鄂爾多斯市潛在蒸散發(fā)時(shí)空變化分析

徐麗娟 張文鴿 李皓冰 譚力

摘要：依據(jù)Priestley-Taylor潛在蒸散發(fā)量計(jì)算模型，AmODIS、GLDAS等多源遙感數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對鄂爾多斯市2001-2012年的地表潛在蒸散發(fā)進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明：基于多源遙感數(shù)據(jù)的Priestley-Taylor模型對鄂爾多斯市潛在蒸散發(fā)的模擬效果較好；從時(shí)間序列上看，鄂爾多斯市2001-2012年潛在蒸散發(fā)量總體呈增長趨勢，增長率為8.26mm/a；7月潛在蒸散發(fā)量為170.44mm，為全年最大值，5-8月潛在蒸散發(fā)量占全年的55.56%；從空間分布上看，鄂爾多斯市潛在蒸散發(fā)主要發(fā)生在草地、沙漠和耕地，三者的潛在蒸散發(fā)量分別占總量的50.62%、34.58%、14.35%。

關(guān)鍵詞：Priestley-Taylor模型；時(shí)空變化；潛在蒸散發(fā)；鄂爾多斯市；2001-2012年

中圖分類號(hào)：P426.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.013

受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，鄂爾多斯市水文循環(huán)發(fā)生了顯著變化。潛在蒸散發(fā)可反映區(qū)域的蒸發(fā)能力，是地表能量平衡、水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。對潛在蒸散發(fā)進(jìn)行大空間尺度計(jì)算以及相關(guān)分析，對于研究當(dāng)?shù)氐臍庀蟾珊?、氣候變化等有重要意義[1]。

近年來，對于潛在蒸散發(fā)的研究越來越受到重視和關(guān)注。國內(nèi)外對于潛在蒸散發(fā)的研究已取得較多成果，如：張洪波等[2]以徑河流域?yàn)檠芯繉ο螅捎肧WAT模型模擬該流域的潛在蒸發(fā)量；曹永強(qiáng)等[3]采用Penman-Monteith法，估算了遼寧省1965-2014年的潛在蒸散發(fā)量，結(jié)果表明近50a來遼寧省潛在蒸散發(fā)量呈顯著減小趨勢，在空間上由西向東遞減；趙捷等[4]利用黑河流域15個(gè)氣象站點(diǎn)41a的逐日觀測資料，應(yīng)用Penman-Monteith模型，結(jié)合Spline插值方法，分析了黑河流域潛在蒸散發(fā)的時(shí)空變化，結(jié)果表明多數(shù)站點(diǎn)的潛在蒸散發(fā)量呈下降趨勢；王亞敏等[5]利用FAO Penman-Monteith模型計(jì)算出潛在蒸發(fā)量，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論和GIS空間分析技術(shù)，對河西地區(qū)潛在蒸發(fā)量的時(shí)空特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明河西地區(qū)潛在蒸發(fā)量總體呈波動(dòng)下降趨勢；Hember R.A.等[6]采用Priestley-Taylor模型估算了北美森林地區(qū)從1951年至2014年的潛在蒸發(fā)量，預(yù)計(jì)該地區(qū)未來潛在蒸發(fā)量呈上升趨勢；Sauda.等[7]通過研究Thornth-waite、Blaney-Criddle、Kharufa和Ivanov等人的方法，分析了伊拉克西部山谷潛在蒸散發(fā)的時(shí)空變化。

本文在構(gòu)建MODIS、GLDAS、DEM多源遙感數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，基于Priesdey-Taylor潛在蒸散發(fā)量計(jì)算模型，對鄂爾多斯市2001-2012年的潛在蒸散發(fā)量進(jìn)行計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行時(shí)空變化分析。

1 基于多源數(shù)據(jù)的Priestley-Taylor潛在蒸散發(fā)量計(jì)算模型

1.1 Priestley-Taylor潛在蒸散發(fā)量計(jì)算模型

Priestley-Taylor模型[8]是在地表能量平衡過程基礎(chǔ)上引入系數(shù)，從而推導(dǎo)無平流條件下潛在蒸散發(fā)的模型。跟彭曼模型[9]相比Priestley-Taylor模型輸入?yún)?shù)更少，且不需要空氣動(dòng)力等參數(shù)。Priestley-Taylor模型的計(jì)算公式為式中：ETp為潛在蒸散發(fā)量，mm；α為Priestley-Taylor模型系數(shù)；Rn為地表凈輻射量，W/m2；G為土壤熱通量，W/m2；λ為汽化潛熱，MJ/kg，取2.45；Δ為飽和水汽壓—溫度曲線的斜率，kPa/℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃。

本文取MODIS衛(wèi)星過境時(shí)刻的地表凈輻射量為計(jì)算點(diǎn)，表達(dá)式為

Rn=（1-α）Rs+R1↓-R1↑（2）式中：Rs為太陽短波輻射能量W/m2 ；R1↓為地表吸收的大氣長波輻射能量；R1↑ 為地表發(fā)射的長波輻射能量。

Rs的計(jì)算公式為

τ=0.75+2×10-5H（4）

θz=cos（sinφsinδ+cosφcosδcosω）（5）式中：I0為太陽常數(shù)；τ為大氣透射率；θz為太陽天頂角，rad；R為日地距離訂正因子；H為海拔，m，由DEM獲得；φ為地理緯度，rad；δ為太陽赤度，rad；ω為太陽時(shí)角，rad。

δ、ω的表達(dá)式分別為式中：ψ為太陽日角rad ；DOY為計(jì)算日期在當(dāng)年內(nèi)天數(shù)的排序；t為計(jì)算的時(shí)刻；lm為計(jì)算點(diǎn)的經(jīng)度，rad；lz為當(dāng)?shù)貢r(shí)區(qū)中心經(jīng)度，rad；Sc為太陽時(shí)的季節(jié)矯正。

太陽赤度和太陽時(shí)的季節(jié)矯正由下式估算[10]：f（ψ）=0.0069-0.4cosψ+0.07sinψ-0.0068cos 2ψ+0.0009sin 2ψ-0.0027cos 3ψ+0.0015 sin 3ψ（8）

R1↓-R↑可表示為

R1↓-R↑=δεaεsTa4-δεsTs4（10）

εa=9.2×10-6Ta2（11）

εs=0.273+1.778ε31-1.807ε31ε32-

1.037ε32+1.774ε322（12）式中：δ為常數(shù)，取值為5.67×10-8W/（m2·K4）；εa為大氣發(fā)射率；εs為地表發(fā)射率；Ta為氣溫，℃；Ts為地表溫度，℃；ε31、ε32分別為MODIS第31、32波段的發(fā)射率[11]。

土壤熱通量不能用遙感衛(wèi)星進(jìn)行檢測，可以通過植被覆蓋度與地表凈輻射之間的關(guān)系進(jìn)行度量：

G=Rn[Гc+（1-fc）（Гa-Гc）]（13）

fc=（NDVI-NDVlsoil）/（NDVIveg-NDVIsoil）

（14）式中：fc為植被覆蓋度；Гs為全部裸地情況下土壤熱通量與地表凈輻射量的比值，取0.315；Гc為植被完全覆蓋區(qū)土壤熱通量與地表凈輻射量的比值，取0.05；NDVI為歸一化植被指數(shù)；NDVIsoil為裸土區(qū)的歸一化植被指數(shù)[12]； NDVIveg為植被覆蓋區(qū)的歸一化植被指數(shù)。

干濕表常數(shù)γ的計(jì)算式為式中：Cp為空氣定壓比熱，MJ·kg/℃，取值為1.013×10-3；Pr為大氣壓，kPa/℃；ε為水汽化學(xué)式量與干空氣化學(xué)式量之比。

飽和水汽壓—溫度曲線斜率△可表示為式中：trise為日出時(shí)間；tset為日落時(shí)間；t為計(jì)算潛在蒸散發(fā)量對應(yīng)的時(shí)間；ETp_max為一天內(nèi)最大潛在蒸散發(fā)量，mm。

1.2 MODIS、GLDAS、DEM多源數(shù)據(jù)

針對研究區(qū)域氣象資料獲取不全面的情況，本文采用MODIS、GLDAS、DEM多源數(shù)據(jù)作為模型基礎(chǔ)參數(shù)。

（1）MODIS數(shù)據(jù)。MOD11Al是1d合成的空間分辨率為1000m的地表溫度和地表發(fā)射率產(chǎn)品。MOD13A2是16d合成的空間分辨率為1000m的植被指數(shù)產(chǎn)品，包括植被指數(shù)（NDVI）和增強(qiáng)性植被指數(shù)（EVI），本文采用植被指數(shù)NDVI。MCD43B3為8d時(shí)間分辨率、1000m空間分辨率數(shù)據(jù)，提供地表反照率數(shù)據(jù)。

（2）GLDAS氣溫?cái)?shù)據(jù)及預(yù)處理。在計(jì)算地表吸收的長波輻射時(shí)，需要大氣溫度數(shù)據(jù)，本研究采用GLDAS提供的0.25°×0.25°空間分辨率、3h時(shí)間分辨率的遙感數(shù)據(jù)。本研究空間分辨率統(tǒng)一為0.01°×0.01°，因此需要對大氣溫度的0.25°×0.25°數(shù)據(jù)進(jìn)行降尺度處理。

由于大氣溫度降尺度插值處理精度跟當(dāng)?shù)氐暮０胃叨鹊纫蛩叵嚓P(guān)，因此在插值處理前要先對大氣溫度進(jìn)行基于海拔的還原操作，即將大氣溫度還原到海平面對應(yīng)的大氣溫度，然后再進(jìn)行線性插值操作，得到對應(yīng)的0.01°×0.01°大氣溫度數(shù)據(jù)，最后根據(jù)逆運(yùn)算得到正常海拔高度下的氣溫?cái)?shù)據(jù)。計(jì)算公式為

Tair'=Tair+mH（19）式中：Tair'為對應(yīng)的海平面大氣溫度數(shù)據(jù)；Tair為原始大氣溫度數(shù)據(jù)；m為濕絕熱直減率，取0.6℃/100m。

（3）DEM地面高程數(shù)據(jù)。DEM數(shù)字高程采用地理空間數(shù)據(jù)云提供的90m分辨率數(shù)據(jù)。在ENVI平臺(tái)中對其進(jìn)行重采樣操作，獲得0.01°×0.01°空間分辨率、WGS-84坐標(biāo)系格式的DEM數(shù)據(jù)。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部，地處鄂爾多斯高原腹地，與呼和浩特市、烏海市、阿拉善盟、包頭市等接壤，屬典型的溫帶大陸性氣候區(qū)，日照豐富，四季分明，無霜期短，干旱少雨，蒸發(fā)量大。年日照時(shí)數(shù)為2716.4～3193.9h，境內(nèi)不同地區(qū)年均氣溫為5.3～8.7℃，全年氣溫日較差為11～15℃，年較差為45～50℃。東部地區(qū)年降水量為300～400mm，西部地區(qū)為190～350mm，全年降水集中在7-9月。蒸發(fā)量大，年蒸發(fā)能力為2000～3000mm。鄂爾多斯市行政區(qū)劃見圖1。

2.2 鄂爾多斯市ETp計(jì)算結(jié)果

在構(gòu)建多源遙感來源數(shù)據(jù)庫和基于Priestley-Taylor模型計(jì)算潛在蒸散發(fā)量的基礎(chǔ)上，對鄂爾多斯市2001-2012年逐日潛在蒸散發(fā)量進(jìn)行模擬并進(jìn)行累加，得到逐年潛在蒸散發(fā)影像（見圖2）。

在沒有實(shí)測資料的情況下，由于水面蒸發(fā)量是對應(yīng)區(qū)域充分灌水條件下的蒸發(fā)量，反映了當(dāng)?shù)氐恼舭l(fā)能力，與潛在蒸散發(fā)有良好的相關(guān)性，因此本文采用ETp與水面蒸發(fā)量之間的相關(guān)性對ETp的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。選取杭錦旗建設(shè)灌域吉日嘎郎圖鎮(zhèn)試驗(yàn)場蒸發(fā)皿監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該試驗(yàn)場使用20cm口徑蒸發(fā)皿進(jìn)行逐日水面蒸發(fā)監(jiān)測，驗(yàn)證資料選取2006年3月至2008年10月的月蒸發(fā)量數(shù)據(jù)。20cm口徑蒸發(fā)皿與E601蒸發(fā)皿的折算系數(shù)采用鄂爾多斯市東勝氣象站（國家基準(zhǔn)站）2000-2001年蒸發(fā)試驗(yàn)得到的結(jié)果[13]，取0.47。對于E601與真實(shí)水域的折算系數(shù)，俄羅斯和美國的相關(guān)學(xué)者研究認(rèn)為其值為0.90～0.91，我國沒有公認(rèn)的研究結(jié)果，故本次研究選取0.90。因此，本次研究最終的蒸發(fā)皿折算系數(shù)取0.423。模擬得到的ETp與水面蒸發(fā)量的相關(guān)關(guān)系見圖3，模擬值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)為0.9048，說明潛在蒸散發(fā)的模擬精度令人滿意。

2.3 鄂爾多斯市ETp時(shí)間變化分析

從2001-2012年年均ETp的變化（見圖4）可知：2001-2012年鄂爾多斯市潛在蒸散發(fā)量總體呈增長趨勢，增長速率約為8.26mm/a；ET的最小值（1057.81～）出現(xiàn)在2001年，最大值（1210.23mm）出現(xiàn)在2012年。本次研究的結(jié)果與劉昌明等[川對黃河流域潛在蒸散發(fā)的研究結(jié)果相符，說明基于多源遙感數(shù)據(jù)的Priestley-Taylor模型對鄂爾多斯市潛在蒸散發(fā)模擬效果較好。

從月均潛在蒸散發(fā)變化情況（見圖5）可知：鄂爾多斯市潛在蒸散發(fā)量年內(nèi)大致呈正態(tài)分布；1月太陽輻射強(qiáng)度小，地表凈輻射量低，潛在蒸散發(fā)量為22.95mm，是全年最小值；隨著時(shí)間推移，地面接收的太陽短波輻射逐漸增強(qiáng)，同時(shí)隨著植被指數(shù)增大，地表能量吸收率增大，地面凈輻射量也隨之增大，7月潛在蒸散發(fā)量達(dá)到全年最大的170.44mm；5-8月的潛在蒸散發(fā)量占全年的55.56%。

2.4 鄂爾多斯市ETp空間分布分析

對2001-2012年多年平均ETp影像（見圖6）分析可知，鄂爾多斯市北部的庫布齊沙漠地表發(fā)射率和地表反射率都比較大并且降水量小，因此其地表凈輻射量較小，導(dǎo)致其處于整個(gè)研究區(qū)域潛在蒸散發(fā)量的低值區(qū)，多年平均潛在蒸散發(fā)量只有800mm。同時(shí)，鄂爾多斯高原西部屬于半荒漠草原地帶，地勢平坦，起伏不大，氣候比較干旱且降雨稀少，因此該區(qū)域也處于潛在蒸散發(fā)量的低值區(qū)。中部毛烏素沙地由于地下水蘊(yùn)藏條件較好，地表發(fā)射的短波輻射相對較少，同時(shí)毛烏素沙地有零星草地分布，地表對太陽輻射的短波輻射吸收較多，故潛在蒸散發(fā)相對庫布齊沙漠大，為1000～1200mm，屬于中值區(qū)。北部沿黃灌區(qū)有較好的灌溉條件，地下水埋深較淺，地表凈輻射量較大，因此潛在蒸散發(fā)量較大。東部準(zhǔn)格爾旗大部分地區(qū)溝壑縱橫，河流分布廣泛，加上草地覆蓋較廣，因此其處于潛在蒸散發(fā)量的高值區(qū)，最高達(dá)到1500mm，

盧娜等[15]在利用地面實(shí)測蒸發(fā)量對SEBS（Surface Energy Balance System，地表能量平衡系統(tǒng)）模型參數(shù)進(jìn)行率定的基礎(chǔ)上，依據(jù)NOAA（NationalOceanic and Atmospheric Administration，美國國家海洋和大氣管理局）衛(wèi)星資料，對鄂爾多斯市北部盆地蒸散量進(jìn)行模擬，研究顯示鄂爾多斯市北部地區(qū)蒸發(fā)量高值為1 500mm左右，與本次研究的結(jié)果基本相符。

從鄂爾多斯市多年平均ETp的計(jì)算結(jié)果（見圖7）和鄂爾多斯市土地利用現(xiàn)狀可知，鄂爾多斯市草地、沙漠、耕地面積占比大，其潛在蒸散發(fā)量分別占總量的50.62%、34.58%、14.35%，其他土地利用類型占比過小，占總量的比例不超過1%。

3 結(jié)語

（1）鄂爾多斯市2001-2012年潛在蒸散發(fā)量為1057.81～1210.23mm，由北向南呈增大趨勢。

（2）鄂爾多斯市多年月均潛在蒸散發(fā)量大致呈正態(tài)分布。1月潛在蒸散發(fā)量為22.95mm，是全年最小值。7月潛在蒸散發(fā)量為170.44mm，為全年最大值。5-8月潛在蒸散發(fā)量占全年的55.56%。多年平均潛在蒸散發(fā)量西北地區(qū)較低，東南地區(qū)較高。

（3）傳統(tǒng)的潛在蒸散發(fā)計(jì)算方法依托氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，只能代表某一個(gè)站點(diǎn)的潛在蒸散發(fā)，而基于遙感數(shù)據(jù)的潛在蒸散發(fā)模型實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)到面的跨越，展現(xiàn)了遙感數(shù)據(jù)在長系列時(shí)間和大空間尺度地物信息監(jiān)測的優(yōu)勢。本次研究基于MODIS、GLDAS等多源遙感數(shù)據(jù)庫，依據(jù)Priestley-Taylor計(jì)算模型對鄂爾多斯市2001-2012年逐日潛在蒸散發(fā)進(jìn)行模擬，取得了較好的模擬效果。

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