基于MODIS和ERA-Interim的安徽省地表蒸散發及其受植被覆蓋度影響研究

許 敏，江 鵬

(安徽大學 資源與環境工程學院,安徽 合肥 230601)

1 研究背景

蒸散發(evapotranspiration,ET)包括植物蒸騰和地表蒸發兩部分，是水分平衡與地表能量平衡的重要組成部分[1]，區域ET的時空變化監測可為區域水資源合理利用提供依據，具有重要意義。隨著一系列新衛星的升空和新傳感器的開發，遙感數據產品日漸豐富，為ET研究提供更多信息來源，基于遙感的區域ET研究在方法和應用方面已取得不少成果[3-5]。同時ET是一個復雜的過程，易受外界因素影響，對其影響因素探究也是學者們關注的熱點[6]。國內外學者針對氣象因素與ET間關系已進行了大量研究，研究發現ET對氣象因素的響應具有區域差異性。例如巴基斯坦區域ET在冬季時對水汽壓更敏感，夏季對風速更為敏感[7]，而在中國黃河流域上游風速的顯著性下降成為ET變化的主要因素[8]。同時日照長度、降水量也會對ET產生影響，氣候變化是造成區域ET變化的重要因素[9]。植被覆蓋度變化是典型的非氣象因素，其空間分布特征與研究區域ET的高低分布具有顯著相關性[10]，探索區域ET與植被之間的關系對于水資源和陸地資源的科學管理、區域生態環境改善等都具有重要的意義。區域內植被的水文響應是一個復雜的過程，相關研究一直存在爭議[11]。魏玲娜等[12]分析表明人工桉樹林的種植使流域內蒸散量減小了18.1%。杜琦[13]研究發現山西省汾河流域植被恢復后流域蒸散發量減少。然而部分學者研究得出的結論恰恰相反，有研究發現海河流域ET隨著植被指數的增大而增多[14]。賀亮亮等[15]對涇河干流上游森林植被覆蓋率的水文影響進行探究，發現隨著森林植被的增加，區域ET增大。植被變化對水文產生的影響具有區域差異性，關于植被的增加能否有效改善區域的水文環境問題需開展進一步研究，區域治理時若一味擴大綠地面積將造成資源浪費，甚至給當地生態環境帶來不良影響。

安徽省是我國的農業大省，開展安徽省ET時空變化特征研究，有利于科學評價安徽省氣候干濕狀況，促進農業穩固發展。國內一些學者已對安徽省ET狀況進行了研究，吳文玉等[16]、曹雯等[17]主要利用氣象站點數據，對安徽省ET進行估算，研究的空間尺度局限于點，對安徽省ET的總體認識不夠。利用MOD16-ET遙感產品探究區域ET時空分布特征，可以彌補研究中局限于站點的不足[18]。ET受氣象因素和非氣象因素共同作用，這兩大類因素不屬于同一量綱，兩者對ET的影響程度較難區分，前人關于該區域植被覆蓋度變化對ET影響的研究不充足。隨著生態文明建設的推進，強調對自然生態系統和環境的保護，探究ET和植被間的內在規律，將是促進區域水文生態環境改善的必要舉措。本研究選擇安徽省為研究區，利用美國航天局(NASA)提供的月植被指數產品(MOD17A3)基于像元二分模型、最大值合成法計算獲得區域年度最大植被覆蓋狀況，基于ET產品(MOD16A2)獲得區域年度蒸散發狀況，使用多元回歸等方法定量分析氣象因素和非氣象因素對ET的影響程度，最后利用相關分析方法分析安徽省2000-2014年間植被覆蓋度變化對ET的影響，為研究區可持續發展提供指導。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區域

安徽省作為中國重要文明發祥地，有著深厚的農耕文化底蘊，全省土地中耕地面積占比最大，農業生產在全國占有重要的地位。安徽省位于東經114°54′～119°37′、北緯29°41′～34°38′之間，下轄16個地級市，有長江、淮河、新安江流經，區域內有平原、丘陵、山地等多種地表類型，氣候為暖溫帶與亞熱帶的過渡帶，光照相對充足，降水具有季節性。

2.2 研究數據

研究中所使用的數據及其來源和特點如表1所示。為了保證各類數據空間分辨率的統一，以MOD16A2產品為標準，使用克里金插值的方式對氣象資料進行整合和插值，然而這一過程必然會產生誤差，但氣象因素在一區域中的變化較平滑，插值所帶來的誤差較小，且將插值結果與安徽省臺站的觀測值進行對比發現具有較好的一致性，故可用于本文的研究。

2.3 研究方法

2.3.1 趨勢分析 本文使用一元線性回歸分析法對安徽省地表ET及相關氣象因子進行趨勢分析[19]，其計算公式為：

(1)

2.3.2 像元二分模型 像元二分模型的核心思想是假設一個像元由土壤和植被兩部分組成，該混合像元的植被指數NDVI值為土壤和植被兩部分植被指數的加權平均和，權重為兩者在像元中的面積比例[20]，表達式為：

NDVI=VC·NDVIveg+(1-VC)·NDVIsoil

(2)

式中：NDVI為混合像元的植被指數值；VC為植被覆蓋度；NDVIveg為純植被像元的植被指數值；NDVIsoil為純土壤像元的植被指數值。

由公式(2)可得植被覆蓋度的計算公式：

VC=(NDVI-Smin)/(Vmax-Smin)

(3)

式中：Smin為純土壤覆蓋像元的最小值；Vmax為純植被覆蓋像元的最大值。地表濕度、粗糙度、土壤顏色等條件會對兩個參數值產生影響[22]。本文結合土地覆蓋數據及NDVI值得出累計概率分布情況，取5%和95%的NDVI值分別作為Smin和Vmax。

2.3.3 最大值合成法 最大值合成法(MVC,maximum value composite)的原理是將多幅柵格圖像疊加，每個像元點取最大值合成一幅新影像[22]。該方法被廣泛應用于植被數據處理中，本文通過此方法獲取安徽省年植被覆蓋度情況。

表1 研究所使用的數據及其來源和特點

2.3.4 多元回歸 為了量化氣象因子的貢獻，進行了多元線性回歸[23]：

ΔET=apreΔPre+atempΔTemp+awindΔWind+int

(4)

式中：ΔET為去趨勢的ET值；apre、atemp、awind為預測因子的回歸系數；ΔPre、ΔTemp、ΔWind分別為去趨勢的降水、氣溫、風速值。

ET對逐年氣候變化的響應相似，使用公式(4)得到的回歸系數以及氣象因子變化趨勢來量化氣象因子對ET變化的貢獻，計算公式如下[23]：

Qc=apreQpre+atempQtemp+awindQwind

(5)

式中：Qpre、Qtemp、Qwind分別為氣象因子的變化率，可通過簡單的線性回歸模型計算得到；Qc為氣象因子對ET變化的貢獻度。

地表ET的變化主要受氣象因子以及非氣象因子(如人為引起的植被覆蓋變化)共同作用，因此非氣象因子的對ET變化的貢獻可以量化為[23]：

Qnc=Q-Qc

(6)

另外，氣象和非氣象因子相對貢獻計算如下：

RCc=|Qc|/(|Qc|+|Qnc|)

(7)

RCnc=|Qnc|/(|Qc|+|Qnc|)

(8)

式中：RCc和RCnc分別為氣象因子和非氣象因子對ET變化的相對貢獻。

2.3.5 Pearson系數法 使用Pearson系數法逐像元分析兩個變量之間的相關性，公式為[24]：

(9)

3 結果與分析

3.1 安徽省ET時空分布特征

本文首先處理并得到了ERA-Interim再分析資料的年均ET，將其與預處理后的MOD16A2產品進行比較，如圖1所示。由圖1可見，MOD16A2產品的年均ET值多年來普遍偏高，尤其是在2002和2003年更為明顯，計算得到2000-2014年間ERA-Interim再分析資料的年均ET與MOD16A2產品均方根誤差RMSE=43.8 mm/a，與賀添等[25]對全國十大流域的驗證結果(RMSE=152 mm/a)相比更低，同時王芳等[26]在其研究中使用安徽省站點實測數據與MOD16-ET數據集進行對比，兩者同樣呈現出較好的一致性，因此該數據產品可用于安徽省地表實際ET時空動態特征研究。

首先去除MOD16A2產品中的異常值，水體以及建筑地區的ET不計算(設為空值)，然后進行拼接、裁剪、柵格計算獲得安徽省2000-2014年逐年的ET分布狀況，研究結果表明，安徽省內地表ET呈明顯的時間和空間差異。

2000-2014年安徽省年的地表ET和VC年均值變化情況如圖2所示。分析圖2可知，ET變化區間為651～732 mm，年均ET為699 mm，年際變化呈減小趨勢。

2000-2014年安徽省年均ET值空間分布及其一元線性回歸趨勢分析見圖3。從圖3中空間上分析，全省地表ET分布呈現由北至南增多的特征(圖3(a))，植物蒸騰作為ET的重要組分，對ET高低有著重要影響，安徽省北部主要是暖溫帶落葉闊葉林，植被存在較明顯的季節變化，中部江淮丘陵、沿江和大別山區北部為亞熱帶落葉與常綠闊葉混交林，再往南以常綠闊葉林為主，植被覆蓋度整體上由南向北減少，植被的蒸騰作用相應減少，同時夏季風由南進入，水汽受山地阻擋不能長驅直入，越向北水汽越少，ET減少[27]。低于600 mm的低ET值主要分布在安徽北部地區，高于700 mm的高ET值主要分布在植被覆蓋度較高的山地、丘陵地區，在山地地區海拔升高，植物葉面較窄，此時植被蒸騰作用減弱，ET減少。采用一元線性回歸的方法逐像元計算2000-2014年的全省地表實際ET年際變化率，得到ET變化趨勢狀況(圖3(b))，研究區域內皖南及大別山大部分區域ET呈增加趨勢，中部地區多呈減少態勢，北部地區ET增長和減少趨勢地區交錯分布。

圖1安徽省2000-2014年MOD16A2產品與ERA-Interim氣象資料ET的對比 圖2 2000-2014年安徽省蒸散發(ET)及植被覆蓋度(VC)的年際變化

3.2 安徽省植被覆蓋度時空分布特征

基于MOD13A3植被指數月產品，運用像元二分模型，計算得到安徽省2000-2014年間逐月的植被覆蓋度情況，然后通過最大合成法獲取逐年的每年最大植被覆蓋度情況，水體以及建筑地區的ET不計算(設為空值)，為了統一研究區范圍，在植被覆蓋度計算時也不考慮水體及建筑地區。2000-2014年安徽省植被覆蓋度均值變化情況如圖2所示，由圖2可看出，15年間研究區內植被覆蓋度整體上呈增加趨勢，變化區間為75.19%～82.89%，2001年植被覆蓋度最低。

本文依據水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》中的植被覆蓋度分級標準及前人的相關研究[28]，將植被覆蓋度分成5個等級：低覆蓋度(<35%)、中低覆蓋度(35%～50%)、中覆蓋度(50%～65%)、中高覆蓋度(65%～80%)、高覆蓋度(>80%)。2000-2014年安徽省年際各等級植被覆蓋度占比變化如圖4所示，由圖4可看出，研究區低植被、中低植被覆蓋度所占比例相對較小，除2000年以外高植被覆蓋度占比始終最大(>39%)，研究區整體處于中高植被覆蓋度。2008年之前各等級植被覆蓋度占比波動較大，2008年以后各等級占比趨于穩定變化較小。

2000-2014年安徽省最大植被覆蓋度空間分布及其一元線性回歸趨勢見圖5。由圖5(a)可知，皖西丘陵山地地區以及皖南丘陵山地地區常綠植被較多，植被覆蓋度最高，其次是淮北平原區，低植被覆蓋區占比最少，主要分布在各城市周邊、河湖沿岸地區；由圖5(b)可知，安徽省大部分區域植被覆蓋度呈改善趨勢(變化斜率大于0)，而城市邊緣、沿江地區的植被覆蓋度呈減少趨勢(變化斜率小于0)，這主要是受城市化擴張的影響，還有些植被覆蓋度退化區域分布于丘陵山地地區，該區域受旅游開發影響較大。

圖3 2000-2014年安徽省年均ET值空間分布及其一元線性回歸趨勢

圖4 2000-2014年安徽省年際各等級植被覆蓋度占比變化

3.3 氣象因子與非氣象因子對安徽省ET變化的貢獻

使用克里金插值的方式對ERA-Interim氣象資料進行整合和插值，獲得2000-2014年安徽省逐月降水、溫度、風速情況，進一步計算獲得安徽省研究時序內逐年的氣象因子變化情況。由公式(4)～(8)計算得到2000-2014年安徽省每個像元中氣象因子和非氣象因子對ET變化的相對貢獻度，結果如圖6所示。由圖6可看出，全省大部分區域非氣象因子對ET變化貢獻度更高，尤其在江淮平原地區。為進一步判斷各區域氣象因子和非氣象因子對安徽省ET變化的貢獻，利用行政區劃圖統計研究區內16個市區的兩類因子貢獻度情況，結果如表2所示。表2中的數據也表明，各市區非氣象因子對ET變化的貢獻度更高，其中阜陽市非氣象因子對ET變化貢獻度最低，為54.82%，馬鞍市最高，為81.83%。

圖5 2000-2014年安徽省最大植被覆蓋度VC值空間分布及其一元線性回歸趨勢

圖6 2000-2014年安徽省氣候因子和非氣候因子對ET變化的相對貢獻度

表2 安徽省各市氣象因子和非氣候因子對ET變化的相對貢獻度(RCc、RCnc) %

3.4 安徽省植被覆蓋度變化對ET的影響

上述研究表明，2000-2014年間非氣象因子在調節安徽省ET中發揮了重要作用。植被覆蓋度變化是典型的非氣象因子，本部分將重點分析植被覆蓋度變化對ET的影響。使用Pearson系數法對2000-2014年安徽省逐月ET與同期逐月植被覆蓋度進行相關性分析，結果如圖7所示。圖7表明，兩者之間存在正相關，相關系數為0.8567。對比分析安徽省ET與植被覆蓋度的時空分布特征(圖3和5)，發現安徽省ET和植被覆蓋度在時空分布上均呈現由北向南遞增的趨勢，區域內ET的高、低值區與植被覆蓋度的高、低值區分布空間特征基本保持一致，植被覆蓋度對蒸散分布有一定影響，植被覆蓋度越高的區域則蒸散越高。

圖7 安徽省2000-2014年ET與植被覆蓋度逐月相關關系

圖8為2000-2014年安徽省ET與植被覆蓋度年際相關關系空間分布。

圖8 2000-2014年安徽省ET與植被覆蓋度年際相關關系

從圖8中空間分布上來分析逐像元計算的最大植被覆蓋度與年均ET之間的相關性，結果顯示：(1)研究區內21.27%區域相關系數為負，表示ET隨植被覆蓋度增加而減小，植被的增加將引起植被葉面積的擴大，但帶來的是土壤表面的太陽輻射可能減少，導致土壤蒸發量減少，進而使得區域ET減少，同時新增加的植物其蒸騰作用低于成熟植物，盡管葉面積增大了卻沒有增強區域的蒸騰作用。安徽省北部區域降水量少于南部，造林增加的截留可能導致徑流的增大，而不是ET的增大，即單純的植被擴增并不一定能帶來區域ET的增加，這可為區域的生態建設提供參考；(2)研究區內78.73%區域相關系數為正，表示ET隨植被覆蓋度增加而增大，在城市周邊及植被覆蓋度較低的區域兩者呈正相關且相關性較強。林地區域的相關系數盡管有正負區別但絕對值均較小，這主要是由于森林生態系統植被冠層封閉，ET變化穩定。

4 結 論

基于MOD16A2產品、MOD13A3產品及ERA-Interim氣象資料，對 2000-2014年安徽省實際ET時空變化以及植被覆蓋度對ET的影響進行研究，結論如下：

(1)經驗證，MOD16A2產品適用于安徽省ET變化研究，2000-2014年安徽省年際地表實際ET呈下降趨勢，變化區間為651～732 mm，空間分布上呈南高北低的特征，區域內蒸散發年際變化不顯著。

(2)基于像元二分模型計算得到安徽省2000-2014年植被覆蓋度情況，15年間研究區內植被覆蓋度整體上呈改善趨勢，變化區間為75.19%～82.89%，區域整體屬于中高植被覆蓋度。

(3)經計算獲得氣象因子及非氣象因子對ET變化的貢獻度，發現非氣象因子對ET變化作用更加顯著，貢獻度為68%，植被覆蓋度作為重要的非氣象因子與ET之間存在相關性，逐月相關系數為0.8567，兩者相關性具有區域差異，區域內正負相關交錯分布，21.27%區域相關系數為負值，78.73%區域相關系數為正值。

本研究分析了安徽省地表ET的時空變化情況，并探究其與氣象因子、非氣象因子間的相關關系，重點研究植被覆蓋度變化對ET的影響。2000-2014年間植被覆蓋度在調節安徽省ET中發揮了重要作用，其調節作用具有區域差異，因此區域水文的改善，需要因地制宜，避免資源浪費。本研究仍存在一些不足，研究使用的MODIS產品的時間范圍較為有限，且該數據集的反演模型在全球通用，但在研究區的適用性有待提高。