閆宇會，薛寶林,2，張路方，李占杰,2

(1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875；2.城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875)

蒸散發(fā)作為水文循環(huán)過程中不可獲取的一部分，與能量平衡有著密不可分的關(guān)系，同時是研究氣候變化、水熱平衡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在水資源調(diào)配、農(nóng)業(yè)管理、植被分析等方面，估算蒸散發(fā)都非常重要[1]。分析研究干旱地區(qū)的蒸散發(fā)是具有重要意義的，Rosenberg等曾表示，在干旱地區(qū)，地表儲水量的相當(dāng)大一部分會通過蒸散發(fā)重新進(jìn)入水文循環(huán)[2-4]。蒸散發(fā)分為實(shí)際蒸散發(fā)(AET，Actual Evapotranspiration)和潛在蒸散發(fā)(PET，Potential Evapotranspiration)。實(shí)際蒸散發(fā)(AET)主要由氣候因素驅(qū)動，由植被和土壤特征介導(dǎo)，并受可用水量的限制，被認(rèn)為是水文循環(huán)中最復(fù)雜的組成部分。潛在蒸散發(fā)(PET)表示能夠從土壤中蒸發(fā)并從特定表面的植被中蒸發(fā)出來的最大水量，在干旱地區(qū)，PET是評估氣候變化和水資源空間分布的重要指標(biāo)[5]。

蒸散發(fā)的定量分析會受到氣象條件、輻射條件、下墊面條件等多種因素的影響，因此觀測較為困難。傳統(tǒng)的蒸散發(fā)觀測方法主要有蒸發(fā)皿、渦度相關(guān)法和土壤水平衡法等，這些方法通常是在“點(diǎn)”尺度上進(jìn)行研究; 由于受多方面因素的影響，這些儀器或方法很難在較大的區(qū)域進(jìn)行蒸散發(fā)觀測和計(jì)算[6]。近年來遙感技術(shù)開始在多個領(lǐng)域、多個行業(yè)應(yīng)用，蒸散發(fā)研究也不再僅僅局限于氣象站點(diǎn)，而是向大流域和大尺度的研究轉(zhuǎn)變，通過遙感技術(shù)來進(jìn)行蒸散發(fā)研究也成為了水文研究中較為常見的一種手段[7]，同時國內(nèi)外也出現(xiàn)了大批學(xué)者通過遙感數(shù)據(jù)來進(jìn)行蒸散發(fā)研究[8]。2011年美國NASA團(tuán)隊(duì)基于Penman-Monteith遙感模型和MODIS數(shù)據(jù)研發(fā)發(fā)布了全球陸地蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集產(chǎn)品( MOD16)，該產(chǎn)品由全球通量塔臺數(shù)據(jù)驗(yàn)證，模擬精度達(dá)到86%[9-13]，在全球范圍得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)研究人員基于MOD16產(chǎn)品，在不同的尺度上對我國的塔里木河流域、漢江流域、澴河流域等地區(qū)檢驗(yàn)了該產(chǎn)品的應(yīng)用精度，深入討論了我國近年來的區(qū)域蒸散發(fā)時空分布特征，都取得了比較好的效果。

黑河流域遠(yuǎn)離海洋，氣候干燥，降水稀少，尤其是下游區(qū)域，大部分地區(qū)為沙漠戈壁所覆蓋，植被狀況極差，缺水問題嚴(yán)重限制了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。同時，黑河流域的河西走廊地區(qū)也是“一帶一路”政策的重要戰(zhàn)略通道。因此，研究黑河流域的蒸散發(fā)時空分布規(guī)律，科學(xué)預(yù)測黑河流域的蒸散發(fā)變化趨勢，對水資源評價(jià)和合理開發(fā)利用有重大意義[14]。本文以黑河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，以2001-2017年500 m分辨率的MOD16產(chǎn)品為數(shù)據(jù)源，針對黑河流域AET、PET在時間和空間尺度上的分布情況，分別研究了年際、年內(nèi)月和年內(nèi)季尺度下的分布特征，目的是探尋其內(nèi)在變化規(guī)律，為保證該地區(qū)水資源的合理利用提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

黑河流域大致介于98°～101°30′E，38°～42°N之間，為甘蒙西部最大的內(nèi)陸河流，是我國西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河流域，流域面積約13 萬km2。黑河發(fā)源于祁連山區(qū)，流入東居延海，跨越了青海省、甘肅省、內(nèi)蒙古自治區(qū)3個省份，對河西走廊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要貢獻(xiàn)[15]。

黑河上游為鶯落峽以上，河道長303 km，上游面積達(dá)1 萬km2，此區(qū)間內(nèi)山高谷深，為祁連山區(qū)，河床比降較大，氣候陰冷，多年平均氣溫不足2 ℃，年降水量可達(dá)350 mm，是黑河的產(chǎn)流區(qū)域。中游為鶯落峽至正義峽之間的區(qū)域，河道長185 km，面積為2.56 萬km2，此區(qū)域地勢平坦，光熱資源充足，但干旱嚴(yán)重，年降水量為140 mm，年蒸發(fā)能力達(dá)1 410 mm，為流域內(nèi)的主要耗水區(qū)域。下游區(qū)域?yàn)檎x峽以下，河道長333 km，面積為8 萬km2，除河流兩岸附近及居延海三角洲外，大部分地區(qū)為沙漠戈壁所覆蓋，年降水量只有47 mm，年蒸發(fā)能力高達(dá)2 250 mm，屬于極端干旱區(qū)域，是沙塵暴的主要源區(qū)之一[16]，如圖1所示。

圖1 黑河流域主要?dú)庀笳军c(diǎn)及土地覆蓋類型

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源和處理

MOD16數(shù)據(jù)集產(chǎn)品包括實(shí)際蒸散發(fā)(AET)、潛在蒸散發(fā)(PET)、潛熱通量(LE)、潛在潛熱通量(PLE)，空間分辨率有1 km、500 m和250 m，時間分辨率有8 d合成、月合成和年合成。MOD16蒸散發(fā)產(chǎn)品的下載地址為http:∥www.ntsg.umt.edu。根據(jù)MOD16產(chǎn)品數(shù)據(jù)在中國區(qū)域的行列號排列情況，選擇研究區(qū)的行列號為h25v04和h25v05，時間分辨率為8 d合成，空間分辨率為500 m，其中涵蓋了黑河流域2001-2017年共18 a的數(shù)據(jù)。

在處理數(shù)據(jù)時，首先借助了相關(guān)的軟件，將原始數(shù)據(jù)由HDF格式轉(zhuǎn)換成柵格格式，隨后利用ENVI和Arcgis軟件進(jìn)行了坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、拼接、裁剪，接著把沒有用的數(shù)值都刪除，留下了有用的數(shù)值，最終得到了研究區(qū)域月尺度下的AET和PET值。

土地利用數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺的1 km土地覆蓋圖，利用ENVI與ArcGIS平臺，將研究區(qū)土地利用類型歸并為林地、草地、耕地、水體、城鎮(zhèn)用地和未利用土地6個一級地類。

氣象數(shù)據(jù)包括2001-2017年黑河流域12個氣象站點(diǎn)實(shí)測的蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)，來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)http:∥data.cma.cn/。蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)主要用于檢驗(yàn)黑河流域的MOD16蒸散量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本研究選取了黑河流域的額濟(jì)納旗、馬鬃山、玉門、鼎新、金塔、酒泉等12個氣象觀測站的2001-2017年月時間序列的蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)，使用MOD16-PET數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.2 研究方法

2.2.1 MOD16精度檢驗(yàn)方法

通常情況下，使用氣象站點(diǎn)或者渦動站的實(shí)測數(shù)據(jù)對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證的尺度有所不同，精度也會有所不同。因?yàn)闅庀笳竞蜏u動站都是“點(diǎn)”尺度的，所以大多數(shù)情況下都是基于“點(diǎn)”尺度來進(jìn)行驗(yàn)證[17]。如果是基于“面”尺度來進(jìn)行驗(yàn)證，對各方面要求都比較多[18]。本文是將氣象站點(diǎn)的蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)與MOD16-PET數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證MOD16數(shù)據(jù)的精確性。因?yàn)橐芯块L時間序列的數(shù)據(jù)，為保證測量數(shù)據(jù)的精確性，本文選擇了12個氣象觀測站的2001-2017年月時間序列的蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)，剔除了無效值和不連續(xù)值，通過插值延補(bǔ)獲得了缺失值。然后獲得了站點(diǎn)所在柵格區(qū)域的MOD16蒸散發(fā)數(shù)據(jù)的數(shù)值，對站點(diǎn)的實(shí)測蒸發(fā)量與MOD16-PET的逐年月平均值進(jìn)行了相關(guān)性分析。

從圖2可以看出，蒸發(fā)皿實(shí)測蒸散發(fā)和MOD16-PET的擬合效果非常好，12個站點(diǎn)都表現(xiàn)出較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.8以上。表明MOD16-PET產(chǎn)品與氣象站實(shí)測蒸散發(fā)相關(guān)性較大，因此該可以用于分析和探討黑河流域蒸散發(fā)的時空變化研究。

圖2 MOD16 潛在蒸散發(fā)(PET)與各氣象站點(diǎn)實(shí)測值逐年每月相關(guān)性分析圖

2.2.2 蒸散發(fā)年際變化分析方法

進(jìn)行年際變化評估本文采用線性趨勢法[19,20]，利用以下公式計(jì)算每個像元2001-2017年的蒸散發(fā)線性傾向率(K)：

(1)

式中：K為線性傾向值；n為需要計(jì)算年份的數(shù)量(n=17)；i為具體計(jì)算的年份；ETi為第i年的MOD16數(shù)據(jù)的AET/PET值；K為正表示ET隨時間i的增加而增加；K為負(fù)表示ET隨時間i的增加而減少[19]。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域AET和PET的空間分布特征

黑河流域2001-2017年平均AET和PET的空間分布特征如圖3和圖4所示，表現(xiàn)出鮮明的東西差異和南北差異。黑河流域多年平均AET值的空間取值范圍為79.88～509.22 mm，表現(xiàn)出由南向北遞減的趨勢，多年平均PET值的空間取值范圍為338.55～1 876.75 mm，表現(xiàn)出由南向北遞增的趨勢，兩者的增減分布趨勢剛好相反。南部祁連山區(qū)，夏季降水充沛，溫差變化大，蒸發(fā)強(qiáng)烈，故AET值明顯高于流域其他區(qū)域，區(qū)域均值為372.68 mm，但因祁連山區(qū)海拔較高，平均氣溫相對不高，故PET值相比流域其他區(qū)域較低，區(qū)域均值為1 002.08 mm。中部的河西走廊地區(qū)相比南部地區(qū)氣候較為干旱，降水量由東向西逐漸減少，干燥度增加，但因其適宜的溫度條件，再加上有祁連山區(qū)的融雪做水源補(bǔ)充，產(chǎn)生了大面積的綠洲，故該區(qū)域的AET和PET水平都保持在一定的范圍，AET區(qū)域均值為149.73 mm，PET區(qū)域均值為1 196.31 mm。北部大部分區(qū)域?qū)儆趦?nèi)蒙古自治區(qū)額濟(jì)納旗，這里降水少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，除黑河沿岸和居延海周圍存在少量綠洲外，所有區(qū)域均被沙漠戈壁所覆蓋。由于MOD16產(chǎn)品覆蓋范圍為有植被區(qū)域，所以在圖3中黑河下游大范圍的荒漠戈壁區(qū)域?yàn)榭瞻祝瑳]有數(shù)據(jù)，而額濟(jì)納綠洲區(qū)域因深處大漠腹地，AET值相對較低，區(qū)域均值只有89.56 mm，PET值相對較高，區(qū)域均值為1 678.03 mm。

圖3 黑河流域?qū)嶋H蒸散發(fā)(AET)多年平均值空間分布特征

圖4 黑河流域潛在蒸散發(fā)(PET)多年平均值空間分布特征

流域內(nèi)不同土地利用類型影響著水文循環(huán)情況，不同土地利用類型下的PET和AET也存在明顯的差異，為了進(jìn)一步探究不同土地利用類型對流域蒸散發(fā)的影響，本文根據(jù)已下載的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)一步將黑河流域分為了耕地、林地、草地、城鎮(zhèn)用地和未利用土地，所占流域面積分別為3.91%、4.16%、23.21%、0.36%、68.36%。多年平均AET由大到小依次為林地(321 mm)>草地(301 mm)>耕地(267 mm)>城鎮(zhèn)用地(261 mm)>未利用土地(248 mm)，林地的AET值相比其他幾種土地類型較大；不同土地利用類型下的多年平均PET沒有明顯差異，由大到小依次為未利用土地(1 193 mm)>城鎮(zhèn)用地(1 180 mm)>耕地(1 177 mm)>草地(1 150 mm)>林地(1 134 mm)。通過對AET和PET數(shù)值的對比分析，有植被覆蓋區(qū)域的AET值要明顯高于無植被覆蓋區(qū)域的AET值，PET值則要低一些，說明植被對區(qū)域的蒸散發(fā)情況有明顯的影響。

3.2 流域AET和PET的時間分布特征

黑河下游區(qū)域除河流沿岸和額濟(jì)納三角洲以外，大部分為沙漠戈壁，植被稀少，年蒸發(fā)能力極大，屬于極端干旱區(qū)，因植被較少，下游區(qū)域的MOD16蒸散發(fā)數(shù)據(jù)大部分處于空缺狀態(tài)，只有額濟(jì)納三角洲和河流沿岸存在少量數(shù)據(jù)，故本文的AET、PET時空變化特征分析更針對于黑河上中游流域。

3.2.1 流域AET和PET的年際變化時空特征

通過對MOD16數(shù)據(jù)的分析，如圖5所示，可以看出2001-2017年黑河流域的AET、PET年際波動情況并不是十分明顯。AET波動范圍為222.08～352.11 mm，多年平均AET值為292.01 mm，最大值在2017年約為352.11 mm，最小值在2001年約為222.08 mm。AET空間年變化率介于-60.9～55.9 mm/a，年AET變化最為突出的年份是2002年和2008年，相對變化率分別為25.17%和-19.96%。PET波動范圍為1 084.61～1 206.69 mm，多年平均PET值為1 146.56 mm，最大值在2004年約為1 206.69 mm，最小值在2017年約為1 084.61 mm。PET空間年變化率介于-68.34～79.62 mm/a，年P(guān)ET變化最為突出的是2004年和2014年，相對變化率分別為7.06%和-5.72%。如圖6所示，2001年以來，黑河流域(主要為上中游)的AET變化較小，中游河西走廊東部地區(qū)有輕微的增加趨勢，其他地區(qū)的變化范圍都比較小，表明2001年以來黑河流域的植被覆蓋狀況無太明顯的變化。如圖7所示，黑河流域PET變化趨勢不明顯，除上游少部分地區(qū)的PET有輕微增加，其他地區(qū)均無顯著變化?？傮w來說，PET與AET的差值表現(xiàn)為減少趨勢，表明黑河流域的干旱情況在2001年以后有好轉(zhuǎn)的傾向。

圖5 2001-2017年黑河流域?qū)嶋H蒸散發(fā)(AET)、潛在蒸散發(fā)(PET)年際變化圖

圖6 2001-2017年黑河流域年際實(shí)際蒸散發(fā)(AET)變化趨勢圖

圖7 2001-2017年黑河流域年際潛在蒸散發(fā)(PET)變化趨勢圖

3.2.2 流域AET和PET的年內(nèi)月變化時空特征

本文在月尺度上對黑河流域AET、PET變化進(jìn)行了分析，處于先增大后減小的單峰型變化趨勢，如圖8所示，一年中AET最大值出現(xiàn)在7月約為161.34 mm，最小值出現(xiàn)在10月約為65.09 mm，4-7月處于快速增長期，7月開始下降，10月到次年3月間變化不明顯，期間AET平均值約為77.62 mm，這種變化規(guī)律符合當(dāng)?shù)氐乃臍庀笠?guī)律。一年中PET最大值出現(xiàn)在7月份約為643.34 mm，最小值出現(xiàn)在12月份約為143.34 mm，2-7月處于快速增長期，7月開始下降，10月到次年1月波動比較平緩，期間PET平均值約為173.95 mm，這與一年內(nèi)的氣溫變化有明顯的關(guān)聯(lián)，有文獻(xiàn)證實(shí)溫度在很大程度上會影響PET變化[17]。

圖8 多年平均黑河流域?qū)嶋H蒸散發(fā)(AET)、潛在蒸散發(fā)(PET)年內(nèi)變化圖

同時，如圖8所示，PET與AET之間的差值也呈現(xiàn)出先增加再減少的單峰型趨勢，尤其在3月以后，PET與AET之間的差值明顯增大，隨后在6月份兩者之間的差值達(dá)到最大值約為492.56 mm，最小差值在12月份約為73.26 mm。每年的11月到次年的1月份屬于黑河上中游流域的植被水資源儲存期，這個時期降水量很少，植被需水量極少，植被蒸散發(fā)量也并不多，故而此間PET與AET之間的差值也相對較小。每年的2-4月，屬于黑河流域的天然植被萌發(fā)期，2月起溫度升高，此期間植被開始抽芽，需水量開始逐漸增加，故而PET與AET之間的差值有了明顯的增大。每年的4-9月是黑河流域的植被生理需水期，從河西走廊的駱駝刺到額濟(jì)納旗綠洲美麗的胡楊，這些植物的關(guān)鍵需水期都集中在4-9月，因此期間的差值也比較大，同時也是黑河流域整體上最為缺水、干旱的時期。

3.2.3 流域AET和PET的年內(nèi)季變化時空特征

除了在年內(nèi)月尺度上對流域的AET和PET進(jìn)行了分析，本文還在年內(nèi)季尺度上對流域的AET和PET進(jìn)行了分析，把一年劃分為春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)和冬季(12-次年2月)4個季節(jié)。其中，AET的各季節(jié)多年均值分別為249.54、436.18、248.05、234.35 mm，春、秋、冬三季AET無明顯差值，季節(jié)相對變化率大小分別是夏季>秋季>春季>冬季，因?yàn)楹诤恿饔驅(qū)儆诟珊蛋敫珊档貐^(qū)，四季少雨，蒸發(fā)劇烈，一年中僅有的降雨也集中夏季，故而夏季相對其他三季有較為明顯的均值變化。同時，PET的各季節(jié)多年均值分別為1 329.03、1 805.10、926.82、525.28 mm，從季節(jié)相對變化率來看，相對變化率大小分別是春季>秋季>冬季>夏季，PET較大的季節(jié)主要為春季和夏季，因?yàn)榇碎g剛好屬于流域的植被抽芽和生長繁茂期，故而春夏兩季的PET較大。

同時，AET與PET之間的差值各個季節(jié)分別為1 079.49、1 368.98、678.77和290.93 mm，差值由大到小依次是夏季>春季>秋季>冬季，夏季春季差值相對秋冬兩季有明顯的增加，這符合黑河流域四季分明、具有春旱、夏季最為干旱缺水的氣候特點(diǎn)。從變化趨勢來看，春季AET和PET都處于急劇增加趨勢，但差值也比較大，證明春季是該流域的第一個需水高峰期，植被抽芽生長急需用水，但因降水不足導(dǎo)致了春旱現(xiàn)象；夏季該流域的地表溫度和太陽輻射強(qiáng)度都達(dá)到了峰值，降水較為充沛，同時植物的蒸騰作用和土壤蒸發(fā)作用較為劇烈，故而AET和PET都達(dá)到了最大值；秋季降水減少，氣溫下降，植物的蒸騰作用和土壤蒸發(fā)作用較弱，故兩者處于減少趨勢；而冬季植被凋零，蒸騰作用幾乎沒有，降水量也極小，故AET和PET在冬季達(dá)到了最低值。

從多年的季節(jié)變化趨勢來看，如圖9和圖10所示，對于AET變化，黑河中游的河西走廊的大部分地區(qū)夏季有增加趨勢，對于PET變化，除黑河中游部分區(qū)域夏季有增加趨勢外，其他區(qū)域和季節(jié)無顯著變化。這證明2001年以來，黑河流域尤其是黑河中游地區(qū)植被覆蓋情況明顯好轉(zhuǎn)，植被數(shù)量在增加，導(dǎo)致了AET和PET產(chǎn)生了不同情況的增加趨勢。

圖9 2001-2017年黑河流域季實(shí)際蒸散發(fā)(AET)變化趨勢圖

圖10 2001-2017年黑河流域季潛在蒸散發(fā)(PET)變化趨勢圖

4 結(jié) 論

本文利用MOD16產(chǎn)品，通過數(shù)據(jù)分析，在時間和空間尺度上探究了黑河流域2001-2017年期間的AET、PET的變化情況。主要結(jié)論如下：

(1)黑河流域2001-2017年平均AET、PET具有明顯的空間分布特征，兩者的空間分布格局表現(xiàn)出鮮明的南北差異和東西差異，且AET、PET值的增減分布趨勢剛好相反。南部祁連山區(qū)，水分充沛，故AET值明顯高于流域其他區(qū)域，區(qū)域均值為372.68 mm，而PET值比較低，均值為1 002.08 mm。中部的河西走廊地區(qū)水分相對充足，存在成面積的綠洲，AET和PET水平都保持在一定的范圍，AET均值為149.73 mm，PET均值為1 196.31 mm。北部區(qū)域除黑河邊和居延海周圍存在少量綠洲外，所有區(qū)域均被沙漠戈壁所覆蓋，AET值比較低，區(qū)域均值只有89.56 mm，PET值相對較高，均值為1 678.03 mm，表明水分條件較差，存在干旱缺水現(xiàn)象。

(2)本文對不同土地利用類型進(jìn)行了分析，對于多年平均AET值，林地最大，其次為草地、耕地、城鎮(zhèn)用地，未利用土地最小；對于多年平均PET值，未利用土地最大，其次為城鎮(zhèn)用地、耕地、草地，林地最小。總體來說，植被覆蓋對AET值的影響要明顯高于對PET值的影響，說明植被對區(qū)域的蒸散發(fā)情況有明顯的影響。

(3)2001-2017年黑河流域AET、PET年際波動變化不大，AET波動范圍為222.08～352.11mm，多年平均AET值為292.01 mm，PET波動范圍為1 084.61～1 206.69 mm，多年平均PET值為1 146.56 mm。黑河流域多年平均AET與PET之差較大，證明流域大部分區(qū)域還是處于干旱的狀態(tài)。在年內(nèi)月尺度上，黑河流域AET、PET分布都為單峰型變化趨勢，先增大再減小，峰值均處于7月，11至次年2月變化都較為平緩，5-7月都是AET與PET差值較大的月份，證明黑河流域在這三個月份處于比較干旱的狀態(tài)。黑河流域AET、PET的季節(jié)變化也處于先增后減的趨勢，夏季是AET與PET差值最大的季節(jié)，春季其次，證明流域夏季最為干旱缺水，具有春旱的氣候特點(diǎn)。