宋 佳, 徐長(zhǎng)春, 楊媛媛, 張喜成, 李曉菲

(新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046)

地表溫度的升高會(huì)加強(qiáng)地表蒸散發(fā)，降低土壤保持水分的能力，根據(jù)水量平衡原理，地表蒸散發(fā)的增加將會(huì)帶來(lái)降雨量的增加[1]。全球變暖加之地域差異性帶來(lái)降水在時(shí)空上的非均勻變化，必然使水資源危機(jī)頻發(fā)，進(jìn)而對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、作物分布和生態(tài)環(huán)境等造成重大影響。普宗朝等[2]認(rèn)為在不同地區(qū)因地理位置、地形、海拔等差異，對(duì)干濕氣候的分布有較大影響。新疆作為我國(guó)典型的干旱半干旱區(qū)，身居內(nèi)陸、地形復(fù)雜，降水分布極度不均，因而研究新疆地區(qū)濕潤(rùn)指數(shù)的分布情況具有重要意義。

濕潤(rùn)指數(shù)是基于大氣降水和潛在蒸散量?jī)蓚€(gè)參數(shù)來(lái)表示地表水分的物理量[3]，反映了地表水汽輸入與輸出的動(dòng)態(tài)盈虧狀況[4-5]。大氣降水?dāng)?shù)據(jù)可由氣象站獲得，而潛在蒸散量數(shù)據(jù)往往是基于傳統(tǒng)方法獲取的蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，往往受到自然與人為等條件的限制，較難獲取大區(qū)域蒸散的觀測(cè)與估算，而遙感技術(shù)因其可以大面積、動(dòng)態(tài)、快速的獲取地表狀況，近年來(lái)得到快速發(fā)展，使得大尺度非均勻陸面的蒸散發(fā)研究得到重大進(jìn)展[6-7]。如Jung 等[8]發(fā)布了基于全球的1982—2008年地表蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集；EUMETSAT推出了包括歐洲、非洲和南美洲東部的LSA-SAF MSG ET 數(shù)據(jù)集[9]；美國(guó)蒙大拿大學(xué)研發(fā)了從2000年開始的全球MODIS-ET數(shù)據(jù)集[10]，MODIS-ET 數(shù)據(jù)集因其通過(guò)了通量觀測(cè)塔的驗(yàn)證，并且時(shí)空分辨率較高，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于蒸散發(fā)的研究。Kim、賀添、Liu等[11-13]分別利用水文及氣象數(shù)據(jù)驗(yàn)證了MODIS-ET產(chǎn)品在亞洲與中國(guó)的適用性，并取得了良好效果。

基于此，本文利用MOD16產(chǎn)品，結(jié)合全疆共52個(gè)氣象站2000—2013年的地面觀測(cè)資料，分析新疆地區(qū)蒸散發(fā)(ET)的時(shí)空變化特征，利用濕潤(rùn)指數(shù)對(duì)新疆地區(qū)干濕氣候進(jìn)行時(shí)空分析，并進(jìn)一步篩選出影響干濕氣候分區(qū)的主要?dú)庀笠蜃?，旨在為新疆地區(qū)“一帶一路”戰(zhàn)略中生態(tài)環(huán)境治理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新疆位于中國(guó)西北邊陲，地理位置介于34°15′—48°10′N與73°20′—96°25′E之間，總面積166萬(wàn)km2，是中國(guó)面積最大的省級(jí)行政區(qū)，也是主要的干旱半干旱區(qū)[2]。研究區(qū)以溫帶大陸性干旱氣候?yàn)橹鳎Ｄ暾艚当却?，且降水分布極為不均，日照充足、地表能量豐富。因其特殊的地理位置、地形、氣候等因素，境內(nèi)植被覆蓋率低，荒漠、戈壁、裸地分布廣闊，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。

2 數(shù)據(jù)資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

(1) 氣象數(shù)據(jù)：本文采用的氣象數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象信息中心(http:∥data.cma.cn/)，包括全疆境內(nèi)共52個(gè)氣象站點(diǎn)2000—2013年的降水量、氣壓、風(fēng)速、氣溫、水汽壓、相對(duì)濕度等日值氣象要素。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格篩選，其次針對(duì)個(gè)別缺測(cè)的氣象值采用一元線性回歸法計(jì)算得到，具體如下：y為某一氣象要素值，x為對(duì)應(yīng)的日序，n為樣本數(shù)量，擬合得到一元線性回歸方程，

y=ax+b(t=1,2,3,…,n)

(1)

式中：a為斜率；b為常數(shù)，利用等比關(guān)系求未知函數(shù)其他值的近似計(jì)算方法。

(2) 遙感數(shù)據(jù)：本文選用的遙感數(shù)據(jù)為地表蒸散發(fā)月合成產(chǎn)品集(MOD16A2)，該數(shù)據(jù)集包括：地表蒸散發(fā)(ET)及潛在蒸散發(fā)(PET)，數(shù)據(jù)基本信息見表1。首先借助MRT投影轉(zhuǎn)換工具將原始的分級(jí)數(shù)據(jù)HDF格式轉(zhuǎn)換為GeoTiff格式，將SIN投影轉(zhuǎn)換為WGS-1984/Geographic經(jīng)緯坐標(biāo)系，對(duì)影像進(jìn)行拼接；其次根據(jù)網(wǎng)站提供的數(shù)據(jù)說(shuō)明，剔除無(wú)效值并還原真實(shí)值；最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量裁剪并提取研究區(qū)各年、月實(shí)際蒸散發(fā)ET與潛在蒸散發(fā)PET。

表1 MOD16A2遙感數(shù)據(jù)屬性表

2.2 研究方法

2.2.1 折算系數(shù)法 折算系數(shù)是用來(lái)統(tǒng)一E601型與E20型蒸發(fā)器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一種計(jì)算方法[14]，能夠?qū)⒉糠秩睖y(cè)的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)根據(jù)二者之間的系數(shù)估算出來(lái)。E601型與ET20型蒸發(fā)皿的ET的轉(zhuǎn)換公式為：

a=E601/E20

(2)

式中：a為蒸發(fā)折算系數(shù)；E601為E—601型蒸發(fā)器的蒸發(fā)量(mm)；E20為20 cm口徑蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量(mm)。

2.2.2 年際ET傾斜率計(jì)算 根據(jù)一元線性回歸分析，在IDL語(yǔ)言環(huán)境中以柵格為單元，計(jì)算出2000—2013年ET的年際變化趨勢(shì)(S)[15]。

(3)

式中：n為年數(shù)；yj為第j年的ET；S為多年ET線性擬合概率；S為正表明多年ET呈增加趨勢(shì)，反之減少。本文以S=0為中心，將計(jì)算結(jié)果區(qū)間等比分為5類，分別為：嚴(yán)重減少、輕微減少、基本不變、輕微增加和明顯增加。

2.2.3 變異系數(shù)法 變異系數(shù)是說(shuō)明一組數(shù)據(jù)離散程度的統(tǒng)計(jì)量，可用于分析蒸散發(fā)的空間變異情況及分異規(guī)律[16]。

(4)

2.2.4 Hurst指數(shù) Hurst指數(shù)是基于重標(biāo)極差分析方法基礎(chǔ)，用來(lái)判斷某組時(shí)間序列數(shù)據(jù)是隨機(jī)變化還是有方向變化的一種指標(biāo)，能夠揭示時(shí)間序列的分形特征，廣泛應(yīng)用于地理、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域[17]?？紤]ET 時(shí)間序列{ET(t)}(t=1，2，3，4，…，n)，其時(shí)間序列均值為:

(5)

計(jì)算累積離差為：

(6)

極差序列為：

(7)

標(biāo)準(zhǔn)差序列為：

(8)

計(jì)算Hurst指數(shù)：

(9)

式中：c為常數(shù)，當(dāng)Rτ/Sτ∝τH時(shí)，說(shuō)明時(shí)間序列存在Hurst現(xiàn)象；Hurst指數(shù)(H)能夠揭示時(shí)間序列的分形特征。0.5

2.2.5 濕潤(rùn)指數(shù)(K) 本文采用表征自然條件下的大氣水汽輸入的降水量(R)和潛在蒸散量(PET)來(lái)計(jì)算濕潤(rùn)指數(shù)[18]：

K=R/PET

(10)

式中：R和PET分別為月降水量和月潛在蒸散量(mm/d)。結(jié)合文獻(xiàn)[19-20]，對(duì)新疆濕潤(rùn)指數(shù)進(jìn)行分析，其中濕潤(rùn)指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)為：K≤0.03為極干旱區(qū)；0.03

3 結(jié)果與分析

3.1 MOD16A2數(shù)據(jù)適用性檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證MOD16A2產(chǎn)品在新疆的適用性，利用2000—2013年的E20型蒸發(fā)器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與MOD16A2產(chǎn)品反演的PET數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。由于潛在蒸散發(fā)PET表示水分不受限制條件下的最大蒸散量，而實(shí)測(cè)蒸發(fā)器數(shù)據(jù)也是基于此條件測(cè)得，因此可以通過(guò)二者的相關(guān)性來(lái)驗(yàn)證MOD-16的適用性[21]。

首先基于氣象站提取2000—2013年MOD16A2氣象站點(diǎn)潛在蒸散發(fā)，篩選剔除無(wú)效站點(diǎn)，利用有效站點(diǎn)MOD16A2-PET與對(duì)應(yīng)氣象站點(diǎn)蒸發(fā)器實(shí)測(cè)值作相關(guān)性，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)二者相關(guān)系數(shù)(R2)達(dá)到0.865 4，說(shuō)明MOD16 產(chǎn)品在新疆地區(qū)是適用的，蒸發(fā)器實(shí)測(cè)蒸發(fā)量與MOD16-PET之間相關(guān)性較大，且與阿迪萊[21]、鄧興耀[22]等人驗(yàn)證結(jié)果一致。

3.2 蒸散發(fā)空間特征分析

MOD16產(chǎn)品能夠反演4個(gè)指標(biāo)包括：蒸散發(fā)(ET)、潛在蒸散發(fā)(PET)、潛熱通量(LE)及潛在潛熱通量(PLE)[12]，由于蒸發(fā)器實(shí)測(cè)ET與MOD16A2反演的PET相關(guān)性較大，說(shuō)明MOD16A2產(chǎn)品反演的數(shù)據(jù)與實(shí)際值較為接近。因此，為了解新疆2000—2013年蒸散發(fā)空間分布，選取MOD16A2產(chǎn)品反演的ET數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由附圖1A可知：近14 a新疆年均蒸散量介于40～830 mm之間，蒸散發(fā)高值區(qū)大多分布在伊犁河谷及額爾齊斯河谷附近，此區(qū)域河流眾多，降水量大，植被豐富，因此蒸散量大；低值區(qū)主要位于塔里木盆地邊緣，此區(qū)域分布著新疆兩大沙漠—古爾班通古特沙漠和塔克拉瑪干沙漠，降水貧乏、植被蓋度低，因此蒸散發(fā)值也小?？傮w來(lái)看，全疆蒸散發(fā)量在空間上呈現(xiàn)出北疆大于南疆、西部大于東部、山脈大于盆地的特征。

利用CV指數(shù)分析新疆ET的空間變異性(附圖1B)。對(duì)CV指數(shù)進(jìn)行分級(jí)，可以看出，全疆不同變異程度中，變異系數(shù)≤0.05的地區(qū)主要是額爾齊斯河谷和天山附近，表明該區(qū)域近十四年ET 值分布較為集中，在全疆范圍內(nèi)時(shí)序最穩(wěn)定；變異系數(shù)在0.05～0.10的地區(qū)主要集中在北疆，分布廣泛，表明北疆大部分地區(qū)ET值各年份之間分布較為集中，時(shí)序較穩(wěn)定；變異系數(shù)在0.10～0.15的地區(qū)分布廣泛，主要分布在南疆大部分區(qū)域及天山山脈地區(qū)；變異系數(shù)在0.15～0.2的地區(qū)主要分布在塔克拉瑪干沙漠的南部及伊犁河谷，表明南疆大部分地區(qū)ET值時(shí)間序列波動(dòng)較大；變異系數(shù)>0.2的地區(qū)主要分布在昆侖山北坡，表明該區(qū)域ET值各年份之間分布最不穩(wěn)定，時(shí)序波動(dòng)最大；北疆大部分區(qū)域、伊犁河谷，南疆的塔里木河流域、喀什噶爾河流域均有高波動(dòng)變化區(qū)域，可能因?yàn)檫@些區(qū)域降水量變化較大、人口逐漸增多帶來(lái)NDVI的波動(dòng)[23]，故而導(dǎo)致這些區(qū)域蒸散發(fā)出現(xiàn)波動(dòng)較高的波動(dòng)。

由Hurst指數(shù)法判斷近十四年全疆ET在時(shí)間序列上的可持續(xù)性(附圖1C)，可以看出Hurst指數(shù)≤0.5的區(qū)域主要分布在北疆額爾齊斯河河谷，表明北疆額爾齊斯河河谷周邊區(qū)域未來(lái)的蒸散發(fā)量變化情況將與過(guò)去相反，將會(huì)出現(xiàn)增加趨勢(shì)；Hurst指數(shù)>0.5的區(qū)域分布廣泛，除額爾齊斯河河谷外，全疆絕大部分區(qū)域蒸散發(fā)量在未來(lái)的變化情況將與過(guò)去14 a的變化趨勢(shì)一樣，且天山山脈附近持續(xù)性最強(qiáng)，說(shuō)明天山山脈附近未來(lái)ET均呈減少趨勢(shì)，昆侖山附近ET將繼續(xù)呈增加趨勢(shì)。

3.3 蒸散發(fā)時(shí)間特征分析

提取全疆各站點(diǎn)ET與PET年均值(表2)可知：2000—2013年全疆各站點(diǎn)ET主要在197.49 mm附近波動(dòng)，其中2010年ET波動(dòng)最大，2000年波動(dòng)最??；2000—2013年全疆各站點(diǎn)PET主要在1 374.39 mm附近波動(dòng)，其中2004年波動(dòng)最大，2008年波動(dòng)最小。整體來(lái)看，全疆ET年均變化不大，PET呈波動(dòng)上升變化。與附圖1A比較可知，基于遙感影像的蒸散發(fā)空間分析，更加直觀和清晰，基于站點(diǎn)的蒸散發(fā)存在一定的局限性。

表2 2000-2013年蒸散發(fā)變化特征分析

3.4 年際ET時(shí)空傾斜率分析

為了解近14 a新疆蒸散發(fā)空間變化情況，作年際ET傾斜率分布圖(附圖2)。從圖中可以看出全疆ET嚴(yán)重減少區(qū)域主要分布在天山中部及伊犁河谷附近；輕微減少區(qū)域主要分布在北疆的準(zhǔn)噶爾盆地及其周邊地區(qū)；ET輕微增加區(qū)域主要分布在南疆；明顯增加區(qū)域主要位于天山北麓的烏魯木齊、昌吉、石河子一帶，除此之外，博樂(lè)、塔城等地也明顯增加。通過(guò)統(tǒng)計(jì)蒸散發(fā)變化面積(表3)，并計(jì)算各傾斜率面積與所有傾斜率面積之比可知：近14 a的ET傾斜率分布面積中，輕微減少趨勢(shì)占比最多，達(dá)到54.01%；明顯增加趨勢(shì)占比最小，為1.53%。綜合分析可以看出，全疆從2000—2013年整體蒸散發(fā)處于輕微減少趨勢(shì)。

表3 年際ET傾斜率變化面積

3.5 濕潤(rùn)指數(shù)表征的干濕氣候空間變化特征

根據(jù)2000年與2013年新疆濕潤(rùn)指數(shù)的分布，分別提取各氣候區(qū)所占面積(表4)，結(jié)合附圖3—4可以看出：2000年極干旱區(qū)主要分布在莎車縣，和田與哈密也零星分布著極干旱區(qū)，2013年新疆極干旱區(qū)僅分布于哈密附近，極干旱區(qū)面積減少約196 km2；2000年干旱區(qū)主要分布在溫泉縣及南疆地區(qū)，2013年干旱區(qū)均主要分布在塔克拉瑪干沙漠外緣，較2000年干旱區(qū)面積明顯減少，減少約1 037 km2；2000年與2013年半干旱區(qū)均主要分布在天山南北麓及北疆地區(qū)，2013年半干旱區(qū)面積比2000年增加約938 km2；2000年半濕潤(rùn)區(qū)主要分布在額爾齊斯河河谷與巴音布魯克附近且相對(duì)較為集中，而2013年新疆半濕潤(rùn)地區(qū)分布較為零散，呈零星狀分布，其中南疆部分地區(qū)出現(xiàn)半濕潤(rùn)氣候，整體半濕潤(rùn)面積增加257 km2。全疆干旱、半干旱地區(qū)分界線主要是天山山脈，北疆主要為半濕潤(rùn)、半干旱區(qū)，南疆主要為干旱區(qū)，濕潤(rùn)指數(shù)為極干旱的區(qū)域主要位于東疆附近，以哈密為典型代表，主要原因是東天山橫貫哈密中部，哈密氣候干燥、降雨極少、熱量豐富、光照充足、溫差大，因此濕潤(rùn)指數(shù)極低[24]。

從全疆范圍來(lái)看，近14 a新疆整體極干旱區(qū)域呈降低趨勢(shì)，其中南疆部分地區(qū)在2000年存在部分極干旱區(qū)，而2013年南疆均為干旱區(qū)與半干旱區(qū)，且從濕潤(rùn)指數(shù)年均值來(lái)看，南疆大部分地區(qū)為干旱區(qū)，可以看出此區(qū)域極干旱程度呈下降趨勢(shì)，從面積變化情況來(lái)看，全疆極干旱區(qū)與干旱區(qū)面積均在減少，而半干旱區(qū)與半濕潤(rùn)區(qū)面積在增加，進(jìn)一步說(shuō)明全疆氣候趨于濕潤(rùn)的變化趨勢(shì)。

3.6 氣象因子與濕潤(rùn)指數(shù)(K)的相關(guān)性分析

為了更加明確不同氣象因子對(duì)K的作用，本文探討了各類氣象因子與K的相關(guān)性。由表5可知，氣溫在0.05水平與K呈顯著性相關(guān)(p<0.01)，相關(guān)系數(shù)為-0.433，氣溫增高會(huì)加速水分的蒸發(fā)，進(jìn)而導(dǎo)致氣候變得干旱，溫度升高導(dǎo)致蒸發(fā)量增大致使氣候干燥。降水、相對(duì)濕度均與K在p<0.05水平呈顯著正相關(guān)，然而，風(fēng)速、水汽壓與K呈反向相關(guān)，且相關(guān)性不顯著。普遍觀點(diǎn)認(rèn)為風(fēng)速越大，會(huì)加快地表蒸散發(fā)量，氣候就會(huì)越干旱，則濕潤(rùn)指數(shù)越小，張喆[25]等人研究表明新疆氣溶膠呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而南疆主要是沙塵氣溶膠，氣溶膠的增加影響了風(fēng)速，這些都進(jìn)一步說(shuō)明新疆地區(qū)風(fēng)速與濕潤(rùn)指數(shù)成負(fù)相關(guān)很可能是因?yàn)榭諝庵形廴疚锏脑黾佣鸬摹?/p>

表4 2000-2013年各氣候區(qū)面積變化 km2

表5 濕潤(rùn)指數(shù)與氣象因子相關(guān)性分析

注：*在0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)(n=52)。

4 結(jié) 論

(1) 2000—2013年新疆蒸散發(fā)年均值空間分布大多處于40～830 mm，蒸散發(fā)量高值區(qū)大多分布在伊犁河谷及額爾齊斯河谷附近；時(shí)序波動(dòng)由弱到強(qiáng)可大致分布為：阿爾泰山<北疆<天山山脈<南疆<昆侖山脈；Hurst指數(shù)說(shuō)明額爾齊斯河谷附近將呈增加趨勢(shì)，除此之外全疆絕大部分區(qū)域蒸散發(fā)量在未來(lái)的變化情況將與以往趨勢(shì)一樣，天山山脈持續(xù)減少，昆侖山山脈將持續(xù)增加。2000—2013年全疆ET均值變化范圍為178.29～214.87 mm，年均ET為196.49 mm，PET均值變化范圍為1 297.12～1 447.48 mm，年均PET為1 374.39 mm。

(2) 2000—2013年，全疆ET在空間上主要呈輕微減少趨勢(shì)，且輕微減少區(qū)域面積占比為54.01%，嚴(yán)重減少區(qū)域占比19.42%，基本不變區(qū)域占比19.41%，輕微增加區(qū)域占比10.13%，明顯增加區(qū)域占比1.53%。

(3) 從濕潤(rùn)指數(shù)來(lái)看，全疆干旱、半干旱地區(qū)分界線主要是天山山脈，北疆主要為半濕潤(rùn)、半干旱區(qū)，南疆主要為干旱區(qū)，14 a全疆極干旱區(qū)面積減少198 km2，干旱區(qū)面積減少1 037 km2，半干旱區(qū)增加938 km2，半濕潤(rùn)區(qū)增加257 km2，新疆氣候趨于濕潤(rùn)的變化趨勢(shì)；其次各氣象要素中，降水、相對(duì)濕度與濕潤(rùn)指數(shù)為顯著正相關(guān)，氣溫與濕潤(rùn)指數(shù)為顯著負(fù)相關(guān)。