蒙 雨, 但文紅, 王 煥

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550001; 2.貴州師范大學(xué) 貴州省信息與計(jì)算科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴陽(yáng) 550001)

地表蒸散發(fā)(Evapotranspiration，ET)是指水分從地表以氣態(tài)進(jìn)入大氣的過(guò)程[1-3]，包括地表植被蒸騰、土壤蒸發(fā)和水面蒸發(fā)[4-5]，是水文循環(huán)和地表能量平衡的重要環(huán)節(jié)，影響著地表過(guò)程中地、氣系統(tǒng)的相互作用[6-8]。準(zhǔn)確估算區(qū)域地表蒸散發(fā)量，探索區(qū)域地表蒸散發(fā)與氣候變化的時(shí)空分異規(guī)律，對(duì)準(zhǔn)確掌握生態(tài)需水規(guī)律、做好生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)與保護(hù)以及合理開發(fā)利用水資源等具有重要意義。

近年來(lái)，遙感數(shù)據(jù)憑借其快速、動(dòng)態(tài)、覆蓋范圍廣和周期性等優(yōu)勢(shì)，成為進(jìn)行大區(qū)域地表蒸散研究的主要手段[9-11]。不少學(xué)者利用MODIS產(chǎn)品研究了地表實(shí)際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)之間的關(guān)系[12-13]或時(shí)空分布特征[14-15]或影響因素分析[2，16]。溫媛媛等[17]基于MOD16數(shù)據(jù)研究了2001—2014年山西省實(shí)際蒸散發(fā)和潛在蒸散發(fā)時(shí)空變化規(guī)律及其影響因素；楊江州等[18]基于地貌類型分區(qū)，分析了貴州省喀斯特山區(qū)蒸散發(fā)時(shí)空演變特征；范雪梅等[19]基于MOD16產(chǎn)品，結(jié)合氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水資料，分析了怒江流域中上游蒸散發(fā)的時(shí)空分布特征及其與降水之間的相關(guān)關(guān)系；閆俊杰等[20]探討了草地退化嚴(yán)重的伊犁河谷蒸散發(fā)與氣溫、降水和NDVI之間的關(guān)系；郭金路等[21]根據(jù)遼西地區(qū)1965—2015年13個(gè)氣象站的氣象資料，進(jìn)行了潛在蒸散發(fā)敏感性分析及變化成因分析；王鵬濤等[2]利用MOD16蒸散數(shù)據(jù)，分析了陜甘寧黃土高原區(qū)ET的時(shí)空變化特征，并探討了其影響因素。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于蒸散發(fā)的影響因素分析主要集中在中國(guó)西部、北部、西北部干旱地區(qū)，而西南喀斯特山區(qū)，雖降水總量豐富，但受其喀斯特二元結(jié)構(gòu)的限制[22]，依然存在著嚴(yán)重的工程性缺水現(xiàn)象。因此，研究喀斯特山區(qū)蒸散發(fā)的時(shí)空分布特征及其與氣候因子的關(guān)系十分重要。

烏江流域位于中國(guó)喀斯特地貌類型發(fā)育最豐富的西南地區(qū)，是典型的喀斯特流域?；诖?，本文選取2000—2014年MOD16A2/ET產(chǎn)品，結(jié)合流域內(nèi)及周邊11個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，分析貴州省烏江流域近15 a的地表蒸散發(fā)量時(shí)空變化特征，通過(guò)趨勢(shì)分析和相關(guān)性分析探討其影響因素，以期為水資源的合理利用與開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏江為長(zhǎng)江上游南岸最大的一條支流，河流、湖泊等分布較多，干流全長(zhǎng)1 037 km，流經(jīng)重慶、貴州等省區(qū)。烏江是貴州省第一大河，流經(jīng)貴州省內(nèi)42個(gè)縣(市、區(qū))，貴州省境內(nèi)流域面積為67 500 km2[23]。烏江流域貴州段(25°36′—29°03′N，103°37′—108°15′E)地形起伏度大，海拔為205～2 888 m(圖1)，地勢(shì)西高東低，地貌類型包括巖溶峽谷、巖溶高原、巖溶槽谷。烏江流域?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫在13～18℃,年均降水量在800～1 600 mm[24]，多集中在5—8月。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

2.1.1 MOD16A2/ET數(shù)據(jù) Monteith[1]基于Penman-Monteith模型計(jì)算全球陸地表面蒸散發(fā)量而形成的灰度遙感影像數(shù)據(jù)集統(tǒng)稱為MOD16產(chǎn)品數(shù)據(jù)集，包括MOD16A2，MOD16A3兩個(gè)子數(shù)據(jù)集，空間分辨率為1 km，時(shí)間分辨率有年、月和8 d共3種尺度。MOD16數(shù)據(jù)集內(nèi)有地表實(shí)際蒸散發(fā)量(ET)、潛在地表蒸散發(fā)量(PET)、潛熱通量(LE)、潛在熱通量(PLE)和質(zhì)量評(píng)估數(shù)據(jù)(ET_QC)5種數(shù)據(jù)，涵蓋時(shí)間段為2000—2014年。

圖1 烏江流域氣象站點(diǎn)分布

本文選用從NTSG(http:∥www.ntsg.rmt.edu/)免費(fèi)下載且時(shí)間分辨率為月的2000—2014年MOD16A2/ET數(shù)據(jù)，遙感衛(wèi)星軌道號(hào)為h27v06，數(shù)據(jù)格式為HDF。首先運(yùn)用專業(yè)軟件MRT(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer Reprojection Tools)對(duì)下載的原始數(shù)據(jù)依次進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、重投影和鑲嵌等預(yù)處理工作，提取研究所需的ET數(shù)據(jù)，然后基于IDL語(yǔ)言進(jìn)行異常值剔除和真實(shí)值還原。MODIS產(chǎn)品中的部分異常值區(qū)域采用同產(chǎn)品的前一個(gè)月或者后一個(gè)月的相同位置的值填充，或選擇同產(chǎn)品的前一年或后一年的相同時(shí)間的相同位置的值做填充處理，或選擇其周圍相鄰3×3位置的像元均值填充。

2.1.2 DEM數(shù)據(jù) DEM(Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)來(lái)源于“地理空間數(shù)據(jù)云”(http:∥www.gscloud.cn/)，空間分辨率為30 m，根據(jù)數(shù)據(jù)說(shuō)明進(jìn)行壞值、無(wú)值處理和鑲嵌、裁剪等預(yù)處理工作，最后將其空間分辨率重采樣為1 km。

2.1.3 氣象資料 氣象資料來(lái)源于中國(guó)國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http:∥data.cma.cn/)。選取烏江流域內(nèi)部及周邊共11個(gè)地面氣象站(圖1)2000—2014年氣象數(shù)據(jù)，時(shí)間尺度為月，氣象因子主要包括平均氣溫(℃)、日照時(shí)數(shù)(h)、降水量(mm)、相對(duì)濕度(%)和平均2 min風(fēng)速(m/s)。為了研究地表蒸散發(fā)與影響因素的關(guān)系，選取氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量、相對(duì)濕度和風(fēng)速作為主要?dú)夂蛴绊懸蛩兀肒riging插值法[17]對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值處理，并將其空間分辨率重采樣為1 km。

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)據(jù)精度評(píng)價(jià) 本文利用相關(guān)系數(shù)R、均方根誤差RMSE、平均偏差BIAS和平均絕對(duì)偏差MAE等[13]指標(biāo)對(duì)MOD16A2/ET數(shù)據(jù)開展精度評(píng)價(jià)，計(jì)算公式分別為：

(1)

(2)

(3)

式中：n為氣象站蒸發(fā)皿蒸散發(fā)量觀測(cè)值個(gè)數(shù)；Pi為MOD16A2產(chǎn)品模擬蒸散發(fā)量；Qi為氣象站蒸發(fā)皿蒸散發(fā)量校正值。

2.2.2 趨勢(shì)分析 采用基于像元的一元線性回歸分析法對(duì)烏江流域2000—2014年MOD16A2/ET數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析[25]，公式為：

(4)

式中：n為年數(shù)；ETi為烏江流域內(nèi)各像元點(diǎn)在第i年的年ET值；K為2000—2014年烏江流域內(nèi)各像元點(diǎn)ET年際變化的一元線性回歸方程的斜率，即趨勢(shì)變化率，反映研究時(shí)段內(nèi)ET的總體變化趨勢(shì)。K>0表明ET總體變化呈增加趨勢(shì)，反之為減少趨勢(shì)。

2.2.3 相關(guān)分析 基于像元尺度進(jìn)行烏江流域地表蒸散發(fā)與各氣候因子的相關(guān)分析研究，簡(jiǎn)單線性相關(guān)系數(shù)[16]的計(jì)算公式為：

(5)

3 結(jié)果與分析

3.1 MOD16A2/ET數(shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)

MOD16A2/ET數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度是月尺度，因此，將氣象站點(diǎn)觀測(cè)日值數(shù)據(jù)在剔除異常值后累加到月尺度。由于，各氣象站點(diǎn)、同一氣象站點(diǎn)不同年份使用的蒸發(fā)皿有大、小2種口徑，區(qū)域范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間序列下，數(shù)據(jù)口徑一致性難以滿足。為了保證MOD16A2/ET數(shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)精度，篩選了烏江流域空間上均勻分布的5個(gè)站點(diǎn)，站點(diǎn)在2009—2014年均使用大型蒸發(fā)皿?？紤]到實(shí)際地表環(huán)境與蒸發(fā)皿環(huán)境的不同，參考前人相關(guān)研究，將氣象站實(shí)測(cè)蒸散發(fā)量乘以折算系數(shù)[26-27]得到各站點(diǎn)逐年的月實(shí)際蒸散發(fā)量。獲取5個(gè)站點(diǎn)緩沖半徑3 km范圍內(nèi)MOD16A2數(shù)據(jù)的逐年ET月值，計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)蒸散發(fā)量觀測(cè)校正值與MOD16A2/ET數(shù)據(jù)模擬值的相關(guān)系數(shù)，在時(shí)間尺度和空間上均進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。數(shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)結(jié)果表明(圖2，表1)，站點(diǎn)觀測(cè)校正值與MOD16A2/ET模擬值的相關(guān)系數(shù)R為0.75～0.80，平均值為0.78；RMSE為0.89～1.60 mm/d，平均值為1.09 mm/d；BIAS為-1.02～-0.22 mm/d，平均值為-0.51 mm/d；RMSE為0.66～1.15 mm/d，平均值為0.79 mm/d。表明MOD16A2/ET模擬值與站點(diǎn)觀測(cè)校正值在時(shí)間和空間分布上保持較高的一致性，MOD16A2/ET數(shù)據(jù)在烏江流域內(nèi)的精度滿足需要，可用于地表蒸散發(fā)時(shí)空分布及其與氣候因子的關(guān)系研究。

3.2 烏江流域MOD16A2/ET的時(shí)間變化特征

3.2.1 烏江流域ET的年際變化特征 如圖3所示，2000—2014年烏江流域ET的年際起伏明顯，整體呈中間年份(2005—2009年)高而兩端年份(2000—2004年和2010—2014年)低的變化特點(diǎn)，距平相對(duì)變化率波動(dòng)較大。研究時(shí)段內(nèi)，多年平均ET值為830.08 mm，距平相對(duì)變化率為-4.53%～3.21%，有10個(gè)年份的ET高于平均水平，5個(gè)年份低于多年平均ET值；年ET的最大值出現(xiàn)在2005年，為856.71 mm，2014年的851.67 mm次之；年ET的最小值出現(xiàn)在2001年，為792.50 mm，其次為2010年的800.43 mm；年ET最高值與最低值之差為64.21 mm。從圖3可知，烏江流域年ET的變化規(guī)律表現(xiàn)為在2003—2009年波動(dòng)輕微減少，2001—2003年和2011—2014年ET則明顯增加。

3.2.2 烏江流域ET及影響因素的年內(nèi)變化特征 2000—2014年烏江流域ET及其影響因素的年內(nèi)變化特征如圖4所示。ET、氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量、相對(duì)濕度和平均風(fēng)速的多年月均值分別介于50～115.11 mm，4.42～24.59℃，46.51～163.77 h，21.25～201.53 mm，75.56～81.76 mm，1.44～1.85 m/s。ET、氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量均呈周期性單峰變化趨勢(shì)，低值區(qū)均為11月—次年2月且其變化特征不顯著；其中ET和降水量的高峰出現(xiàn)在6月，氣溫和日照時(shí)數(shù)的高峰出現(xiàn)在7月。相對(duì)濕度和平均風(fēng)速的年內(nèi)變化特征相對(duì)復(fù)雜，6月和10月是相對(duì)濕度的兩個(gè)高峰，并且是平均風(fēng)速的兩個(gè)低峰，相對(duì)濕度與平均風(fēng)速的變化規(guī)律相反。從年內(nèi)變化來(lái)看，烏江流域氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量均與ET的變化規(guī)律關(guān)系密切，說(shuō)明ET的年內(nèi)變化在烏江流域與水熱同期。

圖2 站點(diǎn)觀測(cè)校正值與MOD16A2/ET值逐年逐月的相關(guān)性

表1 2009-2014年各站點(diǎn)觀測(cè)校正值與MOD16A2/ET值比較

圖3 2000-2014年烏江流域ET年際變化

3.2.3 烏江流域多年平均ET的季節(jié)變化特征 季節(jié)性差異是地表蒸散量年內(nèi)變化的重要特征，對(duì)2000—2014年烏江流域各季節(jié)蒸散量進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)(圖5)，結(jié)果表明，春季和夏季的空間分布空間分布表現(xiàn)為東高西低，與多年平均格局(圖6)基本一致，而秋季和冬季的空間分布表現(xiàn)為南高北低，與多年平均格局(圖6)不同，由于受季節(jié)性氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速等影響因素年內(nèi)分布不均的影響，烏江流域四季蒸散量空間分布表現(xiàn)出一定差異性。春季(3—5月)ET為168.4～381.1 mm，均值為245.57 mm，占全年29.68%。春季氣溫逐漸回升，日照時(shí)數(shù)逐漸變長(zhǎng)，此時(shí)正值農(nóng)作物快速生長(zhǎng)的季節(jié)，需水量逐漸增加，雖然春季的降水量較少，但大量的人工抽水灌溉使土地中水分依舊比較充足，較大的平均風(fēng)速能為蒸散發(fā)提供良好的動(dòng)力條件，因此蒸散量仍能保持較高水平。夏季(6—8月)ET為202.8～533.3 mm，均值為311.31 mm，占全年37.62%，為一年中蒸散量最高的季節(jié)，此外各地蒸散量相差最大，主要是因?yàn)橄募据^高的氣溫、較大的降水量以及充足的日照時(shí)數(shù)都給蒸散發(fā)提供了良好的條件。秋季(9—11月)ET為104.3～187.0 mm，均值為138.10 mm，占全年16.69%，受降雨量減少、空氣溫度下降、日照時(shí)數(shù)逐漸縮短的影響，蒸散量也逐漸減小。冬季(12月—翌年2月)ET為92.5～181.7 mm，均值為132.51 mm，占全年16.01%，為一年中蒸散量最低的季節(jié)。冬季氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量均是一年中的最低季節(jié)，因此地表蒸散顯著低于其他季節(jié)。就整體情況而言，烏江流域的季節(jié)蒸散量由大到小依次為夏季>春季>秋季>冬季。

圖4 2000-2014年烏江流域ET及影響因素的年內(nèi)變化

3.3 烏江流域ET的空間變化特征

2000—2014年烏江流域多年平均ET的空間分布特征如圖6所示，具有顯著的空間異質(zhì)性，東部ET明顯大于西部，而最大ET位于烏江流域的東南部。從各縣(區(qū)/市)級(jí)行政單元之間來(lái)看，麻江縣地表蒸散發(fā)的程度最強(qiáng)，多年平均ET值高達(dá)1 030.70 mm；黃平、貴定、龍里、施秉、余慶、松桃和石阡7縣ET值相對(duì)較高，約為912.50 mm；水城、金沙、納雍、黔西、大方5縣和畢節(jié)、仁懷2市以及紅花崗、六枝2區(qū)地表蒸散發(fā)的程度相對(duì)較弱，多年平均ET值約為787.41 mm；而威寧縣、赫章縣和鐘山區(qū)縣ET值最小，約為736.16 mm/a。烏江流域平均海拔為1 184 m，結(jié)合相等間隔分區(qū)法，將烏江流域分為1～9個(gè)海拔區(qū)間(≤700 m，700～900 m，900～1 100 m，1 100～1 300 m，1 300～1 500 m，1 500～1 700 m，1 700～1 900 m，1 900～2 100 m，≥2 100 m)，分區(qū)統(tǒng)計(jì)表明海拔越高的區(qū)域多年ET均值越小，即地表蒸散發(fā)的強(qiáng)弱程度與高程分布有一定的負(fù)相關(guān)性。

烏江流域年ET在2000—2014年的趨勢(shì)變化率空間分布見(jiàn)圖7，趨勢(shì)變化率為-20～32 mm/a，平均趨勢(shì)變化率為0.51 mm/a，整體呈增加趨勢(shì)。根據(jù)ET趨勢(shì)變化率范圍定義為嚴(yán)重減少(K<-10)、輕微減少(-10≤K<-3)、基本不變(-3≤K<-3)、輕微增加(3≤K<10)、明顯增加(K≥10)共5個(gè)變化區(qū)間[8]?；静蛔兊拿娣e最大，占全流域面積的83.88%；其次是輕微減少和輕微增加，分別占全流域面積的6.79%，6.51%；明顯增加的面積占全流域總面積的2.74%，而嚴(yán)重減少的面積最小，僅占全流域面積的0.08%。從趨勢(shì)變化率的空間分布格局來(lái)看，嚴(yán)重減少區(qū)與多年平均ET的低值區(qū)在烏江流域西部有重疊發(fā)生，說(shuō)明多年平均ET值的空間分布與其趨勢(shì)變化率有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.4 烏江流域ET與影響因素的相關(guān)分析

氣候變化是影響區(qū)域水熱分布的重要環(huán)境因素，氣溫和日照時(shí)數(shù)表征熱力條件，降水量和相對(duì)濕度表征水分條件，平均風(fēng)速表征動(dòng)力條件。年內(nèi)變化特征(圖4)表明烏江流域ET的變化與該區(qū)域水熱變化規(guī)律密切相關(guān)，氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量的變化是影響ET變化的重要?dú)庀笠蜃?，因此本文選用熱力條件(氣溫、日照時(shí)數(shù))和水分條件(降水量)作為影響烏江流域ET的主要?dú)夂蛞蜃舆M(jìn)行相關(guān)分析。

整體上，2000—2014年烏江流域ET與氣溫、日照時(shí)數(shù)以及降水量均呈正相關(guān)關(guān)系。ET與氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.82～0.85，平均值為0.33；與日照時(shí)數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.80～0.86，平均值為0.28；與降水量的相關(guān)系數(shù)為-0.89～0.89，平均值為0.31。烏江流域ET與氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量的顯著相關(guān)性(p<0.05)在空間分布上具有明顯的空間分異特征(圖8)。降水量與ET的顯著相關(guān)范圍最廣，約占烏江流域總面積的30.67%，其中顯著正相關(guān)區(qū)域占91.25%，主要集中在烏江流域西部海拔相對(duì)較高的赫章縣、七星關(guān)區(qū)、納雍縣、大方縣、黔西縣、修文縣以及流域中游少部分區(qū)域，而顯著負(fù)相關(guān)區(qū)域僅占8.75%。氣溫與ET的顯著相關(guān)范圍約占烏江流域總面積的29.56%，其中顯著正相關(guān)區(qū)域占76.36%，主要集中在北部的道真縣、務(wù)川縣、沿河縣、印江縣、思南縣和石阡縣，而顯著負(fù)相關(guān)區(qū)域僅占23.64%，主要集中在納雍縣、大方縣和七星關(guān)區(qū)。日照時(shí)數(shù)與ET的顯著相關(guān)范圍約占烏江流域總面積的23.84%，其中顯著正相關(guān)區(qū)域占63.26%，主要集中在赫章縣、七星關(guān)區(qū)、納雍縣、大方縣、平壩縣、清鎮(zhèn)市和修文縣，而顯著負(fù)相關(guān)區(qū)域占36.74%，主要集中在紅花崗區(qū)、思南縣和沿河縣。日照時(shí)數(shù)和降水量與ET的顯著相關(guān)范圍在烏江流域上游重疊區(qū)域較大，這些區(qū)域海拔較高，喀斯特地貌分布廣泛，水土流失嚴(yán)重，石漠化分布較廣，土壤含水能力差且植被覆蓋度較低，不利于土壤蒸發(fā)和植被蒸騰，該區(qū)域與烏江流域多年平均ET的低值區(qū)(圖6)相一致。烏江流域下游降水量較高，較高的氣溫使蒸散發(fā)較強(qiáng)。

圖5 2000-2014年烏江流域四季ET分布

圖6 烏江流域多年平均ET空間分布

圖7 2000-2014年烏江流域ET變化趨勢(shì)

圖8 2000-2014年烏江流域ET與氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量的相關(guān)性分布

4 結(jié) 論

(1) 2000—2014年烏江流域年際ET起伏較大，整體呈中間年份高而兩端年份低的變化特點(diǎn)，其值為792.50～856.71 mm，距平相對(duì)變化率波動(dòng)較大；年內(nèi)ET變化規(guī)律表現(xiàn)為周期性單峰變化，與該區(qū)域氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量的變化基本一致；烏江流域ET具有顯著的季節(jié)性，四季ET值由大到小依次為：夏季(311.31 mm)>春季(245.57 mm)>秋季(138.10 mm )>冬季(132.51 mm)。

(2) 2000—2014年烏江流域多年平均ET具有明顯的空間異質(zhì)性，呈西低東高的空間格局，多年平均ET值為605.43～1 208.26 mm；春季和夏季空間分布與多年平均格局基本一致，而秋季和冬季的空間分布與多年平均格局略有不同。從變化趨勢(shì)空間分布來(lái)看，以基本不變?yōu)橹?，明顯增加區(qū)主要分布在烏江流域中、下游。

(3) 烏江流域ET與氣候因子的相關(guān)分析表明，各氣候因子與ET的顯著相關(guān)范圍由大到小依次為：降水量(30.67%)>氣溫(29.56%)>日照時(shí)數(shù)(23.84%)，三者對(duì)ET的影響均以正相關(guān)為主；日照時(shí)數(shù)和降水量與ET的顯著相關(guān)范圍在烏江流域上游有部分重疊區(qū)域，而烏江流域下游則僅與氣溫顯著相關(guān)影響。