基于MOD16A2的毛烏素沙地實(shí)際蒸散量時空穩(wěn)定性模擬

劉 靜，劉鐵軍，杜曉峰，吳永勝，包玉龍

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特010020;2.內(nèi)蒙古師范大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特010020)

毛烏素沙地主要覆蓋鄂爾多斯高原西部和陜北長城沿線區(qū)域，是以草原和農(nóng)牧交錯區(qū)為主的生態(tài)脆弱過渡帶。毛烏素沙地在氣候(蒙古-西伯利亞反氣旋中心向東南季風(fēng)區(qū))、區(qū)域(干旱向半干旱區(qū))、景觀(沙漠向黃土高原)、土壤侵蝕類型(風(fēng)蝕向水蝕)等自然特征方面均表現(xiàn)出了明顯的過渡性［1］。毛烏素沙地氣候干燥、降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、植被類型單一、生態(tài)環(huán)境脆弱，導(dǎo)致沙塵暴強(qiáng)度和頻次不斷增加，生態(tài)環(huán)境惡化。該區(qū)長期干旱少雨，降雨量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地面滲透量，地表水系不發(fā)達(dá)，地下水也較貧乏，且分布不均，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)植被覆蓋度較低。沙地內(nèi)土地荒漠化發(fā)展迅速，對西部地區(qū)環(huán)境造成嚴(yán)重危害，因此一直以來毛烏素沙地都是中國荒漠化研究專家和學(xué)者關(guān)注并致力于長期研究的熱點(diǎn)地區(qū)［2］。

蒸散發(fā)(Evapotranspiration，ET)是水量平衡、能量平衡、水循環(huán)的重要過程，主要包括土壤表面和植物冠層的蒸發(fā)、蒸騰。全球陸地降水約60%以蒸散形式返回大氣，在降水較少的干旱地區(qū)達(dá)到90%［3］，因此在毛烏素沙地ET是水分流失的主要途徑?？茖W(xué)量化ET并清楚地認(rèn)識ET的時空動態(tài)，對于合理利用毛烏素沙地稀有的水資源、促進(jìn)沙區(qū)生態(tài)環(huán)境平衡意義重大。自從1802年Dalton提出蒸散發(fā)的計算公式后，世界各地專家學(xué)者開始對蒸散發(fā)進(jìn)行廣泛的研究［4-8］，隨著研究的不斷深入，蒸散發(fā)的計算方法也在不斷增多，其中以經(jīng)驗法和物理模型法為主。其中最具影響力的是將表面抗阻概念融入計算非飽和下墊面蒸散發(fā)公式，形成了Penman-Monteith公式，該公式作為蒸散發(fā)計算的經(jīng)典算法直到現(xiàn)在仍然被廣泛應(yīng)用。我國利用遙感影像估算區(qū)域蒸散發(fā)的研究基本開始于20世紀(jì)80年代，現(xiàn)今也取得了很多研究成果。如馬宏偉等［9］都分別利用不同尺度的遙感數(shù)據(jù)反演了生態(tài)需水。傳統(tǒng)的蒸散發(fā)監(jiān)測、計算無法準(zhǔn)確地對土壤及植被的實(shí)際蒸散發(fā)進(jìn)行監(jiān)測，其監(jiān)測尺度也只是局限于“點(diǎn)”的小尺度范圍，而大尺度空間的研究能夠更加宏觀地反映出區(qū)域的一些變化特征及規(guī)律。大尺度界面的非均勻性，使得遙感這一先進(jìn)的手段在觀測或模擬的諸多方法中更具優(yōu)勢，同時也促進(jìn)了區(qū)域ET的研究［10-13］。近年來，隨著遙感數(shù)據(jù)及技術(shù)的廣泛應(yīng)用，遙感反演ET已經(jīng)成為生態(tài)、水文等相關(guān)學(xué)科熱點(diǎn)問題，其尺度也可以實(shí)現(xiàn)上推到“面”的大尺度范圍。

本文運(yùn)用MOD16-ET產(chǎn)品數(shù)據(jù)，空間分辨率1 km，統(tǒng)計并分析毛烏素沙地ET時空變化特征及空間穩(wěn)定性模擬(數(shù)據(jù)精度通過驗證)，結(jié)論為沙地生態(tài)修復(fù)及植被需水的高效利用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選取整個毛烏素沙地，其中包括毛烏素的內(nèi)蒙古部分、陜西榆林地區(qū)的北部及寧夏回族自治區(qū)的一小部分，主要包括鄂托克旗東南部、鄂托克前旗、烏審旗以及伊金霍洛旗南部、陜西榆林地區(qū)的北部以及寧夏回族自治區(qū)鹽池縣的東北部。由于毛烏素沙地的北部邊緣已經(jīng)擴(kuò)大到烏審旗北部和伊金霍洛旗西北部，并與庫布齊沙漠連接，而且沙漠化面積在緯度上現(xiàn)已向北擴(kuò)展到 39°30＇，所以研究區(qū)地理位置選擇了 107°20＇～111°30＇E，37°25＇～39°30＇N，其他界線用行政界線界定，研究區(qū)面積為 39 835 km2［14］。

1.2 數(shù)據(jù)來源

蒸散產(chǎn)品(MOD16)從http://www.ntsg.umt.edu/project/mod16下載。蒸散數(shù)據(jù)采用MOD16蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)。MOD16A2數(shù)據(jù)分辨1 km，掃描周期為8 d，時間尺度為天、月、年，可下載分析全球植被覆蓋區(qū)域的蒸散量、潛在蒸散量、潛熱通量、潛在潛熱通量數(shù)據(jù)。本次下載時間為2000—2014年，時間尺度為月，單位為每月0.1 mm的蒸散量(ET)數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

MOD16產(chǎn)品是采用分級數(shù)據(jù)格式(HDF，Hierarchical Data Format)、正弦曲線投影存儲的，因此首先需要利用NASA提供的MODIS Reprojection Tool(MRT)軟件轉(zhuǎn)換為GeoTiff格式文件，并進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、軌道鑲嵌和重采樣等操作。本次提取ET之后在ERDASIMAGINE 2013中進(jìn)行空間建模，計算多年ET年均值和月均值后生成圖像;利用毛烏素沙地的矢量邊界圖，切割出本次研究區(qū)范圍。在ARCGIS10系統(tǒng)中，制作毛烏素沙地2000—2014年的年、月ET平均分布圖。

利用線性傾向斜率法對毛烏素沙地ET時空變化趨勢進(jìn)行分析。分析估算包括波動度和趨勢線斜率值的計算。計算結(jié)果用相關(guān)系數(shù)的統(tǒng)計檢驗方法進(jìn)行顯著性趨勢檢驗。計算依照公式(1)～(3):

式中，t為年份序列;i、j分別代表柵格圖中的行與列;ETij表示圖像中第i行，第j列在所在像元的蒸散值。表示15 a的平均蒸散。

式中，Tij代表圖像中第i行，第j列像元的標(biāo)準(zhǔn)差值;t表示時間序列［15-18］。利用上述公式計算出波動度，用來反映區(qū)域內(nèi)各像元偏離均值的波動程度，其值越大表示波動越強(qiáng)烈，值越小則越穩(wěn)定。

式中，S為線性趨勢傾向程度，ET為蒸散量，t為監(jiān)測時間段年限，n=15。當(dāng)S＞0時，隨時間t的增加，ET呈上升趨勢;當(dāng)S＜0時，隨時間t的增加，ET呈下降趨勢。S斜率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。Sij是該像元在15 a的均值ET用一元線性回歸模擬出的一個總的變化趨勢，如果回歸方程的相關(guān)系數(shù)通過信度為0.05或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(dá)到顯著和極顯著水平［19-24］。

線性傾向值用來分析毛烏素沙地ET隨長時間序列整體發(fā)生變化情況。伴隨長時間序列，ET空間分布格局會整體呈現(xiàn)上升或下降趨勢，特別應(yīng)注意在某時刻轉(zhuǎn)折、突變點(diǎn)的出現(xiàn)，這些特殊時刻數(shù)據(jù)，往往在結(jié)果分析中具有重要價值。

將最終計算的波動度、線性傾向斜率值采用“自然間斷點(diǎn)”分類法對波動度模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，其分類原理是能夠在數(shù)據(jù)序列中差異相對較大的的位置設(shè)定邊界。該分類法優(yōu)點(diǎn)是在較真實(shí)地保留原始數(shù)據(jù)性質(zhì)的同時，對相似值進(jìn)行了最恰當(dāng)?shù)姆纸M，并實(shí)現(xiàn)了各類之間的差異最大化。

2 結(jié)果與分析

2.1 多年ET年際月均時空變化分析

圖1為根據(jù)MOD16數(shù)據(jù)產(chǎn)品經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、鑲嵌、裁剪后得到的毛烏素沙地ET多年月均分布情況?？梢钥闯?月是全年ET量最低月份，該月在沙地的西部邊緣最早出現(xiàn)0～10 mm以下ET，之后低ET范圍逐漸向東部延伸，直至沙地，ET幾乎全部下降至10 mm以下;之后東部開始零星出現(xiàn)ET上升區(qū)域。隨著植被生長季節(jié)的到來，高ET由東部逐漸向沙地中部及南部擴(kuò)展，尤其到了雨水充足植被生長旺盛的8月，東部大部分地區(qū)及沙地南緣等沙區(qū)治理好的地區(qū)，明顯出現(xiàn)27.5 mm以上的ET，東部及南部邊緣部分有地區(qū)ET達(dá)到30 mm以上。

從圖2可以看出，毛烏素沙地冬春季節(jié)，ET呈下降趨勢。15 a間多年月均ET從1月份的22.5～25 mm開始以平均53.24%的速率逐月下降，4月份到達(dá)最低點(diǎn)，此時整個毛烏素沙地92.23%ET量在10 mm以下。夏季沙地ET逐月上升，6月沙地植被開始返青，ET量微量增加，但仍以20 mm以下為主。盛夏是沙地植被生長最旺盛的時期，此時期降水增多，日照充足，水汽充沛，有利于蒸散，ET量迅速上升，20 mm以上ET量從 32.38%上升到76.80%。入秋后，降水減少，植被凋落，外界條件不利于蒸散，沙地ET迅速下降。10月沙地已提前進(jìn)入冬季，氣溫降低，降雪較早，故ET仍有小幅上升，但25 mm以上高ET全部消失，80.1%蒸散區(qū)間分布在15～20 mm之間。11—12月沙地ET量上升幅度較大，最高達(dá)27.5 mm，12月份沙地98.36%的ET在22.5～27.5 mm。

綜上可知，毛烏素沙地由于其特殊的地理位置和氣候條件，ET多年月均空間分布差異明顯，規(guī)律獨(dú)特。多年月均呈現(xiàn)先增后減的雙峰型分布曲線，兩次峰值出現(xiàn)在9月和12月，最低值出現(xiàn)在3—4月。空間分布規(guī)律呈現(xiàn)東部高于西部，南部高于北部;隨季節(jié)變換，ET呈現(xiàn)自西向東逐漸減少，繼而又由東部向西部及南部逐漸增加的趨勢。整個沙地全年ET東南部顯著高于其余地區(qū)。有研究者曾對2000—2013年毛烏素沙地年均氣溫做過相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)沙地多年四季氣溫均勻上升，而冬季升溫速率最快。冬季氣候變暖，水熱循環(huán)、蒸騰作用加強(qiáng)，植被生長季延長、物候期推遲，地表蒸發(fā)量也隨之增大［25-27］。這也合理解釋了沙地12月份ET出現(xiàn)峰值的原因。

2.2 多年ET年際時空變化特征分析

圖1 毛烏素沙地多年月平均蒸散反演Fig.1 Retrieval of monthly average ET in Mu Us sandy land

圖2 毛烏素沙地多年蒸散量月變化Fig.2 Monthly variation of annual ET in Mu Us sandy land

圖3顯示了毛烏素沙地2000—2014年ET逐年變化過程，從圖中可以看出2000—2014年間毛烏素沙地地表蒸散量的主要蒸散范圍在17.5～22.5 mm之間。沙地南部始終出現(xiàn)高蒸散范圍大于27.5 mm區(qū)域，而西北低蒸散范圍始終在12.5 mm以下。這就說明毛烏素沙地多年ET平均值具有較強(qiáng)的空間分異性，呈現(xiàn)東部高于西部，南部高于北部，不同空間位置ET差異較大，層次分明，這一特征與沙地地表植被覆蓋的地帶性變化大體一致，蒸散量高的地方植被覆蓋度也相對較高。分析具體原因可能是由于沙地東部和南部治理時間較長、措施完善，植被恢復(fù)情況良好，植被覆蓋度高，多年平均蒸散量也最高，均在20 mm以上，零星有30 mm以上區(qū)域呈條狀分布出現(xiàn)，應(yīng)該為人工植被區(qū)。

時間分布上，毛烏素沙地15 a的蒸散分布呈逐年線性增大的趨勢并不明顯，有3個蒸散量明顯超出多年平均值的年份(2002、2003、2012年);有4個明顯低于多年平均值的年份(2000、2005、2006、2014年)，其余年份的蒸散量幾乎相當(dāng)。ET年際空間分布特征表明:近15 a毛烏素沙地ET的主要蒸散范圍在17.5～22.5 mm之間。年均蒸散量波動范圍為448.0～533.3 mm，多年平均蒸散量為年均493.3 mm。年蒸散量明顯超出多年平均值的年份包括2002、2003、2012年，明顯低于多年平均值的年份包括2000、2005、2006、2014 年，其余年份的蒸散量幾乎相當(dāng)。有研究者就2000—2013年毛烏素沙地年均降水量進(jìn)行分析后得出結(jié)論，沙地14 a的年均降水呈波動性增加趨勢:2000—2013年毛烏素沙地的年均降水量為359.59 mm，其中8 a(2001年、2002年、2003年、2007年、2008年、2011年、2012年和2013年)超過平均水平，尤其在2012年出現(xiàn)降水峰值，年均降水量達(dá)到473.19 mm;而6 a(2000年、2004年、2005年、2006年、2009年和2010年)均低于平均水平，且 2000年出現(xiàn)降水低谷值，僅為 212.44 mm［18］。這個降水規(guī)律正好驗證了本文的ET結(jié)論。

2.3 多年ET空間動態(tài)變化特征模擬分析

2.3.1 多年ET空間穩(wěn)定性模擬及分析 圖4和表1是經(jīng)過波動值柵格計算、剔除極值、自然斷點(diǎn)分區(qū)、標(biāo)準(zhǔn)差法分析得出的毛烏素沙地2000—2014年ET的穩(wěn)定性模擬結(jié)果。將整個沙地的ET波動值分成4個ET波動區(qū)間(用T表示)，即微弱波動區(qū)域(-0.02＜T＜-0.03)、輕度波動區(qū)域(-0.03＜T＜0.02)、中度波動區(qū)域(0.02＜T＜0.07)、強(qiáng)烈波動區(qū)域(0.07＜T＜0.2)。由圖4和表1可知，毛烏素沙地ET整體呈現(xiàn)西南部波動強(qiáng)烈而東北波動較緩、中部較為穩(wěn)定的經(jīng)向分布規(guī)律。各波動區(qū)間蒸散量的分布中，輕、中度波動居多，微弱波動和高波動次之，呈現(xiàn)穩(wěn)定性地域差異大的特征。波動區(qū)間面積排序為:輕度波動＞中度波動＞強(qiáng)烈波動＞微弱波動。其中ET呈現(xiàn)極低波動區(qū)域面積占毛烏素沙地整個面積的15.83%，主要集中在西部和北部;輕度波動區(qū)域面積占33.67%，主要分布在沙地的中西部;中度波動區(qū)域面積最多占32.04%，遍布除西北以外的整個毛烏素沙地;強(qiáng)烈波動區(qū)域面積占18.46%，主要分布在沙地南緣和中東部，呈大斑塊和粗條帶狀分布，應(yīng)多為人工植被和造林區(qū)域。

2.3.2 多年ET空間線性變化趨勢分析 圖5和表2是采用線性趨勢計算法，去除極值，等間隔劃分區(qū)間后得到的毛烏素沙地近15 a的ET變化趨勢結(jié)果。本次將變化趨勢Slope值(以下用S表示)定義為嚴(yán)重減少(-33＜S＜-11)、輕微減少(-11＜S＜-2)、基本不變(-2＜S＜5)、輕微增加(5＜S＜13)、顯著增加(13＜S＜47)5個等級。結(jié)果表明:研究期整個毛烏素沙地蒸散增加面積大于減少面積，其中增加區(qū)域占34.38%，輕微(P＜0.05)、顯著(P＜0.01)增加面積各占18.46%和15.92%，這些區(qū)域主要位于沙地東南部的陜西境內(nèi)，尤其在沙地東緣和南緣已經(jīng)形成斑塊區(qū)域，這與陜西省近年實(shí)施了大面積的生態(tài)治理工程，植被覆蓋及氣候條件明顯改善有關(guān)。蒸散減少面積占28.49%，輕微減少(P＜0.05)是嚴(yán)重(P＜0.01)減少的2倍，減少區(qū)域主要位于毛烏素沙地內(nèi)蒙部分的烏審旗和鄂托克旗境內(nèi)，這兩個旗縣土壤、氣候等自然條件較差，長期生態(tài)治理工程效果不明顯，雖已有所改善，仍有待進(jìn)一步加強(qiáng)。沙地28.13%變化趨勢不明顯，主要分布在沙地北部、中東部和西部，且形成連續(xù)大斑塊，說明該地區(qū)近15 a來氣候穩(wěn)定，植被生長變化不大。

3 討論與結(jié)論

本文采用MOD16蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)，運(yùn)用遙感圖像處理系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)，對毛烏素沙地2000—2014年15 a間ET時空分布特征、波動度及變化趨勢進(jìn)行了模擬。主要結(jié)論如下:

圖3 毛烏素沙地2000—2014年多年蒸散年際變化Fig.3 Annual variation of ET in Mu Us sandy land during 2000-2014

圖4 毛烏素沙地2000—2014年ET年際波動程度Fig.4 The fluctuation degree of ET during 2000-2014 in Mu Us sandy land

表1 毛烏素沙地2000—2014年ET波動程度分類Table 1 Classification of the fluctuation degree of ET during 2000-2014 in Mu Us sandy land

圖5 毛烏素沙地2000—2014年ET年際變化趨勢Fig.5 The change trend of ET during 2000—2014 in Mu Us sandy land

表2 毛烏素沙地2000—2014年ET變化趨勢分類Table 2 Classification of the variation trend degree of ET during 2000-2014 in Mu Us sand land

(1)2000—2014年毛烏素沙地ET時空分布規(guī)律具有顯著的季節(jié)分異特征，冬春季節(jié)，ET呈下降趨勢;夏秋季ET變化截然相反，出現(xiàn)先上升后下降的變化特征。15 a間，沙地4月份ET最低最干旱，總面積的92.23%在10 mm以下。9月和12月出現(xiàn)ET的兩次峰值，整個沙地平均蒸散范圍在22.5～27.5 mm之間。這與毛烏素沙地春季氣溫偏低，回暖較晚，而冬季氣候變暖，植被生長季延長、物候期推遲的氣候特點(diǎn)一致。

(2)2000—2014年毛烏素沙地ET的年際波動變化不大，呈現(xiàn)西南部波動強(qiáng)烈而東北部波動較緩，中部波動較為穩(wěn)定的經(jīng)向分布規(guī)律。主要年波動范圍在448.0～533.3 mm之間，多年平均ET為年493.3 mm。ET明顯超出多年平均值的年份有2002、2003、2012年，明顯低于多年平均值的年份有2000、2005、2006、2014 年，其余年份ET幾乎相當(dāng)。這與研究區(qū)多年的降雨資料一致。說明MOD16A2數(shù)據(jù)可以用于研究區(qū)地表ET時空分布特征。

(3)2000—2014年毛烏素沙地整體ET增加趨勢比例最大，約占34.38%;減少和不變趨勢基本一致，各占28.49%和28.13%。增加趨勢位于生態(tài)治理措施較好的陜西府谷縣、神木縣和內(nèi)蒙的準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)，這些旗縣的沙漠治理經(jīng)驗豐富，治理效果優(yōu)異，多數(shù)是水土保持治理的示范旗縣;各縣生態(tài)、氣候條件優(yōu)良，栽培植被廣布。不變趨勢在烏審旗境內(nèi)，且有大片斑塊形成，說明經(jīng)過多年生態(tài)治理，區(qū)內(nèi)植被生長和氣候都比較穩(wěn)定。減少趨勢位于自然氣候條件相對惡劣的鄂托克前旗、鄂托克旗和杭錦旗境內(nèi)，以荒漠草原和大片沙漠為主，主要植被類型是蒿屬類，喬、灌木僅零星分布，生態(tài)治理難度較大?？傊?，沙地15 a間整體的氣候改善，干旱程度減輕。

毛烏素沙地由于候條件惡劣多變、監(jiān)測條件較差，以往對ET的研究多基于氣象觀測資料和試驗研究，這些研究雖有重要價值，但在研究范圍上也僅是基于“點(diǎn)”尺度［28-29］。若將這些研究結(jié)果進(jìn)行空間尺度擴(kuò)展用于整個沙地ET計算，會引起較大誤差。本文利用高分辨率MOD16蒸散產(chǎn)品，分析整個毛烏素沙地多年ET時空分布規(guī)律及變化趨勢，可以彌補(bǔ)以往研究的不足。研究結(jié)果與毛烏素沙地多年氣象資料、生態(tài)治理范圍和區(qū)域治理效果相吻合，說明將MOD16蒸散產(chǎn)品用于研究區(qū)是可行的。但地表ET變化過程十分復(fù)雜，受地理、環(huán)境、氣候、人為等因素影響較大。因此，在今后的研究中，本結(jié)論可作為基礎(chǔ)資料，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，深入分析探討其他因素對ET的影響，為今后提出更適宜毛烏素沙地生態(tài)恢復(fù)的治理措施提供依據(jù)。