西南地區(qū)不同高程蒸散發(fā)陰陽坡分異特征

摘" 要：山地隆起引發(fā)的山體效應(yīng)可以改變區(qū)域的水熱條件，坡向調(diào)節(jié)入射太陽輻射，影響蒸散發(fā)的分布。該文以中國西南地區(qū)為研究區(qū)，利用多年蒸散發(fā)和氣候數(shù)據(jù)，探索不同高程上陰坡和陽坡的蒸散發(fā)時空分布、變化特征及影響因素。結(jié)果表明，蒸散發(fā)量隨著高程的遞增而減少。在4 500 m以下，陰坡的蒸散發(fā)量多小于陽坡，但在4 500 m以上，存在陰坡的蒸散發(fā)量更大的情況；植被覆蓋度、太陽輻射對陰坡和陽坡的蒸散發(fā)都有正向影響，而土壤水分和相對濕度為負(fù)向影響。造成不同高度陰坡和陽坡蒸散發(fā)差異的主要因素為氣溫、水分限制以及地表溫度與空氣溫度的差值。

關(guān)鍵詞：蒸散發(fā)；西南地區(qū)；不同高程；陰陽坡；影響因素

中圖分類號：TP79" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）33-0095-04

Abstract： The uplift-induced topographic effects can alter the water and heat conditions of the regional， slope orientation can regulate the incident solar radiation， and influence the distribution of evaporation. In this study， the evaporation and climate data from the southwestern region of China were used to explore the spatial and temporal distribution and change characteristics of evaporation on the shady and sunny slopes at different elevations， as well as the influencing factors. The results show that： The evaporation decreases with the increase of elevation. Below 4 500 m， the evaporation on the shady slopes is generally less than that on the sunny slopes， but there are cases where the evaporation on the shady slopes is greater than that on the sunny slopes above 4 500 m. The vegetation coverage， solar radiation have a positive impact on the evaporation on both the shady and sunny slopes， while the soil moisture and relative humidity have a negative impact. The main factor causing the difference in evaporation between the shady and sunny slopes at different elevations is the temperature， water limitation， and the difference between the surface temperature and air temperature.

Keywords： evapotranspiration; southwest region; different elevations; sunny and shady slope; influence factor

蒸散發(fā)是地表土壤、植被或水面中蘊含的水分從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的物理過程，它是地表水循環(huán)的重要組成部分[1]。蒸散發(fā)過程伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，是地表能量平衡中的重要變量[2]。正是由于蒸散發(fā)在水文和能量等方面的特性，使其對全球生態(tài)系統(tǒng)和氣候變化產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，它作為重要的氣象要素，能對全球自然變化做出響應(yīng)[3]。

山地隆起引發(fā)的山體效應(yīng)可以改變區(qū)域的水熱條件，對蒸散發(fā)造成影響，進(jìn)而影響生態(tài)地理氣候格局[4-5]。除了高程，坡向?qū)φ羯l(fā)也有一定的作用。坡向調(diào)節(jié)入射太陽輻射，進(jìn)而改變能量通量與大氣和地表之間的水，創(chuàng)造了具有不同近地表的獨特局部小氣候，可能使得蒸散發(fā)趨勢偏離整體區(qū)域的變化趨勢。然而，這些研究大多依賴于實地觀測，導(dǎo)致空間覆蓋范圍有限，時間跨度短，阻礙了我們對山地蒸散發(fā)變化過程的理解。遙感具有探測范圍廣，信息更新周期短的優(yōu)勢而被廣泛用于區(qū)域陰陽坡的蒸散發(fā)的探索[6-8]。

中國的西南地區(qū)位于一、二級階梯[9]，包括青藏高原南部、橫斷山區(qū)、云貴高原及四川盆地，區(qū)域內(nèi)有大量東西走向的山脈，陰坡和陽坡的區(qū)分較為明顯。但現(xiàn)有的西南地區(qū)的蒸散發(fā)分析多從溫度、相對濕度等氣象要素對蒸散發(fā)的發(fā)布和變化進(jìn)行區(qū)域整體的探究，很少對比研究陰陽坡向?qū)φ羯l(fā)的影響。因此，本文以西南地區(qū)為研究區(qū)，基于高程探究不同陰陽坡向的蒸散發(fā)變化特征及驅(qū)動因子，為蒸散發(fā)的精細(xì)化管理提供支撐。

1" 研究區(qū)概況

作為中國七大自然地理分區(qū)之一，西南地區(qū)為東經(jīng)97°21'～110°11'，北緯21°08'～33°41'之間，包含四川省、重慶市、貴州省、云南省和西藏自治區(qū)5個省區(qū)市。此區(qū)域位于我國的第一、二級階梯，地形單元包括四川盆地、云貴高原、青藏高原南部等，大江大河眾多。

2" 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1" 數(shù)據(jù)來源

本研究使用了ETmonitor的逐月蒸散發(fā)產(chǎn)品（https：//data.tpdc.ac.cn/zh-hans/data），所用到的歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)來源于MYD13A2 NDVI數(shù)據(jù)集從NASA平臺獲?。╤ttps：//search.earthdata.nasa.gov/），土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)（SM）、平均氣溫（TA）、相對濕度（RH）、地表溫度（LST）及地表太陽輻射（RS）來自于國家青藏高原數(shù)據(jù)中心（https：//data.tpdc.ac.cn/）。DEM來源于STRM數(shù)據(jù)集，分辨率為90 m，用于生成研究區(qū)坡向數(shù)據(jù)。以上所有數(shù)據(jù)均重采樣成1 km，月尺度，以便于后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在本文中，我們將陽坡定義為135～225°的區(qū)域，將陰坡定義為0～45°與315～360°區(qū)域的合集。

2.2" 相關(guān)性研究方法

相關(guān)性分析是分析不同變量間聯(lián)系程度的方法，本文通過Pearson相關(guān)系數(shù)法基于像元尺度考察陰陽坡蒸散發(fā)與氣象因子的相關(guān)關(guān)系，計算公式如下

，

式中：RXY表示相關(guān)系數(shù)，Xk和Yk分別表示第k年變量X與Y的值；和表示變量X與Y的平均值。相關(guān)系數(shù)取值區(qū)間為[-1，1]，相關(guān)系數(shù)絕對值越大，表明變量間相關(guān)性越高，否則相關(guān)性越低。

3" 結(jié)果

3.1" 高程因子對蒸散發(fā)的影響

本文對不同高程的陰陽坡蒸散發(fā)量進(jìn)行了比較，其結(jié)果如圖1所示。不同坡向的蒸散發(fā)隨高程的變化趨勢較為一致，主要分為3個階段。在0～4 500 m之間，隨著高度的增加，蒸散發(fā)呈緩慢降低的趨勢，其中陽坡的蒸散發(fā)量一直高于陰坡，在這期間，蒸散發(fā)數(shù)值維持在600～800 mm之間，在500～750 m之間，2個方向的蒸散發(fā)數(shù)值差額最小，在3 000～3 250 m的范圍內(nèi)，差額最大。高程在4 500～4 750 m之間時，不同坡向的蒸散發(fā)呈現(xiàn)陡崖式降低，從600 mm突變到200 mm，并且陽坡的變化幅度大于陰坡。在5 000 m往上，2個坡向的蒸散發(fā)呈現(xiàn)了先降低后增加再降低的趨勢，在5 000～5 500 m的區(qū)間內(nèi)，波動較大。值得注意的是，在4 750 m以下，陽坡的蒸散發(fā)明顯高于陰坡，但在4 750 m急劇變化之后，陰坡的蒸散發(fā)會略高于陽坡。

3.2" 氣候因子對蒸散發(fā)的影響

圖2和圖3展示了整個研究區(qū)全年陰坡和陽坡的蒸散發(fā)與土壤濕度、空氣溫度、地表溫度、相對濕度、NDVI及太陽輻射的相關(guān)性。結(jié)果顯示，在全年的時間尺度上，除去地表溫度與蒸散發(fā)是負(fù)相關(guān)，其余要素與蒸散發(fā)都呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。其中，NDVI對陰坡和陽坡的蒸散發(fā)影響都是最大的。值得注意的是，在陰坡上，土壤濕度與蒸散發(fā)的相關(guān)程度僅次于植被指數(shù)，然后是空氣溫度；而在陽坡，空氣溫度和土壤濕度對蒸散發(fā)的影響較為接近。相對濕度和太陽輻射與蒸散發(fā)的相關(guān)性數(shù)值并不高。

高程對蒸散發(fā)也有差異性的影響，特別是在不同高程上，植被的類型以及氣象條件會有很大差異。如圖4和圖5所示，一整年期間，陰坡和陽坡的蒸散發(fā)與主要氣象要素的相關(guān)性趨勢較為接近。在所有高度上，NDVI和空氣溫度在大部分情況下都與蒸散發(fā)呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，從4 500 m往上，正相關(guān)程度越來越低，空氣溫度在4 500～5 250 m的區(qū)間甚至呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。相對濕度和土壤濕度的變化情況高度一致且極具變化性。1 250 m以下，2種濕度與蒸散發(fā)呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，1 250～3 500 m之間呈現(xiàn)較為顯著的正相關(guān)，3 500～4 500 m之間逐漸從正相關(guān)過渡到負(fù)相關(guān)，而4 500～5 750 m的區(qū)間又變?yōu)檎嚓P(guān)，在6 000 m以上區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。地表溫度的變化情況與太陽輻射相似，在1 250 m以下，呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，之后逐漸由正相關(guān)過渡到負(fù)相關(guān)，程度逐漸增大。在不同高程上，陰坡和陽坡的各種氣象要素與蒸散發(fā)的相關(guān)性并無明顯差異，只是數(shù)值有輕微的不同。在4 500～5 250 m之間，陰坡的土壤濕度與蒸散發(fā)的相關(guān)程度明顯大于陽坡。

4" 討論

陰坡和陽坡是根據(jù)太陽方位和山體走向判斷的。由于我國大部分區(qū)域位于北回歸線以北，太陽大部分時間處于偏南的位置，面向南方山體一面接受太陽輻射的能量更多，因此將其定義為陽坡。受高大山體遮蔽影響，另一面可以收到的能量較少，為陰坡。基于這個理論，東西向的山脈陰陽坡差異會比較明顯，坡向的氣候分異會造成山地自然地理環(huán)境其他因素的分異。在地表能量平衡中，太陽輻射能量占據(jù)大部分，而坡向會影響輻射的接收和分配。地表溫度的變化直接取決于地表所獲得的能量[10]，由于輻射的熱量傳輸差異，陽坡的地表溫度高于同海拔的陰坡，且晝夜變化差異也較大。在局地尺度，土壤水分含量受地形影響較為明顯[8]。在這個基礎(chǔ)上，受溫度影響較大的積雪融化時間陽坡早于陰坡，滲入土壤的水分比陰坡小，因此，陽坡的空氣相對濕度和土壤濕度一般會小于陰坡，這種現(xiàn)象在水分受限制地區(qū)，特別是干旱半干旱地區(qū)較為明顯[11]。

通常情況下，濕潤地區(qū)陰坡和陽坡的水分條件差異不大，植被的分布取決于光照條件的差異。但是在半濕潤、干旱及半干旱區(qū)，輻射差異并不明顯，而植被生長受水分的限制更為顯著[12-13]。在土壤濕度和空氣濕度更高的陰坡，植被生長的缺水程度小于陽坡，因此，陰坡的植被會比陽坡更茂盛。

蒸散發(fā)主要包括植被蒸騰和土壤蒸發(fā)，也就意味著蒸散發(fā)與植被和濕度具有較大的相關(guān)性，本文前面的結(jié)果也證實了這一點。不管是哪個季節(jié)，坡度或者高度，在大部分情況下，NDVI與蒸散發(fā)呈現(xiàn)出了顯著的正相關(guān)關(guān)系[14]。在4 500 m以下，西南地區(qū)大部分為亞熱帶濕潤氣候，適宜植被的生長，水熱條件良好，NDVI較大。在水不是限制因素的情況下，能量對蒸散發(fā)的影響較大。

青藏高原的平均海拔為4 500 m，高于四川盆地和云貴高原的平均海拔，產(chǎn)生的巨大山體效應(yīng)影響了此區(qū)域氣溫、林線和雪線等的分布[15-16]。在雪線之下，氣溫和地表溫度都較高，植被生長狀態(tài)良好。此時陽坡的太陽輻射略大于陰坡，蒸散作用較多。而在4 500 m以上的青藏高原是高海拔多年凍土區(qū)，隨著地勢的升高，地面有效輻射及感熱都會增大，地表溫度受輻射的影響可以升為十幾攝氏度，但氣溫較為穩(wěn)定且空氣干燥，基本都處于0 ℃以下，此時植被較少[17]。由于山體的遮擋，陰坡通常更濕更冷，而陽坡通常更干更暖[18]。同時，受凍融循環(huán)的長期作用，陽坡的土質(zhì)干燥，不利于水分保持，土壤含水量較低，受水分限制影響較大，而土壤濕度是在干旱情況下影響蒸散發(fā)的主要因素。

5" 結(jié)論

本文基于月尺度的蒸散發(fā)和氣溫、濕度、植被覆蓋度等遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合地形因子分析了中國西南地區(qū)陰坡和陽坡的蒸散發(fā)變化特征，并分析各種因素與不同坡向蒸散發(fā)的相關(guān)性。主要結(jié)論如下：

1）研究區(qū)蒸散發(fā)隨高度的增加而遞減，但在4 500 m之下，水分較為充足，受太陽輻射差異的影響，陽坡的蒸散發(fā)大于陰坡。而在4 500 m之上，水分限制影響較大，植被覆蓋率低，并且受地氣溫差差異的影響，陰坡的蒸散發(fā)反而大于陽坡。

2）陰坡和陽坡的蒸散發(fā)與主要氣象要素的相關(guān)性趨勢較為接近。NDVI和地表輻射與蒸散發(fā)呈現(xiàn)正相關(guān)，而土壤水分和相對濕度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。值得注意的是，夏季在高海拔區(qū)，太陽輻射和空氣溫度的正向影響很大，土壤濕度和相對濕度的負(fù)向影響較大。低海拔區(qū)，影響因子呈現(xiàn)出相反的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 洪宇辰，白浪，喻舒林.沐川縣水源涵養(yǎng)能力變化研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（25）：91-92.

[2] 趙偉，黃盼，李愛農(nóng).山地地表蒸散發(fā)遙感估算研究現(xiàn)狀[J].山地學(xué)報，2017，35（6）：908-918.

[3] 劉桂桂.山丘區(qū)小流域水面蒸發(fā)特性實例分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（4）：71-72.

[4] 蘭鑫燦.山體效應(yīng)因子對青藏高原潛熱和感熱通量的影響研究[D].鄭州：河南大學(xué)，2023.

[5] 雷潤芝，余曄，周國兵，等.1984—2020年青藏高原感熱通量長期變化趨勢分析[J].高原氣象，2023，42（4）：833-847.

[6] 張麗平，敖洋釬，徐龍坤，等.三江源地區(qū)蒸散發(fā)時空特征及其原因分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2021（11）：1-8.

[7] 鄧錦山，葉生進(jìn)，徐志芬，等.川東南水資源生態(tài)足跡及生態(tài)承載力時空分析研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2023（4）：125-133.

[8] 黃曉龍，吳薇，許劍輝，等.ERA5-Land降水再分析資料在中國西南地區(qū)的適用性評估[J].高原氣象，2023，42（6）：1562-1575.

[9] 王永鋒，靖娟利，劉海紅.2000—2020年西南地區(qū)蒸散發(fā)時空變化及驅(qū)動因素探測[J].長江流域資源與環(huán)境，2023，32（12）：2568-2580.

[10] 趙偉，李愛農(nóng)，張正健，等.基于Landsat8熱紅外遙感數(shù)據(jù)的山地地表溫度地形效應(yīng)研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2016，31（1）：63-73.

[11] 蘭愛玉，林戰(zhàn)舉，范星文，等.青藏高原北麓河多年凍土區(qū)陰陽坡地表能量和淺層土壤溫濕度差異研究[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2021，36（9）：962-979.

[12] 蔡依霏，陳琳舒，呂世軒，等.基于GoogleEarthEngine的黃土高原植被變化對蒸散發(fā)分量影響研究[J].地理科學(xué)，2023，43（9）：1649-1658.

[13] 陳文年.高山草甸生物量及多樣性的陰陽坡差異[J].西北師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，58（5）：83-90.

[14] 張新時.青藏高原與中國植被——與高原對大氣環(huán)流的作用相聯(lián)系的中國植彼地理分布特征[J].新疆八一農(nóng)學(xué)院學(xué)報，1979（1）：1-10.

[15] 蔣復(fù)初，吳錫浩，王書兵，等.中國大陸森林線空間分布特征及其與多年凍土線、氣候雪線的關(guān)系[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2004（4）：289-299.

[16] 吳錫浩，祝一志.中國氣候雪線的高程計算及變化規(guī)律[J].科學(xué)通報，1990（6）：451-453.

[17] 金會軍，孫立平，王紹令，等.青藏高原中、東部局地因素對地溫的雙重影響（Ⅰ）：植被和雪蓋[J].冰川凍土，2008（4）：535-545.

[18] 王鵬，黃瑾.青藏高原及其東部多年水量平衡變化特征研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（28）：41-42.