貴州省不同地貌類型區的MOD16蒸散發變化特征

楊江州, 周 旭, 程東亞, 張 繼, 牛 潛

(貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴陽 550025)

蒸散發(evapotranspiration，ET)是水分循環的中心環節和水熱平衡的重要因素，同時也是生態環境物質轉換的重要載體，其積極參與了自然界的水量循環和能量循環[1-2]。貴州省位于中國西南喀斯特地區的腹地，是我國喀斯特發育最典型復雜的高原山區，石漠化嚴重，獨特的自然地理與氣候環境，形成了典型的以二元結構為基本特征的喀斯特山區，該區具有土壤薄瘠且分布不連續、土壤侵蝕退化嚴重，地表水滲漏、生態環境脆弱等特點[3-5]。地表蒸散發是生態水分流失的主要途徑，充分了解蒸散發時空格局的演變過程，準確估算地表蒸散發，對于貴州喀斯特山區水資源高效利用與生態環境建設具有重要的意義。

傳統估算蒸散發大多基于站點尺度[6-7]，對于大范圍區域來說，觀測站點較少且分布不均勻，不能全面反映整個區域蒸散發分布。近年來，隨著遙感技術的發展，利用遙感數據估算區域蒸散發量逐漸成為了一種有效途徑[8]。相繼不同遙感蒸散發模型得到了發展，如基于Penman-Monteith公式的VITT模型[9]；基于能量平衡原理的SEBAL和SEBS模型[10-11]；基于Budyko公式的水熱耦合平衡模型等[12]。2011年，NASA研究團隊發布的2000—2014年MOD16全球蒸散發數據產品，具有較高的時間分辨率和免費獲取等優勢，該數據集已得到全球通量塔數據驗證，模擬精度達到86%，在全球得到廣泛應用[13]。國內研究學者基于MOD16數據對淮河流域[14]、天山山區[15]、三江平原[16]、陜西省[17]、中國[18]等區域進行蒸散發時空變化研究。然而，大多研究集中于北方或西北干旱地區，在西南喀斯特山區應用遙感數據分析蒸散發時空演變規律研究較少。本文以貴州省為研究區域，利用MOD16產品遙感數據集，通過遙感技術分析，揭示2000—2014年蒸散發時空變化特征，以期為該區生態建設中的水資源高效利用提供科學依據。

1 研究區概況

貴州省處于世界三大喀斯特集中分布區之一的東亞片區中心，是我國喀斯特分布面積最大、發育最復雜的省區，地處東經103°36′—109°35′，北緯24°37′—29°13′，地勢西高東低。屬亞熱帶濕潤季風氣候區，氣候溫和，年降水量為800～1 600 mm，境內多年平均降水量為1 200 mm。水資源總量豐富，2014年人均水資源占有量為3 458 m3，但水資源開發利用率僅為7.90%。根據研究區的巖性和地表形態等地質地貌特征，并參考Tong等[19]的研究將貴州省喀斯特地貌類型主要分為巖溶峽谷、巖溶斷陷盆地、巖溶高原、峰叢洼地、巖溶槽谷和非喀斯特地貌(圖1)。地貌復雜多樣，地勢起伏大，植被結構單一，土壤瘠薄，加之巖溶發育強烈，地表入滲系數較高，降水大部分轉入地下，導致水土流失嚴重與地表水資源緊缺，而區域蒸散發量直接影響區域生態提升與水資源可利用總量。

圖1貴州省不同地貌分區和氣象站點分布

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

氣象數據主要來自中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/)，包含2000—2014年84個氣象站點觀測的降水量、蒸發量、氣壓、平均氣溫、相對濕度、風速和日照時數。蒸發皿蒸發量的觀測資料采用直徑20 cm、高10 cm的小型蒸發皿觀測數據，年、季節和月的氣象資料由逐日資料累加得到，氣象站點分布如圖1所示。DEM數字高程數據來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)，空間分辨率30 m。MOD16是MODIS標準數據產品，包含蒸散發(ET)、潛熱通量(LE)、潛在蒸散發(PET)和潛在潛熱通量(PLE)，空間分辨率為1 km和0.05°，時間分辨率為8 d、月和年。MOD16蒸散發數據集由蒙大拿大學密蘇拉分校地球動態數值模擬研究組(NTSG)制作，其計算基于Penman-Monteith 公式改進后得到[13]，計算結合了反照率、植被覆蓋類型等遙感數據和氣壓、氣溫、濕度、輻射等氣象數據。在MOD16蒸散數據產品中，蒸散發(ET)是實際陸面蒸散量，潛在蒸散發(PET)是假設水分充足的情況下蒸散的估算值，ET和PET計算使用數據一樣，只是計算陸面水環境參數不同。本文采用2000—2014年逐月的Geo Tiff格式的MOD16A2 ET與PET數據，空間分辨率為1 km，軌道號是h27v06(http:∥www.ntsg.umt.edu/project/mod16)。利用NASA官網提供的MODIS專業轉投影工具MRT，將原始MOD16的SIN投影HDF數據集統一轉成WGS-1984經緯度坐標下的Geo-Tiff格式圖像文件，并進行軌道鑲嵌、重采樣等操作，最終將坐標統一為Albers等積投影系統。根據下載網站提供的數據使用說明，對數據進行異常值剔除和真實值還原。借助ArcGIS 10.2和ENVI 5.3/IDL軟件，對MOD16數據進行矢量掩膜裁剪得到研究區各年、月ET與PET，同時統計分析出不同地貌蒸散發數據。

2.2 研究方法

(1) MOD16產品數據精度評價。本文利用相關系數(r)定量指標，應用小型蒸發皿校正數據與MOD16數據進行對比驗證[17,20-21]，計算公式為：

ET0=E20·KP

(1)

式中：ET0為潛在蒸散發量；E20為蒸發皿的觀測數據；KP為PET0和E20轉換系數，在西南地區一般取值為0.75[20]。

(2)

式中：n為觀測個數；Pi，Qi分別為MOD16-PET值和小型蒸發皿校正量數據ET0。

(2) 蒸散發時空演變的評估指標。利用線性趨勢法進行蒸散發時間趨勢的分析，模擬出每個柵格的變化趨勢，以單個像元時間變化特征綜合反映出整個區域的時空演變格局和空間變化規律。隨著時間序列的改變，蒸散發表現為序列整體的上升或下降變化趨勢，呈現出空間分布格局的變化和在某時刻出現突變或轉折。蒸散發變量可以看作是時間的一元線性回歸，利用最小二乘法逐像元計算蒸散發變化斜率[14]，計算公式為：

(3)

式中：B為某像元的趨勢線斜率；t為年份；n為研究年段15(2000—2014年)。當B值為正值時，表現為隨時間t變化蒸散發呈上升趨勢；反之，當B為負值時，隨時間t變化植被NPP呈下降趨勢；其絕對值越大表示研究區域蒸散發上升或下降的趨勢越顯著。

3 結果與分析

3.1 MOD16蒸散數據可靠性分析

本文利用MOD16-PET與氣象站點小型蒸發皿校正數據的相關性來驗證MOD16蒸散數據的精度，年際平均值統計尺度和多年平均值統計尺度上進行相關性檢驗[17]。年際平均值統計尺相關性驗證為2000—2014年全省平均的年時間序列，有15個時間點；多年平均值統計尺度相關性驗證為2000—2014年多年平均值組成的站點序列，有50個有效站點。相關性分析結果表明：PET與蒸發皿蒸發量的年際平均值統計相關系數為0.53，多年平均值統計相關系數為0.66(圖2)，都通過了0.001 的信度檢驗，說明MOD16蒸散發產品與氣象站點觀測的蒸發量在時間變化和空間分布上都保持了較好的一致性，能夠滿足貴州省地表蒸散發時空分布的研究需要。

圖2MOD16-PET與氣象站點的觀測蒸散量相關系數

3.2 不同地貌類型區的逐年蒸散量變化特征

貴州省2000—2014年逐年蒸散發及相對變化率進行統計(圖3)，可知15 a貴州省逐年蒸散發值波段范圍為821.88～878.6 mm/a，多年平均蒸散發量為854.95 mm/a。從整體上來看，年際波動不大，高于逐年均值年份有8 a(2003年、2004年、2005年、2007年、2008年、2009年、2013年、2014年)，其中2003年的蒸散發量最高，超出平均值23.65 mm/a，相對變化率到達4.12%。低于多年平均值年份有7 a(2000年、2001年、2002年、2006年、2010年、2011年、2012年)，其中2001年的蒸散發量最低，低于平均值33.07 mm/a，相對變化率到達-2.78%。分析氣象數據及相關資料[22]，發現2003年，貴州省遭受嚴重的春旱和伏旱，旱情主要發生在1—5月和7—8月，西部、西南部以春旱為主，東部、東北部及南部伏旱最為嚴重，受旱范圍廣，持續時間長，氣溫較高，為蒸散發提供良好的條件。而2001年，氣候因素相對于常年來說，年均降水量為1 108.20 mm，比多年均值偏少7.00%，夏季月均氣溫低，不利于蒸散發。

圖32000-2014年貴州省蒸散發量年際變化

貴州省不同地貌區逐年蒸散發均值具有明顯空間分布差異(圖4)。呈現出東南高、西北低、中部居中的三級階梯分布格局，蒸散發為527.71～1 299.32 mm/a。地勢的高低差異，制約著水、熱、光等分布差異，以及土壤、植被分布，從而影響到蒸散發，導致貴州省不同地貌分布差異明顯[23-24]。具體表現為峰叢洼地、非喀斯特地貌、熔巖槽谷的多年蒸散發均值比整體多年蒸散發均值高，大部分海拔為500～1 200 m，是亞熱帶常綠闊葉林地帶，植被覆蓋度高，年均溫在16～18℃，年降水量達1 200～1 600 mm，水熱條件好，提供了良好地表蒸散發條件。巖溶高原的多年蒸散發均值與整體多年蒸散發均值相差不大，在地勢上正處于南北兩大斜坡帶，一般海拔為800～1 600 m，氣溫較高，年均降水量適中約1 100 mm，從而蒸散量居中。巖溶峽谷與巖溶斷陷盆地的多年蒸散發均值比整體多年蒸散發均值偏低，該區域是地勢最高的山區，海拔多在1 800～2 600 m，年均溫13～14℃，年降水量1 000～1 100 mm，熱量較低，降雨量偏少，植被覆蓋率低，海拔較高，導致地表蒸散發量偏低。統計不同地貌逐年均蒸散發量(圖5)，可知各地貌逐年蒸散發變化均呈現出W型的波動趨勢，但在蒸散量值上有一定的差異，以峰叢洼地和非喀斯特地貌為例，在降雨量相差不大的情況下，峰叢洼地比非喀斯特地貌溫度高，理應峰叢洼地全年蒸散發均值高于其他地貌，但有4 a(2003年、2004年、2007年、2008年)低于非喀斯特地貌溫。將得到的不同地貌類型蒸散發進行大小排序為：峰叢洼地(929.60 mm/a)>非喀斯特地貌(917.21 mm/a)>巖溶槽谷(862.55 mm/a)>巖溶高原(845.16 mm/a)>巖溶斷陷盆地(747.99 mm/a)>巖溶峽谷(742.22 mm/a)。

3.3 不同地貌類型區的逐季蒸散量變化特征

受區域內海拔、降雨、溫度、相對濕度、風速和日照時數等多種因素的綜合影響[4]，貴州省四季蒸散發量的空間分布差異顯著(圖6)。

圖42000-2014年貴州省不同地貌區多年平均蒸散發空間分布

圖52000-2014年貴州省不同地貌類型逐年均蒸散發量

春季(3—5月)，地表蒸散發為72.32～317.57 mm，總體呈東南向西北低降低趨勢，即從貴州從江—威寧逐漸降低。貴州屬于亞熱帶季風氣候區，夏季風較弱，隨著氣溫的回升，多陰雨天氣，降水量增多，蒸散發季均值為151.80 mm，占全年蒸散發量的21.72%。從地貌類型來看，春季蒸散發最少集中于巖溶峽谷中北區，集中于威寧、水城和赫章縣，主要該區平均海拔大于2 000 m，屬于高海拔區，植被多數為針葉林，具有高寒特性，不利于蒸發[23]。蒸散發較高區域呈東北—西南方向的條帶狀分布，即興義—普定—桐梓沿線，該分布區域與海拔關系密切，表現為海拔在800～2 000 m范圍務川—冊亨沿線與蒸散發較高分布界線相當，集中于巖溶高原。而蒸散發高值區域主要集中貴州東南部，其中非喀斯特地貌整體蒸散發高，其原因與區域植被茂盛和地下暗河較少有關[23-24]。

夏季(6—8月)，氣溫高，多雨，降水量大，使得地表蒸散發量顯著增加，為207.89～590.25 mm，季均值為284.17 mm，占全年蒸散發量的40.66%，為一年中最高季。貴州省蒸散發夏季變化與春季變化基本一致，即從從江—威寧逐漸遞減，但夏季蒸散發在各地貌區明顯升高。峰叢洼地、非喀斯特地貌和巖溶槽谷區屬于夏季蒸散發高值分布區，該區域蒸散發都高于400 mm。巖溶峽谷區蒸散發值較低，但相對于春季，該區域的蒸散發仍然上升，數值均高于200 mm，其原因是該區海拔較高，植被主要是高山草原和針葉林地，蒸散發相對較少。

圖62000-2014年貴州省不同地貌四季蒸散發空間分布

秋季(9—11月)，西伯利亞冷空氣開始進入，氣溫逐漸降低，降水量減少，蒸散發開始回落，減至131.81～342.7 mm，整體蒸散發呈南部高北部低的趨勢，季均值為169.22 mm，占全年蒸散發量的24.21%。秋季蒸散發量低值區主要集中在巖溶高原的東北部區域，該區域位于遵義市周邊，處于黔中高原到北部大婁山區過渡地帶，東部有武陵山區，西部有畢節高原，這樣地形條件形成了半封閉的小型盆地，原因可能在于遵義市相對于周邊地勢來說，屬于小型盆地，溫度相對較低，不利于空氣流動，致使蒸散發數值低[25]。

冬季(12月—翌年2月)，冬季風增強，降水量較少，空氣干燥，氣溫低，蒸散發為69.37～159.85 mm，整體蒸散發呈中西部高東部低，季均值為93.65 mm，占全年蒸散發量的13.41%。冬季蒸散發量高值區主要分布在巖溶高原區、巖溶峽谷和峰叢洼地，原因在于巖溶高原和巖溶峽谷該巖溶高原海拔相對較高，風速較大，更有利于蒸散發，而峰叢洼地區由于地理位置處于貴州最南部，氣溫高，降水受夏季風影響略多[26]，故蒸散發量高于周邊區域。總的來說，貴州省不同地貌區各季節的蒸散發量由大到小依次為夏季>秋季>春季>冬季。

3.4 不同地貌類型區的逐月蒸散量變化特征

對貴州省不同地貌2000—2014年內各月均蒸散發變化進行統計(圖7)。

圖7不同地貌類型月均蒸散發變化

可知2000—2014年逐年各月均值變化趨勢呈現先上升后下降的倒V型變化趨勢，8月—翌年1月份蒸散發量持續下降期，1月份到達最低，為30.28 mm；2—7月份蒸散發量持續上升期，較高蒸散發量主要集中在5—9月份，其7月份達到最高，為119.39 mm。原因在于貴州省是典型的季風性氣候，8月—翌年1月份，8月份西伯利亞冷空氣開始進入，這使得氣溫不斷降低，1月為冷空氣最強的月份，也是冬季風最強的時期，空氣濕冷[26]，不利于蒸散發的條件。2—7月份，2月份后冷空氣逐漸回撤，范圍逐漸減小，7月份為暖空氣最強的月份，降水充沛，在加上白晝時間長，日照時數最多[26]，提供了有利的蒸散發條件。

從貴州省不同地貌類型來看，各地貌類型月均值與逐年各月均值變化趨勢基本一致，均呈現先上升后下降的單峰變化趨勢，但各月數值大小也存在差異。以逐年各月均值為參考，可分為兩種：第一種倒V型，分別為非喀斯特地貌、峰叢洼地、巖溶槽谷和巖溶高原，表現為蒸散發從1月開始上升，在7月達到最大值后開始下降，呈現先增加后減小倒V型變化趨勢。第2種為單峰型，分別為巖溶斷陷盆地和巖溶峽谷，表現為蒸散發在1—4月緩慢上升，4—7月迅速上升后開始下降單峰型變化趨勢，其中2—8月明顯低于其他地貌類型，其原因可能該區域海拔較高，相對其他地貌類型，氣溫較低，降雨量偏少，不利于蒸散發[4,23]。

3.5 不同地貌類型區的蒸散量變化趨勢分析

利用線性趨勢法對貴州省的年際變化趨勢進行測算(圖8)，并按照實際情況趨勢線斜率值的大小分為5級：B<—10為顯著下降；—10≤B<—3為輕微下降；—3≤B≤3為基本不變；310為顯著上升[27]。從整體來看，蒸散發年際變化空間分布大致呈現東西兩側減少，中部增加的趨勢。蒸散發趨勢下降的區域面積比例為9.28%，其中又以輕微減少為主(8.75%)，大部分集中于非喀斯特地貌、巖溶峽谷西部，以及巖溶槽谷東南部，其主要原因是人類活動增加，區域開發程度不斷增強，土地利用格局發生深刻變化，進而影響了生態水文過程，使區域蒸發量減少[28]。蒸散發趨勢基本不變的區域占比為77.91%，主要連片分布于巖溶斷陷盆地、巖溶峽谷東南部，以及巖溶高原西部。年際蒸散發變化呈上升趨勢,區域面積比例為12.81%，集中分布于峰叢洼地與巖溶高原南部，該區域本是石漠化程度比較嚴重的區域，但隨著近幾年石漠化治理工程取得了初步成效，生態壞境得到了改善，植被覆蓋度增加，加強了土壤保水性[29-30]，從而提供了蒸散發水源，有利于蒸散。

圖8貴州省蒸散發量變化趨勢分布

4 結 論

(1) 2000—2014年，貴州省蒸散發年均值為854.95 mm/a，多年蒸散發均值具有明顯空間分布差異，呈現出東南高、西北低、中部居中的三級階梯分布格局。地勢的高低差異，制約著水、熱、光等分布差異，以及土壤、植被分布，從而影響到蒸散發，導致貴州省不同地貌分布差異明顯。將不同地貌類型逐年蒸散發進行統計得到：峰叢洼地(929.60 mm/a)>非喀斯特地貌(917.21 mm/a)>巖溶槽谷(862.55 mm/a)>巖溶高原(845.16 mm/a)>巖溶斷陷盆地(747.99 mm/a)>巖溶峽谷(742.22 mm/a)。

(2) 受到季節變化的影響，貴州省四季蒸散發量的空間分布差異顯著。春季(3—5月)，增長迅速，地表蒸散發為72.32～317.57 mm；夏季(6—8月)，增速較高，蒸散發為207.89～590.25 mm；秋季(9—11月)，蒸散發急劇減至131.81～342.7 mm；冬季(12月—翌年2月)，蒸散發變化較為平穩，介于69.37～159.85 mm。總體來看，年蒸散發變化趨勢主要受夏季主導，冬季對年蒸散發變化趨勢影響較弱。

(3) 2000—2014年各地貌類型蒸散發量各月均值與整體逐年各月均值變化趨勢基本一致。均呈現先上升后下降的倒V型變化趨勢，2—7月份蒸散發量為持續上升期，8月—翌年1月份蒸散發量為持續下降期，最高與最低值分別出現在7月和1月。

(4) 2000—2014年，貴州省蒸散發量年際變化趨勢總體上較穩定。基本不變的區域占總面積77.91%，蒸散發趨勢上升的面積占比12.81%，蒸散發趨勢下降的面積占比9.28%，其中輕微下降的面積占8.75%。