基于MOD16產品的怒江流域中上游蒸散發分布特征研究

范雪梅, 羅 賢, 季 漩, 李運剛, 黃江成

(云南大學亞洲國際河流中心/云南省國際河流與跨境生態安全重點實驗室, 云南 昆明 650091)

蒸散發是水文過程的重要環節之一，地表水分的收支情況在一定程度上影響著地理環境的組成與演變，研究蒸散發的分布規律及變化特征，對于探討水文過程對氣候變化的響應具有重要意義[1]。由于地形、氣候、植被等眾多自然因素差異的存在，估算區域蒸散發一直是相關研究中的難題[2]。遙感具有覆蓋范圍廣、時空連續觀測的特點，促進了蒸散發量估算由點尺度向面尺度推廣，在獲取地表實際蒸散發方面具有獨特優勢[3-4]。青藏高原是亞洲主要大河的發源地，也是我國氣候變化較為顯著及突出的區域[5]。近幾十年來，青藏高原地區氣溫呈明顯上升趨勢，年平均增幅達0.32 ℃/10 a[6-7]；另一方面，青藏高原的蒸發皿蒸發量呈減小趨勢，變化速率為-30.6 mm/10 a[8]。與全球大多數區域類似，氣溫增加，潛在蒸發量減小的“蒸發悖論”現象在青藏高原地區同樣存在。由于地形及氣象條件復雜、觀測站點缺乏，開展青藏高原地區蒸散發分布及變化特征研究，是氣候變化影響下區域水文過程變化研究的難點之一。怒江流域中上游主要位于青藏高原東南部，流域西藏段是西藏的第二大河流，其長度、流域面積及徑流量僅次于雅魯藏布江[9]。近年來，怒江流域西藏段增溫趨勢明顯[10]，氣溫增長速率達0.42 ℃/10 a[11-12]。一直以來，針對怒江流域尤其是中上游水文地理的有關研究相對較少，開展怒江流域中上游蒸散發量的空間分布特征分析，能夠促進氣候變化背景下，青藏高原東南部缺資料地區水量平衡分布規律的辨識。為此，本文利用怒江流域中上游及其周邊地區氣象站點實測降水資料，對TRMM(tropical rainfall measuring mission)3B43數據進行精度驗證；基于水量平衡原理，結合TRMM數據及流量觀測資料，對MODIS(moderate-resolution imagine spectroradiometer)全球陸地蒸散發產品(MOD16)在研究區的適用性進行評價；在此基礎上，重點探討研究區蒸散發及產水量的空間分布特性，為氣候變化下的怒江流域中上游水資源合理開發利用及生態環境保護提供支撐。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

怒江—薩爾溫江發源于青藏高原唐古拉山南麓，流經我國西藏、云南省，出境進入緬甸后稱薩爾溫江，干流全長3 673 km，流域面積為3.25×105km2[13]。在我國境內，怒江流域位于91°13′—100°15′E，23°5′—32°48′N，呈南北狹長型，自西北向東南地勢逐漸降低，流域面積為1.36×105km2，干流全長2 013 km。河源至嘉玉橋為上游，位于地勢相對較高的青藏高原東南部，氣候嚴寒，晝夜溫差大，降水較為稀少，徑流補給來源豐富，其中降水、冰雪融水及地下徑流分別占35%，32%，33%；嘉玉橋至六庫為流域的中游，地處高山峽谷廣布的橫斷山區，氣候垂直變化明顯，降水較上游有所增加，是徑流補給的主要來源；六庫以下為下游，位于地勢較低的云貴高原，氣候溫暖濕潤，降水期集中，徑流全部由降水補給[9,13]。本文選取位于滇藏省界附近的貢山水文站(98°40′E，27°43′N)以上流域作為研究區，研究區面積約為1.07×105km2，占怒江流域在中國流域面積的78.7%。

1.2 數據來源

1.2.1 實測降水及徑流數據 本研究采用的降水數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)，選取1998—2016年怒江流域中上游及其周邊地區17個氣象站點實測月降水量，用于TRMM3B43數據的驗證，站點分布如圖1所示。在流量數據方面，本研究收集到嘉玉橋站2003—2006年、貢山站2000—2011年各月流量觀測資料，對研究區平均徑流深進行計算。

圖1 研究區地形及氣象站、水文站分布

1.2.2 TRMM數據 TRMM3B43產品是TRMM衛星聯合其他衛星及地面觀測資料共同反演的降水產品，該產品首先訂正TRMM/TMI(microwave image)資料，并結合SSM/I(special sensor microwave imager)、AMSR-E(advanced microwave scanning radiometer-earth observing system)、AMSU-B(advanced microwave sounding unit-B)資料估算降水，其次利用全球降水氣候計劃的紅外降水估值訂正微波降水，再將微波和紅外資料聯合估值，并融合地面雨量計數據，充分利用已有觀測資料[14]，為無資料及缺資料地區的降水研究提供數據支撐[15]。在自然環境復雜、觀測站點缺乏的青藏高原地區，開展TRMM數據的適用性研究，表明TRMM數據能夠較好地呈現青藏高原降水的時空分布格局及變化特征[16-17]。本研究選用1998—2016年TRMM3B43V7數據(來源：https:∥disc.gsfc.nasa.gov)，時間分辨率為1個月，空間分辨率為0.25°×0.25°。將其與同期氣象站點實測降水資料進行對比分析，以驗證TRMM3B43V7數據在怒江流域中上游的精度，進而檢驗MOD16數據在怒江流域中上游的適用性，并明確該流域的蒸散發空間分布特征。

1.2.3 MODIS蒸散發數據 MOD16是NASA于2011年發布的全球陸地蒸散發產品數據，原理為Mu等基于Penman-Monteith公式在2007年的算法基礎上得到的蒸散算法，計算輸入數據包括葉面積指數、反照率、植被覆蓋度等遙感信息及氣溫、氣壓、相對濕度、輻射等氣象資料，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)。通過全球通量塔臺站的檢驗，MOD16數據模擬精度可達86%[18-19]。MOD16數據在時空上具有高分辨率、連續覆蓋等特點，在全球得到了較為廣泛的應用[20]。目前，MOD16數據已用于我國地表蒸散發的時空變化特征分析[21-22]，總體上具有一定的適用性，在站點資料稀缺的青藏高原地區，MOD16數據能夠較準確地呈現蒸散發的空間分布規律[23]。本研究選用2000—2011年的MOD16A2數據(來源：http:∥files.ntsg.umt.edu)，時間分辨率為1個月，空間分辨率為0.05°×0.05°。結合收集到流量數據的序列情況，基于水量平衡原理，利用同期TRMM3B43數據和流量觀測資料，分別對MOD16A2數據在研究區不同部分的適用性進行驗證。

1.2.4 植被數據 根據1∶100萬中國植被圖，對研究區植被類型分布情況進行劃分，研究區植被類型以草甸和草本沼澤、灌叢和萌生矮林、針葉林、無植被為主，分別占研究區總面積的54.6%，30.6%，7.5%和6.6%。

1.3 研究方法

1.3.1 TRMM數據檢驗 對TRMM數據的整體精度評價采用相關系數(R)、相對偏差(BIAS)、平均誤差(ME)及平均絕對誤差(MAE)4個指標。

相關系數的計算方法為：

(1)

相對偏差的計算方法為：

(2)

BIAS表示TRMM降水與實測降水在數值上的偏離程度，BIAS越接近0，表明TRMM數據越精確。BIAS為正值，表明TRMM降水高于實測降水，BIAS為負值，表明TRMM降水低于實測降水。

平均誤差及平均絕對誤差的計算方法為：

(3)

(4)

ME和MAE表示TRMM數據與站點實測數據的誤差，ME和MAE的值越小則誤差越小。

1.3.2 MOD16數據檢驗 利用TRMM數據和徑流深數據，基于水量平衡公式，對MOD16產品在研究區適用性進行評估。

P=E+R+ΔS

(5)

式中：P——年降水量(mm)；E——年蒸散發量(mm)；R——年徑流深(mm)； ΔS——蓄水量的變化量(mm)。在多年平均的情況下，可以忽略流域蓄水量的變化[24]。

2 遙感數據適用性分析

2.1 TRMM數據精度驗證

1998—2016年研究區及周邊地區站點實測降水量與對應柵格降水量的決定系數為0.73，相關系數為0.86，并通過了顯著性水平為0.01的檢驗(圖2)，相對偏差BIAS為19.0%，平均誤差ME為10.2 mm，平均絕對誤差MAE為21.0 mm。總體而言，TRMM3B43V7降水量略高于實測降水量，TRMM3B43V7產品在研究區具有較好的精度。

圖2 研究區TRMM降水與站點實測降水散點圖

為全面分析TRMM產品在研究區的適用情況，進一步對17個站點的實測降水量與對應柵格TRMM降水量分別進行相關分析(表1)。TRMM降水量與各站點實測降水量的相關系數較高，均通過了顯著性水平為0.01的檢驗。上游各站點的相關系數大于0.88，表明TRMM產品在上游地區精度較好；中游各站點的相關系數相對較低，其中貢山站的相關系數僅為0.77，表明TRMM產品在中游的精度不如上游。上游位于高原湖盆寬谷區，地形起伏較小，中游地處橫斷山區，地形復雜多變，降水空間差異較大，故TRMM產品在怒江上游所得降水更接近實測降水。TRMM3B43V7產品在研究區具有一定精度，本研究即采用2000—2011年TRMM3B43V7降水數據，結合流量觀測資料對MOD16產品的適用性進行驗證。

表1 研究區TRMM降水與站點實測降水的相關系數(R)

2.2 MOD16數據精度驗證

表2及圖3為怒江流域中上游不同部分TRMM多年平均降水P與MOD16估算降水(E+R)的對比結果。從圖3可以看出TRMM降水與MOD16估算降水較為吻合，總體上呈現較好的一致性。同時對比兩者的散點圖，表明P與(E+R)整體變化趨勢較為一致(圖3)，決定系數為0.58，相關系數為0.76，且通過了顯著性水平為0.01的檢驗。進一步分析MOD16產品在流域不同部分的適用性，發現在嘉玉橋以上的部分精度較高，相對誤差為25%，而嘉玉橋至貢山的部分精度較低，利用MOD16產品所得蒸散發量相對偏大，這說明MOD16產品在地形起伏較大的山區精度較差。對研究區整體而言，2000—2011年，TRMM多年平均降水量P為682.9 mm，MOD16多年平均蒸散發量E為489.4 mm，多年平均徑流深R為396.7 mm，多年平均(E+R)為886.1 mm，多年平均降水量P較(E+R)低203.2 mm，在研究區利用MOD16產品所得蒸散發量整體偏大。本研究利用MOD16產品所得怒江中上游的蒸散發量介于300～800 mm，與劉國緯[25]所得青藏高原東南部年蒸散發量500～800 mm的結果較為一致。由此可見，MOD16產品在怒江流域中上游具有一定的適用性，可利用MOD16數據分析研究區的蒸散發空間變化特征。

圖3 研究區不同部分P與(E+R)的比較

表2 研究區不同部分多年平均P與(E+R)比較

3 怒江流域中上游水循環要素空間分布特征

3.1 降水空間分布特征

研究區年平均降水量為682.9 mm，不同區域降水空間分布差異較大(圖4)，河源那曲地區、中游洛隆至左貢地區降水量較小，上游比如至洛隆、中游貢山地區降水相對豐富。河源區年降水量低于600 mm，源區海拔高，氣候寒冷，且距印度洋水汽源較遠，水汽在輸送過程中逐漸損失；上游比如至洛隆地區降水量約為700～900 mm，來自印度洋的西南暖濕氣流沿雅魯藏布江通道上溯，水汽在此集中，形成降水的高值區；中游洛隆至左貢降水量介于500～700 mm，由于眾多山脈阻隔，到達此處的水汽較少；中游貢山降水量約為1 500 mm，貢山位于研究區偏南、橫斷山區相對偏西，受地形及大氣環流影響，印度洋水汽沿橫斷山脈自南向北上溯，同時水汽沿橫斷山脈西側通道上溯至貢山地區，形成較為豐富的降水。

圖4 研究區降水空間分布

3.2 蒸散發空間分布特征

研究區年平均蒸散發量為489.4 mm，蒸散發量多介于300～800 mm，研究區蒸散發空間分布差異較大，與降水的空間分布類似，存在兩個明顯的高值區和兩個低值區(圖5)。高值區分別位于上游比如至洛隆、中游貢山地區，低值區出現在河源、中游八宿至左貢地區，蒸散發沿河流呈現出低—高—低—高的變化規律。河源、八宿至左貢地區蒸散發量在400 mm以下，低于年平均值，由于降水較少，可供蒸散發的水分有限；比如至洛隆、貢山地區蒸散發量約為600～800 mm，該地區降水量較大，充足的水分可用于蒸散發。

圖5 研究區蒸散發空間分布

杜軍等[26]應用實測氣象資料對1981—2010年怒江西藏段的潛在蒸發量進行研究，發現怒江西藏段年平均潛在蒸發量為870.1 mm，本研究采用MOD16產品所得年平均蒸散發量為496.8 mm，供水條件是影響研究區蒸散發的重要因素之一。

4 產水量空間分布特征

4.1 產水量空間分布特征

探究降水量與蒸散發量的差值(P-E)，以進一步評估研究區產水量的空間分布特征。研究區年平均(P-E)為193.5 mm，(P-E)空間分布如圖6所示。整體來看，上游地區(P-E)空間分布差異較小，多低于400 mm，那曲至比如一帶介于200～400 mm。劉冬英等[13]對怒江水資源特性進行分析，表明怒江上游大部分地區徑流深介于200～400 mm，本研究所得結果與其相符。研究區中游地處橫斷山區，(P-E)空間分布極不均勻，貢山地區年降水量約為1 500 mm，蒸散發量介于700～800 mm，(P-E)可達600 mm以上。對比研究區降水空間分布圖(圖4)，可知(P-E)與降水的空間分布格局相似，研究區整體降水量偏小。

4.2 植被與(P-E)/P的關系

研究區(P-E)/P空間分布如圖7所示，(P-E)/P與(P-E)的空間分布基本一致。上游那曲至比如地區(P-E)/P大于0.4，比如至洛隆地區則低于0.3；中游(P-E)/P分布差異較大，洛隆至八宿地區(P-E)/P在0.3以下，而左貢和貢山地區(P-E)/P可達0.6。研究區植被類型主要包括草甸和草本沼澤、灌叢和萌生矮林、針葉林、無植被等，植被分布如附圖5所示。

圖6 研究區(P-E)空間分布

圖7 研究區(P-E)/P空間分布

對研究區2000—2011年主要植被類型(P-E)/P進行統計(表3)，經檢驗，草甸和草本沼澤與灌叢和萌生矮林的均值存在顯著性差異，在0.05水平上差異顯著。無植被地區(P-E)/P最大，為0.33，而植被覆蓋區的(P-E)/P相對較小。在無植被地區，裸地的水源涵養能力較差，降水易下滲形成壤中流和地下徑流，故(P-E)/P較高；在植被覆蓋地區，植物能夠在一定程度上截留降水，水分消耗于蒸散發，因此(P-E)/P較無植被地區較低。

表3 研究區不同植被類型降水及蒸散發特征

5 結 論

(1) 利用氣象站點實測降水資料，對TRMM3B43降水產品及MOD16蒸散發產品在怒江流域中上游的適用性進行評估，研究區及其周邊地區TRMM3B43數據與站點實測月降水量R為0.86，TRMM3B43數據在怒江流域中上游具有較好的精度，MOD16數據在怒江流域中上游的蒸散發量相對偏大，仍具有一定的適用性，可用于流域蒸散發分布特征的分析與研究。

(2) 基于遙感產品所得結果，怒江流域中上游多年平均蒸散發量為489.4 mm，蒸散發空間分布差異較大，沿河流呈現出低—高—低—高的變化特征，流域(P-E)與P的空間分布格局相似，具有明顯的空間分布差異，無植被地區的(P-E)/P為0.33，植被覆蓋區的(P-E)/P相對較小。

(3) 由于自然條件的限制，獲取青藏高原蒸散發相關數據較為困難，而MOD16產品具有覆蓋范圍廣、時空上連續等特征，為蒸散發及產水量的空間分布特征分析提供了相對可靠的數據支撐，可用于資料缺乏的青藏高原地區水文過程研究。利用MOD16產品所得區域蒸散發存在一定的偏差，在使用時需予以綜合考慮。