于 靜，王 鶯，高亞敏，齊佳慧，付 銘

(1.中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市氣象局，內(nèi)蒙古 通遼 028000；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

引 言

蒸散是植被及地面向大氣輸送的水汽總通量，包含水分蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和植被蒸騰三部分，是水循環(huán)系統(tǒng)中影響水體、土壤、植被和大氣之間水分交換過程的重要媒介[1-2]。潛在蒸散(potential evapotranspiration, PET)和實(shí)際蒸散(evapotranspiration, ET)是反映地表蒸散能力的兩個(gè)代表性變量。潛在蒸散指充足水分供應(yīng)條件下地表蒸散能力，是一種理想狀態(tài)，而實(shí)際蒸散則是地表在自然情況下真實(shí)蒸散能力，二者存在互補(bǔ)關(guān)系[3-4]?？茽柷卟菰靥幐珊蛋敫珊档貐^(qū)，蒸散是該地區(qū)水分消耗的主要途徑，其與降水共同決定著區(qū)域氣候的干旱程度[5]，因此充分認(rèn)識(shí)蒸散變化過程，對(duì)于準(zhǔn)確把握科爾沁草原水資源合理利用、旱澇特征及監(jiān)測(cè)與預(yù)警具有重要意義。

全球變暖對(duì)大氣環(huán)流及水文過程有深刻影響，進(jìn)而對(duì)水循環(huán)系統(tǒng)和水資源時(shí)空再分配產(chǎn)生影響[6-8]。蒸散一直以來都是陸表水循環(huán)最難估測(cè)的分量，傳統(tǒng)蒸散研究只限于區(qū)域觀測(cè)及理論模型計(jì)算的點(diǎn)狀數(shù)據(jù)，較難實(shí)現(xiàn)較大區(qū)域蒸散的統(tǒng)計(jì)和分析[9-12]。相比于傳統(tǒng)蒸散估算方法，遙感監(jiān)測(cè)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、宏觀尺度大等優(yōu)勢(shì)，且能夠大范圍同步獲取地表輻射、植被狀況等信息，使得獲取大范圍、多時(shí)相的地表蒸散成為可能[13]，因此基于遙感的ET估算被廣泛應(yīng)用于中國(guó)陸面蒸散發(fā)研究中，一定程度上減少了站點(diǎn)數(shù)據(jù)非均質(zhì)界面上尺度外推所造成的誤差[14]。2011年，NASA發(fā)布了全球蒸散發(fā)產(chǎn)品數(shù)據(jù)集(MOD16)，該數(shù)據(jù)為全球陸地水循環(huán)、能量循環(huán)和環(huán)境變化研究提供重要信息，其精度達(dá)86%，廣泛用于不同區(qū)域、不同地表蒸散的時(shí)空分布特征以及影響因素等[15-19]研究。如MOD16蒸散產(chǎn)品在中國(guó)南疆地區(qū)有較好的適用性，且ET與PET空間分布趨勢(shì)相反，二者年均差值較大[17]；黃河源區(qū)不同土地利用類型的MOD16-ET自沼澤地、林地、草地、裸地逐漸減小，且ET與同期氣溫、降水呈正相關(guān)[19]。

科爾沁草原地區(qū)，沙地與草地共存，水資源短缺，降水少，蒸發(fā)大，約90%的降水用于蒸發(fā)，致使土壤水分虧缺、植被生產(chǎn)力低、干旱頻發(fā)[20]，蒸散是該區(qū)域地表熱量和水分平衡的決定性因素，其變化關(guān)系著區(qū)域氣候、生態(tài)環(huán)境、水資源等。然而，以往研究多基于氣象站點(diǎn)觀測(cè)資料，難以真實(shí)反映區(qū)域尺度下地表蒸散狀況。為此，本文利用2000—2019年MOD16蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)集和MCD12土地覆蓋數(shù)據(jù)以及科爾沁草原地區(qū)氣溫和降水量等氣象要素站點(diǎn)觀測(cè)資料，在年、月時(shí)間尺度下對(duì)科爾沁草原地表ET與PET的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，并采用Hurst指數(shù)揭示蒸散量的未來變化趨勢(shì)，以期為科爾沁草原地區(qū)水資源管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及沙地綜合治理提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

科爾沁草原位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部，地理位置介于117°49′E—123°42′E、41°41′N—46°05′N之間[21]，其地表覆被包含草地、林地以及農(nóng)業(yè)用地等，行政區(qū)劃上包括14個(gè)旗縣：赤峰市的翁牛特旗、阿魯科爾沁旗、敖漢旗、巴林左旗、巴林右旗和興安盟的科爾沁右翼中旗以及通遼市所有旗縣(區(qū))。該區(qū)域平均海拔476.9 m，地形總體西高東低(圖1)，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，雨熱同期。對(duì)科爾沁草原及其周邊18個(gè)氣象站點(diǎn)2000—2019年氣候資料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)年平均氣溫約6.6 ℃，年平均降水量為355.7 mm，其中2009年降水量最少為259.5 mm，2012年最多為511.7 mm，且降水量年內(nèi)分配不均，多集中在6—8月，約占年降水量的80%。

圖1 研究區(qū)地形高度(陰影)及氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of terrain height (shadows) and meteorological stations in study area

所用數(shù)據(jù)有：(1)2000—2019年中國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集，氣候要素包括平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、大風(fēng)日數(shù)、相對(duì)濕度、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量。(2)2000—2019年MOD16蒸散產(chǎn)品逐月數(shù)據(jù)集，其空間分辨率為1 km，包含潛在蒸散(PET)和實(shí)際蒸散(ET)2種數(shù)據(jù)；MCD12土地覆蓋類型數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km。(MODIS數(shù)據(jù)網(wǎng)址：https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/)。(3)GDEM V2 DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，空間分辨率30 m(地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)址：http://www.gscloud.cn/sources/index)。利用ENVI、ArcGIS對(duì)MOD16產(chǎn)品進(jìn)行異常值、無效值剔除，以及圖像拼接、裁剪、投影轉(zhuǎn)換等基礎(chǔ)操作，獲得科爾沁草原ET和PET數(shù)據(jù)集。另外，涉及的內(nèi)蒙古行政邊界是基于內(nèi)蒙古自治區(qū)標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為蒙S(2017)028的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

1.2 研究方法

1.2.1 MOD16產(chǎn)品精度檢驗(yàn)

科爾沁草原地處干旱與半干旱區(qū)，蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與MOD16-PET更接近，都表示為一定水分供應(yīng)條件下的最大蒸發(fā)量。為驗(yàn)證MOD16蒸散產(chǎn)品在科爾沁草原的適用性，選取研究區(qū)內(nèi)14個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的168組蒸發(fā)皿觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中108組數(shù)據(jù)與MOD16-PET數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，即“點(diǎn)”尺度上的精度驗(yàn)證。從圖2看出，蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與MOD16-PET的擬合效果較好，決定系數(shù)達(dá)0.9以上，通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，說明MOD16-PET蒸散數(shù)據(jù)在科爾沁草原地區(qū)具有較好的適用性。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蒸發(fā)量較大時(shí)二者部分點(diǎn)比較離散，且MOD16-PET明顯偏小，這可能是PET受太陽輻射影響，在夜間沒有潛在蒸散，而蒸發(fā)皿數(shù)據(jù)則是全天候監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致量值偏大，在一定程度上影響二者的相關(guān)性。

圖2 MOD16-PET與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的相關(guān)性Fig.2 Correlation between pan evaporation and MOD16-PET product

1.2.2 統(tǒng)計(jì)方法

采用趨勢(shì)分析法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)[22]及Hurst指數(shù)[23]等方法，分別計(jì)算每一個(gè)柵格像元ET及PET的變化傾向率和總體上突變點(diǎn)及未來變化趨勢(shì)。其中，變化率分為嚴(yán)重減少、輕度減少、基本不變、輕度增加、顯著增加5個(gè)等級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 科爾沁草原ET與PET的時(shí)間變化特征

近20 a科爾沁草原ET較PET年際波動(dòng)明顯[圖3(a)]，ET的波動(dòng)范圍為233.36～322.48 mm，多年平均為287.04 mm，傾向率為28.86 mm·(10 a)-1，整體呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)(R=0.58，通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn))；PET的波動(dòng)范圍為1122.23～1512.94 mm，多年平均為1395.65 mm，整體呈顯著減小趨勢(shì)(R=0.64，通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn))，傾向率為-13.35 mm·(10 a)-1。PET與ET之差可以較好地反映地表缺水情況，差值越大，缺水、干旱程度越嚴(yán)重。從圖3(a)看出，科爾沁草原地區(qū)PET與ET的差值較大，各年份普遍在1000 mm以上，說明該區(qū)域整體缺水、易旱，最為明顯的是2009年，其次為2007年。與地表實(shí)際情況對(duì)比發(fā)現(xiàn)：由于長(zhǎng)期晴熱高溫，無有效降水，2009年內(nèi)蒙古全區(qū)發(fā)生了嚴(yán)重的旱災(zāi)，科爾沁草原地區(qū)出現(xiàn)夏旱(6—8月)[24-25]。據(jù)國(guó)家氣候中心2007年全國(guó)主要干旱總體評(píng)價(jià)可知，2007年科爾沁草原地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重夏旱。

從圖3(b)看出，科爾沁草原地區(qū)ET與PET整體上均呈現(xiàn)單峰型的月際分布，表現(xiàn)為先升后降的變化趨勢(shì)，但高值出現(xiàn)的月份存在一定差異，PET在5—7月較大，而ET在7—8月較大，可見蒸散量在春夏轉(zhuǎn)換及夏季時(shí)期較大，此時(shí)日照充足，降水充沛，且草原處于盛草期，蒸發(fā)、蒸騰旺盛；5月PET與ET 的差距最大，說明科爾沁草原在5月處于最干旱狀態(tài)。按季節(jié)來看，春季(3—5月)ET處于較低值，且有一定的下降，而PET則表現(xiàn)為持續(xù)迅速上升，極易發(fā)生春旱，其原因是春季氣溫迅速回升、植被開始返青、降水仍較少；夏季(6—8月)，氣溫升高，降水增多，日照充足，ET與PET處于年內(nèi)最高季節(jié)；秋季(9—11月)，氣溫降低，降水減少，蒸發(fā)能力減弱，ET與PET均開始減少；冬季(12月至次年2月)，氣溫低、降水少、太陽輻射弱，ET與PET均處于最低值。綜上可見，5月PET與ET的差值最大，其次為6月，說明科爾沁草原地區(qū)極易發(fā)生春旱或春夏連旱。

圖3 2000—2019年科爾沁草原ET與PET年際(a)及逐月(b)變化Fig.3 The inter-annual (a) and monthly (b) changes of ET and PET in the Korqin grassland from 2000 to 2019

圖4是2000—2019年科爾沁草原ET與PET變化趨勢(shì)空間分布?？梢钥闯觯茽柷卟菰璄T整體上以增加趨勢(shì)為主，增加區(qū)域總體超過75%，其中輕度增加的面積占64.36%，顯著增加(通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn))的面積占10.95%；而西部則以減小趨勢(shì)為主，集中分布在巴林左旗、巴林右旗以及翁牛特旗中東部、阿魯科爾沁旗北部[圖4(a)]；PET增加的面積大于減少的面積，增加的區(qū)域集中在庫倫旗、科左后旗以及巴林右旗大部、翁牛特旗西部，面積達(dá)40%，而減少面積約占25%[圖4(b)]。

圖4 2000—2019年科爾沁草原ET(a)與PET(b)變化趨勢(shì)(空白區(qū)無值，下同)Fig.4 Change trend of ET (a) and PET (b) in the Korqin grassland from 2000 to 2019(the values in blank areas for nodata, the same as below)

科爾沁草原地表蒸散的增加可能與植被恢復(fù)工程有關(guān)。十八大以后，地處科爾沁草原腹地的通遼市，推進(jìn)科爾沁沙地綜合治理、退耕還林還草，建立草原長(zhǎng)效保護(hù)機(jī)制，其北部草原植被覆蓋度比2013年提高了3.4%，草原綜合植被蓋度達(dá)62.1%。根據(jù)水量平衡原理，地表蒸散發(fā)的顯著增加將會(huì)引起降水增加。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域降水量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。這正印證了上述觀點(diǎn)。

Mann-Kendall檢驗(yàn)顯示，就ET而言，2000—2019年UF值波動(dòng)變化，但始終大于0，且UF和UB在95%的置信區(qū)間內(nèi)有2個(gè)交點(diǎn)(分別在2003年和2011年)，交點(diǎn)值均大于0，此后UF值均超過臨界線[圖5(a)]，表明科爾沁草原ET呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且分別在2003年和2011年發(fā)生由弱到強(qiáng)的突變。與ET變化趨勢(shì)相反，PET呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，且在置信區(qū)間內(nèi)UF和UB有1個(gè)交點(diǎn)(在2015年)，交點(diǎn)值小于0，此后UF值超過了臨界線[圖5(b)]，表明PET在2015年發(fā)生由強(qiáng)到弱的突變?？梢?，近20 a科爾沁草原地區(qū)ET與PET整體呈現(xiàn)反向變化趨勢(shì)，ET呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且分別在2003年和2011年發(fā)生顯著突變，而PET呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，且在2015年發(fā)生顯著突變。

圖5 2000—2019年科爾沁草原平均ET(a)和PET(b)的Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.5 The Mann-Kendall test of average ET (a) and PET (b) in the Korqin grassland from 2000 to 2019

此外，利用Hurst指數(shù)判斷科爾沁草原地表實(shí)際蒸散量在時(shí)間上的持續(xù)性，發(fā)現(xiàn)Hurst指數(shù)介于0.02～0.68之間，平均為0.419，Hurst指數(shù)大于0.5的區(qū)域主要集中在科爾沁草原西部和北部地區(qū)，包括扎魯特旗中北部、阿魯科爾沁旗、巴林左旗北部、巴林右旗東部以及敖漢旗西北部(圖略)，占總面積的21.7%，表明未來科爾沁草原約有兩成的區(qū)域ET仍持續(xù)目前的變化趨勢(shì)。

2.2 科爾沁草原ET與PET的空間分布特征

科爾沁草原多年平均ET與PET存在明顯的空間分異特征，整體上ET由東南和西北兩側(cè)向中部逐漸遞減[圖6(a)]，大值區(qū)主要分布在西北部，以旗縣為統(tǒng)計(jì)單元，巴林左旗的蒸散量最大，平均為26.28 mm，蒸散量最小的為翁牛特旗，平均為19.50 mm；PET大體由中部向西北和東南兩側(cè)逐漸遞減，中部敖漢旗的潛在蒸散量最大，平均為127.37 mm，其次為翁牛特旗，平均為127.23 mm，科爾沁右翼中旗最小為116.70 mm?？梢?，科爾沁草原ET和PET在空間上存在一定的反向分布特征。

圖6 科爾沁草原年平均ET(a)與PET(b)的空間分布(單位：mm)Fig.6 Spatial distribution of annual average ET (a) and PET (b) in the Korqin grassland (Unit: mm)

2.3 不同土地利用類型的ET與PET變化特征

對(duì)科爾沁草原主要土地利用類型林地(占6.7%)、草地(占72.3%)、農(nóng)田(占21%)的ET與PET進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型下地表蒸散特征不同，多年平均ET自林地(29.2 mm)、草地(23.73 mm)、農(nóng)田(22.46 mm)依次減小，其原因可能是樹木根系深、吸水性強(qiáng)、郁閉度大，蒸騰作用強(qiáng)，因此林地ET較大；PET自農(nóng)田(122.89 mm)、草地(121.29 mm)、林地(117.93 mm)依次減小，這可能與農(nóng)田灌溉有一定的關(guān)系，灌入農(nóng)田的水在地表停留時(shí)間較長(zhǎng)，致使?jié)撛谡羯⒘枯^大。

2.4 地表蒸散與氣象因子的響應(yīng)關(guān)系

氣象因子對(duì)地表蒸散有重要影響。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，近20 a科爾沁草原地區(qū)平均氣溫呈不顯著升高趨勢(shì)，升溫率為0.19 ℃·(10 a)-1；降水量呈顯著增加趨勢(shì)(通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn))，每10 a約增加64.37 mm，其中春季降水增加顯著，增加率為24.99 mm·(10 a)-1，春季降水增加有利于牧草返青與生長(zhǎng)。日照時(shí)數(shù)和年均風(fēng)速及大風(fēng)日數(shù)均呈現(xiàn)減少(小)趨勢(shì)，減少(小)率分別為111.4 h·(10 a)-1、0.08 m·s-1·(10 a)-1、3.7 d·(10 a)-1，其中僅日照時(shí)數(shù)通過了顯著性檢驗(yàn)。綜上可見，近20 a科爾沁草原降水量明顯增加，日照時(shí)數(shù)顯著減小，平均氣溫、平均風(fēng)速與大風(fēng)日數(shù)變化不明顯。

ET和PET與上述氣象因子相關(guān)分析(表1)發(fā)現(xiàn)，科爾沁草原ET和PET與各氣象因子的相關(guān)性一致，均表現(xiàn)出與降水量和日照時(shí)數(shù)呈顯著正相關(guān)，而與其他要素的相關(guān)性較弱。近20 a來，科爾沁草原降水增加有利于地表蒸散，尤其是降水集中的夏季，其地表蒸散量趨于最大，但日照時(shí)數(shù)減少不利于地表蒸散，說明地處干旱半干旱的科爾沁草原地表蒸散變化受溫度影響較小，主要取決于降水因素，還可能與降水增多引起植被改善有一定關(guān)系。

表1 科爾沁草原地表蒸散與氣象因子的相關(guān)系數(shù)Tab.1 The correlation coefficients between surface evapotranspiration and meteorological factors in the Korqin grassland

3 結(jié) 論

(1)MOD16地表蒸散產(chǎn)品在科爾沁草原地區(qū)具有較好的適用性。近20 a科爾沁草原ET較PET年際波動(dòng)明顯，變化趨勢(shì)空間不盡一致，ET整體呈增加趨勢(shì)，以28.86 mm·(10 a)-1的速率增加，增加的范圍超過75%；而PET整體則以13.35 mm·(10 a)-1的速率減少，但增加趨勢(shì)的面積大于減少趨勢(shì)的面積。

(2)科爾沁草原ET與PET均呈現(xiàn)典型的“先升后降”單峰型月際分布，但蒸散量高值出現(xiàn)的時(shí)間存在一定差異，PET在5—7月較大，而ET則在7—8月較大。

(3)科爾沁草原ET和PET具有反向的空間分異特征，大體上ET由東南、西北兩側(cè)向中部遞減，大值區(qū)分布在西北部，而PET則相反；不同土地利用類型下地表蒸散量不同，ET自林地、草地、農(nóng)田依次減小，而PET正相反，農(nóng)田的PET最大。

(4)近20 a科爾沁草原ET分別在2003年和2011年發(fā)生由弱到強(qiáng)的突變，而PET則在2015年發(fā)生由強(qiáng)到弱的突變；ET的Hurst指數(shù)介于0.02～0.68之間，平均為0.419，未來科爾沁草原僅有20%左右的區(qū)域地表實(shí)際蒸散可能持續(xù)目前的變化趨勢(shì)。

(5)科爾沁草原ET和PET與各氣象因子的相關(guān)性一致，均與降水量、日照時(shí)數(shù)呈顯著正相關(guān)，而與平均氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度關(guān)系不顯著。

由于受云和地形陰影等因素干擾，MOD16遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品某些像元存在無值現(xiàn)象，這可能會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)果存在一定誤差，因此開展無值像元擬合算法研究，是該產(chǎn)品亟待解決的問題之一。