基于MOD16產品的黑河流域蒸散量時空分布特征

閆宇會，薛寶林,2，張路方，李占杰,2

(1.北京師范大學水科學研究院，北京 100875；2.城市水循環與海綿城市技術北京市重點實驗室，北京 100875)

蒸散發作為水文循環過程中不可獲取的一部分，與能量平衡有著密不可分的關系，同時是研究氣候變化、水熱平衡的關鍵環節。在水資源調配、農業管理、植被分析等方面，估算蒸散發都非常重要[1]。分析研究干旱地區的蒸散發是具有重要意義的，Rosenberg等曾表示，在干旱地區，地表儲水量的相當大一部分會通過蒸散發重新進入水文循環[2-4]。蒸散發分為實際蒸散發(AET，Actual Evapotranspiration)和潛在蒸散發(PET，Potential Evapotranspiration)。實際蒸散發(AET)主要由氣候因素驅動，由植被和土壤特征介導，并受可用水量的限制，被認為是水文循環中最復雜的組成部分。潛在蒸散發(PET)表示能夠從土壤中蒸發并從特定表面的植被中蒸發出來的最大水量，在干旱地區，PET是評估氣候變化和水資源空間分布的重要指標[5]。

蒸散發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。傳統的蒸散發觀測方法主要有蒸發皿、渦度相關法和土壤水平衡法等，這些方法通常是在“點”尺度上進行研究; 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域進行蒸散發觀測和計算[6]。近年來遙感技術開始在多個領域、多個行業應用，蒸散發研究也不再僅僅局限于氣象站點，而是向大流域和大尺度的研究轉變，通過遙感技術來進行蒸散發研究也成為了水文研究中較為常見的一種手段[7]，同時國內外也出現了大批學者通過遙感數據來進行蒸散發研究[8]。2011年美國NASA團隊基于Penman-Monteith遙感模型和MODIS數據研發發布了全球陸地蒸散發數據集產品( MOD16)，該產品由全球通量塔臺數據驗證，模擬精度達到86%[9-13]，在全球范圍得到了廣泛應用。國內研究人員基于MOD16產品，在不同的尺度上對我國的塔里木河流域、漢江流域、澴河流域等地區檢驗了該產品的應用精度，深入討論了我國近年來的區域蒸散發時空分布特征，都取得了比較好的效果。

黑河流域遠離海洋，氣候干燥，降水稀少，尤其是下游區域，大部分地區為沙漠戈壁所覆蓋，植被狀況極差，缺水問題嚴重限制了當地經濟的發展。同時，黑河流域的河西走廊地區也是“一帶一路”政策的重要戰略通道。因此，研究黑河流域的蒸散發時空分布規律，科學預測黑河流域的蒸散發變化趨勢，對水資源評價和合理開發利用有重大意義[14]。本文以黑河流域為研究區，以2001-2017年500 m分辨率的MOD16產品為數據源，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、年內月和年內季尺度下的分布特征，目的是探尋其內在變化規律，為保證該地區水資源的合理利用提供一定的參考。

1 研究區概況

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陸河流，是我國西北地區第二大內陸河流域，流域面積約13 萬km2。黑河發源于祁連山區，流入東居延海，跨越了青海省、甘肅省、內蒙古自治區3個省份，對河西走廊地區的經濟發展有著重要貢獻[15]。

黑河上游為鶯落峽以上，河道長303 km，上游面積達1 萬km2，此區間內山高谷深，為祁連山區，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350 mm，是黑河的產流區域。中游為鶯落峽至正義峽之間的區域，河道長185 km，面積為2.56 萬km2，此區域地勢平坦，光熱資源充足，但干旱嚴重，年降水量為140 mm，年蒸發能力達1 410 mm，為流域內的主要耗水區域。下游區域為正義峽以下，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，大部分地區為沙漠戈壁所覆蓋，年降水量只有47 mm，年蒸發能力高達2 250 mm，屬于極端干旱區域，是沙塵暴的主要源區之一[16]，如圖1所示。

圖1 黑河流域主要氣象站點及土地覆蓋類型

2 數據來源與方法

2.1 數據來源和處理

MOD16數據集產品包括實際蒸散發(AET)、潛在蒸散發(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蒸散發產品的下載地址為http:∥www.ntsg.umt.edu。根據MOD16產品數據在中國區域的行列號排列情況，選擇研究區的行列號為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的數據。

在處理數據時，首先借助了相關的軟件，將原始數據由HDF格式轉換成柵格格式，隨后利用ENVI和Arcgis軟件進行了坐標系轉換、拼接、裁剪，接著把沒有用的數值都刪除，留下了有用的數值，最終得到了研究區域月尺度下的AET和PET值。

土地利用數據來源于資源環境數據云平臺的1 km土地覆蓋圖，利用ENVI與ArcGIS平臺，將研究區土地利用類型歸并為林地、草地、耕地、水體、城鎮用地和未利用土地6個一級地類。

氣象數據包括2001-2017年黑河流域12個氣象站點實測的蒸發皿數據，來源于中國氣象數據網http:∥data.cma.cn/。蒸發皿數據主要用于檢驗黑河流域的MOD16蒸散量數據的準確性，本研究選取了黑河流域的額濟納旗、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皿數據，使用MOD16-PET數據進行了驗證。

2.2 研究方法

2.2.1 MOD16精度檢驗方法

通常情況下，使用氣象站點或者渦動站的實測數據對遙感數據進行驗證，驗證的尺度有所不同，精度也會有所不同。因為氣象站和渦動站都是“點”尺度的，所以大多數情況下都是基于“點”尺度來進行驗證[17]。如果是基于“面”尺度來進行驗證，對各方面要求都比較多[18]。本文是將氣象站點的蒸發皿數據與MOD16-PET數據進行比較分析，驗證MOD16數據的精確性。因為要研究長時間序列的數據，為保證測量數據的精確性，本文選擇了12個氣象觀測站的2001-2017年月時間序列的蒸發皿數據，剔除了無效值和不連續值，通過插值延補獲得了缺失值。然后獲得了站點所在柵格區域的MOD16蒸散發數據的數值，對站點的實測蒸發量與MOD16-PET的逐年月平均值進行了相關性分析。

從圖2可以看出，蒸發皿實測蒸散發和MOD16-PET的擬合效果非常好，12個站點都表現出較好的相關性，相關系數均在0.8以上。表明MOD16-PET產品與氣象站實測蒸散發相關性較大，因此該可以用于分析和探討黑河流域蒸散發的時空變化研究。

圖2 MOD16 潛在蒸散發(PET)與各氣象站點實測值逐年每月相關性分析圖

2.2.2 蒸散發年際變化分析方法

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

(1)

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

3 結果與分析

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，夏季降水充沛，溫差變化大，蒸發強烈，故AET值明顯高于流域其他區域，區域均值為372.68 mm，但因祁連山區海拔較高，平均氣溫相對不高，故PET值相比流域其他區域較低，區域均值為1 002.08 mm。中部的河西走廊地區相比南部地區氣候較為干旱，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，再加上有祁連山區的融雪做水源補充，產生了大面積的綠洲，故該區域的AET和PET水平都保持在一定的范圍，AET區域均值為149.73 mm，PET區域均值為1 196.31 mm。北部大部分區域屬于內蒙古自治區額濟納旗，這里降水少、蒸發強烈，除黑河沿岸和居延海周圍存在少量綠洲外，所有區域均被沙漠戈壁所覆蓋。由于MOD16產品覆蓋范圍為有植被區域，所以在圖3中黑河下游大范圍的荒漠戈壁區域為空白，沒有數據，而額濟納綠洲區域因深處大漠腹地，AET值相對較低，區域均值只有89.56 mm，PET值相對較高，區域均值為1 678.03 mm。

圖3 黑河流域實際蒸散發(AET)多年平均值空間分布特征

圖4 黑河流域潛在蒸散發(PET)多年平均值空間分布特征

流域內不同土地利用類型影響著水文循環情況，不同土地利用類型下的PET和AET也存在明顯的差異，為了進一步探究不同土地利用類型對流域蒸散發的影響，本文根據已下載的土地利用數據進一步將黑河流域分為了耕地、林地、草地、城鎮用地和未利用土地，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數值的對比分析，有植被覆蓋區域的AET值要明顯高于無植被覆蓋區域的AET值，PET值則要低一些，說明植被對區域的蒸散發情況有明顯的影響。

3.2 流域AET和PET的時間分布特征

黑河下游區域除河流沿岸和額濟納三角洲以外，大部分為沙漠戈壁，植被稀少，年蒸發能力極大，屬于極端干旱區，因植被較少，下游區域的MOD16蒸散發數據大部分處于空缺狀態，只有額濟納三角洲和河流沿岸存在少量數據，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數據的分析，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PET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有輕微的增加趨勢，其他地區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，除上游少部分地區的PET有輕微增加，其他地區均無顯著變化。總體來說，PET與AET的差值表現為減少趨勢，表明黑河流域的干旱情況在2001年以后有好轉的傾向。

圖5 2001-2017年黑河流域實際蒸散發(AET)、潛在蒸散發(PET)年際變化圖

圖6 2001-2017年黑河流域年際實際蒸散發(AET)變化趨勢圖

圖7 2001-2017年黑河流域年際潛在蒸散發(PET)變化趨勢圖

3.2.2 流域AET和PET的年內月變化時空特征

本文在月尺度上對黑河流域AET、PET變化進行了分析，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最大值出現在7月約為161.34 mm，最小值出現在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，這種變化規律符合當地的水文氣象規律。一年中PET最大值出現在7月份約為643.34 mm，最小值出現在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，這與一年內的氣溫變化有明顯的關聯，有文獻證實溫度在很大程度上會影響PET變化[17]。

圖8 多年平均黑河流域實際蒸散發(AET)、潛在蒸散發(PET)年內變化圖

同時，如圖8所示，PET與AET之間的差值也呈現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納旗綠洲美麗的胡楊，這些植物的關鍵需水期都集中在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的年內季變化時空特征

除了在年內月尺度上對流域的AET和PET進行了分析，本文還在年內季尺度上對流域的AET和PET進行了分析，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。其中，AET的各季節多年均值分別為249.54、436.18、248.05、234.35 mm，春、秋、冬三季AET無明顯差值，季節相對變化率大小分別是夏季>秋季>春季>冬季，因為黑河流域屬于干旱半干旱地區，四季少雨，蒸發劇烈，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的各季節多年均值分別為1 329.03、1 805.10、926.82、525.28 mm，從季節相對變化率來看，相對變化率大小分別是春季>秋季>冬季>夏季，PET較大的季節主要為春季和夏季，因為此間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。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，但因降水不足導致了春旱現象；夏季該流域的地表溫度和太陽輻射強度都達到了峰值，降水較為充沛，同時植物的蒸騰作用和土壤蒸發作用較為劇烈，故而AET和PET都達到了最大值；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在冬季達到了最低值。

從多年的季節變化趨勢來看，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夏季有增加趨勢，對于PET變化，除黑河中游部分區域夏季有增加趨勢外，其他區域和季節無顯著變化。這證明2001年以來，黑河流域尤其是黑河中游地區植被覆蓋情況明顯好轉，植被數量在增加，導致了AET和PET產生了不同情況的增加趨勢。

圖9 2001-2017年黑河流域季實際蒸散發(AET)變化趨勢圖

圖10 2001-2017年黑河流域季潛在蒸散發(PET)變化趨勢圖

4 結 論

本文利用MOD16產品，通過數據分析，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，水分充沛，故AET值明顯高于流域其他區域，區域均值為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。北部區域除黑河邊和居延海周圍存在少量綠洲外，所有區域均被沙漠戈壁所覆蓋，AET值比較低，區域均值只有89.56 mm，PET值相對較高，均值為1 678.03 mm，表明水分條件較差，存在干旱缺水現象。

(2)本文對不同土地利用類型進行了分析，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，說明植被對區域的蒸散發情況有明顯的影響。

(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，證明流域大部分區域還是處于干旱的狀態。在年內月尺度上，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。黑河流域AET、PET的季節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，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。