2000—2014年艾比湖流域地表Ea與Ep時空分布特征及成因

阿迪來·烏甫，玉蘇甫·買買提,玉素甫江·如素力，熱伊萊·卡得爾，姜紅

(1.新疆師范大學(xué)，地理科學(xué)與旅游學(xué)院，流域信息集成與生態(tài)安全實驗室，830054，烏魯木齊；2.新疆師范大學(xué)，新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點實驗室，830054，烏魯木齊)

2000—2014年艾比湖流域地表Ea與Ep時空分布特征及成因

阿迪來·烏甫1，玉蘇甫·買買提1,玉素甫江·如素力?，熱伊萊·卡得爾1，姜紅1

(1.新疆師范大學(xué)，地理科學(xué)與旅游學(xué)院，流域信息集成與生態(tài)安全實驗室，830054，烏魯木齊；2.新疆師范大學(xué)，新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點實驗室，830054，烏魯木齊)

為了探明干旱區(qū)流域地表蒸散量時空分布及其變化特征，從而為流域水資源規(guī)劃、旱澇檢測和生態(tài)需水量研究提供科學(xué)依據(jù)，本文基于MOD16蒸散產(chǎn)品和氣象站觀測數(shù)據(jù)，運用線性傾向率和相對變化率等方法，分析了艾比湖流域2000—2014年地表實際蒸散(Ea)與潛在蒸散(Ep)的時空分布特征及其變化趨勢，進一步揭示二者之間的關(guān)系。結(jié)果表明：1)近15年內(nèi)艾比湖流域地表Ea、Ep年際波動不大，多年平均Ea與Ep分別為315.76和1 555.27 mm，年平均Ea與Ep的較大差距說明流域整體上缺水、干旱。年內(nèi)分布處于先增大后減少的單峰型變化趨勢，夏季兩者差距最大，此時流域最干旱、缺水；2)流域Ea與Ep的空間分布狀況正好相反。西北山區(qū)、精河—博樂綠洲區(qū)、北天山的西段支脈，瑪依力山脈等區(qū)域水分比較充足。流域東部大范圍地區(qū)、精河—博樂綠洲周圍等區(qū)域干旱缺水。3) 影響因素分析顯示氣溫是影響流域Ea、Ep時空分布變化的主要因素；4)2000—2014年間Ea總體上處于減少趨勢，Ep處于增加趨勢，說明流域近15年內(nèi)干旱加重。

MOD16產(chǎn)品； 地表； 實際蒸散； 潛在蒸散； 時空分布； 變化趨勢； 成因； 艾比湖流域

蒸散(Evapotranspiration)是地表和植被向大氣輸送的水汽總通量，是水循環(huán)中受土地利用和氣候變化影響最直接的關(guān)鍵因素，在水循環(huán)和能量平衡中具有重要意義。蒸散分為實際蒸散(Ea,actual evapotranspiration)和潛在蒸散(Ep,potential evapotranspiration)。Ea是地表水分蒸發(fā)和植物蒸騰之和，是水文循環(huán)和地表能量平衡中極其重要的分量[1]。Ep是水分充足的條件下的蒸散，在研究干旱區(qū)氣候演變和水資源的決定性參考指標。艾比湖流域生態(tài)環(huán)境極其脆弱，水資源短缺，流域供需水矛盾突出。近些年來，由于受氣候變化和人類活動的較強影響，流域自然生態(tài)環(huán)境和水量平衡發(fā)生了重大變化[2]。充分認識流域蒸散量時空格局變化過程有利于加深氣候演變、環(huán)境問題的認識，對于合理開發(fā)流域水土資源、科學(xué)評價氣候干旱狀況等研究具有重要的參考意義。

遙感技術(shù)在近些年來得到迅猛發(fā)展，使得大尺度非均勻陸面的蒸散量研究取得突破性進展[3]。20世紀70年代以來國內(nèi)外陸續(xù)出現(xiàn)基于遙感數(shù)據(jù)的蒸散量估算方法，其中較典型的模型主要有基于Penman-Monteith公式的VITT模型[4]、基于Priestley-Taylor公式的三角形模型[5]、SEBAL模型[6]、SEBS模型[7]、TSEB模型[8]等。劉園等[9]利用Penman-Monteith方法分析華北平原Ep變化特征，并研究主次氣候影響因子。李寶福等[10]基于SEBAL模型估算塔里木河干流區(qū)Ea，并對各土地利用/覆被類型的Ea進行了統(tǒng)計分析。2011年，美國NASA研究隊員發(fā)布了全球陸地蒸散數(shù)據(jù)(MOD16)[11]，該數(shù)據(jù)模擬精度達到86%。國內(nèi)一些研究人員利用MOD16產(chǎn)品對不同區(qū)域地表Ea時空分布和變化特征進行了評估，如鄱陽湖流域[12]、陜西省[13]、渭河流域[14]、淮河流域[15]。賀添等[16]檢驗了MOD16產(chǎn)品在我國的應(yīng)用精度，并深入討論我國2001—2010年的Ea時空分布格局和驅(qū)動因素，此研究結(jié)果表明，在干旱程度不斷加劇的西北地區(qū)MOD16 蒸散產(chǎn)品驗證精度良好，說明MOD16產(chǎn)品在西北地區(qū)具有適用性，可以用于艾比湖流域地表蒸散量時空分布特征研究。

近年來，一些學(xué)者對艾比湖流域氣候變化、水資源的合理調(diào)配等方面進行了一些研究，但研究重點多在景觀格局變化，以及綠洲、荒漠化演變等方面[17-18]；而主要針對艾比湖流域地表蒸散量的研究較少：因此，本文基于2000—2014年MOD16蒸散產(chǎn)品，分析艾比湖流域地表Ea、Ep時空分布格局，進一步探討兩者之間的關(guān)系，以期為干旱內(nèi)陸湖泊流域水資源調(diào)配，干濕狀況監(jiān)測以及生態(tài)環(huán)境保護與改善提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

艾比湖流域深居亞歐大陸腹地的中緯度地區(qū)，位于新疆維吾爾自治區(qū)北天山西段，是準噶爾盆地西段的最低洼地和水鹽匯集地。地理位置在E 79°53′～85°02′，N 43°38′～45°52′之間，遠離海洋，地勢為西高東低、中心洼地，東西長約407.21 km，南北寬約230.13 km，總面積為5.06萬km2。流域?qū)儆诘湫偷臏貛Ц珊敌源箨憵夂?，干燥少雨、日照充足、熱量豐富。年降水量116.0～169.2 mm，年平均氣溫6.6～7.8 ℃，無霜期160 d。流域因特殊的地貌特征和氣候條件，形成多種植被類型，主要有梭梭(Haloxylonammodendron)、胡楊(Populuseuphratica)、檉柳(Tamarixramosissima)和蘆葦(Phragmitesaustralis)等[19]。土地利用類型主要是以草原、耕地、稀疏灌木林、鹽堿地、水體、裸地和冰川為主(圖1)。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

蒸散量數(shù)據(jù)：筆者所使用的蒸散量數(shù)據(jù)為2000—2014年月、年合成，衛(wèi)星軌道號為h23v04/ h24v04的MOD16-Ea、Ep數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為1 km。借助于MRT投影轉(zhuǎn)換工具將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為GeoTiff格式，將SIN投影轉(zhuǎn)換為WGS-1984/Geographic經(jīng)緯坐標系，并進行圖像拼接與裁剪。數(shù)據(jù)使用說明，應(yīng)剔除數(shù)據(jù)中的無效值并還原真實值。地表溫度：2001—2014年各月份MOD11A2數(shù)據(jù)集中提取的白天和夜間地表溫度8 d合成產(chǎn)品。海拔數(shù)據(jù)：SRTM(Shuttle Rader Topography Mission)采集的分辨率為90 m的DEM 數(shù)據(jù)。地面觀測數(shù)據(jù)：阿拉山口、托里、溫泉、精河等代表性氣象站2000—2014年月實測氣溫、風(fēng)速、相對濕度等數(shù)據(jù)。

1)Ea、Ep年際變化評估指標。

在IDL語言環(huán)境中逐像元計算2000—2014年Ea、Ep線性傾向率

(1)

式中：S為線性傾向值；n為年序列總長度；i為年份；Ei為第i年的Ea、Ep。當S為負，Ea、Ep變化處于減少趨勢，S為正，Ea、Ep變化處于增加趨勢。

2)相對變化率

(2)

3 結(jié)果與分析

3.1Ea與Ep時間分布特征

2000—2014年艾比湖流域地表Ea、Ep年際波動不大，波動范圍分別為289.83～339.72和1 472.09～1 701.68 mm，多年平均Ea為315.76 mm，Ep為1 555.27 mm。Ea波動最為突出的年份是2002和2008年，相對變化率分別為7.05%和-8.5%。Ep波動最為突出的年份是2008和2003年，相對變化率分別為8.60%和-5.65% (圖2a)。Ea為地表實際蒸散量，Ep為一定氣象條件下水分供應(yīng)不受限制時的最大蒸發(fā)蒸騰量，Ea與Ep的差距可以說明地表的缺水情況，也就是干旱程度。從圖2可見，艾比湖流域地表Ea與Ep有較大的差距，說明流域整體上缺水，干旱。

年內(nèi)Ea與Ep分布處于先增大后減少的單峰型變化趨勢，峰值位于7月。Ea與Ep比較集中在5—9月，10—翌年2月變化波動比較平緩，6月Ea與Ep之間的差距最大，說明流域在6月處于最干旱狀態(tài)。到了7月氣溫達到最高值、降雨量最大、太陽輻射強烈，有良好的蒸騰和蒸發(fā)條件，Ea與Ep處于最高值；10—翌年2月氣溫較低，降水量減少，植被覆蓋度變低，Ea、Ep處于最低值。

按季節(jié)來看，春季即3—5月Ea與Ep處于增加趨勢，夏季氣溫達到最高值；因此6月開始Ea與Ep迅速增長，秋季即9—11月降水量減少、氣溫下降，二者隨之處于急劇減少趨勢，到冬天處于最低值，12—翌年2月保持最低水平，無明顯變化。夏季二者之間的差距最大，此時研究區(qū)最干旱、缺水。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Sketch map of study area

Ea:Actual evapotranspiration.Ep:Potential evapotranspiration.The same below.圖2 2000—2014年艾比湖流域平均Ea、Ep不同年月變化Fig.2 Annual and monthly variation of Ea and Ep in Ebinur Lake Basin during 2000-2014

圖3 艾比湖流域年平均Ea與Ep空間分布Fig.3 Spatial distribution of mean annual Ea and Ep of Ebinur Lake Basin

3.2Ea與Ep空間分布特征

如圖3所示，艾比湖流域2000—2014年平均Ea與Ep具有明顯的空間分布差異，且兩者的空間分布狀況正好相反。西北山區(qū)和溫泉縣、精河—博樂綠洲、北天山的西段支脈以及托里縣等區(qū)域Ea值比其他區(qū)域顯著高，在301.5～596.1 mm之間，Ep值比較低，在906.5～1 487.3 mm之間。流域東部大范圍地區(qū)、精河—博樂綠洲周圍Ea值均比較低，為110～233.9 mm，Ep值較高，為1 620～2 142.4 mm。由于MOD16產(chǎn)品覆蓋范圍為有植被區(qū)域，所以在圖中艾比湖、賽里木湖、艾比湖周邊裸地及永久冰雪覆蓋區(qū)等無植被區(qū)域為空白，沒有數(shù)據(jù)。

Ea與Ep空間分布的相反狀況，可通過蒸散發(fā)互補相關(guān)理論來解釋[20,21]。當下墊面充分濕潤條件下，Ea與Ep相等；當水分不足時，Ea變少，陸面和大氣的相互作用導(dǎo)致Ep增大。西北山區(qū)和溫泉縣、精河—博樂綠洲、南部北天山的西段支脈以及瑪依力山脈等區(qū)域風(fēng)速大，且通過阿拉山口進入的氣流在山區(qū)抬升形成較多降水，加上綠洲的灌溉引水使此區(qū)域Ea值較大，Ep值小，說明此區(qū)域水分比較充足；流域東部大范圍地區(qū)、環(huán)精河—博樂綠洲的周圍地區(qū)降水量少[22]、植被覆蓋不良、下墊面供水不足，因此Ea值小，Ep值大，此區(qū)域干旱缺水。

3.3Ea與Ep影響因子分析

根據(jù)Ea與Ep的產(chǎn)生機制與相關(guān)數(shù)據(jù)的可獲得性，選取阿拉山口、托里、溫泉、精河等氣象站2000—2014年月時間序列的氣溫、風(fēng)速、相對濕度等實測數(shù)據(jù)，在“點”尺度上進行相關(guān)性分析。

在干旱半干旱區(qū)，Ea主要是由水分決定，而氣象站實測Ea不受水分的影響，決定其大小的主要因子是能量，說明氣象站實測Ea與MOD16-Ea具有相反關(guān)系。Ep表示的是充分供水情況下的最大蒸散量[23-24]，可知氣象站實測Ea與MOD16-Ep更接近。因此本文通過MOD16-Ep數(shù)據(jù)與氣象站實測數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。

如圖4所示，氣溫與Ep處于顯著正相關(guān)關(guān)系，R2=0.92，相對濕度與Ep處于明顯的負相關(guān)關(guān)系，R2=0.80，風(fēng)速與Ep處于正相關(guān)關(guān)系，但其影響強度較弱，R2=0.24。

圖4 主要氣象因子與Ep的關(guān)系Fig.4 Relationship between major meteorological factors and Ep

為了進一步佐證不同因素對蒸散發(fā)的影響，選取地表溫度(Land surface temperature)和海拔等因子分別與Ea、Ep逐像元進行相關(guān)性分析。由散點圖(圖5)可以看出：地表溫度分別與Ea呈負相關(guān)、與Ep呈正相關(guān)關(guān)系，尤其在溫度高于5 ℃的綠洲及其周圍區(qū)域相關(guān)關(guān)系較明顯；海拔高于1 000 m的高山區(qū)海拔與Ea的關(guān)系呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，這可能由于受人類活動的影響少、植被覆蓋度高的原因；而在海拔<1 000 m的平原區(qū)，即綠洲及其周圍區(qū)域相關(guān)關(guān)系不明顯。海拔與Ep呈弱負相關(guān)關(guān)系。圖4和圖5中氣溫和地表溫度與Ea、Ep有著不同的相關(guān)關(guān)系。因為實測Ea與MOD16-Ep更接近，氣象站其他實測數(shù)據(jù)同樣與MOD16-Ep數(shù)據(jù)有較好的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)Ea與Ep的互補相關(guān)理論[20-21]，由于Ea與Ep是相反關(guān)系，地表溫度與Ea呈負相關(guān)關(guān)系，這與前人研究結(jié)果[25]一致。

3.4Ea與Ep變化趨勢分布

圖6表示，近15年來艾比湖流域地表Ea與Ep變化趨勢空間分布情況?？梢钥闯?，Ea在博樂—精河綠洲以及流域東部奎屯、烏蘇等區(qū)域有增加或基本不變趨勢，北天山的西段支脈和西北山區(qū)有嚴重減少趨勢，流域東北部、西部環(huán)博樂—精河綠洲的大范圍區(qū)域有輕微減少趨勢，其中處于嚴重減少趨勢的區(qū)域面積最大，約占總面積的25.75%。Ep在流域南部的奎屯、烏蘇南部和北天山的西段支脈部分區(qū)域有明顯增加趨勢，東北部、博樂—精河綠洲南部和兩側(cè)有輕微增加趨勢，溫泉縣、博樂—精河綠洲和東部綠洲的部分區(qū)域有基本不變趨勢，博樂—精河綠洲和奎屯、烏蘇等區(qū)域基本上有減少趨勢，其中處于輕微增加趨勢的區(qū)域面積最大，約占總面積的27.44%。綜上所述，流域多年Ea嚴重減少和輕微減少的區(qū)域面積約占總面積的50%，Ep明顯增加和輕微增加的區(qū)域面積約占總面積的48.39%，可知Ea總體上處于減少趨勢，Ep處于增加趨勢，這說明流域近15年內(nèi)干旱加重。

圖5 Ea、Ep與地表溫度、海拔的關(guān)系Fig.5 Relationship between land surface temperature,elevation and Ea，Ep

圖6 艾比湖流域2000—2014年Ea、Ep變化趨勢Fig.6 Change trend of Ea and Ep in Ebinur Lake Basin during 2000-2014

4 結(jié)論

本文利用MOD16數(shù)據(jù)產(chǎn)品，對艾比湖流域2000—2014年地表Ea與Ep時空變化格局及其變化趨勢進行了分析，并揭示兩者之間的時空差異性。主要結(jié)論如下。

1)2000—2014年艾比湖流域地表Ea與Ep年際波動不大，多年平均Ea與Ep為315.76、1 555.27 mm。Ea與Ep有較大的差距，說明流域整體上缺水，干旱。年內(nèi)分布處于先增大后減少的單峰型變化趨勢，夏季二者之間的差距最大，此時研究區(qū)最干旱、缺水。

2)艾比湖流域平均Ea與Ep空間分布狀況正好相反。西北山區(qū)和溫泉縣、精河—博樂綠洲、北天山的西段支脈以及流域北部瑪依力山脈等區(qū)域Ea值較高，Ep值較低，此區(qū)域水分比較充足；流域東部大范圍地區(qū)、精河—博樂綠洲周圍Ea值均較低，Ep值較高，此區(qū)域干旱缺水。

3)氣溫為影響流域Ea與Ep變化的最主要因素，相對濕度有明顯的負作用，風(fēng)速作用不大。地表溫度分別與Ea呈負相關(guān)、與Ep呈正相關(guān)關(guān)系。海拔與Ea呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，與Ep呈弱負相關(guān)關(guān)系。

4)流域多年Ea總體上處于減少趨勢，減少趨勢的區(qū)域面積約占總面積的50%；Ep處于增加趨勢，約占總面積的48.39%。區(qū)域Ea減少和Ep增加趨勢表明研究區(qū)近15年內(nèi)干旱加重。

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Spatio-temporal distribution characteristics and contributing factors ofEaandEpin Ebinur Lake Basin during 2000-2014

Adilai WUFU1，Yusufu MAIMAITI1,Yusufujiang RUSULI1,2，Reyilai KADEER1，JIANG Hong1

(1.Institute of Geographical Science and Tourism/Laboratory of Information Integration and Eco-Security,Xinjiang Normal University，830054,Urumqi,China; 2.Xinjiang Key Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Zone,830054,Urumqi,China)

[Background] Water evaporation plays an important role in the hydrological process as it is a major part of the ecological water balance.The evapotranspiration (ET) is the loss of water from the soil both by evaporation and by transpiration from the plants growing thereon.Actual evaporation (Ea) concerns the water evaporation from natural surfaces to the atmosphere.Potential evaporation (Ep) is the amount of water that would be evaporated and transpired if there are sufficient water available.This demand incorporates the energy available for evaporation and the ability of the lower atmosphere to transport evaporated moisture away from the land surface.Therefore,the evaporation can substantially influence on a regional scale the amount and spatial distribution of water resources.In-depth understanding the spatio-temporal distribution and evolution process of evaporation provides scientific basis for basin water resources planning,evaluating the condition of drought,study on ecological water demand,etc.[Methods] The spatio-temporal distribution characteristics and evolution trend ofEaandEpwere studied by linear trend analysis and relative variation ratio using MOD16 product and observation data of meteorological station during 2000-2014 in Ebinur Lake Basin.[Results] 1) Inter-annual variation ofEaandEpwas not obvious during recent 15 years,the mean annualEaandEpwere 315.76 and 1 555.27 mm respectively,and the great discrepancy between mean annualEaandEpshowed that the whole study area was in the condition of water shortage and drought.2) The spatial distribution ofEawas opposite to that ofEp.The northwestern mountain area,Jinghe-Bole Oasis area,western branch of northern Tianshan Mountain and Mayili Mountain area had sufficient water supply,while the most eastern area of Ebinur Lake Basin,all around of Jinghe-Bole oasis suffered from drought and water shortage.3) Analysis of influencing factors demonstrated that temperature was the most important factor to affecting the spatio-temporal distribution ofEaandEpin the study area.4) The evolution trend ofEawas decreasing in the fifteen years,and the area with decreasing trend was accounted for 50% of the total.The evolution trend ofEpwas increasing in the fifteen years,and the area with increasing trend was accounted for 48.39% of the total.The evolution trend of decreasingEaand increasingEpindicated that the condition of drought was aggravated during 2000-2014 in Ebinur Lake Basin.[Conclusions] According to the spatio-temporal variation and evolution trend ofEaandEpin Ebinur Lake Basin during 2000-2014,the land surface in Ebinur Lake Basin was drought,and the condition was aggravated year by year.

MOD16； surface； actual evapotranspiration; potential evapotranspiration; spatio-temporal variation; evolution trend; contributing factors； Ebinur Lake Basin

2016-12-12

2017-07-04

項目名稱：新疆研究生科研創(chuàng)新項目“基于MODIS數(shù)據(jù)的新疆地表蒸散量時空分異特征及氣候歸因”(XJGRI2016101)；新疆維吾爾自治區(qū)青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)工程“變化環(huán)境下典型綠洲系統(tǒng)的時空演變過程及其驅(qū)動機制研究”(QN2015YX009)；國家自然科學(xué)基金 “內(nèi)陸湖泊流域水循環(huán)過程模擬與調(diào)控研究”(41461006)

阿迪來·烏甫(1992—)，女，碩士研究生。主要研究方向：資源環(huán)境遙感。E-mail:Adilagupur@126.com

?通信作者簡介：玉素甫江·如素力( 1975—)，男，教授，博士。主要研究方向：流域水文與生態(tài)系統(tǒng)，3S技術(shù)及其應(yīng)用。E-mail：Yusupjan@xjnu.edu.cn

P426.2

A

2096-2673(2017)04-0060-08

10.16843/j.sswc.2017.04.008