基于MOD16產品的三江平原蒸散量時空分布特征分析

馮飛，姚云軍，張彥彬，李香蘭*

1. 遙感科學國家重點實驗室，北京師范大學全球變化與地球系統(tǒng)科學研究院，北京 100875；2. 遙感科學國家重點實驗室，北京師范大學地理學與遙感科學學院，北京 100875；3. 山西省自動化研究所，山西 太原 030012

基于MOD16產品的三江平原蒸散量時空分布特征分析

馮飛1，姚云軍2，張彥彬3，李香蘭1*

1. 遙感科學國家重點實驗室，北京師范大學全球變化與地球系統(tǒng)科學研究院，北京 100875；2. 遙感科學國家重點實驗室，北京師范大學地理學與遙感科學學院，北京 100875；3. 山西省自動化研究所，山西 太原 030012

借助ArcGIS 10.2和ENVI 4.5/ID軟件平臺，利用MOD16遙感數據集，統(tǒng)計分析了三江平原2000─2014年地表蒸散量的年際和年內時空變化狀況，探討了不同地表類型下蒸散量的差異性變化特征。首先將原始的MOD16產品進行投影轉換、數據拼接和重采樣等操作，在此基礎上計算三江平原地區(qū)蒸散多年年均值和月均值，并分析了三江平原蒸散的變化趨勢。利用三江平原的矢量邊界和土地利用分類數據統(tǒng)計了不同時間尺度序列下各種土地利用類型的蒸散平均值，進而分析不同地物類型下蒸散量的年紀變化和季節(jié)變化特征。研究表明，（1）三江平原年蒸散量總體上呈緩慢上升趨勢，波動范圍為447～521 mm·a-1，年平均值為497 mm·a-1。（2）年內蒸散量呈單峰型分布，季節(jié)性變化特征明顯，蒸散主要集中在5─9月份，最高、最低值分別出現在8月和1月。（3）多年平均蒸散空間格局呈現北低南高的分布規(guī)律，高植被覆蓋區(qū)蒸散量較大。2000─2014年蒸散變化趨勢不明顯的面積占88%，蒸散顯著、極顯著增加（8.74%）的像元主要分布在集賢市區(qū)域和雙鴨山山區(qū)，蒸散顯著、極顯著減少的像元主要分布在河道以及城市群附近。（4）土地利用特點影響著三江平原蒸散量的分布狀況，蒸散強度大小按類型排序依次為森林（46.6 mm）>草地（34.7 mm）>農田（38.38 mm）>荒漠（27.11 mm）。研究結果對于加強三江平原水資源管理與水分高效利用具有重要意義。

MOD16；蒸散；時空變化；土地利用類型；三江平原

FENG Fei, YAO Yunjun, ZHANG Yanbing, LI Xianglan. Spatio-temporal Variations of Evapotranspiration in Sanjiang Plain Using MOD16 Products [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(11): 1858-1864.

蒸散（Evapotranspiration，ET）是植被及地面向大氣輸送的水汽總通量，既包括從土壤和植物表面的水分蒸發(fā)，也包括植被的蒸騰，是土壤-植被-大氣系統(tǒng)中能量、水分交換的主要途徑，全球陸地大約 60%的降水都會以蒸散的形式返回大氣中（Wang et al.，2011；Monteith，1965）。以往研究指出，對ET過程的研究既是了解能量平衡和水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是深入認識陸面過程的基礎（Wang et al.，2011；Liang et al.，2010）。全球氣候變暖會影響大氣中的水汽量和大氣環(huán)流，從而影響降水、蒸散等過程，這些變化可能對生態(tài)需水造成影響。由于地球系統(tǒng)內可供利用的淡水資源有限，充分認識蒸散的時空格局變化過程，對了解氣候變化對水資源的影響具有極其重要的作用。

傳統(tǒng)的蒸散研究方法都是以點位的觀測資料為基礎展開的，遍布全球的通量網絡（FluxNet）提供了較為可靠的長時間序列蒸散觀測值，可用于評估不同生態(tài)系統(tǒng)和氣候帶的蒸散變化，然而較大范圍區(qū)域蒸散觀測成本高、代表性差。遙感技術被認為是區(qū)域尺度上估算蒸散的最可行的方法，具有較好的時效性和區(qū)域性特點，可以使蒸散的計算在時空尺度上得以擴展。目前，傳統(tǒng)的遙感估算地表潛熱通量的方法可以分為基于地表能量平衡的物理模型、經驗統(tǒng)計算法、Penman-Monteith算法、遙感三角形方法和數據同化方法五類。但是，大多數全球潛熱產品空間分辨率較差，部分高空間分辨率的全球遙感潛熱產品時間跨度短，空間連續(xù)性差，產品精度不高。NASA官方發(fā)布的MODIS潛熱產品（Mu et al.，2007；Mu et al.，2011）是目前為止空間分辨率最高的覆蓋全球區(qū)域的產品，空間分辨率為1 km，時間分辨率為8 d，除了南極區(qū)域以及其他沙漠、冰雪等特殊地物類型區(qū)域外，基本上覆蓋全球陸表。利用MOD16產品研究典型生態(tài)系統(tǒng)蒸散時空分布以及與土地利用類型的關系具有一定的優(yōu)勢（賀添等，2014；吳桂平等，2013；范建忠等，2014）。

三江平原是全國的重要糧食生產基地，其自然資源豐富，地理位置優(yōu)越，開發(fā)潛力巨大，但大規(guī)模的農田開發(fā)也引起一系列問題，如井灌水稻引起的地下水位持續(xù)下降嚴重地威脅著周邊濕地的安全以及區(qū)域農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。三江平原水資源的合理開發(fā)利用是目前研究的熱點，在水資源平衡各分量中，蒸散量卻最難以獲得。利用遙感技術研究三江平原蒸散量，不僅具有一定的理論價值，而且對區(qū)域水資源的合理開發(fā)利用也有較大的實用價值。近年來，一些學者對三江平原的蒸散進行了研究（杜嘉等，2010；杜嘉等，2009；白娟等，2013；王毅勇等，2003；賈志軍等，2014；孫麗等，2008）。杜嘉等（2010）利用MODIS產品和SEBAL模型對三江平原不同土地覆蓋類型的日蒸散量進行估算，遙感估算的蒸散量與渦度相關系統(tǒng)實測的蒸散量相對誤差較小且相關性較好，平均誤差為11.2%，水體和林地蒸散量較大（8.2和6.5 mm），濕地和水田次之（5.2和4.8 mm）。白娟等（2013）采用FAO Penman-Monteith（P-M）模型，結合多遠遙感數據，對三江平原生長季（5─9月）不同氣象條件和不同下墊面條件下的日實際蒸散量進行了估算，并利用波文比觀測數據對模擬結果進行了驗證，觀測值與模擬值相關系數為 0.824，降水、凈輻射和氣溫是影響區(qū)域蒸散的主要因子，不同土地覆被類型的蒸散區(qū)間為280～446 mm。但是，這些研究多集中在局地的蒸散研究或短時間的模擬和特征變化研究，尚缺乏長時間序列的區(qū)域蒸散的時空格局分析。

本文以MOD16產品和MCD12地表類型數據為基礎，通過 GIS空間分析技術，對 2000─2014年區(qū)域內不同土地利用類型下的蒸散量進統(tǒng)計分析，探討三江平原不同土地利用類型下蒸散的時空格局，為評價三江平原典型生態(tài)系統(tǒng)水分狀況，提高水資源利用效率提供理論指導依據；為三江平原的生態(tài)水文過程模擬提供了重要的基礎數據，對研究三江平原的生態(tài)水文過程具有重要意義。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1研究區(qū)域概況

三江平原（45°01′～48°27′N，130°13′～135°05′E）地處我國東北地區(qū)，總面積10.89×104km2。三江平原是由黑龍江、松花江、烏蘇里江沖積形成的低平原。該地區(qū)地勢總體特征是西南高東北低。廣闊的沖積平原和河流形成的階地、河漫灘上廣泛發(fā)育著沼澤和沼澤化草甸。區(qū)域氣候為溫帶濕潤半濕潤大陸性季風氣候，夏季炎熱、潮濕、多雨，冬季寒冷；年降水500～650 mm，降水集中在夏秋季的。本區(qū)有大小河流190余條，多具有平原沼澤性河流的特點，縱比降小，河槽彎曲系數大，徑流緩慢。該區(qū)土壤以棕壤、黑土、白漿土、草甸土和沼澤土為主，土地的自然肥力較高。季節(jié)性凍融的粘重土質使得地表長期過濕，積水過多，形成大面積沼澤水體和沼澤化植被、土壤，構成了獨特的沼澤景觀。三江平原是中國最大的沼澤分布區(qū)。其中以苔草沼澤分布最廣，其次是蘆葦沼澤。植被種類屬于長白植物區(qū)系，以沼澤化草甸和沼澤植被為主；三江平原在20世紀50年代大規(guī)模開墾前，主要土地利用類型為草甸、沼澤和森林，開墾后建有許多大型國營農場，成為國家重要的商品糧基地。

1.2數據來源

蒸散產品（MOD16）下載地址為http://www.ntsg.umt.edu/project/mod16。根據MOD16產品數據軌道號的排列規(guī)律及三江平原所在地理位置，選擇的衛(wèi)星軌道號為h26v04和h27v04，其中涵蓋了三江平原2000─2014年共15年的數據。MOD16產品包括全球植被覆蓋區(qū)域的8天、月、年時間尺度的蒸散量（ET）、潛熱通量（LE）、潛在蒸散量（PET）、潛在潛熱通量（PLE），空間分辨率為1 km。三江平原土地利用數據來自MODIS的土地利用產品 MCD12（http://www.geodata.cn/），該數據是由MODIS陸地研究小組（MODIS Land Team）開發(fā)的年土地覆蓋分類L3級產品，包括：MOD12Q1、MOD12Q2（空間分辨率1000 m）和MOD12 C1（空間分辨率 0.05°）。該小組于 2008年底又推出了MODIS Aqua和Terra衛(wèi)星數據合成的年度土地覆蓋分類產品MCD12Q1（空間分辨率500 m）。

1.3數據處理

原始的 MODIS產品是采用分級數據格式（HDF，Hierarchical Data Format）、正弦曲線投影存儲的，利用ENVI+IDL軟件，將MOD16-ET產品的HDF文件轉換為WGS-1984經緯度坐標系統(tǒng)下的GeoTiff格式文件，并進行投影轉換、軌道拼接和重采樣等操作。在ENVI+IDL遙感圖像處理系統(tǒng)的支持下，通過空間建模，計算蒸散多年年平均值和月平均值，并生成圖像；利用三江平原的矢量邊界圖、土地利用矢量圖，統(tǒng)計不同時間尺度序列各種土地利用類型的蒸散平均值，進而分析研究區(qū)域及其不同土地利用類型蒸散量的年際變化和季節(jié)變化特征。MOD16產品覆蓋范圍為有植被區(qū)域，不包括水體、城市等無植被覆蓋區(qū)域，因此在統(tǒng)計各土地利用類型蒸散量時不包括水體和城鎮(zhèn)，進行行政區(qū)域內蒸散量統(tǒng)計時不考慮水體、城市等無植被覆蓋區(qū)域的蒸散量。

在ARCGIS 10.2系統(tǒng)中，制作三江平原2000─2014年月平均蒸散分布圖，計算每個像元蒸散與時間的相關系數，并進行顯著性檢驗，制作成三江平原蒸散變化趨勢圖。利用線性傾向估計進行蒸散時間趨勢分析，采用相關系數的統(tǒng)計檢驗方法進行顯著性趨勢檢驗。隨時間變化，蒸散常表現為序列整體的上升或下降趨勢、空間分布格局變化以及在某時刻出現的轉折或突變。這些變量可以看作是時間的一元線性回歸，線性傾向值用最小二乘法估計：

式中：B為線性傾向值，x為蒸散量，t為年份，n=15。當B>0時，隨時間t的增加，x呈上升趨勢；當B<0時，隨時間t的增加，x呈下降趨勢。B值大小反映了蒸散量上升或下降的速率，即表示上升或下降的傾向程度。如果回歸方程的相關系數通過置信度為0.05、0.01的顯著性水平（P<0.05、P<0.01），則蒸散減小或增加趨勢分別達到顯著和極顯著水平。

2 結果與分析

2.1蒸散的時間變化

2000─2014年三江平原年蒸散量波動范圍為447～521 mm·a-1，多年平均蒸散量為497 mm·a-1（圖1）。年蒸散量明顯超出多年平均值的年份有 6年（2004、2006、2007、2008、2011、2014年），其中2007年蒸散量最高，超出多年平均值32.6 mm·a-1，相對變化率達到了4.7%；明顯低于多年平均值的年份有3年（2002、2003、2009年），2003年蒸散量最低，比多年平均值少49.6 mm·a-1，相對變化率達到了-9.9%。三江平原各月蒸散量的年際變化具有季節(jié)分異特征（表1）。9月至12月的蒸散線性傾向值為負值，說明秋末至冬初的蒸散年際變化具有減少的趨勢，10月蒸散減少趨勢達到顯著水平（P<0.05）；5月至8月的蒸散線性傾向值為正值，說明春末至秋初的蒸散年際變化具有增加的趨勢，7月蒸散增加趨勢達到顯著水平（P<0.05）。1月至2月的蒸散線性傾向為正值，而3月至4月的蒸散線性傾向為負值?？梢钥闯龆┲链撼跽羯⒂性鲩L和減少兩種趨勢，但是趨勢都不明顯。

表1 三江平原蒸散量線性回歸方程Table 1 Equations of linear regress of evapotranspiration in Sanjiang Plain

圖1 三江平原2000─2014年地表蒸散量的年際變化Fig. 1 Annual variation of evapotranspiration in Sanjiang Plain during 2000─2014

三江平原蒸散量年內分布呈現先增大后減小的單峰型分布趨勢，蒸散量主要集中在5至9月份，其中1月蒸散發(fā)量最小，僅為8.0 mm左右，7到8月蒸散發(fā)量最大，達到110 mm左右（圖2）。其原因主要在于：1、2、3、4、10、11、12月份三江平原的氣溫較低，蒸散量較低；4、5、6、7月份氣溫迅速回升，因此蒸散量也隨之升高；7、8月份氣溫達到最高值，并且在此期間降雨量大，供水充分，日照充足，提供了有利于蒸散發(fā)的充分條件，同時在該時間段內 7月份的蒸散量達到了最高值；9、10月份氣溫迅速降低，又向著不利于蒸散發(fā)的條件轉變，因此該階段的蒸散量又陡然回落。

圖2 三江平原2000─2014年蒸散月變化Fig. 2 The land surface ET of different months in Sanjiang Plain during 2000─2014

2.2蒸散的空間變化

三江平原多年蒸散平均值具有較強的空間分異性規(guī)律，呈現出東南和西北區(qū)域高，中部和東北區(qū)域低的變化趨勢（圖3），該特征與覆蓋的地帶性變化大體一致。植被覆蓋度高的地方，蒸散量較高。具體表現為，雙鴨山市以北除林區(qū)以外，蒸散在300～500 mm·a-1之間；雙鴨山市以南至蒸散大部在500～600 mm·a-1之間；憲達山區(qū)蒸散大部在600～800 mm·a-1之間。三江平原平均年蒸散量在300～700 mm之間的像元占全省總像元98.1%，其中300～400、400～500、500～600 mm 的像元分別占總像元的10.95%、44.61%和34.52%。

圖3 三江平原2000─2014年平均蒸散分布圖Fig. 3 Averages of evapotranspiration during 2000─2014

受到太陽輻射、溫度、風速等因素的影響，三江平原不同季節(jié)蒸散量的空間分布差異明顯（圖4）。春季，植被覆蓋較高的地區(qū)在90～100 mm之間。其余絕大部分區(qū)域在80～90 mm之間，分布比較均勻。夏季，三江平原平均蒸散量為282 mm；與春季相比，夏季蒸散量有了很大程度的增高，其中林地變化最為明顯；植被覆蓋較高的地區(qū)在360～500 mm之間；植被稀疏的灌木農田區(qū)域在200～330 mm之間；夏季的蒸散受到不同地形地貌、不同植被的影響，其蒸散量差異較大，層次分明；夏季，由于氣溫較高，降雨量大，光照充足，不同地貌類型的蒸散均達到最大值。自9月份開始，受氣溫、土地覆蓋類型以及風速等因素的影響，三江平原的蒸散量又開始降低，秋季的三江平原平均蒸散量為83.2 mm，大部地區(qū)月平均蒸散量在90～60 mm之間。冬季的三江平原蒸散量降至最低，平均蒸散量僅為29.5 mm呈現明顯的北低南高的分布趨勢。

圖4 三江平原不同季節(jié)蒸散量空間分布Fig. 4 Spatial distribution of evapotranspiration in different seasons over Sanjiang Plain

三江平原蒸散極顯著（P<0.01）、顯著（P<0.05）增加的面積分別占總面積的2.86%和5.88%，變化趨勢不明顯的面積占 88.14%，減少極顯著（P<0.01）、顯著（P<0.05）的面積分別占 1.11%和2.01%（圖5）。蒸散顯著、極顯著增加的像元主要分布在集賢市區(qū)域和雙鴨山山區(qū)，這些地方是2000年以來黑龍江省實施退耕還濕工程的重點區(qū)域，植被覆蓋有了顯著增加，蒸散也隨之顯著增加（李紅艷等，2005；陳志輝等，2003）；蒸散顯著和極顯著減少的像元主要分布在河流濕地以及城市群附近，說明濕地開墾、水利工程建設、農業(yè)產業(yè)結構調整使植被覆蓋面積減少，水分輸出增大，最終導致蒸散也隨之顯著減少（劉正茂等，2011）。

2.3不同土地利用類型的蒸散量分布特征

三江平原年均蒸散量與土地利用類型密切相關，不同土地利用類型的平均蒸散量存在著較大差異，森林的年蒸散量均值最高，達到560 mm·a-1，大大超過了其他土地利用類型的蒸散量；農田、灌木、草地和濕地的年蒸散量相差不大，變化區(qū)間為440～480 mm·a-1；荒地的年ET均值最低，僅為325 mm（圖6）。除聚落、水體外，各種土地覆蓋類型的年均蒸散量大小排序為林地>農田>灌木>草地>濕地>荒地。

根據MOD16月產品數據，結合三江平原土地利用類型，可以計算得到各種不同土地覆蓋類型上的多年月平均蒸散量：森林為 46.6 mm，灌木為37.32 mm，草地為34.7 mm，濕地為34.32 mm，農田為38.38 mm，荒漠為27.11 mm。不同土地利用類型的月平均蒸散量大小順序與年蒸散量平均值比較一致，但是具體到不同土地利用類型上，其月平均蒸散量的分布特征也不盡相同（圖7）。不同土地利用類型的最大、最小月蒸散量出現的時間不同，森林最大月蒸散量出現在7月，草地、農田、荒漠則為8月；森林最小月蒸散量出現在12月，草地、農田則為 11月，而荒漠最小月蒸散量出現在4月。森林、草地、農田和荒漠蒸散量的季節(jié)變化均呈現單峰型。

圖5 三江平原蒸散量變化趨勢分布Fig. 5 Spatial distribution of evapotranspiration change trend in Sanjiang Plain

圖6 不同土地利用類型的年平均蒸散量Fig. 6 Annual mean of evapotranspiration over different types of landuse

圖7 不同土地利用類型的月蒸散量分布Fig. 7 monthly mean of evapotranspiration over landuse types

3 結論

本文基于MOD16蒸散產品，在ENVI遙感圖像處理系統(tǒng)和ARCGIS地理信息系統(tǒng)的支持下，研究了 2000─2014年三江平原蒸散時空分布特征，得到以下結論：

（1）2000─2014年，三江平原蒸散量年際變化呈現波動式緩慢增加趨勢。各月蒸散量的年際變化具有季節(jié)分異特征。三江平原蒸散量年內分布呈現先增大后減小的單峰型分布趨勢，蒸散量主要集中在夏季。三江平原多年蒸散平均值具有較強的空間分異性規(guī)律，呈現出北低南高的變化趨勢，該特征與覆蓋的地帶性變化大體一致。

（2）2000─2014年，三江平原蒸散變化趨勢不明顯的面積占總面積的 88.14%，蒸散極顯著（P<0.01）、顯著（P<0.05）增加的面積占 8.74%，極顯著（P<0.01）、顯著（P<0.05）減少的面積占3.12%。蒸散顯著、極顯著增加的像元主要分布在集賢市區(qū)域和雙鴨山山區(qū)，蒸散顯著、極顯著減少的像元主要分布在河道以及城市群附近。

（3）三江平原不同土地利用類型平均蒸散量表現出不同的變化特點。森林的年蒸散均值最高，草地、農田次之，荒漠最低；各土地利用類型蒸散量的季節(jié)變化大小順序與年尺度的基本一致，但是不同土地利用類型蒸散量的月分布特征不盡相同。

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Spatio-temporal Variations of Evapotranspiration in Sanjiang Plain Using MOD16 Products

FENG Fei, YAO Yunjun, ZHANG Yanbing, LI Xianglan*
1. State Key Laboratory of Remote Sensing Science, College of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; 2. State Key Laboratory of Remote Sensing Science, School of Geography, Beijing Normal University, Beijing 100875, China 3. ChinaShanxi Automation Research Institute, Taiyuan 030012, China

Based on MOD16 products, we analyzed the spatial and temporal characteristics of evapotranspiration (ET) in Sanjiang Plain during 2000─2014 by using ArcGIS 10.2 and ENVI 4.5/IDL softwares. After format conversion, projection conversion, resampling and image mosaic process, annual and monthly average ET was estimated. The ET trends were also analyzed. We analyzed temporal and spatial variation of evapotranspiration with different time scales and land use types based on Sanjiang Plain vector data and land use data. Results showed that the mean annual ET of Sanjiang Plain increased slowly with a mean value of 497 mm·a-1, ranging from 447 mm·a-1to 521 mm·a-1during 2000─2014. Mean monthly ET presented a significant seasonal difference that the ET peaks occurred in August and the bottom values occurred in January. The spatial distribution of annual ET was generally high over the south of Sanjiang Plain, but low in the north, especially in the high vegetation coverage areas. The areas with insignificant variation were accounted for 88% of the total The pixels with significantly increased ET were mainly distributed in north Jixian urban district, and hilly-mountainous areas in Shuangyashan, while the pixels with significantly decreased ET were mainly distributed in the basin and urban area. The spatial distribution of ET is related to land use types with the order of ET intensity: woodland (46.6 mm) > grassland (34.7 mm) > farmland (34.7 mm) > desert (34.7 mm). This study supplied important information to the water resources management and water use efficiency in Sanjiang Plain.

MOD16; evapotranspiration; spatio-temporal variation; landuse type; Sanjiang Plain

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.11.016

X16

A

1674-5906（2015）11-1858-07

國家自然科學基金青年基金項目（41205104）；國際合作項目（2013DFA91870）；地理空間信息工程國家測繪地理信息局重點實驗室經費資助項目（201416）

馮飛（1989年生），男，碩士研究生，從事陸表蒸散算法與數據融合的研究。E-mail: Email: forgetbear@sina.cn *通信作者：李香蘭（1980年生），女，副教授，從事陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)過程與模擬的研究。E-mail: xianglan_li@163.com

2015-06-15

引用格式：馮飛, 姚云軍, 張彥彬, 李香蘭. 基于MOD16產品的三江平原蒸散量時空分布特征分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(11): 1858-1864.