楊秀芹 孫恒 王燕

摘要 基于2000—2014年MOD16遙感蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF），分析淮河流域年蒸散發(fā)時(shí)空分布特征。結(jié)果表明，淮河流域年蒸散發(fā)空間分布可由4個(gè)模態(tài)特征場(chǎng)來表現(xiàn)，其空間分布結(jié)構(gòu)為全區(qū)一致型、東南至西北差異型、東南至西北相反型、南北相反型。各模態(tài)2000—2010年蒸散發(fā)均呈上升趨勢(shì)，之后蒸散發(fā)呈下降趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 地表蒸散發(fā)；經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)法；時(shí)空分布；淮河流域

中圖分類號(hào) S161.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）02-0197-03

Abstract Annually spatialtemporal characteristics of land evapotranspiration （ET） over Huaihe River basin were analyzed based on MOD16 ET product during 2000-2014 using Empirical Orthogonal Function method （EOF）.Research results showed that annually spatial distribution of evapotranspiration over Huaihe River basin can be expressed by four model characteristics， including spatial distribution structure in the same type， the southeast and the northwest opposite type， the southeast and the northwest opposite type， the north and the south opposite type.Major modes presented that the land evapotranspiration had upward trend in the first decade of the 21st century， and then decreased.

Key words Land evapotranspiration；Empirical orthogonal function method；Spatialtemporal distribution；Huaihe River basin

在以變暖為主要特征的全球變化背景下，溫度和降水等要素變化會(huì)影響地表水分收支平衡，從而改變地表干濕狀況。降落到地球表面的降水有60%是通過蒸發(fā)或蒸散的作用返回大氣[1]，在部分干旱地區(qū)可高達(dá)90%[2]，蒸散發(fā)過程同時(shí)也消耗了大約3/5的地表凈輻射能量[3]。陸面蒸散發(fā)可以影響降水，同時(shí)伴隨的潛熱具有降溫作用，因此蒸散發(fā)作為地表能量平衡的重要組成部分和陸面水分平衡的重要組成部分，對(duì)地表干濕狀況起到了不可忽視的作用[4]?；春恿饔蚴菄抑匾纳唐芳Z棉油基地，地表干濕狀況及其變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、區(qū)域生態(tài)環(huán)境和國家經(jīng)濟(jì)有重要影響。因此，研究淮河流域蒸散發(fā)時(shí)空格局對(duì)該地區(qū)乃至全國都有重要意義。

不同遙感蒸散發(fā)模型的假設(shè)和主要控制因子的不同會(huì)造成陸面蒸散發(fā)估計(jì)的差異，經(jīng)過反演得到時(shí)空格局合理的數(shù)據(jù)集是研究蒸散發(fā)的前提。MOD16產(chǎn)品不僅提供了高時(shí)空分辨率的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集，且具有可以免費(fèi)在線獲取的特點(diǎn)[5]。目前已有很多學(xué)者使用MOD16產(chǎn)品對(duì)我國或某一區(qū)域地表蒸散量時(shí)空分布特征進(jìn)行分析[6-9]，但對(duì)淮河流域蒸散發(fā)時(shí)空分布特征的研究較少。筆者利用時(shí)間尺度為月的MOD16產(chǎn)品2000—2014年蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF），探討淮河流域年蒸散發(fā)時(shí)空變化特征。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

淮河流域（112.125°～121.375° E、31.125°～36.375° N）跨河南、湖北、安徽、江蘇、山東共5個(gè)省，西高東低，在黃河與長江之間，水系分布密集。東北部及東部為平原，西部有桐柏山、伏牛山，南部有大別山、江淮丘陵，臨近長江，北部緊鄰泰山和黃河。淮河流域處于秦嶺—淮河一線南北分界線處，屬大陸性季風(fēng)氣候，全年降水充分，流域年徑流量大，土壤濕度大，年平均氣溫11～16 ℃。

1.2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.2.1 MOD16產(chǎn)品及數(shù)據(jù)。MOD16產(chǎn)品數(shù)據(jù)集包括全球植被覆蓋區(qū)域的8 d、月、年時(shí)間尺度的地表蒸散發(fā)（ET），空間分辨率為1 km×1 km和0.05 °×0.05 °。該研究主要使用2000—2014年空間分辨率為0.05°×0.05°的Tiff格式的MOD16A2月尺度產(chǎn)品，通過該產(chǎn)品可獲得高時(shí)空分辨率的地表蒸散發(fā)，MOD16產(chǎn)品的蒸散發(fā)算法詳見文獻(xiàn)[10-11]。

1.2.2 EOF分析方法。

EOF（Empirical Orthogonal Function）方法，即經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)展開法，通過使用EOF分析方法，可以提取源數(shù)據(jù)矩陣的特征向量和時(shí)間系數(shù)。將其特征向量稱為空間模態(tài)，通過分析主要的空間模態(tài)和其相對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)，對(duì)原始場(chǎng)做出估計(jì)和解釋[12]。可表示為：

X=ZV（1）

式中，X、Z、V分別稱為原始場(chǎng)矩陣、空間函數(shù)矩陣、時(shí)間函數(shù)矩陣[13]。由（1）式可知，若空間函數(shù)矩陣場(chǎng)為正時(shí)，時(shí)間系數(shù)為正，原始場(chǎng)矩陣場(chǎng)為正，表示該地區(qū)年蒸散發(fā)有增大的趨勢(shì)；時(shí)間系數(shù)為負(fù)，原始場(chǎng)矩陣場(chǎng)為負(fù)，表示該地區(qū)蒸散發(fā)有減小的趨勢(shì)。同理可得空間函數(shù)矩陣場(chǎng)為負(fù)時(shí)的情況。該研究采用距平化后2000—2014年逐年蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，進(jìn)行EOF分析，得到2000—2014年淮河流域年蒸散發(fā)時(shí)空特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸散發(fā)空間變化特征

由表1可見，前4個(gè)模態(tài)的累積方差貢獻(xiàn)率為82.7%，因此利用前4個(gè)模態(tài)的時(shí)間序列及其特征場(chǎng)可較好地表現(xiàn)2000—2014年淮河流域年蒸散發(fā)的時(shí)空變化特征。

從圖1可看出，淮河流域第1特征向量基本為負(fù)值，表明2000—2014年淮河流域年蒸散發(fā)在空間上具有很好的一致性，定義為淮河流域年蒸散發(fā)分布全區(qū)一致型。年蒸散發(fā)第2模態(tài)特征向量，在淮河流域東南部出現(xiàn)正值中心，西北部出現(xiàn)負(fù)值中心，說明淮河流域東南部和西北部呈反位相關(guān)系，但東南部正值區(qū)較弱，定義為淮河流域年蒸散發(fā)分布東南至西北差異型。年蒸散發(fā)第3模態(tài)特征向量，在淮河流域西北部出現(xiàn)負(fù)值中心，東南部出現(xiàn)正值中心，說明淮河流域東南部與西北部呈反位相關(guān)系，東南部正值區(qū)較強(qiáng)且范圍大，定義為淮河流域年蒸散發(fā)分布東南至西北相反型。年蒸散發(fā)第4模態(tài)特征向量，在淮河流域北部出現(xiàn)正值中心，南部出現(xiàn)負(fù)值中心，說明淮河流域北部和南部呈反位相關(guān)系，定義為淮河流域年蒸散發(fā)分布南北相反型。

2.2 蒸散發(fā)時(shí)間變化特征

年第1模態(tài)中，年蒸散發(fā)同一變化趨勢(shì)持續(xù)時(shí)間長，年代際區(qū)分明顯。由圖2a可知，淮河流域地區(qū)2000、2001、2009、2011—2014年年蒸散發(fā)有增加趨勢(shì)，2002—2008、2010年年蒸散發(fā)有減少趨勢(shì)。2001—2010年淮河流域地區(qū)表現(xiàn)為由干轉(zhuǎn)濕的過程，2002—2008年年蒸散發(fā)持續(xù)下降，在2011年后，淮河流域地區(qū)表現(xiàn)為由濕轉(zhuǎn)干，蒸散發(fā)持續(xù)上升。

第2模態(tài)中，年蒸散發(fā)增加、減少趨勢(shì)呈周期變化。由圖2b可知，淮河流域西北地區(qū)2000—2003、2006、2009—2012年年蒸散發(fā)有減少趨勢(shì)，2004、2005、2007、2008、2013、2014年年蒸散發(fā)有增加趨勢(shì)。

2000—2014年淮河流域年蒸散發(fā)增加趨勢(shì)和減少趨勢(shì)的年份交替出現(xiàn)，年蒸散發(fā)呈現(xiàn)出周期性轉(zhuǎn)變，蒸散發(fā)減少周期為3—4年，蒸散發(fā)增加周期為1—2年。

第3模態(tài)中，年蒸散發(fā)增加、減少趨勢(shì)持續(xù)時(shí)間長，年代際區(qū)分明顯。由圖2c可知，2002、2007—2010、2012、2013年淮河流域西北部地區(qū)年蒸散發(fā)有減少趨勢(shì)，2000、2001、2003—2006、2011、2014年年蒸散發(fā)有增加趨勢(shì)。2000—2010年淮河流域西北地區(qū)表現(xiàn)為由干轉(zhuǎn)濕的過程，2003—2006年年蒸散發(fā)持續(xù)上升，2006年到達(dá)上升節(jié)點(diǎn)，2007—2010年年蒸散發(fā)持續(xù)下降。

第4模態(tài)中，淮河流域南部地區(qū)2000、2001、2006—2008、2011、2012年年蒸散發(fā)有減少趨勢(shì)，2002—2005、2009、2010、2013、2014年年蒸散發(fā)有增加趨勢(shì)（圖2d）。2000—2010年淮河流域南部地區(qū)表現(xiàn)為由干轉(zhuǎn)濕的過程，2000—2005年年蒸散發(fā)呈上升趨勢(shì)，2006—2010年年蒸散發(fā)持續(xù)下降；2011—2014年淮河流域南部地區(qū)表現(xiàn)為干濕周期性轉(zhuǎn)換，濕潤年持續(xù)時(shí)間為1年，干旱年持續(xù)時(shí)間為1年。

綜上所述，年蒸散發(fā)第1和第3模態(tài)中，2000—2010年蒸散發(fā)逐漸減少，淮河流域地區(qū)表現(xiàn)為由干轉(zhuǎn)濕的過程，在2010年左右，蒸散發(fā)開始逐漸增加，淮河流域地區(qū)表現(xiàn)為由濕轉(zhuǎn)干的過程。第2和第4模態(tài)中，年蒸散發(fā)的增加趨勢(shì)和減少趨勢(shì)的年份交替出現(xiàn)，并呈現(xiàn)出一定的周期性，即淮河流域地區(qū)干濕變化呈現(xiàn)出周期性，表明淮河流域干濕變化受到某特定規(guī)律的影響。

3 結(jié)論

（1）2000—2014年淮河流域年蒸散發(fā)空間場(chǎng)主要表現(xiàn)為4種形式，分別是全區(qū)一致型、東南至西北差異型、東南至西北相反型、南北相反型。

（2）通過經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析可得，2000—2010年淮河流域地區(qū)表現(xiàn)為由干轉(zhuǎn)濕的過程，2002—2008年年蒸散發(fā)持續(xù)下降，2010年后，淮河流域地區(qū)表現(xiàn)為由濕轉(zhuǎn)干。

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