錫林河流域蒸散量時空變化遙感監(jiān)測

于紅博, 包玉海, 張巧鳳, 李和平, 王 軍

(1.內蒙古師范大學 遙感與地理信息系統(tǒng)重點實驗室, 呼和浩特 010022;2.內蒙古師范大學 地理科學學院, 呼和浩特 010022; 3.中國水利水電科學研究院 牧區(qū)水利科學研究所, 呼和浩特 010020)

錫林河流域蒸散量時空變化遙感監(jiān)測

于紅博1,2, 包玉海1, 張巧鳳1,2, 李和平3, 王 軍3

(1.內蒙古師范大學 遙感與地理信息系統(tǒng)重點實驗室, 呼和浩特 010022;2.內蒙古師范大學 地理科學學院, 呼和浩特 010022; 3.中國水利水電科學研究院 牧區(qū)水利科學研究所, 呼和浩特 010020)

研究選擇錫林河流域為研究區(qū)，基于地表能量平衡原理，利用遙感方法對2000—2012年每年7月、2012年4—9月的MODIS影像數(shù)據(jù)進行處理，結合同期氣象資料估算出流域日蒸散量，按所占日數(shù)加權得到月(旬)蒸散量。運用FAO推薦式進行了驗證，平均相對誤差為16.678%，在誤差允許范圍之內，說明該遙感方法有一定的可用性。結果表明：反演得到的蒸散量分布與地表狀況比較吻合，其中低濕地植被、草甸草原蒸散量較大，錫林河流經(jīng)區(qū)域的地段形成的濕地植被蒸散量較大，植被密集的地方如耕地蒸散值較大，明顯高于植被稀疏的地區(qū)。在空間分布上均為上游大于中游，中游大于下游，與地表植被覆蓋相一致。2000—2012年這13 a流域最大蒸散量出現(xiàn)在2012年，最小值出現(xiàn)在2000年，基本與各年7月份降水量的趨勢相一致，它們之間的決定因子為0.755 3；2012年4—9月份月蒸散量和旬蒸散量隨時間的變化基本為一鐘形曲線，反映了植物在整個生長季的蒸散耗水狀況。

錫林河流域; 蒸散量; 遙感

水循環(huán)是全球氣候系統(tǒng)中的一個主要部分，在水循環(huán)的幾個環(huán)節(jié)中，蒸散占有特別重要的地位，熱量的釋放和吸收是伴隨著蒸散過程同時進行的[1]。在中國北方草原，降水稀少，蒸散作為草原生態(tài)需水的消耗量，占有重要的地位，近年來隨著工業(yè)經(jīng)濟、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，工業(yè)用水增長迅速，人類在將水資源的使用權優(yōu)先地賦予給灌溉農業(yè)、居民生活和工業(yè)的同時,忽略和擠占了生態(tài)系統(tǒng)用水,水資源供需矛盾日益突出,人們對生態(tài)環(huán)境保護和水資源配置問題日益重視，生態(tài)用水量研究受到了專家和學者的廣泛關注[2-3]，蒸散量是草原生態(tài)需水的消耗量，清楚地認識蒸散，對于合理利用有限水資源具有重大意義[1]。

內蒙古錫林河流域內的天然草地在內蒙古高原具有典型性和代表性，是京津等地區(qū)甚至是全國的重要綠色屏障，也是目前我國最大的草原與草甸生態(tài)系統(tǒng)類型的自然保護區(qū)。該流域擁有豐富的植物種類和植被類型，是聯(lián)合國教科文組織人與生物圈計劃的生物圈保護區(qū)之一[4]，在草原生物多樣性保護和全球變化動態(tài)監(jiān)測等方面占有重要的空間位置和明顯的國際影響[5]。

本研究選擇錫林河流域為研究區(qū)，運用遙感方法，結合氣象資料，對2000—2012年每年的7月份、2012年4—9月的影像進行處理，估算出該流域的月(旬)蒸散量，來初步探究錫林河流域蒸散量的空間分布及其時空變化。這對科學有效地利用干旱地區(qū)的有限水資源，為生態(tài)環(huán)境發(fā)展的可持續(xù)性以及水資源的可持續(xù)利用具有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

錫林河流域位于內蒙古高原中東部，它東緣屬于大興安嶺西麓低山丘陵區(qū)，地勢由東向西逐漸降低，東南部的嘎順山最高海拔為1 505.6 m，西北部的錫林河下游，最低處小于900 m，全流域相對高差達600 m，流域總面積約10 786 km2，總長175 km[6-7]。該流域地貌具有明顯的分區(qū)性，錫林河以南為多級玄武巖臺地，錫林河中下游是以低山丘陵與高平原相間分布為特征的內蒙古高原的一部分。該區(qū)的土壤具有明顯的地帶性，即由東南向西北有規(guī)律地分布著黑鈣土、暗栗鈣土和淡栗鈣土。

氣候屬大陸性溫帶半干旱氣候，冬季寒冷干燥，夏季溫暖濕潤[4]，根據(jù)多年氣象資料，錫林河內從東南向西北降水量逐漸遞減，東南部的年降水量為400 mm左右,西北部為250 mm左右，年平均氣溫則從東南向西北逐漸增加，錫林河中游的中國科學院內蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站的多年平均氣溫為0.5℃，錫林河下游的錫林浩特的多年平均氣溫為2.1℃[7]。

錫林河流域地帶性植被的基本類型是草原(草甸草原、典型草原)，約占植被總面積的85%；錫林河上游地勢較高的三級熔巖臺地上，代表群系為貝加爾針茅(Stipabaicalensis)草原和線葉菊(Filifoliusibiricum)草原,中游暗栗鈣土亞帶的代表群系為羊草(Leymuschinensis)草原和大針茅(Stipagrandis)草原,下游淡栗鈣土亞帶的代表群系為克氏針茅(Stpakrylovii)草原和冷蒿(Artemisiafrigida)草原[7-8]；在錫林河流經(jīng)區(qū)域的地段上形成了濕地植被,此外,在錫林河流域還有渾善達克沙地東北端榆樹疏林、灌叢、草本鑲嵌分布所形成的沙生植被[2]。

2 數(shù)據(jù)來源

2.1 氣象數(shù)據(jù)

由中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)提供的2000—2011年每年6月25日—8月12日逐日氣象數(shù)據(jù)，包括平均氣溫、相對濕度、風速、水氣壓、降水、日照時數(shù)。氣象數(shù)據(jù)包括研究區(qū)錫林浩特市及周邊阿巴嘎旗、東烏珠穆沁旗、克什克騰旗、西烏珠穆沁旗、多倫縣、化德共7個氣象站點數(shù)據(jù)。

由氣象部門提供2012年3月29日—10月6日逐日氣象數(shù)據(jù)，包括平均的氣溫、大氣相對濕度、10 m高度處風速、實際水氣壓、降水、實際日照時數(shù)。氣象數(shù)據(jù)包括研究區(qū)錫林浩特市及周邊阿巴嘎旗、東烏珠穆沁旗、克什克騰旗、林西縣、西烏珠穆沁旗、正蘭旗、正鑲白旗共8個站點的站點數(shù)據(jù)。以上氣象數(shù)據(jù)均利用Kriging方法進行了插值處理。

2.2 遙感數(shù)據(jù)

遙感影像資料為美國NASA提供的2000年—2011年每年6月25日—8月12日錫林河流域16天合成MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，2012年3月29日—10月6日錫林河流域8天合成MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過驗證，是MODIS科學組推薦使用的L3級產(chǎn)品。包括地表溫度產(chǎn)品MOD11A2，地表窄波段反照率產(chǎn)品MCD43A3，地表反射率和太陽天頂角產(chǎn)品MOD09A1，植被指數(shù)和太陽天頂角產(chǎn)品MOD13A1，版本均為5.0。經(jīng)過處理，數(shù)據(jù)分辨率統(tǒng)一至500 m，投影為Albers Conical Equal Area。

2.3 數(shù)據(jù)處理軟件

用MRT軟件對MODIS影像進行投影轉換，用Envi、PCI和arcGIS軟件對MODIS影像進行處理、運算、分析和制圖，用Visual Foxpro進行程序的編寫。

3 理論及研究方法

本研究主要基于地表能量平衡原理，運用較為成熟的遙感模型陸地表面能量平衡算法(Surface Energy Balance Algorithm for Land，SEBAL)估算流域蒸散量，該模型引入了“極干”和“極濕”的概念，運用遙感反演得到的地表特征參數(shù)，結合氣象數(shù)據(jù)，估算地表通量，該模型的實用性與可靠性已得到驗證，是當今國際上應用較好的模型之一。根據(jù)得到的地表通量算出瞬時蒸散量，通過積分運算，時間尺度擴大到日蒸散量，再根據(jù)包括該月中的遙感結果按所占日數(shù)進行加權得到月蒸散量。具體反演模型見參考文獻[9]。

4 結果檢驗

利用FAO推薦的估算參考作物蒸散的Penman-Monteith公式對2012年3月29日—10月6日每8天的日均蒸散量(共計23個時間段)進行計算，參考FAO56，作物系數(shù)取值如下：4—5月份為0.8，6—7月份為0.95，8—9月份為0.85。同時對遙感反演的值進行流域平均，二者進行對比(圖1)，平均相對誤差為16.678%，在誤差允許范圍之內。因此，說明該遙感方法有一定的可用性。

圖1 參考作物蒸散量與遙感反演蒸散量對比

圖2 2000-2012年每年7月錫林河流域月蒸散量

5 結果與分析

5.1 錫林河流域蒸散量空間變化分析

由于植被類型、自然條件的差異，錫林河流域各地區(qū)蒸散量差異較大。錫林河流域走勢為東南—西北，上游地區(qū)蒸散量高于中下游地區(qū)。上游地區(qū)土地利用類型較多，有草地、耕地、林地，其中林地、耕地蒸散量較大；上游地區(qū)植被類型也較多，主要有草原地帶的沙地植被，叢生禾草、根莖禾草典型草原(羊草、大針茅)，草甸草原(貝加爾針茅、線葉菊)等，以及河流流經(jīng)地段上形成的低濕地植被，其中低濕地植被、草甸草原蒸散量較大。中游地區(qū)土地利用類型主要為草地、耕地和城鄉(xiāng)居民、工礦用地，其中城鄉(xiāng)居民、工礦用地蒸散量較小。下游地區(qū)植被類型較單一，主要是典型草原(克氏針茅)以及河流流經(jīng)地段及周邊由于鹽堿化形成的鹽堿地和裸河床，蒸散量較小。

為便于分析2000—2012年錫林河流域蒸散量的變化，采用統(tǒng)一的分類閾值，制作2000—2012年每年7月錫林河流域月蒸散量分布圖，如圖2所示。由圖2可知，2000—2012年這13年流域蒸散量的空間變化沒有固定的趨向，不論蒸散值大還是小的年份，在空間分布上，基本均為上游大于中游，中游大于下游，與地表植被覆蓋相一致。由于蒸散量的大小與降水量極為相關，因此，降水量大的年份，蒸散量也大，蒸散值大的區(qū)域所占面積越大，包括流域大部分區(qū)域(如2012年)，降水量小的年份，蒸散量也小，蒸散值大的區(qū)域僅出現(xiàn)在上游地區(qū)及河流流經(jīng)地段(主要是低濕地植被，如2000年)。

采用統(tǒng)一的分類閾值，制作2012年生長季4—9月份錫林河流域月蒸散量分布圖，如圖3所示。由圖可知，隨著4—6月份蒸散值逐漸增大，蒸散值大的區(qū)域從上游蔓延至中下游，隨著6—9月份蒸散值逐漸減小，蒸散值小的區(qū)域從中下游擴張至上游。流域蒸散量空間分布變化與該流域植被的物候期相一致。

圖3 2012年4-9月錫林河流域月蒸散量

5.2錫林河流域蒸散量時間變化分析

圖4為反演的錫林河流域2000—2012年每年7月份蒸散量和降水量變化曲線圖，由圖可知，蒸散量的時間變化沒有固定的趨向，最大蒸散量出現(xiàn)在2012年，最小蒸散量出現(xiàn)在2000年，基本與各年7月份降水量的趨勢相一致。由于蒸散量的變化與降水量表現(xiàn)出很強的一致性，因此分析了它們的散點圖(圖5)，決定因子為0.755 3，具有較好的相關性，表明降水是決定蒸散量大小的重要限制因子。

圖4 錫林河流域2000年7月-2012年7月份月蒸散量與月降水量年際變化

圖5 錫林河流域月降水量與月蒸散量散點圖

圖6為反演的錫林河流域2012年4—9月份月蒸散量變化曲線圖，由圖可知，曲線基本為一鐘形曲線，峰值出現(xiàn)在6月份，曲線從峰值點向兩側逐漸降低。其中5—6月份，曲線上升速度較快，蒸散值由100.87 mm/月達到142.09 mm/月；8—9月份，曲線下降迅速，蒸散值由112.56 mm/月下降到65.65 mm/月。該曲線反映了植物在整個生長季的蒸散耗水狀況。

圖6 遙感反演錫林河流域2012年4-9月份月蒸散量變化曲線

圖7為反演的錫林河流域2012年4—9月份旬蒸散量變化曲線圖，由圖可知，曲線的整個趨勢為向下的拋物線，各旬蒸散值沿該拋物線上下波動，最大值出現(xiàn)在6月下旬，達到49.50 mm，最小值出現(xiàn)在9月中旬，為20.92 mm。

圖7 遙感反演錫林河流域2012年4—9月份旬蒸散量變化曲線(1,2,3表示上、中、下旬)

6 結 論

本研究選擇錫林河流域為研究區(qū)，基于地表能量平衡原理，運用遙感方法，結合氣象資料，對MODIS影像進行處理及運算，反演出2012年4—9月份蒸散量月值和旬值，以及2000—2012年每年7月份月蒸散量的值。用FAO推薦的Penman-Monteith公式對2012年3月29日—10月6日的日均蒸散量進行了計算，對該時間段的遙感反演結果進行了驗證，平均相對誤差為16.678%，在允許范圍之內。

反演得到的日蒸散量分布與地表狀況比較吻合，上游地區(qū)日蒸散量高于中下游地區(qū)，上游地區(qū)草甸草原、耕地、林地以及錫林河流經(jīng)區(qū)域的地段形成的低濕地植被蒸散值較大，中游地區(qū)城鄉(xiāng)居民、工礦用地蒸散量較小，下游地區(qū)河流流經(jīng)地段由于鹽堿化形成的裸河床蒸散量較小。

在空間分布上，均為上游大于中游，中游大于下游，與地表植被覆蓋相一致。降水量大的年份，蒸散量也大，蒸散值大的區(qū)域從上游蔓延至中下游，降水量小的年份，蒸散量也小，蒸散值小的區(qū)域從中下游擴張至上游。在時間分布上，2000—2012年這13年流域最大蒸散量出現(xiàn)在2012年，最小值出現(xiàn)在2000年，基本與各年7月份降水量的趨勢相一致，它們之間的決定因子為0.755 3。錫林河流域2012年4—9月份月蒸散量和旬蒸散量隨時間的變化基本為一鐘形曲線，峰值分別出現(xiàn)在6月份和6月下旬，反映了植物在整個生長季的蒸散耗水狀況。

[1] 劉驚濤,劉世榮.植被蒸散研究方法的進展與展望[J].林業(yè)科學,2006,42(6):108-114.

[2] 劉佳慧,劉芳,王煒,等.“3S”技術在生態(tài)用水量研究中的應用:以錫林河流域為例[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2005,19(4):92-97.

[3] 宋炳煜,楊劼.關于生態(tài)用水研究的討論[J].自然資源學報,2003,18(5):617-625.

[4] 肖向明,王義鳳,陳佐忠.內蒙古錫林河流域典型草原初級生產(chǎn)力和土壤有機質的動態(tài)及其對氣候變化的反應[J].植物學報,1996,38(1):45-52.

[5] 彭皓,李鎮(zhèn)清.錫林河流域天然草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價[J].草業(yè)學報,2007,16(4):107-115.

[6] 仝川,楊景榮,雍偉義,等.錫林河流域草原植被退化空間格局分析[J].自然資源學報,2002,17(5):571-578.

[7] 白永飛,張麗霞,張焱,等.內蒙古錫林河流域草原群落植物功能群組成沿水熱梯度變化的樣帶研究[J].植物生態(tài)學報,2002,26(3):308-316.

[8] 顧曉鶴,何春陽,潘耀忠,等.基于生態(tài)風險評估的錫林河流域退化草地優(yōu)化管理[J].應用生態(tài)學報,2007,18(5):968-976.

[9] 于紅博,包玉海,李和平,等.錫林河流域蒸散量遙感反演[J].水土保持研究,2014,21(1):224-228.

RemoteSensingMonitoringofTemporalandSpatialVariationofEvapotranspirationinXilinRiverBasin

YU Hong-bo1,2, BAO Yu-hai1, ZHANG Qiao-feng1,2, LI He-ping3, WANG Jun3

(1.InnerMongolianKeyLaboratoryofRemoteSensingandGeographyInformationSystem,InnerMongoliaNormalUniversity,Huhhot010022,China; 2.CollegeofGeograghicalScience,InnerMongoliaNormalUniversity,Huhhot010022,China; 3.InstituteofWaterResourcesforPastoralArea,IWHR,Hohhot010020,China)

The study area is located in the Xilin River basin. Remote sensing approach was used to retrieve instantaneous evapotranspiration based on the estimation of land surface fluxes by using MODIS images from July 2000 to July 2012 and from Apr. to Sept. 2012, and using auxiliary environmental data from the same periods. Daily evapotranspiration was estimated by scaling. Monthly and ten-day evapotranspiration were weighted by the number of days. Results were verified by using the FAO method. This level of uncertainty was acceptable; therefore, the method that we concluded was applicable. The result of evapotranspiration distribution was consistent with land surface conditions. The evapotranspiration of wetland vegetation and meadow grassland was higher. The evapotranspiration of dense vegetation such as farmland was higher than the sparse. With respect to the spatial distribution, the evapotranspiration in the upper reaches was always higher than in the middle and lower reaches. It was consistent with the vegetation cover. The maximum evapotranspiration of thirteen years from 2000 to 2012 appeared in 2012. The minimum value appeared in 2000. The trend of evapotranspiration was consistent with precipitation. And the determinant was 0.755 3. Changes of monthly and ten-day evapotranspiration over time showed a bell-shaped curve, which reflected water consumption of plants throughout the growing season.

Xilin River basin; evapotranspiration; remote sensing

2013-11-06

：2013-12-06

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目“牧區(qū)灌溉人工草地高效用水技術研究”(201001039);內蒙古自然科學基金項目(2013MS0611);內蒙古師范大學基金項目(120196-z)

于紅博(1977—),女(滿族),內蒙古呼和浩特市人,博士,副教授,主要從事生態(tài)建模與遙感圖像處理方面的研究。E-mail:yuboge2003@sohu.com

包玉海(1965—),男(蒙古族),內蒙古呼和浩特市人,博士,教授,從事遙感與地理信息系統(tǒng)研究。E-mail:baoyuhai@imnu.edu.cn

P332.2

：A

：1005-3409(2014)06-0290-05