基于MOD16產品的沂沭泗河流域蒸散量時空變化特征

劉義

（合肥學院 生物食品與環(huán)境學院,安徽 合肥 230601）

隨著全球氣候不斷趨向變暖，各地區(qū)的地表水熱條件也在發(fā)生著變化，直接和間接對生態(tài)環(huán)境和社會經濟產生重要影響［1-2］。蒸散（Evapotranspiration,ET）作為評價地表熱量和水分平衡的主要指標之一，是指植被及地面向大氣輸送的水汽總通量，既包括從地表和植物表面的水分蒸發(fā)，也包括通過植物的水分蒸騰，它是陸面水文過程中極其重要的分量，決定了土壤—植被—大氣系統(tǒng)中的水分和熱量傳輸［3-6］。蒸散量受諸多因素限制，特別是氣溫、干燥度、輻射條件、風力大小以及植被狀況。蒸散量在河流流域中的時空變化，反映了流域水熱變化與分布規(guī)律，有利于水資源合理開發(fā)利用、水土保持等生態(tài)環(huán)境規(guī)劃與保護。自遙感技術快速發(fā)展以來，遙感蒸散數據能夠較好地反映地表狀況，成為當前進行中尺度、大尺度地表蒸散研究的主要手段［7］。MODIS 陸地蒸散產品數據（MOD16） 具有高時間分辨率以及免費獲取等特點，對地表蒸散量研究起到了很大的促進作用。國內外學者對流域尺度的蒸散量時空變化與分布展開了很多研究。Yagob Dinpashoh 等［8］從烏爾米亞湖盆地選取九個觀測站的數據，使用Mann-Kendall 方法進行月、季、年時間尺度的趨勢分析。Francis Polong 等［9］利用肯尼亞塔納河流域的標準降水和蒸散指數（SPEI）分析了干濕事件的時空變異性。國內學者對流域尺度展開了很多研究，其中使用MOD 產品數據進行研究的不在少數。張靜等［10］、董晴晴等［11］、吳桂平等［12］、靖娟利［13］、位 賀 杰 等［14］、顏 紅［1］、張 猛［4］分 別 基 于MOD16 產品研究了漢江流域、渭河流域、鄱陽湖流域、珠江流域、渭河流域、漣江流域、洞庭湖流域的地表蒸散量的年際和年內時空變化狀況，并且探討了不同地表類型中蒸散量的差異性變化特征。

本研究通過獲取研究區(qū)2005 年—2014 年的MOD16產品數據，結合ArcGIS10.5平臺的分析功能，對沂沭泗河流域年際和年內蒸散量的變化情況與空間分異規(guī)律、不同土地利用類型的蒸散量進行分析，為生態(tài)環(huán)境規(guī)劃、生態(tài)需水量研究等提供依據，也為加強水資源管理提供參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

淮河流域是全國重要的棉糧油基地，以廢黃河為界，分淮河及沂沭泗河兩大水系，沂沭泗河水系位于淮河流域東北部，北起沂蒙山，東臨黃海，西至黃河右堤，南以廢黃河與淮河水系為界，包括山東、江蘇、安徽、河南等四省。沂沭泗河水系由沂河、沭河和泗河組成，均發(fā)源于沂蒙山區(qū)，地理位置在東經114°45′—120°18′，北緯33°39′—36°19′之間，面積約為7.78×104km2。沂沭泗河流域內包括南四湖東區(qū)、南四湖西區(qū)、中運河區(qū)、沂沭河區(qū)以及日贛區(qū)等5 個分區(qū)。地形西高東低、北高南低，大致由北向西向南逐漸降低，由低山丘陵逐漸過渡為傾斜沖積平原、濱海平原。屬暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，具有大陸性氣候特征。夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春秋較干旱，冷暖和旱澇較為突出。沂沭泗水系流域較大面積的的平原排水支流有東魚河、洙趙新河、梁濟運河等。

1.2 數據來源與處理

地表蒸散數據（MOD16）的下載地址為http：//files.ntsg.umt.edu/data/NTSG_Products/MOD16/，選擇Geotiff 格式，數據為全球產品，時間分辨率為月，空間分辨率為0.05 deg，時間序列選取2005 年—2014 年?；贏rcGIS10.5 平臺，以沂沭泗河流域為要素掩膜進行提取，得到2005 年—2014 年的各月共120 個時相的研究區(qū)地表蒸散數據。楊秀芹等對淮河流域數據進行驗證并認為MOD16 產品在分析淮河流域蒸散量的時空變化方面是可用的［15］。土地利用類型數據來自歐洲航天局（European Space Agency），空間分辨率為300 m，時間序列選取2005年—2014年。按照聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的土地類型分類標準，重分類處理后得到包括林地、農田、草地、濕地、聚居地以及其它土地的6 種類型的數據，并進行重采樣。

一元線性回歸分析能夠模擬每個柵格的變化趨勢，該方法是指在一定時間內，采用最小二乘法逐像元擬合年均ET的斜率，用以綜合反映植被覆蓋的時空演變特征?；谙裨叨鹊腅T一元線性回歸分析法，得出沂沭泗河流域ET的年際變化趨勢，用于分析年變化趨勢。數學公式為［1,6,11］：

式中：B為線性傾向值，即變化趨勢；x為蒸散量，xi為第i年的流域內ET值；n為經歷的總年份數，本研究中n取值為10。當B＞0，表示蒸散量隨時間變化呈增加趨勢；當B＜0，蒸散量隨時間變化呈減少趨勢；當B=0 時，蒸散量幾乎沒有明顯變化。

2 結果與分析

2.1 蒸散的時間變化

在ArcGIS10.5 平臺中，將逐年數據進行統(tǒng)計匯總，并繪制成圖，如圖1，沂沭泗河流域2005年—2014年年均蒸散量變化范圍是464.76～557.51 mm/a，這10年平均蒸散量為514.59 mm/a（圖1）。期間，2008 年蒸散量數值最大，為557.51 mm，高于平均水平42.92 mm；最小值出現(xiàn)在2011 年，為464.76 mm，低于平均水平49.83 mm。2008 年與2011 年年均蒸散量差距為92.75 mm，比值約為1.20。沂沭泗河流域以2008 年為界，2005 年—2008 年年均蒸散量均高于平均水平，2009 年—2014 年年均蒸散量低于平均水平。2009年、2011年以及2014年相對變化率為負，其余年份為正；2009年的相對變化率最低，達到了-10.04%；2012年相對變化率最高，達到了9.33%的水平。

圖1 沂沭泗河流域逐年蒸散量Fig.1 Annual ET of Yishusi River Basin

2005年—2014年每年各月的蒸散量制成點線圖，如圖2，沂沭泗河流域年內蒸散量總體變化特征是是先上升后下降，且存在一小一大兩個峰值，以5 月為小峰（因6 月蒸散量下降而形成），以7 月—9 月為大峰。蒸散量主要集中在5 月、7 月、8 月以及9 月四個月份，其中12 月蒸散量最小，均未超過21 mm，10 年均值為18.46 mm；7 月、8 月蒸散量發(fā)量最大，均在80 mm 以上，7 月平均87.97 mm，8 月最高，平均102.02 mm；6月為年內唯一下降月份，平均39.96 mm。這種分布情況主要可能性在于，10月、11月、12月、1 月、2 月、3 月、4 月處在冬季和春初，氣溫相對較低，蒸散量隨之較低。4 月開始氣溫開始較快回升，直至8 月，處在春中后期以及夏季，春季農田作物處在生長期初，需人工灌溉，蒸散量隨之上升；夏季的雨熱同期滿足了生長期的作物，植被蒸騰作用旺盛。6月因陰雨天氣較多，且作物小麥等進入收割期，導致蒸散量大幅下降，但仍然在400 mm左右。7月、8 月降雨量增加，同時氣溫繼續(xù)升高，為年內最熱的兩個月，實現(xiàn)了最大蒸散量。9 月開始進入秋季，氣溫下降，蒸散條件受限。受氣溫、降水、太陽輻射、植被生長狀況等因素的影響，沂沭泗河流域的蒸散量在季節(jié)上的變化總體是春夏高，秋冬低。年內季節(jié)蒸散發(fā)量大小為夏季＞春季＞秋季＞冬季。

圖2 沂沭泗河流域逐月蒸散量Fig.2 Monthly ET of Yishusi River Basin

2.2 蒸散的空間變化

根據蒸散量均值計算結果，沂沭泗河流域蒸散量2005 年—2014 年的均值在空間上具有較強的異質性，空間分布不均衡，流域內蒸散量范圍在0～734.30 mm/a，主要集中在400～700 mm/a 這個區(qū)間。年均360～480 mm 區(qū)間、480～600 mm 區(qū)間以及600～720 mm 區(qū)間分別占全流域的31.11%、45.49%以及20.41%。流域內主要分布表現(xiàn)為南高北低的特征；北部的丘陵山地地區(qū)蒸散數值偏低，普遍年均蒸散量圍多在400～490 mm/a，平均值為465 mm/a，低于全區(qū)平均水平約49.08 mm/a；平原地區(qū)蒸散量普遍集中在400～670 mm/a，平均值為529.08 mm/a，高于全區(qū)平均水平約15 mm/a。子流域蒸散量均值由小到大依次為日贛區(qū)、南四湖東區(qū)、南四湖西區(qū)、沂沭河區(qū)以及中運河區(qū)，蒸散量均值分別對應為467.4 mm/a、467.88 mm/a、 508.32 mm/a、 527.52 mm/a 以 及548.76 mm/a。位于南端的中運河區(qū)以及沂沭河區(qū)蒸散量數值較高，東北部的日贛區(qū)蒸散量最低，南四湖東、西兩區(qū)蒸散量較低。

根據沭泗河流域蒸散量變化趨勢結果可知，2005年—2014年沂沭泗河流域變化趨勢以減少為主，數值均值為-5.54，呈現(xiàn)出蒸散量下降的趨勢。全流域中有91.19%的面積呈蒸散量減少趨勢，廣泛分布；呈現(xiàn)出蒸散量增加趨勢的區(qū)域占全流域面積的7.49%，主要分布在南部的中運河區(qū)和沂沭河區(qū)以及湖泊附近；1.33%的區(qū)域變化趨勢為0，此區(qū)域幾乎沒有蒸散量值的增減變化。沂沭泗河流域下的5 個子流域變化趨勢均值皆為負值，下降趨勢由強到弱為日贛區(qū)、南四湖西區(qū)、南四湖東區(qū)、中運河區(qū)以及沂沭河區(qū)，分別變化趨勢數值為-7.47、-7.47、-5.96、-4.59、-4.12。

將1到12月各個月份的蒸散量在2005年—2014年十年的變化趨勢進行計算，并按照全流域及其5 個子流域制圖（圖3），就全流域來看，2 月、4 月是僅有的變化趨勢為正的兩個月份，其余月份在10 年中蒸散量均處在下降趨勢，其中7 月下降趨勢最快，為-21.50；6 月變化趨勢最微弱，為-0.09。子流域中增長趨勢的月份分別是，南四湖東區(qū)為2 月、6 月；南四湖東區(qū)是4 月；中運河區(qū)為2 月、4 月、6 月；沂沭河區(qū)是1月、2月、4月、6月；日贛區(qū)為1月、2月。南四湖東區(qū)、南四湖西區(qū)、中運河區(qū)以及沂沭河區(qū)均在7 月出現(xiàn)最大下降趨勢，其中沂沭河區(qū)最嚴重，為-28.20。日贛區(qū)則是在8 月出現(xiàn)最大下降趨勢，為-22.28。

圖3 沂沭泗河流域各區(qū)域逐月變化趨勢Fig.3 Monthly change trend of Yishusi River Basin

2.3 不同土地利用類型的蒸散量分布特征

計算土地利用類型數據中6類土地利用類型的面積比重并匯總制成表1，沂沭泗河流域中土地利用類型以農田為主，比重逐年下降，由90.89%降至87.19%；草地、林地、濕地所占比重較小，變化較微；聚居地比重逐年增加，由3.21%增長至7.41%，增長了約1.3 倍；其它土地總體趨向減少。不同土地利用類型由于土地性質各異，蒸散量各有差異，為了進一步分析各種土地利用類型的蒸散分布特征，根據數據進行繪制不同土地利用類型的年均蒸散量（圖4）。2005 年—2014 年沂沭泗河流域不同土地利用類型的平均蒸散量各不相同，它的6 種土地利用類型年均蒸散發(fā)量的數值總體上均呈現(xiàn)下降趨勢，在10 年平均水平尺度上，其年均蒸散量排序：農田＞林地＞濕地＞聚居地＞草地＞其它土地。農田、林地的年均蒸散量10 年均值在500 mm/a 以上，農田年蒸散量均值最高，達到526.41 mm/a；水體與裸地在內的其它土地類型蒸散量均值最低，為331.98 mm/a。

表1 沂沭泗河流域2005 年—2014 年不同土地利用類型面積比重表Table 1 Proportion of different land use types in Yishusi River Basin from 2005 to 2014

圖4 不同土地類型年均ET 值變化Fig.4 Annual average ET change of different land types

根據2005 年—2014 年各月蒸散量數據，統(tǒng)計出沂沭泗河流域的不同土地利用類型10 年間月平均蒸散量（圖5）。月均蒸散量排序為農田＞林地＞濕地＞聚居地＞草地＞其它土地，分別對應的蒸散量數值為每年43.49 mm、42.21 mm、40.03 mm、38.84 mm、29.31 mm 以及26.67 mm。各土地利用類型1 月到12 月的蒸散量數值變化情況與沂沭泗河流域全流域的逐月變化基本一致，出現(xiàn)5 月，7 月—8 月兩個峰值，6 月因作物收割出現(xiàn)年內蒸散量唯一回落。夏春蒸散量高，冬秋季節(jié)低。農田、濕地、聚居地以及其它土地的蒸散量最低月份發(fā)生在12 月，林地和草地則是發(fā)生在3 月；農田、草地、濕地、聚居地以及其它土地蒸散量最高的月份發(fā)生在8月，林地在7月。在冬季，由于氣溫低，太陽輻射弱，植被生長狀況較弱等因素，農田、濕地、聚居地以及其它土地等各類型土地的蒸散量都很低。春初，氣溫雖有所回升，但林地、草地上的植被尚未長開，蒸騰作業(yè)較弱，涵養(yǎng)水源功能較低，出現(xiàn)最低蒸散量。夏季氣溫、降水以及太陽輻射和植被長勢都處在有利于蒸散量的區(qū)間，各類型土地出現(xiàn)最高蒸散量。

圖5 不同土地利用類型逐月ET 均值Fig.5 Mean monthly ET of different land use types

3 結論

基于MOD16 產品數據，經過數據預處理后從月份、季節(jié)、年份、土地利用類型等角度出發(fā)，分別對沂沭泗河流域2005 年—2014 年地表蒸散量的時間變化和空間分布特征進行統(tǒng)計和分析，得出主要結論：時間變化上，2005 年—2014 年沂沭泗河流域整體呈現(xiàn)出蒸散量下降的趨勢。91.19%的面積呈蒸散量減少趨勢，廣泛分布；7.49%的面積呈現(xiàn)出蒸散量增加趨勢。流域分區(qū)下降趨勢由強到弱為日贛區(qū)、南四湖西區(qū)、南四湖東區(qū)、中運河區(qū)以及沂沭河區(qū)。沂沭泗河流域2005 年—2014 年蒸散量變化范圍是464.76～557.51 mm/a，10 年均值為514.59 mm/a。2005 年—2008 年年蒸散量高于平均水平，2009 年—2014 年低于平均水平。年內蒸散量總體變化特征是是先升后降，以5 月、7 月—9 月為峰值，8 月蒸散量最大，平均102.02 mm；在季節(jié)上的變化總體是春夏高，秋冬低，年內季節(jié)蒸散量大小為夏季＞春季＞秋季＞冬季。空間變化上，沂沭泗河流域蒸散量2005 年—2014 年的均值空間分布不均衡，蒸散量主要集中在400～700 mm/a，平均值為514.08 mm/a。流域內主要分布表現(xiàn)為南高北低的特征；丘陵地區(qū)蒸散數值偏低，普遍集中在400～490 mm/a，平原地區(qū)集中在400～670 mm/a。流域分區(qū)蒸散量從小到大依次為日贛區(qū)、南四湖東區(qū)、南四湖西區(qū)、沂沭河區(qū)以及中運河區(qū)。