三江源地區(qū)蒸散發(fā)時(shí)空特征及其原因分析

張麗平，敖洋釬，徐龍坤，馬 鋒

（1.成都信息工程大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610200；2.榆林市氣象局，陜西 榆林 719099）

1 概述

圖1 三江源地區(qū)河流分布

圖2 三江源地區(qū)氣象站點(diǎn)蒸散發(fā)和MOD16 蒸散發(fā)對比

蒸散發(fā)是表征地面水資源進(jìn)入大氣的水分含量，是植被以及地面對大氣進(jìn)行水汽輸送的總量，對流域生態(tài)水文循環(huán)過程起到至關(guān)重要的作用[1]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展結(jié)合大氣的風(fēng)速、濕度等的信息估算蒸散量得到了發(fā)展[2]。且產(chǎn)生構(gòu)造了統(tǒng)計(jì)模型和物理模型兩種類別[3]。基于SEBAL 模型反演蒸散發(fā)的方法，對干旱地區(qū)的空間差異性就有很好的考慮[4]。劉曼晴[5]等就利用SEBAL 模型反演了水面蒸發(fā)且與蒸發(fā)皿的實(shí)測值有較好的擬合程度。SEBS 模型具有精度高、時(shí)間拓展性強(qiáng)的特點(diǎn)，也被廣泛應(yīng)用，在大尺度的蒸散發(fā)研究上的效果較好[6-7]。尹劍等[8]就利用SEBS 模型對長江流域的蒸散發(fā)進(jìn)行了遙感估算。近期對于蒸散發(fā)的研究還有韋小茶、蔣翼[9]等人基于Priestley-Taylor 模型的貴州省漣江流域的蒸散發(fā)研究，以及張璐，朱仲元等[10]人依據(jù)氣象站點(diǎn)對錫林河流域潛在蒸散發(fā)進(jìn)行研究。其中對三江源地區(qū)的研究有：李婧梅等[11]利用渦度相關(guān)法對三江源的蒸散特征進(jìn)行了研究。馬曉真等[12]基于地表能量平衡方程的遙感方法，對三江源地區(qū)的蓄水量進(jìn)行了研究。加上三江源的特色地理位置以及獨(dú)特的生態(tài)地位，因此三江源的蒸散發(fā)研究問題具有重要意義。

目前對三江源蒸散發(fā)的研究有，孫琪[13]結(jié)合遙感數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)等對三江源的蒸散發(fā)進(jìn)行研究得到生態(tài)需水量的研究，研究方法較為完整全面但是由于時(shí)間跨度較小沒有對三江源區(qū)域進(jìn)行較大時(shí)間尺度上的觀測。夏中燁等[14]基于AIRS 數(shù)據(jù)對三江源區(qū)域大氣水汽含量進(jìn)行了分析，時(shí)間研究范圍也較短，對三江源區(qū)域的研究著重于大氣水汽，沒有分析影響三江源的水文影響因子。而且對三江源區(qū)域蒸散發(fā)的研究仍然較少。

本文研究三江源區(qū)域2000 年到2019 年的蒸散發(fā)，具有較長的時(shí)間范圍，可以全面的對三江源區(qū)域蒸散發(fā)有較長時(shí)間跨度上的研究分析。

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概括

三江源地區(qū)平均海拔高度為3500-4800m，區(qū)域內(nèi)存在許多河流。本文選取了全國河流數(shù)據(jù)，以三江源為邊界進(jìn)行提取，得到了三江源區(qū)域內(nèi)的河流分布（如圖1）。

青海三江源國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)氣候?qū)偾嗖馗咴瓪夂蛳到y(tǒng)，為典型的高原大陸性氣候。

2.2 MOD16 產(chǎn)品

MOD16 產(chǎn)品數(shù)據(jù)集包括四部分：地表蒸散發(fā)（ET）、潛在蒸散發(fā)（PET）、潛熱通量（LE）、潛在潛熱通量（PLE）。其中本文采用的MOD16 數(shù)據(jù)分為兩部分，第一部分為2000-2014 年的MOD16 蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，來自于由蒙大拿大學(xué)密蘇拉分校地球動態(tài)數(shù)值模擬研究組（NTSG）制作，空間分辨率為1km，時(shí)間分辨率采取了年和月數(shù)據(jù)。另外一部分為2015-2019 年的MOD16 數(shù)據(jù)，在MODIS 官網(wǎng)上下載得到的八天合成數(shù)據(jù)。

圖3 三江源地區(qū)20 年平均蒸散發(fā)空間分布

圖4 三江源地區(qū)年蒸散發(fā)量變化趨勢

2.3 氣象水文數(shù)據(jù)

三江源氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/），獲取了當(dāng)?shù)氐慕邓?、風(fēng)速、日照等數(shù)據(jù)。

2.4 高程數(shù)據(jù)以及土地利用數(shù)據(jù)

高程數(shù)據(jù)的獲取來自NASA 官網(wǎng)（https：//www.nasa.gov/），空間分辨率為30m。而土地利用數(shù)據(jù)則來自全國地理信息資源服務(wù)系統(tǒng)（http：//webmap.cn），按照其分類手冊，得到三江源地區(qū)的不同土地分類數(shù)據(jù)。

2.5 研究方法

數(shù)據(jù)精度評價(jià)

本文是利用均方根誤差、平均相對誤差、平均絕對誤差、相關(guān)系數(shù)等指標(biāo)對氣象站點(diǎn)測得打蒸散發(fā)數(shù)據(jù)與MOD16 的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)行精度評價(jià)。

3 結(jié)果分析

3.1 MOD16_ET 產(chǎn)品精度評價(jià)

為了確保MOD16 遙感數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，首先對該產(chǎn)品的ET 數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評價(jià)。使用來自“中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)”的2000-2019 年的氣象站站點(diǎn)實(shí)測蒸發(fā)數(shù)據(jù)，通過折算系數(shù)[15]得到三江源地區(qū)的自然水體的蒸散量，來對三江源地區(qū)的MOD16_ET 數(shù)據(jù)進(jìn)行適用性評估和驗(yàn)證。圖2 為三江源地區(qū)20 年平均站點(diǎn)ET 和20 年平均MOD16_ET的數(shù)據(jù)對比。分析二者之間的相關(guān)性，得到二者的均方根誤差RMSE=93.21mm/a，平均絕對誤差MAE=103.04mm/a，平均相對誤差MRE=13.79%，相關(guān)系數(shù)為0.73，大于楊秀芹[16]在淮河流域的檢驗(yàn)結(jié)果（r=0.59）。從檢驗(yàn)結(jié)果可以看出MOD16_ET 的誤差較小，且相關(guān)性良好，精度總體上符合要求，因此可以用于三江源地區(qū)的時(shí)空蒸散發(fā)研究。

3.2 三江源地區(qū)20 年平均蒸散發(fā)空間分布

由圖3 可以看出三江源地區(qū)近20 年的平均蒸散發(fā)在空間上呈現(xiàn)出東高西低的分布形態(tài)，整體的變化范圍在300~800mm 之間。

3.3 三江源地區(qū)年際蒸散發(fā)變化

圖5 三江源地區(qū)蒸散發(fā)變化速率

圖6 三江源地區(qū)2000-2019 年季平均蒸散發(fā)空間分布

圖8 三江源20 年平均季蒸散發(fā)量

圖9 三江源地區(qū)20 年月平均蒸散發(fā)變化

圖4 為三江源地區(qū)2000-2019 年地表蒸散發(fā)的逐年變化數(shù)據(jù)，蒸散發(fā)的變化范圍為423.41~564.56mm，20 年地表蒸散發(fā)平均值為508.52mm。根據(jù)線性回歸方程的擬合指標(biāo)R2=0.0007 可以看出擬合效果不佳，蒸散發(fā)變化趨勢不明顯。圖5 為三江源地區(qū)蒸散發(fā)變化速率，從圖中可以看出幾乎整個(gè)三江源地區(qū)的變化速率都為正，西南部的蒸散發(fā)變化率最大。通過計(jì)算各時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)r 值來確定蒸散變化趨勢k 是否顯著，計(jì)算結(jié)果得到|r|=0.316。（r0.05=0.44376），|r|＜r0.05，近 20 年來三江源地區(qū)地表蒸散發(fā)變化未通過信度0.05 的顯著性檢驗(yàn)，地表蒸散發(fā)的變化速率不顯著，呈不顯著的增加。

3.4 三江源地區(qū)年內(nèi)平均蒸散發(fā)

3.4.1 三江源地區(qū)季平均蒸散發(fā)時(shí)空分布

圖10 三江源地區(qū)各氣象站點(diǎn)近20 年平均日照、風(fēng)速、降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)

圖6（a）~（d）分別為三江源地區(qū)四季的蒸散發(fā) 20 年平均值地表蒸散發(fā)的空間分布。

圖7 為三江源近20 年區(qū)域季平均蒸散發(fā)，從圖中可以看出各區(qū)域之間的蒸散發(fā)值在秋、冬季節(jié)變化較為平緩，在春、夏兩季區(qū)域間的蒸散發(fā)則差異較大，起伏明顯。

圖7 為三江源地區(qū)近20 年來平均季節(jié)蒸散發(fā)量。從圖中可以看出冬季（12-2 月）的蒸散值為四季最低。

3.4.2 三江源地區(qū)月平均蒸散發(fā)變化

三江源地區(qū)各月地表蒸散量的年內(nèi)變化如圖8 所示，三江源地區(qū)地表蒸散量年內(nèi)月均值總體呈現(xiàn)出先增后減的分布趨勢，具有明顯的時(shí)間差異性，這與孫琪[13]在2001-2015 年的三江源蒸散發(fā)研究結(jié)果大致相同。

4 驅(qū)動力分析

4.1 氣象因子

圖10 為三江源地區(qū)各氣象站點(diǎn)近20 年平均日照、風(fēng)速、降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)。結(jié)合圖3 可以看出，五道梁和沱沱河兩地雖然風(fēng)速大、日照時(shí)間長，但因降水少、氣溫低，蒸散發(fā)量仍舊很小。而班瑪和久治兩地卻與之相反，因降水量大、氣溫高這里的蒸散發(fā)量很大。

圖11 為三江源地區(qū)近20 年來平均氣溫、風(fēng)速、日照、降水的變化趨勢。其中氣溫和降水都呈現(xiàn)出較明顯的上升趨勢，與耿曉平[17]等人的研究結(jié)果基本相同。結(jié)合圖4 分析，三江源的蒸散發(fā)呈現(xiàn)出微增的變化趨勢沒有明顯的和哪一種氣象因子變化相關(guān)，可能是受氣溫、風(fēng)速、日照、降水等因素的綜合影響造成的。其中在2007 年出現(xiàn)一個(gè)蒸散發(fā)的低谷，主要是受該年春季的寒潮和4、5、8 月出現(xiàn)的中度干旱的影響。

圖12 為三江源地區(qū)近20 年的四季的氣溫、降水、風(fēng)速、日照的平均數(shù)據(jù)。結(jié)合圖6、圖7 分析得到：冬季三江源平均氣溫在-9℃以下，大部分地區(qū)的水體處于結(jié)冰狀態(tài)，此時(shí)三江源的植被也在凍結(jié)期。隨著溫度升高，降水量增大，水體解凍，植被也開始復(fù)蘇在春季三江源地區(qū)的蒸散發(fā)明顯增大。夏季氣溫和降水都達(dá)到全年最大，該季的植被蒸騰、土壤的蒸發(fā)以及水面的蒸發(fā)比較旺盛，使得三江源的蒸散量迅速增加，在這時(shí)達(dá)到全年最大。秋季由于氣溫降低，降水量也逐漸減少，因此地表蒸散量也隨之降低，并且由于風(fēng)速小、日照少等原因?qū)е略摷镜恼羯⒅敌∮诖杭尽?/p>

4.2 地形因子

三江源地區(qū)是青藏高原的腹地和主體，以山地地貌為主，山脈綿延、地勢高聳、地形復(fù)雜。根據(jù)圖1 三江源地區(qū)的高程數(shù)據(jù)可以看出，三江源地勢呈現(xiàn)出西高東低的分布。根據(jù)三江源海拔、坡度等特點(diǎn)將其分為高山、中山、高原平地三種地形。其中高山所占面積最大，占到三江源面積的90%，高山的蒸散發(fā)受“高寒”的影響，使蒸散發(fā)的值偏小。中山位于三江源東北部，受到高原大陸性氣候的影響，冬寒夏涼、雨量偏小導(dǎo)致中山的蒸散發(fā)量最少。

圖11 三江源地區(qū)近20 年來平均氣溫、風(fēng)速、日照、降水的變化趨勢

表1 三江源地區(qū)土地利用年均蒸散

4.3 土地利用因子

圖13 三江源地區(qū)的土地主要分為農(nóng)業(yè)用地、人工用地、灌木、濕地、草地、水體、裸地、雪地、森林九類，結(jié)合三江源的年均蒸散數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)使用Arcmap 計(jì)算出三江源地區(qū)不同土地利用類型的年均蒸散值如表1。從表中和圖中我們可以看出，三江源地區(qū)主要的土地利用類型為草地，草地的平均蒸散發(fā)值（551.98mm），是一個(gè)較接近三江源蒸散發(fā)平均值513.94mm 的量。因此，在土地利用類型中草地對三江源地區(qū)的蒸散發(fā)影響最大。對三江源地區(qū)草地年內(nèi)蒸散發(fā)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，在 6、7、8 月的蒸散發(fā)量最大，這與張耀生[18]等人的研究結(jié)果相似。森林因位于三江源南部，有充足的降水和較高的溫度，且三江源森林植被類型為針葉林和闊葉林，因此一年四季都存在植物的蒸騰作用，所以森林的蒸散發(fā)最大（568.98mm）并促進(jìn)了三江源的蒸散發(fā)。

圖12 三江源地區(qū)近20 年四季的氣溫、降水、風(fēng)速、日照的平均數(shù)據(jù)

圖13 三江源土地利用類型

5 結(jié)論

（1）通過氣象站點(diǎn)蒸發(fā)皿計(jì)算得到的三江源地區(qū)自然水體蒸發(fā)量與MOD16_ET 數(shù)據(jù)相關(guān)性良好。計(jì)算結(jié)果相關(guān)系數(shù)為0.73 精度基本滿足要求，可用于對三江源地區(qū)的蒸散發(fā)的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析。

（2）三江源地區(qū)近20 年蒸散發(fā)平均值在空間上呈現(xiàn)出西低東高的形勢，其季均、月均也大致呈現(xiàn)出相同的分布特點(diǎn)。這種分布特點(diǎn)與當(dāng)?shù)氐母咴降貧夂蛎芮邢嚓P(guān)。按地區(qū)統(tǒng)計(jì)20 年年均蒸散發(fā)結(jié)果為：久治＞甘德＞班瑪＞瑪沁＞達(dá)日＞玉樹＞河南＞稱多＞瑪多＞囊謙＞澤庫＞曲麻萊＞同德＞興海＞治多＞雜多＞唐古拉山鎮(zhèn)。

（3）近20 年來三江源地區(qū)的蒸散發(fā)主要呈增長的變化趨勢，對變化速率進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)|r|=0.316。（r0.05=0.44376），|r|＜r0.05顯著性檢驗(yàn)未通過，表明增長的速率不明顯。

（4）三江源地區(qū)年內(nèi)平均蒸散發(fā)主要呈先增后減的變化趨勢。7 月的蒸散發(fā)最高峰受氣溫，降水和植被的影響較大。夏季的蒸散發(fā)增速最快，蒸發(fā)量也最大。春季和秋季次之，冬季增散發(fā)量最小，變化也較平緩。

（5）三江源地區(qū)的土地利用類型主要分為九類，草地的占地面積最大，其蒸散值502.23mm，也較接近平均值513.94mm。森林則因位于高溫、強(qiáng)降水的低緯地區(qū)而蒸散值最大為568.89mm。