不僅是了解區(qū)域生態(tài)水文過程的基礎(chǔ)，也對深入認(rèn)識地表能量平衡和區(qū)域水循環(huán)具有重要意義［2］。

Penman-Monteith 公 式［3～4］、波文比能量平衡法［5］、空氣動力學(xué)法［6］等是傳統(tǒng)估算蒸散發(fā)的方法，主要通過點(diǎn)上計(jì)算再推算至區(qū)域。對于大尺度的非均質(zhì)地表，這些以點(diǎn)代面的計(jì)算方法誤差較大，很難滿足精度上的要求。隨著近年來遙感技術(shù)的迅猛發(fā)展，應(yīng)用遙感技術(shù)估算區(qū)域蒸散發(fā)的方法已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。由于遙感數(shù)據(jù)可以綜合反映地表覆蓋的空間分布狀況，因此，將遙感數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測的水文氣象數(shù)據(jù)相結(jié)合，用于估算區(qū)域蒸散發(fā)的方法具有明顯的優(yōu)越性。

雖然國內(nèi)利用遙感技術(shù)計(jì)算區(qū)域蒸散發(fā)起步較晚，但是很多學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究工作。吳炳方等［7～8］提出了將 Penman-Monteith 公式和余項(xiàng)法相結(jié)合的ETWatch方法，將晴天的阻抗格局?jǐn)U展至有云日，利用逐日的氣象數(shù)據(jù)，重建了日蒸散量的時(shí)間序列。并進(jìn)一步提出不同尺度遙感數(shù)據(jù)蒸散量計(jì)算中的數(shù)據(jù)融合方法。莫興國等［9］應(yīng)用MODIS數(shù)據(jù)對華北平原的區(qū)域蒸散及GPP進(jìn)行了模擬，并分析了其對氣候波動的影響。馬寧等［10］利用14個氣象站近50年來的逐日氣象資料，以Penman-Monteith模型為基礎(chǔ)，結(jié)合ArcGIS空間差值，分析了黑河流域蒸散量的空間分布及時(shí)間變化特征；李發(fā)鵬等［11］基于MODIS數(shù)據(jù)，應(yīng)用表面能量平衡(SEBS)模型，對黃河三角洲的區(qū)域陸面蒸散發(fā)量進(jìn)行了估算，分析了區(qū)域蒸散發(fā)量的時(shí)空分布特征；王艷君等［12］分別應(yīng)用區(qū)域蒸散互補(bǔ)關(guān)系原理AA模型和全球海氣耦合模式ECHAM5/MPIOM，估算了長江流域近47年的實(shí)際蒸發(fā)量，并對兩種方法估算的結(jié)果進(jìn)行時(shí)間序列分析及對比，揭示了長江流域區(qū)域蒸散發(fā)的變化趨勢；馬宏偉等［13］基于MODIS數(shù)據(jù)，利用SEBAL模型對石羊河流域2004年不同時(shí)期的日蒸發(fā)蒸騰量進(jìn)行了計(jì)算，分析了流域蒸散發(fā)的時(shí)空分布特征。

柴達(dá)木盆地地處高原干旱區(qū)，由于自然條件惡劣，交通不便，因此研究工作程度較低。本文以柴達(dá)木盆地及8個水資源三級區(qū)為研究區(qū)域，基于MODIS數(shù)據(jù)，對區(qū)域蒸散發(fā)進(jìn)行了估算研究，并對其影響因素進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)概況

柴達(dá)木盆地為高原型盆地，地處青海省西北部，地理位置90°16'～99°16'E、35°00'～ 39°20'N 之間。盆地略呈三角形，北西西－南東東方向延伸，東西長約800km，南北寬約300km，面積276233 km2，為中國四大內(nèi)陸盆地之一。盆地地勢西高東低，西寬東窄。四周高山環(huán)繞，南面是昆侖山脈，北面是祁連山脈，西北是阿爾金山脈，東為日月山，為封閉的內(nèi)陸盆地。盆地內(nèi)大面積由荒漠覆蓋。盆地植被屬荒漠半荒漠植被，分布德令哈、察汗烏蘇、香日德、諾木洪、格爾木等綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，使得柴達(dá)木盆地在青海的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中具有舉足輕重的地位［14］。

柴達(dá)木盆地屬高原大陸性氣候，具有典型的荒漠氣候特征，寒冷、干燥、富日照、太陽輻射強(qiáng)、多風(fēng)，并以干旱為其主要特點(diǎn)。柴達(dá)木盆地南部降水多在100～300mm，西部降水僅25mm左右；四周山區(qū)年降水量一般在200mm以上，而盆地中心地帶不足25mm；降水分布具有由東南向西北、由四周山區(qū)向盆地中心遞減的趨勢特征。地表徑流的分布趨勢與降水一致。

由于柴達(dá)木盆地中有多條河流和多個匯水中心，各個匯水區(qū)之間水文地質(zhì)狀況不同，水資源及利用狀況也有差異。因此根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水文氣象、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的差異，以水系為單位進(jìn)行水資源分區(qū)，將柴達(dá)木盆地本次共劃分為8個水資源三級區(qū):哈爾騰河蘇干湖區(qū)、茫崖冷湖區(qū)、魚卡河大小柴旦區(qū)、巴音河德令哈區(qū)、都蘭河希賽區(qū)、那棱格勒烏圖美仁區(qū)、格爾木區(qū)、柴達(dá)木河都蘭區(qū)(圖1)。

圖1 柴達(dá)木盆地8個水資源區(qū)及氣象站位置圖Fig.1 Location of meteorological stations and hydrological subregions in Qaidam basin

2 方法及數(shù)據(jù)

2.1 計(jì)算方法

表面能量平衡系統(tǒng)(Surface Energy Balance System，SEBS)是由荷蘭科學(xué)家 Z.Bob.Su 等［15～16］開發(fā)的應(yīng)用衛(wèi)星對地觀測的可見光、近紅外和熱紅外波段資料，結(jié)合氣象站實(shí)測數(shù)據(jù)，估算地表相對蒸散的方法。

表面能量平衡可表達(dá)為:

式中:Rn——凈輻射通量；

G——土壤熱通量；

H——顯熱通量；

λE——潛熱通量(地表蒸發(fā)所用能量)。λ是水的汽化熱，表示一定體積的水通過蒸散

發(fā)從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)所需的能量，E為水蒸散通量。

SEBS模型中日蒸散量為:

式中:Ed——日蒸散量；

ρw——水的密度。

2.2 數(shù)據(jù)

計(jì)算區(qū)域蒸散量選用的遙感數(shù)據(jù)是中等分辨率的MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)數(shù)據(jù)，主要包括地表反射率產(chǎn)品、空間分辨率為500 m的MOD09數(shù)據(jù)，以及地表比輻射率與地表溫度產(chǎn)品、空間分辨率為1000 m的MOD11數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于美國 NASA 網(wǎng)站(http://reverb.echo.nasa.gov/reverb/)。為了研究中數(shù)據(jù)的一致性，將MODIS地表反射率、地表比輻射率與地表溫度數(shù)據(jù)在ENVI軟件中進(jìn)行投影變換與重采樣，地理坐標(biāo)系為ENVI中的Geographic Lat/Lon，像元大小為0.005°(約為500 m)。將地表反射率(波段1～7)、地表比輻射率、地表溫度共9個波段按順序疊加在一起，形成輸入數(shù)據(jù)集文件。本文選取了2001～2011年共計(jì)3036景MODIS數(shù)據(jù)用于計(jì)算蒸散發(fā)量。

SEBS模型中使用到的相關(guān)地形數(shù)據(jù)，包括地表高程、坡向和坡度，其中坡向和坡度可以由地表高程數(shù)據(jù)通過數(shù)字地形分析得到。為了反映區(qū)域地形的空間變化特征，研究中選用了空間分辨率達(dá)到90 m的SRTMDEM數(shù)據(jù)。

GLDAS(the Global Land Data Assimilation System)是基于地表信息系統(tǒng)，結(jié)合大量地表觀測數(shù)據(jù)，全球尺度的多重地表模型。其空間分辨率為0.25～1 km。GLDAS數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為3小時(shí)，同時(shí)，擁有基于3小時(shí)分辨率的月均地表觀測值。GLDAD數(shù)據(jù)下載于美國NASA水文數(shù)據(jù)及信息服務(wù)中心(http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/hydrology/data-holdings)。GLDAS數(shù)據(jù)有22個波段，本文計(jì)算蒸散量選用的是19～22的4個波段，分別為相對濕度、風(fēng)速、氣溫和氣壓波段。應(yīng)用2001～2011年間共計(jì)132幅GLDAS數(shù)據(jù)來估算區(qū)域蒸散量。

3 結(jié)果與分析

3.1 區(qū)域蒸散量分布特征

通過模型計(jì)算，柴達(dá)木盆地2001～2011年的年蒸散量分別為:72.73mm、73.94mm、78.06mm、84.53mm、 143.93mm、 123.17mm、 135.11mm、144.79mm、170.12mm、169.16mm、182.34mm。其空間分布見圖2。

圖2 柴達(dá)木盆地2001～2011年蒸散量分布圖Fig.2 Annual ET distribution of Qaidam basin during 2001 ～2011

從圖2中可以看出，盆地中部主要為荒漠，其實(shí)際蒸散量相對較低；盆地南部和東部主要有植被覆蓋，其蒸散量相對較高；湖即水體的蒸散量最高。2001～2011年間柴達(dá)木盆地的區(qū)域蒸散量呈逐年上升趨勢(圖3)，從2001年的72.73 mm增加至2011年的182.34 mm，年均增長率為12mm。

圖3 柴達(dá)木盆地2001～2011年蒸散量變化趨勢圖Fig.3 Annual ET variation of Qaidam basin during 2001～2011

經(jīng)過對柴達(dá)木盆地8個水文區(qū)的區(qū)域蒸散量計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，都蘭河希賽區(qū)的年蒸散量最大，2011年達(dá)到266.80 mm；茫崖冷湖區(qū)的年蒸散量最小，2011年為145.95 mm(圖4)。盆地8個水資源區(qū)蒸散量按由大到小的順序排列為:都蘭河希賽區(qū)、柴達(dá)木河都蘭區(qū)、格爾木區(qū)、巴音河德令哈區(qū)、哈爾騰河蘇干湖區(qū)、魚卡河大小柴旦區(qū)、那棱格勒河烏圖美仁區(qū)、茫崖冷湖區(qū)?？傮w上看，植被覆蓋和降水量對蒸散量的影響較大，盆地東部的降水量較大，植被覆蓋率較高；而盆地西部主要為荒漠，植被覆蓋率較低，降水量很小，所以盆地東部區(qū)域的蒸散量高于盆地西部。

圖4 柴達(dá)木盆地8個水資源區(qū)蒸散量變化趨勢圖Fig.4 ET variation of 8 hydrological subregions in Qaidam basin

3.2 蒸發(fā)系數(shù)的確定

由于氣象站蒸發(fā)皿觀測的蒸發(fā)量為水面蒸發(fā)，觀測值相對較高。本次研究統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)內(nèi)2001～2011年格爾木、烏蘭、都蘭、諾木洪、小灶火、冷湖、大柴旦、德令哈等8個氣象站實(shí)測的月蒸發(fā)量值，與SEBS模型計(jì)算的蒸散量值建立相關(guān)性分析(圖5)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，兩者具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.597。盆地氣象站實(shí)測的蒸發(fā)量值與實(shí)際蒸散量值的換算系數(shù)為0.12，即柴達(dá)木盆地的蒸發(fā)系數(shù)為0.12。

圖5 柴達(dá)木盆地氣象站觀測月蒸發(fā)量與SEBS模型計(jì)算月蒸散量的關(guān)系Fig.5 Relationship between SEBS ET and pan observed evaporation of Qaidam basin

3.3 區(qū)域蒸散量的影響因素

3.3.1 氣象因素

圖6 月蒸散量與氣象因素的相關(guān)性關(guān)系圖Fig.6 Correlation between monthly ET and meteorological factors

在干旱區(qū)，氣候?qū)^(qū)域蒸散量的影響較為明顯，特別是氣溫、降水、風(fēng)速和相對濕度的影響較大。因此，本次研究采用茫崖、格爾木、烏蘭、都蘭、諾木洪、小灶火、冷湖、大柴旦、德令哈等9個氣象站的資料求取2001～2011年每月的平均氣溫、降水、風(fēng)速、相對濕度，與每月對應(yīng)的蒸散量建立相關(guān)性分析(圖6)。

從結(jié)果中可以看出，柴達(dá)木盆地的蒸散量與氣溫的相關(guān)性最高，R2達(dá)到0.799；與降水的相關(guān)性也較好，R2為0.656，即盆地蒸散量隨著氣溫和降水的增加而增加；但是盆地蒸散量與風(fēng)速的相關(guān)性較小，R2為0.123，總體趨勢是隨著風(fēng)速的增加，蒸散量呈增加的趨勢；蒸散量與相對濕度有一定的相關(guān)性，但是相關(guān)性不明顯，R2為0.457。

3.3.2 用地類型

通過統(tǒng)計(jì)，不同用地類型(水體、裸土、稀疏灌木、中等覆蓋灌木、草場、農(nóng)田)的蒸散量見圖7。其中，水體的蒸散量最大，達(dá)2.31 mm/d，而裸土及沙地的蒸散量最小，為0.24 mm/d。稀疏灌木、中等覆蓋灌木、草場以及農(nóng)田的日蒸散量平均值分別為0.42 mm/d、1.21 mm/d、1.12 mm/d、1.18 mm/d。

3.3.3 植被覆蓋率

植被發(fā)育狀況對區(qū)域蒸散量的影響較大，通常狀況下，植被覆蓋高，區(qū)域蒸散量較大；反之，植被覆蓋差，區(qū)域蒸散量較低。植被覆蓋率是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比。植被覆蓋率的測量可分為地面測量和遙感估算兩種方法。地面測量常用于田間尺度，遙感估算常用于區(qū)域尺度。目前已經(jīng)發(fā)展了很多利用遙感測量植被覆蓋率的方法，較為實(shí)用的方法是利用植被指數(shù)近似估算植被覆蓋度，常用的植被指數(shù)為NDVI。下面是基于像元二分模型的基礎(chǔ)上的計(jì)算模型:

圖7 柴達(dá)木盆地不同用地類型的日蒸散量平均值Fig.7 Daily ET of different landuse in Qaidam basin

式中:fc——植被覆蓋率；

NDVI——?dú)w一化差值植被指數(shù)；

NDVImin——植被指數(shù)最小值；

NDVImax——植被指數(shù)最大值。

根據(jù)公式(3)，計(jì)算得到了2001～2011年每年7月份的植被覆蓋率。將柴達(dá)木盆地2001～2011年每年7月份的蒸散量與對應(yīng)的植被覆蓋率建立相關(guān)關(guān)系，分析植被對區(qū)域蒸散量的影響(圖8)。

圖8 2001～2011年每年7月份的植被覆蓋率與對應(yīng)區(qū)域蒸散量的關(guān)系Fig.8 Correlation between regional ET and corresponding vegetation cover during 2001～2011

從圖8中可以看出，區(qū)域蒸散量與植被覆蓋率呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.767，即區(qū)域蒸散量隨著植被覆蓋率的增加而增大。

4 結(jié)論

利用表面能量平衡系統(tǒng)，基于MODIS遙感數(shù)據(jù)，反演柴達(dá)木盆地及8個水資源區(qū)的區(qū)域蒸散發(fā)量，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)柴達(dá)木盆地2001～2011年的年蒸散量呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢，盆地年蒸散量分別為72.73mm、73.94mm、78.06mm、84.53mm、143.93mm、123.17mm、135.11mm、144.79mm、170.12mm、169.16mm、182.34mm。

(2)柴達(dá)木盆地8個水資源區(qū)區(qū)域蒸散量按由大到小的順序排列為:都蘭河希賽區(qū)、柴達(dá)木河都蘭區(qū)、格爾木區(qū)、巴音河德令哈區(qū)、哈爾騰河蘇干湖區(qū)、魚卡河大小柴旦區(qū)、那棱格勒河烏圖美仁區(qū)、茫崖冷湖區(qū)。

(3)區(qū)域蒸散量與氣溫、降水和相對濕度呈正相關(guān)關(guān)系，但是與風(fēng)速的相關(guān)性較小。

(4)區(qū)域蒸散量與植被覆蓋率呈正相關(guān)關(guān)系，即蒸散量隨著植被覆蓋率的增加而增大。

(5)不同用地類型的蒸散量差異較大，其中水體的蒸散量最大，裸土及沙地的蒸散量最小。

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