范雪梅, 羅 賢, 季 漩, 李運(yùn)剛, 黃江成

(云南大學(xué)亞洲國際河流中心/云南省國際河流與跨境生態(tài)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650091)

蒸散發(fā)是水文過程的重要環(huán)節(jié)之一，地表水分的收支情況在一定程度上影響著地理環(huán)境的組成與演變，研究蒸散發(fā)的分布規(guī)律及變化特征，對于探討水文過程對氣候變化的響應(yīng)具有重要意義[1]。由于地形、氣候、植被等眾多自然因素差異的存在，估算區(qū)域蒸散發(fā)一直是相關(guān)研究中的難題[2]。遙感具有覆蓋范圍廣、時空連續(xù)觀測的特點(diǎn)，促進(jìn)了蒸散發(fā)量估算由點(diǎn)尺度向面尺度推廣，在獲取地表實(shí)際蒸散發(fā)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢[3-4]。青藏高原是亞洲主要大河的發(fā)源地，也是我國氣候變化較為顯著及突出的區(qū)域[5]。近幾十年來，青藏高原地區(qū)氣溫呈明顯上升趨勢，年平均增幅達(dá)0.32 ℃/10 a[6-7]；另一方面，青藏高原的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈減小趨勢，變化速率為-30.6 mm/10 a[8]。與全球大多數(shù)區(qū)域類似，氣溫增加，潛在蒸發(fā)量減小的“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象在青藏高原地區(qū)同樣存在。由于地形及氣象條件復(fù)雜、觀測站點(diǎn)缺乏，開展青藏高原地區(qū)蒸散發(fā)分布及變化特征研究，是氣候變化影響下區(qū)域水文過程變化研究的難點(diǎn)之一。怒江流域中上游主要位于青藏高原東南部，流域西藏段是西藏的第二大河流，其長度、流域面積及徑流量僅次于雅魯藏布江[9]。近年來，怒江流域西藏段增溫趨勢明顯[10]，氣溫增長速率達(dá)0.42 ℃/10 a[11-12]。一直以來，針對怒江流域尤其是中上游水文地理的有關(guān)研究相對較少，開展怒江流域中上游蒸散發(fā)量的空間分布特征分析，能夠促進(jìn)氣候變化背景下，青藏高原東南部缺資料地區(qū)水量平衡分布規(guī)律的辨識。為此，本文利用怒江流域中上游及其周邊地區(qū)氣象站點(diǎn)實(shí)測降水資料，對TRMM(tropical rainfall measuring mission)3B43數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證；基于水量平衡原理，結(jié)合TRMM數(shù)據(jù)及流量觀測資料，對MODIS(moderate-resolution imagine spectroradiometer)全球陸地蒸散發(fā)產(chǎn)品(MOD16)在研究區(qū)的適用性進(jìn)行評價；在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討研究區(qū)蒸散發(fā)及產(chǎn)水量的空間分布特性，為氣候變化下的怒江流域中上游水資源合理開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供支撐。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

怒江—薩爾溫江發(fā)源于青藏高原唐古拉山南麓，流經(jīng)我國西藏、云南省，出境進(jìn)入緬甸后稱薩爾溫江，干流全長3 673 km，流域面積為3.25×105km2[13]。在我國境內(nèi)，怒江流域位于91°13′—100°15′E，23°5′—32°48′N，呈南北狹長型，自西北向東南地勢逐漸降低，流域面積為1.36×105km2，干流全長2 013 km。河源至嘉玉橋?yàn)樯嫌?，位于地勢相對較高的青藏高原東南部，氣候嚴(yán)寒，晝夜溫差大，降水較為稀少，徑流補(bǔ)給來源豐富，其中降水、冰雪融水及地下徑流分別占35%，32%，33%；嘉玉橋至六庫為流域的中游，地處高山峽谷廣布的橫斷山區(qū)，氣候垂直變化明顯，降水較上游有所增加，是徑流補(bǔ)給的主要來源；六庫以下為下游，位于地勢較低的云貴高原，氣候溫暖濕潤，降水期集中，徑流全部由降水補(bǔ)給[9,13]。本文選取位于滇藏省界附近的貢山水文站(98°40′E，27°43′N)以上流域作為研究區(qū)，研究區(qū)面積約為1.07×105km2，占怒江流域在中國流域面積的78.7%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 實(shí)測降水及徑流數(shù)據(jù) 本研究采用的降水?dāng)?shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)，選取1998—2016年怒江流域中上游及其周邊地區(qū)17個氣象站點(diǎn)實(shí)測月降水量，用于TRMM3B43數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，站點(diǎn)分布如圖1所示。在流量數(shù)據(jù)方面，本研究收集到嘉玉橋站2003—2006年、貢山站2000—2011年各月流量觀測資料，對研究區(qū)平均徑流深進(jìn)行計算。

圖1 研究區(qū)地形及氣象站、水文站分布

1.2.2 TRMM數(shù)據(jù) TRMM3B43產(chǎn)品是TRMM衛(wèi)星聯(lián)合其他衛(wèi)星及地面觀測資料共同反演的降水產(chǎn)品，該產(chǎn)品首先訂正TRMM/TMI(microwave image)資料，并結(jié)合SSM/I(special sensor microwave imager)、AMSR-E(advanced microwave scanning radiometer-earth observing system)、AMSU-B(advanced microwave sounding unit-B)資料估算降水，其次利用全球降水氣候計劃的紅外降水估值訂正微波降水，再將微波和紅外資料聯(lián)合估值，并融合地面雨量計數(shù)據(jù)，充分利用已有觀測資料[14]，為無資料及缺資料地區(qū)的降水研究提供數(shù)據(jù)支撐[15]。在自然環(huán)境復(fù)雜、觀測站點(diǎn)缺乏的青藏高原地區(qū)，開展TRMM數(shù)據(jù)的適用性研究，表明TRMM數(shù)據(jù)能夠較好地呈現(xiàn)青藏高原降水的時空分布格局及變化特征[16-17]。本研究選用1998—2016年TRMM3B43V7數(shù)據(jù)(來源：https:∥disc.gsfc.nasa.gov)，時間分辨率為1個月，空間分辨率為0.25°×0.25°。將其與同期氣象站點(diǎn)實(shí)測降水資料進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證TRMM3B43V7數(shù)據(jù)在怒江流域中上游的精度，進(jìn)而檢驗(yàn)MOD16數(shù)據(jù)在怒江流域中上游的適用性，并明確該流域的蒸散發(fā)空間分布特征。

1.2.3 MODIS蒸散發(fā)數(shù)據(jù) MOD16是NASA于2011年發(fā)布的全球陸地蒸散發(fā)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，原理為Mu等基于Penman-Monteith公式在2007年的算法基礎(chǔ)上得到的蒸散算法，計算輸入數(shù)據(jù)包括葉面積指數(shù)、反照率、植被覆蓋度等遙感信息及氣溫、氣壓、相對濕度、輻射等氣象資料，產(chǎn)品包含蒸散發(fā)(ET)、潛熱通量(LE)、潛在蒸散發(fā)(PET)和潛在潛熱通量(PLE)。通過全球通量塔臺站的檢驗(yàn)，MOD16數(shù)據(jù)模擬精度可達(dá)86%[18-19]。MOD16數(shù)據(jù)在時空上具有高分辨率、連續(xù)覆蓋等特點(diǎn)，在全球得到了較為廣泛的應(yīng)用[20]。目前，MOD16數(shù)據(jù)已用于我國地表蒸散發(fā)的時空變化特征分析[21-22]，總體上具有一定的適用性，在站點(diǎn)資料稀缺的青藏高原地區(qū)，MOD16數(shù)據(jù)能夠較準(zhǔn)確地呈現(xiàn)蒸散發(fā)的空間分布規(guī)律[23]。本研究選用2000—2011年的MOD16A2數(shù)據(jù)(來源：http:∥files.ntsg.umt.edu)，時間分辨率為1個月，空間分辨率為0.05°×0.05°。結(jié)合收集到流量數(shù)據(jù)的序列情況，基于水量平衡原理，利用同期TRMM3B43數(shù)據(jù)和流量觀測資料，分別對MOD16A2數(shù)據(jù)在研究區(qū)不同部分的適用性進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2.4 植被數(shù)據(jù) 根據(jù)1∶100萬中國植被圖，對研究區(qū)植被類型分布情況進(jìn)行劃分，研究區(qū)植被類型以草甸和草本沼澤、灌叢和萌生矮林、針葉林、無植被為主，分別占研究區(qū)總面積的54.6%，30.6%，7.5%和6.6%。

1.3 研究方法

1.3.1 TRMM數(shù)據(jù)檢驗(yàn) 對TRMM數(shù)據(jù)的整體精度評價采用相關(guān)系數(shù)(R)、相對偏差(BIAS)、平均誤差(ME)及平均絕對誤差(MAE)4個指標(biāo)。

相關(guān)系數(shù)的計算方法為：

(1)

相對偏差的計算方法為：

(2)

BIAS表示TRMM降水與實(shí)測降水在數(shù)值上的偏離程度，BIAS越接近0，表明TRMM數(shù)據(jù)越精確。BIAS為正值，表明TRMM降水高于實(shí)測降水，BIAS為負(fù)值，表明TRMM降水低于實(shí)測降水。

平均誤差及平均絕對誤差的計算方法為：

(3)

(4)

ME和MAE表示TRMM數(shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)的誤差，ME和MAE的值越小則誤差越小。

1.3.2 MOD16數(shù)據(jù)檢驗(yàn) 利用TRMM數(shù)據(jù)和徑流深數(shù)據(jù)，基于水量平衡公式，對MOD16產(chǎn)品在研究區(qū)適用性進(jìn)行評估。

P=E+R+ΔS

(5)

式中：P——年降水量(mm)；E——年蒸散發(fā)量(mm)；R——年徑流深(mm)； ΔS——蓄水量的變化量(mm)。在多年平均的情況下，可以忽略流域蓄水量的變化[24]。

2 遙感數(shù)據(jù)適用性分析

2.1 TRMM數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證

1998—2016年研究區(qū)及周邊地區(qū)站點(diǎn)實(shí)測降水量與對應(yīng)柵格降水量的決定系數(shù)為0.73，相關(guān)系數(shù)為0.86，并通過了顯著性水平為0.01的檢驗(yàn)(圖2)，相對偏差BIAS為19.0%，平均誤差ME為10.2 mm，平均絕對誤差MAE為21.0 mm?？傮w而言，TRMM3B43V7降水量略高于實(shí)測降水量，TRMM3B43V7產(chǎn)品在研究區(qū)具有較好的精度。

圖2 研究區(qū)TRMM降水與站點(diǎn)實(shí)測降水散點(diǎn)圖

為全面分析TRMM產(chǎn)品在研究區(qū)的適用情況，進(jìn)一步對17個站點(diǎn)的實(shí)測降水量與對應(yīng)柵格TRMM降水量分別進(jìn)行相關(guān)分析(表1)。TRMM降水量與各站點(diǎn)實(shí)測降水量的相關(guān)系數(shù)較高，均通過了顯著性水平為0.01的檢驗(yàn)。上游各站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)大于0.88，表明TRMM產(chǎn)品在上游地區(qū)精度較好；中游各站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)相對較低，其中貢山站的相關(guān)系數(shù)僅為0.77，表明TRMM產(chǎn)品在中游的精度不如上游。上游位于高原湖盆寬谷區(qū)，地形起伏較小，中游地處橫斷山區(qū)，地形復(fù)雜多變，降水空間差異較大，故TRMM產(chǎn)品在怒江上游所得降水更接近實(shí)測降水。TRMM3B43V7產(chǎn)品在研究區(qū)具有一定精度，本研究即采用2000—2011年TRMM3B43V7降水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合流量觀測資料對MOD16產(chǎn)品的適用性進(jìn)行驗(yàn)證。

表1 研究區(qū)TRMM降水與站點(diǎn)實(shí)測降水的相關(guān)系數(shù)(R)

2.2 MOD16數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證

表2及圖3為怒江流域中上游不同部分TRMM多年平均降水P與MOD16估算降水(E+R)的對比結(jié)果。從圖3可以看出TRMM降水與MOD16估算降水較為吻合，總體上呈現(xiàn)較好的一致性。同時對比兩者的散點(diǎn)圖，表明P與(E+R)整體變化趨勢較為一致(圖3)，決定系數(shù)為0.58，相關(guān)系數(shù)為0.76，且通過了顯著性水平為0.01的檢驗(yàn)。進(jìn)一步分析MOD16產(chǎn)品在流域不同部分的適用性，發(fā)現(xiàn)在嘉玉橋以上的部分精度較高，相對誤差為25%，而嘉玉橋至貢山的部分精度較低，利用MOD16產(chǎn)品所得蒸散發(fā)量相對偏大，這說明MOD16產(chǎn)品在地形起伏較大的山區(qū)精度較差。對研究區(qū)整體而言，2000—2011年，TRMM多年平均降水量P為682.9 mm，MOD16多年平均蒸散發(fā)量E為489.4 mm，多年平均徑流深R為396.7 mm，多年平均(E+R)為886.1 mm，多年平均降水量P較(E+R)低203.2 mm，在研究區(qū)利用MOD16產(chǎn)品所得蒸散發(fā)量整體偏大。本研究利用MOD16產(chǎn)品所得怒江中上游的蒸散發(fā)量介于300～800 mm，與劉國緯[25]所得青藏高原東南部年蒸散發(fā)量500～800 mm的結(jié)果較為一致。由此可見，MOD16產(chǎn)品在怒江流域中上游具有一定的適用性，可利用MOD16數(shù)據(jù)分析研究區(qū)的蒸散發(fā)空間變化特征。

圖3 研究區(qū)不同部分P與(E+R)的比較

表2 研究區(qū)不同部分多年平均P與(E+R)比較

3 怒江流域中上游水循環(huán)要素空間分布特征

3.1 降水空間分布特征

研究區(qū)年平均降水量為682.9 mm，不同區(qū)域降水空間分布差異較大(圖4)，河源那曲地區(qū)、中游洛隆至左貢地區(qū)降水量較小，上游比如至洛隆、中游貢山地區(qū)降水相對豐富。河源區(qū)年降水量低于600 mm，源區(qū)海拔高，氣候寒冷，且距印度洋水汽源較遠(yuǎn)，水汽在輸送過程中逐漸損失；上游比如至洛隆地區(qū)降水量約為700～900 mm，來自印度洋的西南暖濕氣流沿雅魯藏布江通道上溯，水汽在此集中，形成降水的高值區(qū)；中游洛隆至左貢降水量介于500～700 mm，由于眾多山脈阻隔，到達(dá)此處的水汽較少；中游貢山降水量約為1 500 mm，貢山位于研究區(qū)偏南、橫斷山區(qū)相對偏西，受地形及大氣環(huán)流影響，印度洋水汽沿橫斷山脈自南向北上溯，同時水汽沿橫斷山脈西側(cè)通道上溯至貢山地區(qū)，形成較為豐富的降水。

圖4 研究區(qū)降水空間分布

3.2 蒸散發(fā)空間分布特征

研究區(qū)年平均蒸散發(fā)量為489.4 mm，蒸散發(fā)量多介于300～800 mm，研究區(qū)蒸散發(fā)空間分布差異較大，與降水的空間分布類似，存在兩個明顯的高值區(qū)和兩個低值區(qū)(圖5)。高值區(qū)分別位于上游比如至洛隆、中游貢山地區(qū)，低值區(qū)出現(xiàn)在河源、中游八宿至左貢地區(qū)，蒸散發(fā)沿河流呈現(xiàn)出低—高—低—高的變化規(guī)律。河源、八宿至左貢地區(qū)蒸散發(fā)量在400 mm以下，低于年平均值，由于降水較少，可供蒸散發(fā)的水分有限；比如至洛隆、貢山地區(qū)蒸散發(fā)量約為600～800 mm，該地區(qū)降水量較大，充足的水分可用于蒸散發(fā)。

圖5 研究區(qū)蒸散發(fā)空間分布

杜軍等[26]應(yīng)用實(shí)測氣象資料對1981—2010年怒江西藏段的潛在蒸發(fā)量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)怒江西藏段年平均潛在蒸發(fā)量為870.1 mm，本研究采用MOD16產(chǎn)品所得年平均蒸散發(fā)量為496.8 mm，供水條件是影響研究區(qū)蒸散發(fā)的重要因素之一。

4 產(chǎn)水量空間分布特征

4.1 產(chǎn)水量空間分布特征

探究降水量與蒸散發(fā)量的差值(P-E)，以進(jìn)一步評估研究區(qū)產(chǎn)水量的空間分布特征。研究區(qū)年平均(P-E)為193.5 mm，(P-E)空間分布如圖6所示。整體來看，上游地區(qū)(P-E)空間分布差異較小，多低于400 mm，那曲至比如一帶介于200～400 mm。劉冬英等[13]對怒江水資源特性進(jìn)行分析，表明怒江上游大部分地區(qū)徑流深介于200～400 mm，本研究所得結(jié)果與其相符。研究區(qū)中游地處橫斷山區(qū)，(P-E)空間分布極不均勻，貢山地區(qū)年降水量約為1 500 mm，蒸散發(fā)量介于700～800 mm，(P-E)可達(dá)600 mm以上。對比研究區(qū)降水空間分布圖(圖4)，可知(P-E)與降水的空間分布格局相似，研究區(qū)整體降水量偏小。

4.2 植被與(P-E)/P的關(guān)系

研究區(qū)(P-E)/P空間分布如圖7所示，(P-E)/P與(P-E)的空間分布基本一致。上游那曲至比如地區(qū)(P-E)/P大于0.4，比如至洛隆地區(qū)則低于0.3；中游(P-E)/P分布差異較大，洛隆至八宿地區(qū)(P-E)/P在0.3以下，而左貢和貢山地區(qū)(P-E)/P可達(dá)0.6。研究區(qū)植被類型主要包括草甸和草本沼澤、灌叢和萌生矮林、針葉林、無植被等，植被分布如附圖5所示。

圖6 研究區(qū)(P-E)空間分布

圖7 研究區(qū)(P-E)/P空間分布

對研究區(qū)2000—2011年主要植被類型(P-E)/P進(jìn)行統(tǒng)計(表3)，經(jīng)檢驗(yàn)，草甸和草本沼澤與灌叢和萌生矮林的均值存在顯著性差異，在0.05水平上差異顯著。無植被地區(qū)(P-E)/P最大，為0.33，而植被覆蓋區(qū)的(P-E)/P相對較小。在無植被地區(qū)，裸地的水源涵養(yǎng)能力較差，降水易下滲形成壤中流和地下徑流，故(P-E)/P較高；在植被覆蓋地區(qū)，植物能夠在一定程度上截留降水，水分消耗于蒸散發(fā)，因此(P-E)/P較無植被地區(qū)較低。

表3 研究區(qū)不同植被類型降水及蒸散發(fā)特征

5 結(jié) 論

(1) 利用氣象站點(diǎn)實(shí)測降水資料，對TRMM3B43降水產(chǎn)品及MOD16蒸散發(fā)產(chǎn)品在怒江流域中上游的適用性進(jìn)行評估，研究區(qū)及其周邊地區(qū)TRMM3B43數(shù)據(jù)與站點(diǎn)實(shí)測月降水量R為0.86，TRMM3B43數(shù)據(jù)在怒江流域中上游具有較好的精度，MOD16數(shù)據(jù)在怒江流域中上游的蒸散發(fā)量相對偏大，仍具有一定的適用性，可用于流域蒸散發(fā)分布特征的分析與研究。

(2) 基于遙感產(chǎn)品所得結(jié)果，怒江流域中上游多年平均蒸散發(fā)量為489.4 mm，蒸散發(fā)空間分布差異較大，沿河流呈現(xiàn)出低—高—低—高的變化特征，流域(P-E)與P的空間分布格局相似，具有明顯的空間分布差異，無植被地區(qū)的(P-E)/P為0.33，植被覆蓋區(qū)的(P-E)/P相對較小。

(3) 由于自然條件的限制，獲取青藏高原蒸散發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)較為困難，而MOD16產(chǎn)品具有覆蓋范圍廣、時空上連續(xù)等特征，為蒸散發(fā)及產(chǎn)水量的空間分布特征分析提供了相對可靠的數(shù)據(jù)支撐，可用于資料缺乏的青藏高原地區(qū)水文過程研究。利用MOD16產(chǎn)品所得區(qū)域蒸散發(fā)存在一定的偏差，在使用時需予以綜合考慮。