基于MOD16的烏江流域地表蒸散發(fā)時空特征及影響因素

蒙 雨, 但文紅, 王 煥

(1.貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院, 貴陽 550001; 2.貴州師范大學 貴州省信息與計算科學重點實驗室, 貴陽 550001)

地表蒸散發(fā)(Evapotranspiration，ET)是指水分從地表以氣態(tài)進入大氣的過程[1-3]，包括地表植被蒸騰、土壤蒸發(fā)和水面蒸發(fā)[4-5]，是水文循環(huán)和地表能量平衡的重要環(huán)節(jié)，影響著地表過程中地、氣系統(tǒng)的相互作用[6-8]。準確估算區(qū)域地表蒸散發(fā)量，探索區(qū)域地表蒸散發(fā)與氣候變化的時空分異規(guī)律，對準確掌握生態(tài)需水規(guī)律、做好生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)與保護以及合理開發(fā)利用水資源等具有重要意義。

近年來，遙感數(shù)據(jù)憑借其快速、動態(tài)、覆蓋范圍廣和周期性等優(yōu)勢，成為進行大區(qū)域地表蒸散研究的主要手段[9-11]。不少學者利用MODIS產(chǎn)品研究了地表實際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)之間的關系[12-13]或時空分布特征[14-15]或影響因素分析[2，16]。溫媛媛等[17]基于MOD16數(shù)據(jù)研究了2001—2014年山西省實際蒸散發(fā)和潛在蒸散發(fā)時空變化規(guī)律及其影響因素；楊江州等[18]基于地貌類型分區(qū)，分析了貴州省喀斯特山區(qū)蒸散發(fā)時空演變特征；范雪梅等[19]基于MOD16產(chǎn)品，結合氣象站點實測降水資料，分析了怒江流域中上游蒸散發(fā)的時空分布特征及其與降水之間的相關關系；閆俊杰等[20]探討了草地退化嚴重的伊犁河谷蒸散發(fā)與氣溫、降水和NDVI之間的關系；郭金路等[21]根據(jù)遼西地區(qū)1965—2015年13個氣象站的氣象資料，進行了潛在蒸散發(fā)敏感性分析及變化成因分析；王鵬濤等[2]利用MOD16蒸散數(shù)據(jù)，分析了陜甘寧黃土高原區(qū)ET的時空變化特征，并探討了其影響因素。目前，國內(nèi)對于蒸散發(fā)的影響因素分析主要集中在中國西部、北部、西北部干旱地區(qū)，而西南喀斯特山區(qū)，雖降水總量豐富，但受其喀斯特二元結構的限制[22]，依然存在著嚴重的工程性缺水現(xiàn)象。因此，研究喀斯特山區(qū)蒸散發(fā)的時空分布特征及其與氣候因子的關系十分重要。

烏江流域位于中國喀斯特地貌類型發(fā)育最豐富的西南地區(qū)，是典型的喀斯特流域?；诖?，本文選取2000—2014年MOD16A2/ET產(chǎn)品，結合流域內(nèi)及周邊11個氣象站點的氣象數(shù)據(jù)，分析貴州省烏江流域近15 a的地表蒸散發(fā)量時空變化特征，通過趨勢分析和相關性分析探討其影響因素，以期為水資源的合理利用與開發(fā)提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏江為長江上游南岸最大的一條支流，河流、湖泊等分布較多，干流全長1 037 km，流經(jīng)重慶、貴州等省區(qū)。烏江是貴州省第一大河，流經(jīng)貴州省內(nèi)42個縣(市、區(qū))，貴州省境內(nèi)流域面積為67 500 km2[23]。烏江流域貴州段(25°36′—29°03′N，103°37′—108°15′E)地形起伏度大，海拔為205～2 888 m(圖1)，地勢西高東低，地貌類型包括巖溶峽谷、巖溶高原、巖溶槽谷。烏江流域?qū)賮啛釒駶櫦撅L氣候，年均氣溫在13～18℃,年均降水量在800～1 600 mm[24]，多集中在5—8月。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預處理

2.1.1 MOD16A2/ET數(shù)據(jù) Monteith[1]基于Penman-Monteith模型計算全球陸地表面蒸散發(fā)量而形成的灰度遙感影像數(shù)據(jù)集統(tǒng)稱為MOD16產(chǎn)品數(shù)據(jù)集，包括MOD16A2，MOD16A3兩個子數(shù)據(jù)集，空間分辨率為1 km，時間分辨率有年、月和8 d共3種尺度。MOD16數(shù)據(jù)集內(nèi)有地表實際蒸散發(fā)量(ET)、潛在地表蒸散發(fā)量(PET)、潛熱通量(LE)、潛在熱通量(PLE)和質(zhì)量評估數(shù)據(jù)(ET_QC)5種數(shù)據(jù)，涵蓋時間段為2000—2014年。

圖1 烏江流域氣象站點分布

本文選用從NTSG(http:∥www.ntsg.rmt.edu/)免費下載且時間分辨率為月的2000—2014年MOD16A2/ET數(shù)據(jù)，遙感衛(wèi)星軌道號為h27v06，數(shù)據(jù)格式為HDF。首先運用專業(yè)軟件MRT(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer Reprojection Tools)對下載的原始數(shù)據(jù)依次進行格式轉(zhuǎn)換、重投影和鑲嵌等預處理工作，提取研究所需的ET數(shù)據(jù)，然后基于IDL語言進行異常值剔除和真實值還原。MODIS產(chǎn)品中的部分異常值區(qū)域采用同產(chǎn)品的前一個月或者后一個月的相同位置的值填充，或選擇同產(chǎn)品的前一年或后一年的相同時間的相同位置的值做填充處理，或選擇其周圍相鄰3×3位置的像元均值填充。

2.1.2 DEM數(shù)據(jù) DEM(Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)來源于“地理空間數(shù)據(jù)云”(http:∥www.gscloud.cn/)，空間分辨率為30 m，根據(jù)數(shù)據(jù)說明進行壞值、無值處理和鑲嵌、裁剪等預處理工作，最后將其空間分辨率重采樣為1 km。

2.1.3 氣象資料 氣象資料來源于中國國家氣象科學數(shù)據(jù)共享服務平臺(http:∥data.cma.cn/)。選取烏江流域內(nèi)部及周邊共11個地面氣象站(圖1)2000—2014年氣象數(shù)據(jù)，時間尺度為月，氣象因子主要包括平均氣溫(℃)、日照時數(shù)(h)、降水量(mm)、相對濕度(%)和平均2 min風速(m/s)。為了研究地表蒸散發(fā)與影響因素的關系，選取氣溫、日照時數(shù)、降水量、相對濕度和風速作為主要氣候影響因素，利用Kriging插值法[17]對氣象數(shù)據(jù)進行空間插值處理，并將其空間分辨率重采樣為1 km。

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)據(jù)精度評價 本文利用相關系數(shù)R、均方根誤差RMSE、平均偏差BIAS和平均絕對偏差MAE等[13]指標對MOD16A2/ET數(shù)據(jù)開展精度評價，計算公式分別為：

(1)

(2)

(3)

式中：n為氣象站蒸發(fā)皿蒸散發(fā)量觀測值個數(shù)；Pi為MOD16A2產(chǎn)品模擬蒸散發(fā)量；Qi為氣象站蒸發(fā)皿蒸散發(fā)量校正值。

2.2.2 趨勢分析 采用基于像元的一元線性回歸分析法對烏江流域2000—2014年MOD16A2/ET數(shù)據(jù)進行趨勢分析[25]，公式為：

(4)

式中：n為年數(shù)；ETi為烏江流域內(nèi)各像元點在第i年的年ET值；K為2000—2014年烏江流域內(nèi)各像元點ET年際變化的一元線性回歸方程的斜率，即趨勢變化率，反映研究時段內(nèi)ET的總體變化趨勢。K>0表明ET總體變化呈增加趨勢，反之為減少趨勢。

2.2.3 相關分析 基于像元尺度進行烏江流域地表蒸散發(fā)與各氣候因子的相關分析研究，簡單線性相關系數(shù)[16]的計算公式為：

(5)

3 結果與分析

3.1 MOD16A2/ET數(shù)據(jù)精度評價

MOD16A2/ET數(shù)據(jù)的時間尺度是月尺度，因此，將氣象站點觀測日值數(shù)據(jù)在剔除異常值后累加到月尺度。由于，各氣象站點、同一氣象站點不同年份使用的蒸發(fā)皿有大、小2種口徑，區(qū)域范圍內(nèi)長時間序列下，數(shù)據(jù)口徑一致性難以滿足。為了保證MOD16A2/ET數(shù)據(jù)精度評價精度，篩選了烏江流域空間上均勻分布的5個站點，站點在2009—2014年均使用大型蒸發(fā)皿?？紤]到實際地表環(huán)境與蒸發(fā)皿環(huán)境的不同，參考前人相關研究，將氣象站實測蒸散發(fā)量乘以折算系數(shù)[26-27]得到各站點逐年的月實際蒸散發(fā)量。獲取5個站點緩沖半徑3 km范圍內(nèi)MOD16A2數(shù)據(jù)的逐年ET月值，計算各個站點蒸散發(fā)量觀測校正值與MOD16A2/ET數(shù)據(jù)模擬值的相關系數(shù)，在時間尺度和空間上均進行精度評價。數(shù)據(jù)精度評價結果表明(圖2，表1)，站點觀測校正值與MOD16A2/ET模擬值的相關系數(shù)R為0.75～0.80，平均值為0.78；RMSE為0.89～1.60 mm/d，平均值為1.09 mm/d；BIAS為-1.02～-0.22 mm/d，平均值為-0.51 mm/d；RMSE為0.66～1.15 mm/d，平均值為0.79 mm/d。表明MOD16A2/ET模擬值與站點觀測校正值在時間和空間分布上保持較高的一致性，MOD16A2/ET數(shù)據(jù)在烏江流域內(nèi)的精度滿足需要，可用于地表蒸散發(fā)時空分布及其與氣候因子的關系研究。

3.2 烏江流域MOD16A2/ET的時間變化特征

3.2.1 烏江流域ET的年際變化特征 如圖3所示，2000—2014年烏江流域ET的年際起伏明顯，整體呈中間年份(2005—2009年)高而兩端年份(2000—2004年和2010—2014年)低的變化特點，距平相對變化率波動較大。研究時段內(nèi)，多年平均ET值為830.08 mm，距平相對變化率為-4.53%～3.21%，有10個年份的ET高于平均水平，5個年份低于多年平均ET值；年ET的最大值出現(xiàn)在2005年，為856.71 mm，2014年的851.67 mm次之；年ET的最小值出現(xiàn)在2001年，為792.50 mm，其次為2010年的800.43 mm；年ET最高值與最低值之差為64.21 mm。從圖3可知，烏江流域年ET的變化規(guī)律表現(xiàn)為在2003—2009年波動輕微減少，2001—2003年和2011—2014年ET則明顯增加。

3.2.2 烏江流域ET及影響因素的年內(nèi)變化特征 2000—2014年烏江流域ET及其影響因素的年內(nèi)變化特征如圖4所示。ET、氣溫、日照時數(shù)、降水量、相對濕度和平均風速的多年月均值分別介于50～115.11 mm，4.42～24.59℃，46.51～163.77 h，21.25～201.53 mm，75.56～81.76 mm，1.44～1.85 m/s。ET、氣溫、日照時數(shù)和降水量均呈周期性單峰變化趨勢，低值區(qū)均為11月—次年2月且其變化特征不顯著；其中ET和降水量的高峰出現(xiàn)在6月，氣溫和日照時數(shù)的高峰出現(xiàn)在7月。相對濕度和平均風速的年內(nèi)變化特征相對復雜，6月和10月是相對濕度的兩個高峰，并且是平均風速的兩個低峰，相對濕度與平均風速的變化規(guī)律相反。從年內(nèi)變化來看，烏江流域氣溫、日照時數(shù)和降水量均與ET的變化規(guī)律關系密切，說明ET的年內(nèi)變化在烏江流域與水熱同期。

圖2 站點觀測校正值與MOD16A2/ET值逐年逐月的相關性

表1 2009-2014年各站點觀測校正值與MOD16A2/ET值比較

圖3 2000-2014年烏江流域ET年際變化

3.2.3 烏江流域多年平均ET的季節(jié)變化特征 季節(jié)性差異是地表蒸散量年內(nèi)變化的重要特征，對2000—2014年烏江流域各季節(jié)蒸散量進行空間統(tǒng)計(圖5)，結果表明，春季和夏季的空間分布空間分布表現(xiàn)為東高西低，與多年平均格局(圖6)基本一致，而秋季和冬季的空間分布表現(xiàn)為南高北低，與多年平均格局(圖6)不同，由于受季節(jié)性氣溫、日照時數(shù)、降水量、相對濕度、平均風速等影響因素年內(nèi)分布不均的影響，烏江流域四季蒸散量空間分布表現(xiàn)出一定差異性。春季(3—5月)ET為168.4～381.1 mm，均值為245.57 mm，占全年29.68%。春季氣溫逐漸回升，日照時數(shù)逐漸變長，此時正值農(nóng)作物快速生長的季節(jié)，需水量逐漸增加，雖然春季的降水量較少，但大量的人工抽水灌溉使土地中水分依舊比較充足，較大的平均風速能為蒸散發(fā)提供良好的動力條件，因此蒸散量仍能保持較高水平。夏季(6—8月)ET為202.8～533.3 mm，均值為311.31 mm，占全年37.62%，為一年中蒸散量最高的季節(jié)，此外各地蒸散量相差最大，主要是因為夏季較高的氣溫、較大的降水量以及充足的日照時數(shù)都給蒸散發(fā)提供了良好的條件。秋季(9—11月)ET為104.3～187.0 mm，均值為138.10 mm，占全年16.69%，受降雨量減少、空氣溫度下降、日照時數(shù)逐漸縮短的影響，蒸散量也逐漸減小。冬季(12月—翌年2月)ET為92.5～181.7 mm，均值為132.51 mm，占全年16.01%，為一年中蒸散量最低的季節(jié)。冬季氣溫、日照時數(shù)和降水量均是一年中的最低季節(jié)，因此地表蒸散顯著低于其他季節(jié)。就整體情況而言，烏江流域的季節(jié)蒸散量由大到小依次為夏季>春季>秋季>冬季。

圖4 2000-2014年烏江流域ET及影響因素的年內(nèi)變化

3.3 烏江流域ET的空間變化特征

2000—2014年烏江流域多年平均ET的空間分布特征如圖6所示，具有顯著的空間異質(zhì)性，東部ET明顯大于西部，而最大ET位于烏江流域的東南部。從各縣(區(qū)/市)級行政單元之間來看，麻江縣地表蒸散發(fā)的程度最強，多年平均ET值高達1 030.70 mm；黃平、貴定、龍里、施秉、余慶、松桃和石阡7縣ET值相對較高，約為912.50 mm；水城、金沙、納雍、黔西、大方5縣和畢節(jié)、仁懷2市以及紅花崗、六枝2區(qū)地表蒸散發(fā)的程度相對較弱，多年平均ET值約為787.41 mm；而威寧縣、赫章縣和鐘山區(qū)縣ET值最小，約為736.16 mm/a。烏江流域平均海拔為1 184 m，結合相等間隔分區(qū)法，將烏江流域分為1～9個海拔區(qū)間(≤700 m，700～900 m，900～1 100 m，1 100～1 300 m，1 300～1 500 m，1 500～1 700 m，1 700～1 900 m，1 900～2 100 m，≥2 100 m)，分區(qū)統(tǒng)計表明海拔越高的區(qū)域多年ET均值越小，即地表蒸散發(fā)的強弱程度與高程分布有一定的負相關性。

烏江流域年ET在2000—2014年的趨勢變化率空間分布見圖7，趨勢變化率為-20～32 mm/a，平均趨勢變化率為0.51 mm/a，整體呈增加趨勢。根據(jù)ET趨勢變化率范圍定義為嚴重減少(K<-10)、輕微減少(-10≤K<-3)、基本不變(-3≤K<-3)、輕微增加(3≤K<10)、明顯增加(K≥10)共5個變化區(qū)間[8]?；静蛔兊拿娣e最大，占全流域面積的83.88%；其次是輕微減少和輕微增加，分別占全流域面積的6.79%，6.51%；明顯增加的面積占全流域總面積的2.74%，而嚴重減少的面積最小，僅占全流域面積的0.08%。從趨勢變化率的空間分布格局來看，嚴重減少區(qū)與多年平均ET的低值區(qū)在烏江流域西部有重疊發(fā)生，說明多年平均ET值的空間分布與其趨勢變化率有一定的對應關系。

3.4 烏江流域ET與影響因素的相關分析

氣候變化是影響區(qū)域水熱分布的重要環(huán)境因素，氣溫和日照時數(shù)表征熱力條件，降水量和相對濕度表征水分條件，平均風速表征動力條件。年內(nèi)變化特征(圖4)表明烏江流域ET的變化與該區(qū)域水熱變化規(guī)律密切相關，氣溫、日照時數(shù)和降水量的變化是影響ET變化的重要氣象因子，因此本文選用熱力條件(氣溫、日照時數(shù))和水分條件(降水量)作為影響烏江流域ET的主要氣候因子進行相關分析。

整體上，2000—2014年烏江流域ET與氣溫、日照時數(shù)以及降水量均呈正相關關系。ET與氣溫的相關系數(shù)為-0.82～0.85，平均值為0.33；與日照時數(shù)的相關系數(shù)為-0.80～0.86，平均值為0.28；與降水量的相關系數(shù)為-0.89～0.89，平均值為0.31。烏江流域ET與氣溫、日照時數(shù)和降水量的顯著相關性(p<0.05)在空間分布上具有明顯的空間分異特征(圖8)。降水量與ET的顯著相關范圍最廣，約占烏江流域總面積的30.67%，其中顯著正相關區(qū)域占91.25%，主要集中在烏江流域西部海拔相對較高的赫章縣、七星關區(qū)、納雍縣、大方縣、黔西縣、修文縣以及流域中游少部分區(qū)域，而顯著負相關區(qū)域僅占8.75%。氣溫與ET的顯著相關范圍約占烏江流域總面積的29.56%，其中顯著正相關區(qū)域占76.36%，主要集中在北部的道真縣、務川縣、沿河縣、印江縣、思南縣和石阡縣，而顯著負相關區(qū)域僅占23.64%，主要集中在納雍縣、大方縣和七星關區(qū)。日照時數(shù)與ET的顯著相關范圍約占烏江流域總面積的23.84%，其中顯著正相關區(qū)域占63.26%，主要集中在赫章縣、七星關區(qū)、納雍縣、大方縣、平壩縣、清鎮(zhèn)市和修文縣，而顯著負相關區(qū)域占36.74%，主要集中在紅花崗區(qū)、思南縣和沿河縣。日照時數(shù)和降水量與ET的顯著相關范圍在烏江流域上游重疊區(qū)域較大，這些區(qū)域海拔較高，喀斯特地貌分布廣泛，水土流失嚴重，石漠化分布較廣，土壤含水能力差且植被覆蓋度較低，不利于土壤蒸發(fā)和植被蒸騰，該區(qū)域與烏江流域多年平均ET的低值區(qū)(圖6)相一致。烏江流域下游降水量較高，較高的氣溫使蒸散發(fā)較強。

圖5 2000-2014年烏江流域四季ET分布

圖6 烏江流域多年平均ET空間分布

圖7 2000-2014年烏江流域ET變化趨勢

圖8 2000-2014年烏江流域ET與氣溫、日照時數(shù)、降水量的相關性分布

4 結 論

(1) 2000—2014年烏江流域年際ET起伏較大，整體呈中間年份高而兩端年份低的變化特點，其值為792.50～856.71 mm，距平相對變化率波動較大；年內(nèi)ET變化規(guī)律表現(xiàn)為周期性單峰變化，與該區(qū)域氣溫、日照時數(shù)和降水量的變化基本一致；烏江流域ET具有顯著的季節(jié)性，四季ET值由大到小依次為：夏季(311.31 mm)>春季(245.57 mm)>秋季(138.10 mm )>冬季(132.51 mm)。

(2) 2000—2014年烏江流域多年平均ET具有明顯的空間異質(zhì)性，呈西低東高的空間格局，多年平均ET值為605.43～1 208.26 mm；春季和夏季空間分布與多年平均格局基本一致，而秋季和冬季的空間分布與多年平均格局略有不同。從變化趨勢空間分布來看，以基本不變?yōu)橹鳎黠@增加區(qū)主要分布在烏江流域中、下游。

(3) 烏江流域ET與氣候因子的相關分析表明，各氣候因子與ET的顯著相關范圍由大到小依次為：降水量(30.67%)>氣溫(29.56%)>日照時數(shù)(23.84%)，三者對ET的影響均以正相關為主；日照時數(shù)和降水量與ET的顯著相關范圍在烏江流域上游有部分重疊區(qū)域，而烏江流域下游則僅與氣溫顯著相關影響。