三江源地區蒸散發時空特征及其原因分析

張麗平，敖洋釬，徐龍坤，馬 鋒

（1.成都信息工程大學 資源環境學院，四川 成都 610200；2.榆林市氣象局，陜西 榆林 719099）

1 概述

圖1 三江源地區河流分布

圖2 三江源地區氣象站點蒸散發和MOD16 蒸散發對比

蒸散發是表征地面水資源進入大氣的水分含量，是植被以及地面對大氣進行水汽輸送的總量，對流域生態水文循環過程起到至關重要的作用[1]。隨著遙感技術的發展結合大氣的風速、濕度等的信息估算蒸散量得到了發展[2]。且產生構造了統計模型和物理模型兩種類別[3]。基于SEBAL 模型反演蒸散發的方法，對干旱地區的空間差異性就有很好的考慮[4]。劉曼晴[5]等就利用SEBAL 模型反演了水面蒸發且與蒸發皿的實測值有較好的擬合程度。SEBS 模型具有精度高、時間拓展性強的特點，也被廣泛應用，在大尺度的蒸散發研究上的效果較好[6-7]。尹劍等[8]就利用SEBS 模型對長江流域的蒸散發進行了遙感估算。近期對于蒸散發的研究還有韋小茶、蔣翼[9]等人基于Priestley-Taylor 模型的貴州省漣江流域的蒸散發研究，以及張璐，朱仲元等[10]人依據氣象站點對錫林河流域潛在蒸散發進行研究。其中對三江源地區的研究有：李婧梅等[11]利用渦度相關法對三江源的蒸散特征進行了研究。馬曉真等[12]基于地表能量平衡方程的遙感方法，對三江源地區的蓄水量進行了研究。加上三江源的特色地理位置以及獨特的生態地位，因此三江源的蒸散發研究問題具有重要意義。

目前對三江源蒸散發的研究有，孫琪[13]結合遙感數據、高程數據等對三江源的蒸散發進行研究得到生態需水量的研究，研究方法較為完整全面但是由于時間跨度較小沒有對三江源區域進行較大時間尺度上的觀測。夏中燁等[14]基于AIRS 數據對三江源區域大氣水汽含量進行了分析，時間研究范圍也較短，對三江源區域的研究著重于大氣水汽，沒有分析影響三江源的水文影響因子。而且對三江源區域蒸散發的研究仍然較少。

本文研究三江源區域2000 年到2019 年的蒸散發，具有較長的時間范圍，可以全面的對三江源區域蒸散發有較長時間跨度上的研究分析。

2 方法與數據

2.1 研究區概括

三江源地區平均海拔高度為3500-4800m，區域內存在許多河流。本文選取了全國河流數據，以三江源為邊界進行提取，得到了三江源區域內的河流分布（如圖1）。

青海三江源國家級自然保護區內氣候屬青藏高原氣候系統，為典型的高原大陸性氣候。

2.2 MOD16 產品

MOD16 產品數據集包括四部分：地表蒸散發（ET）、潛在蒸散發（PET）、潛熱通量（LE）、潛在潛熱通量（PLE）。其中本文采用的MOD16 數據分為兩部分，第一部分為2000-2014 年的MOD16 蒸散發數據，來自于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，空間分辨率為1km，時間分辨率采取了年和月數據。另外一部分為2015-2019 年的MOD16 數據，在MODIS 官網上下載得到的八天合成數據。

圖3 三江源地區20 年平均蒸散發空間分布

圖4 三江源地區年蒸散發量變化趨勢

2.3 氣象水文數據

三江源氣象數據來自中國氣象數據網（http：//data.cma.cn/），獲取了當地的降水、風速、日照等數據。

2.4 高程數據以及土地利用數據

高程數據的獲取來自NASA 官網（https：//www.nasa.gov/），空間分辨率為30m。而土地利用數據則來自全國地理信息資源服務系統（http：//webmap.cn），按照其分類手冊，得到三江源地區的不同土地分類數據。

2.5 研究方法

數據精度評價

本文是利用均方根誤差、平均相對誤差、平均絕對誤差、相關系數等指標對氣象站點測得打蒸散發數據與MOD16 的蒸散發數據進行對比，進行精度評價。

3 結果分析

3.1 MOD16_ET 產品精度評價

為了確保MOD16 遙感數據的準確性，首先對該產品的ET 數據進行精度評價。使用來自“中國氣象數據網”的2000-2019 年的氣象站站點實測蒸發數據，通過折算系數[15]得到三江源地區的自然水體的蒸散量，來對三江源地區的MOD16_ET 數據進行適用性評估和驗證。圖2 為三江源地區20 年平均站點ET 和20 年平均MOD16_ET的數據對比。分析二者之間的相關性，得到二者的均方根誤差RMSE=93.21mm/a，平均絕對誤差MAE=103.04mm/a，平均相對誤差MRE=13.79%，相關系數為0.73，大于楊秀芹[16]在淮河流域的檢驗結果（r=0.59）。從檢驗結果可以看出MOD16_ET 的誤差較小，且相關性良好，精度總體上符合要求，因此可以用于三江源地區的時空蒸散發研究。

3.2 三江源地區20 年平均蒸散發空間分布

由圖3 可以看出三江源地區近20 年的平均蒸散發在空間上呈現出東高西低的分布形態，整體的變化范圍在300~800mm 之間。

3.3 三江源地區年際蒸散發變化

圖5 三江源地區蒸散發變化速率

圖6 三江源地區2000-2019 年季平均蒸散發空間分布

圖8 三江源20 年平均季蒸散發量

圖9 三江源地區20 年月平均蒸散發變化

圖4 為三江源地區2000-2019 年地表蒸散發的逐年變化數據，蒸散發的變化范圍為423.41~564.56mm，20 年地表蒸散發平均值為508.52mm。根據線性回歸方程的擬合指標R2=0.0007 可以看出擬合效果不佳，蒸散發變化趨勢不明顯。圖5 為三江源地區蒸散發變化速率，從圖中可以看出幾乎整個三江源地區的變化速率都為正，西南部的蒸散發變化率最大。通過計算各時間序列的相關系數r 值來確定蒸散變化趨勢k 是否顯著，計算結果得到|r|=0.316。（r0.05=0.44376），|r|＜r0.05，近 20 年來三江源地區地表蒸散發變化未通過信度0.05 的顯著性檢驗，地表蒸散發的變化速率不顯著，呈不顯著的增加。

3.4 三江源地區年內平均蒸散發

3.4.1 三江源地區季平均蒸散發時空分布

圖10 三江源地區各氣象站點近20 年平均日照、風速、降水和氣溫數據

圖6（a）~（d）分別為三江源地區四季的蒸散發 20 年平均值地表蒸散發的空間分布。

圖7 為三江源近20 年區域季平均蒸散發，從圖中可以看出各區域之間的蒸散發值在秋、冬季節變化較為平緩，在春、夏兩季區域間的蒸散發則差異較大，起伏明顯。

圖7 為三江源地區近20 年來平均季節蒸散發量。從圖中可以看出冬季（12-2 月）的蒸散值為四季最低。

3.4.2 三江源地區月平均蒸散發變化

三江源地區各月地表蒸散量的年內變化如圖8 所示，三江源地區地表蒸散量年內月均值總體呈現出先增后減的分布趨勢，具有明顯的時間差異性，這與孫琪[13]在2001-2015 年的三江源蒸散發研究結果大致相同。

4 驅動力分析

4.1 氣象因子

圖10 為三江源地區各氣象站點近20 年平均日照、風速、降水和氣溫數據。結合圖3 可以看出，五道梁和沱沱河兩地雖然風速大、日照時間長，但因降水少、氣溫低，蒸散發量仍舊很小。而班瑪和久治兩地卻與之相反，因降水量大、氣溫高這里的蒸散發量很大。

圖11 為三江源地區近20 年來平均氣溫、風速、日照、降水的變化趨勢。其中氣溫和降水都呈現出較明顯的上升趨勢，與耿曉平[17]等人的研究結果基本相同。結合圖4 分析，三江源的蒸散發呈現出微增的變化趨勢沒有明顯的和哪一種氣象因子變化相關，可能是受氣溫、風速、日照、降水等因素的綜合影響造成的。其中在2007 年出現一個蒸散發的低谷，主要是受該年春季的寒潮和4、5、8 月出現的中度干旱的影響。

圖12 為三江源地區近20 年的四季的氣溫、降水、風速、日照的平均數據。結合圖6、圖7 分析得到：冬季三江源平均氣溫在-9℃以下，大部分地區的水體處于結冰狀態，此時三江源的植被也在凍結期。隨著溫度升高，降水量增大，水體解凍，植被也開始復蘇在春季三江源地區的蒸散發明顯增大。夏季氣溫和降水都達到全年最大，該季的植被蒸騰、土壤的蒸發以及水面的蒸發比較旺盛，使得三江源的蒸散量迅速增加，在這時達到全年最大。秋季由于氣溫降低，降水量也逐漸減少，因此地表蒸散量也隨之降低，并且由于風速小、日照少等原因導致該季的蒸散值小于春季。

4.2 地形因子

三江源地區是青藏高原的腹地和主體，以山地地貌為主，山脈綿延、地勢高聳、地形復雜。根據圖1 三江源地區的高程數據可以看出，三江源地勢呈現出西高東低的分布。根據三江源海拔、坡度等特點將其分為高山、中山、高原平地三種地形。其中高山所占面積最大，占到三江源面積的90%，高山的蒸散發受“高寒”的影響，使蒸散發的值偏小。中山位于三江源東北部，受到高原大陸性氣候的影響，冬寒夏涼、雨量偏小導致中山的蒸散發量最少。

圖11 三江源地區近20 年來平均氣溫、風速、日照、降水的變化趨勢

表1 三江源地區土地利用年均蒸散

4.3 土地利用因子

圖13 三江源地區的土地主要分為農業用地、人工用地、灌木、濕地、草地、水體、裸地、雪地、森林九類，結合三江源的年均蒸散數據和土地利用數據使用Arcmap 計算出三江源地區不同土地利用類型的年均蒸散值如表1。從表中和圖中我們可以看出，三江源地區主要的土地利用類型為草地，草地的平均蒸散發值（551.98mm），是一個較接近三江源蒸散發平均值513.94mm 的量。因此，在土地利用類型中草地對三江源地區的蒸散發影響最大。對三江源地區草地年內蒸散發進行統計，呈現出先增后減的變化趨勢，在 6、7、8 月的蒸散發量最大，這與張耀生[18]等人的研究結果相似。森林因位于三江源南部，有充足的降水和較高的溫度，且三江源森林植被類型為針葉林和闊葉林，因此一年四季都存在植物的蒸騰作用，所以森林的蒸散發最大（568.98mm）并促進了三江源的蒸散發。

圖12 三江源地區近20 年四季的氣溫、降水、風速、日照的平均數據

圖13 三江源土地利用類型

5 結論

（1）通過氣象站點蒸發皿計算得到的三江源地區自然水體蒸發量與MOD16_ET 數據相關性良好。計算結果相關系數為0.73 精度基本滿足要求，可用于對三江源地區的蒸散發的時空分布特征進行分析。

（2）三江源地區近20 年蒸散發平均值在空間上呈現出西低東高的形勢，其季均、月均也大致呈現出相同的分布特點。這種分布特點與當地的高原山地氣候密切相關。按地區統計20 年年均蒸散發結果為：久治＞甘德＞班瑪＞瑪沁＞達日＞玉樹＞河南＞稱多＞瑪多＞囊謙＞澤庫＞曲麻萊＞同德＞興海＞治多＞雜多＞唐古拉山鎮。

（3）近20 年來三江源地區的蒸散發主要呈增長的變化趨勢，對變化速率進行顯著性檢驗|r|=0.316。（r0.05=0.44376），|r|＜r0.05顯著性檢驗未通過，表明增長的速率不明顯。

（4）三江源地區年內平均蒸散發主要呈先增后減的變化趨勢。7 月的蒸散發最高峰受氣溫，降水和植被的影響較大。夏季的蒸散發增速最快，蒸發量也最大。春季和秋季次之，冬季增散發量最小，變化也較平緩。

（5）三江源地區的土地利用類型主要分為九類，草地的占地面積最大，其蒸散值502.23mm，也較接近平均值513.94mm。森林則因位于高溫、強降水的低緯地區而蒸散值最大為568.89mm。