2001-2019年河南省地表蒸散發時空變化及其影響因素

馬建琴, 陳 陽, 郝秀平, 李丹丹

(1.華北水利水電大學, 鄭州 450045; 2.鄭州大學, 鄭州 450045)

地表蒸散發(Evapotranspiration, ET)指土壤蒸發和植被蒸騰的總和，是評價區域地表能量、氣候變化和水分平衡的主要指標，是生態環境和水資源評估的重要環節[1]。全球約70%的地表降水以蒸散發方式返回大氣，在水循環過程中蒸散發發揮著不可輕視的作用[2]，地表蒸散發不僅影響區域的降水量，同時伴隨的潛熱效應具有降溫特征，被視為氣候系統中的核心過程與連接水熱循環的紐帶[3]。如何準確估算區域地表蒸散發量，并掌握其與影響因素的時空變化規律，對區域生態水源涵養與保護以及水資源合理開發利用提供理論基礎和科學依據。

傳統的蒸發皿、蒸滲儀等雖能獲取相對準確的ET，但大多局限于站點或田間尺度，適用于“點”或中小尺度的研究，遙感數據具有覆蓋范圍廣、時間周期短、信息量大、成本相對低，能夠獲取長時間序列、大尺度信息等無可替代的優越性，可動態、快速地獲取長時間大尺度的非均勻地面蒸散量，已成為目前區域地表蒸散發研究熱點[4-5]。MOD16數據是由美國航空航天局(NASA)制作并免費公開發布的蒸散發成品數據集，并根據Penman-Monteith(P-M)公式對MOD16數據進行了修正，得到了廣泛的認可和應用[6-8]。國內外針對ET研究在蒸散模型估算[9-10]、精度評估驗證[11-12]、與蒸散數據應用[13-14]、時空特征[15-17]與影響因子分析等[18-19]方面。張猛等[15]探討了洞庭湖流域蒸散量時空變化，并采用回歸模型分析了蒸散發與氣候因子的相關性；閆俊杰等[16]對2000—2015年伊犁河谷草地蒸散發的影響因素進行了分析，研究表明全區ET不僅受海拔影響明顯，且與覆蓋度的空間分布總體保持一致；邱麗莎等[17]利用趨勢分析及相關性分析等方法對比分析了2000—2018年的祁連山ET的時空變化特征及其主要影響因子。復相關分析綜合考慮多個影響因子共同作用，偏相關分析可有效排除其他因子干擾，兩者已被成為探究氣候因子對蒸散發影響的有效方法。王煥等[18]基于MOD16 ET數據和氣象數據，綜合運用單相關、偏相關和復相關分析法，分析了研究區ET的時空變化特征及其與氣候因子的關系；葉紅等[19]利用趨勢分析、單相關、偏相關和復相關分析法，研究了2000—2014年黃河源區ET時空變化特征，重點探討了在不同土地利用類型下ET的變化規律以及其與氣候因子的關系。縱觀現有研究發現，學者對河南省蒸散發的時空分布特征以及影響因素的研究比較缺乏。

河南省位于華北平原的南部地區，地貌自西向東突變，氣候復雜多變，特別是隨著現代化快速發展以及大規模頻繁的生產建設活動，地表和植被不斷遭受擾動，嚴重的水土流失導致水土資源破壞，生態環境惡化[20]。“十三五”以來，河南省大力建設水土保持重點工程和生態文明工程，生態治理成效顯著，但水資源開發利用效率低、結構性缺水問題仍然比較嚴重。由楊秀芹等[21]對淮河流域實際蒸散發的探索中可知:MOD16A2數據對河南省區域的適用性、合理性?；诖?，本研究以2001—2019年逐年MOD16 ET數據、MOD13 NDVI和氣象數據為基礎，綜合應用Theil-Sen Median趨勢分析對河南省蒸散發的時空分布特征進行分析，結合單相關、偏相關和復相關分析探究NDVI、氣候因子對ET的影響，從而為該區域提高水資源的合理開發利用效率提供科學依據。

1 數據及方法

1.1 數據來源及預處理

1.1.1 遙感影像數據 本文所用的ET數據和NDVI數據分別是美國NASA(https:∥search.earthdata.nasa.gov/)免費提供的2001—2019年的數據產品MOD16A2和數據產品MOD13A1。本文選用下載的MOD16A2/ET數據的時間分辨率為8 d，空間分辨率500 m；MOD13A1/NDVI數據的時間分辨率為16 d，空間分辨率500 m，遙感衛星軌道號為h27 v05，數據格式為HDF。首先利用MODIS產品批處理工具MRT(MODIS Reprojection Tool)對產品MOD16A數據和MOD13A1數據進行批量處理；然后利用Python軟件對轉換后的數據進行批量裁剪，利用Matlab2016年對異常值剔除和數據分析，并將ET數據加權平均獲取每月ET和每年ET，而NDVI數據采用最大值合成法獲取每月NDVI和加權平均獲取每年NVDI。

1.1.2 氣象資料 氣象數據來自中國國家氣象科學數據共享服務平臺(http:∥data.cma.cn/)。選取河南省內部及周邊104個地面氣象站，統計各氣象站點2001—2019年的年平均氣溫(℃)、降水量(mm)氣象數據作為氣候因子，考慮高程對氣溫和降水的影響，選擇使用克里金插值法對氣象數據進行空間插值處理。

1.2 分析方法

1.2.1 Theil-Sen Median趨勢分析 本文采用穩健的非參數化趨勢度(sen)分析方法，并通過Mann-Kendall統計檢驗法對ET長期變化的顯著趨勢進行解釋分析[22-23]。Sen趨勢度(p)計算公式為：

p=median((xj-xi)/(j-i)) 1

(1)

式中:xj,xi為ET時間序列,當p為負時,表示時間序列ET呈下降趨勢,當p為正時,時間序列ET表示時間序列呈上升趨勢。

由于Mann-Kendall統計檢驗法具有樣本數據不需要遵從一定的分布，適用于非正態分布的數據，能夠剔除少數異常值等優點。因此，Mann-Kendall統計檢驗法是氣象學、水文學、氣候學中比較常用的時間序列趨勢檢驗方法[24-26]。Mann-Kendall檢驗的公式為：

(2)

(3)

(4)

式中:Q為檢驗統計量;Z為標準化后的檢驗統計量;xj，xi為ET時間序列數據;n為樣本數,當n>8時,Q近似為正態分布,其均值和方差計算公式為:

E(Q)=0

(5)

(6)

式中:標準化后Z為標準正態分布,雙邊的趨勢檢驗中,在給定的α置信水平上,如果|Z|≥Z1-α/2則原假設是不可接受的,即在α置信水平上,|Z|大于等于1.645，1.96,2.576時,分別表示通過了信度90%,95%和99%的顯著性檢驗,對于統計量Z大于0時是顯著上升趨勢,Z小于 0時是顯著下降趨勢。因此,基于Theil-Sen Median trend和Mann-Kendall檢驗分析原理,利用MATLAB軟件編程實現對河南省19 a的ET的逐像元柵格計算分析。

1.2.2 相關性分析 基于像元尺度對河南省ET與NDVI進行相關分析研究。其中，線性相關分析的計算公式為:

(7)

式中:xi為第i年的ET;yi為第i年的NDVI;x,y分別為變量x,y的多年平均值;Rxy代表ET與NDVI的相關系數。

在線性相關分析的基礎上，偏相關分析能夠排除其他影響因子的相互干擾，分析兩者的相關性。因此，本文對ET與氣溫、降水量進行偏相關分析，分別探究氣溫和降水對河南省ET的影響。偏相關系數計算公式如下:

(8)

式中:x,y,z分別代表ET、氣溫和降水量;Rxy,z代表為在降水量不變情況下,ET與氣溫的偏相關系數。Rxy表示為ET與氣溫的線性相關系數;Rxz表示為ET與降水量的線性相關系數;Ryz表示為降水量與氣溫的線性相關系數。

復相關分析綜合考慮氣溫與降水等因子對目標的共同影響。復相關系數的計算公式為:

(9)

式中:Rx,yz為ET與氣溫、降水量的復相關系數;Rxy為ET與氣溫的線性相關系數;Rxz,y為在氣溫不變情況下,ET與降水量的偏相關系數。

基于像元尺度采用Matlab 2016年編程對ET與氣候因子的單相關、偏相關和復相關進行分析，探討了ET與氣候因子的空間相關性。

2 結果與分析

2.1 河南省ET的時間變化特征

季節性差異是體現地表蒸散量年內變化的重要特征，對2001—2019年河南省年際及各季節ET及變化率進行統計分析(圖1)，從整體上來看，2001—2019年河南省ET四季變化的分異明顯，且各季節呈現波動上升趨勢，春季(3—5月)ET為99.98～173.41 mm，均值為138.37 mm，占全年27.17%，氣溫逐漸回升，適量的降水量，同時農作物快速生長，因此蒸散保持較高水平；夏季(6—8月)ET為158.75～282.32 mm，均值為217.72 mm，占全年42.75%，較高的氣溫、較大的降水量給蒸散發提供了良好的條件；秋季(9—11月)ET為96.88～117.7 mm，均值為95.83 mm，占全年18.81%，主要受空氣溫度下降，植被逐漸凋落，蒸散量逐漸減小；冬季(12月至次年2月) ET為41.17～64.53 mm，均值為52.34 mm，占全年10.28%，氣溫，降水量均是一年中的最低季節，因此地表蒸散顯著低于其他季節；全省ET年均值波動較大，介于397.54～607.2 mm，多年平均ET值為509.22 mm。其中年際及四季ET的變化率分別為7.06 mm/a，2.43 mm/a，4.41 mm/a，1.80 mm/a，-0.34 mm/a，從河南省ET的年際及四季的蒸散量和變化率來看，年際ET值變化主要受春季、夏季的ET值變化影響，而冬季的ET值較小且變化相對比較穩定。從整體來看，河南省整體呈階梯上升趨勢，此與河南省生態文明建設工程的實施密切相關[20]。

圖1 河南省季節及年際的ET及其變化率

2.2 河南省的ET空間變化特征

2.2.1 多年平均ET空間特征 河南省2001—2019年多年平均ET空間分布見圖2，全省多年平均ET的范圍介于207.43～1 101.96 mm/a，將省內各市ET進行統計(表1)，多年ET均值地域分異明顯，分布總體呈現南高北低的格局。顯著的分異特征分布與全省省植被類型、復雜氣候有直接的聯系。豫東南地區地跨亞熱帶，降水豐富，地處平原，植被類型以耕地為主，豫西植被類型以森林為主，植被覆蓋率較高，ET主要500～700 mm為主；焦作北部、新鄉的西北部、濟源北部等屬太行山的南麓和東坡，多為基巖裸露的石質山地，植被覆蓋率低，降雨量少，ET以300～500 mm為主。

圖2 河南省ET多年均值

表1 2001-2019年河南省各市年均ET

2.2.2 NPP sen變化趨勢及顯著性檢驗 本研究基于Theil-Sen趨勢以及Mann-Kendall檢驗方法，使用ENVI 5.3軟件與Matlab 2016軟件對河南省19 a的ET進行趨勢分析，并將趨勢分析的結果與MK檢驗的結果進行疊加，從而揭示河南省ET在過去19 a的變化趨勢及其變化過程。依據該方法將結果分為無顯著上升/下降、弱顯著上升/下降、顯著上升/下降、極顯著上升/下降8個等級，見表2。由圖3可知，河南省ET的sen趨勢值介于在-28～48 mm/a，平均sen趨勢值為7.25 mm/a。從表2和圖3可見，河南省ET在空間上呈現出增加的趨勢(增加區域的面積>減少區域的面積)，其中ET的上升區域所占總比重為92.32%，其中極顯著上升區域最大值為41.57%，其次是無顯著上升區域與顯著上升區域分別為21.7%，19.35%，上升區域分布廣泛；下降區域所占總比重為6.64%，其中無顯著下降區域占4.59%，主要分布鄭州、新鄉、焦作等地區和城市群及周邊區域和沿黃河生態涵養帶，下降的原因主要與該地區的城市化和工業化和城市化進程影響水平，植被受到大范圍破壞，水土流失有關。整體表明河南省ET整體向上升趨勢發展。

圖3 2001-2019年河南省ET空間變化趨勢

表2 2001-2019年河南省ET變化趨勢比例示意表

2.3 河南省ET與影響因素的相關分析

2.3.1 河南省ET與植被指數DNVI的相關分析 2001—2019年河南省ET和NDVI的年內變化特征對比分析見圖4。由圖可得，多年月平均ET值和NDVI值具有顯著的一致性，其中多年月平均NDVI值為0.34～0.76，多年月平均ET值為18.01～96.4 mm，兩者皆呈雙峰型變化規律。其原因為河南省是典型的農業大省，省內耕地面積比重較大[21]，具體表現為:隨著2—4月溫度上升，植被快速生長，DNVI上升，ET也逐漸上升；5—6月是冬小麥等冬季作物豐收時期，作物的成熟和收割導致NDVI出現下降現象；7—8月夏季水熱條件豐富，玉米、花生等夏季作物生長迅速，同時也是草地和森林的生長茂盛時期，植被蒸騰、土壤蒸發旺盛，使得蒸散量迅速增加， NDVI與ET均達到高峰期；9—12月溫度下降，植被逐漸凋謝，NDVI與ET也隨之下降；11—次年1月蒸散發變化趨勢平緩，達到低值期。

圖4 ET和NDVI的年內變化分析

從空間上對ET與植被指數NDVI的相關性進行分析，其空間簡單線性相關系數分布見圖5。ET與NDVI的相關系數為-0.68～0.98，空間平均相關系數為0.51，ET與NDVI呈正相關區域占研究區總面積的96.53%，其中 (p<0.05)的區域占研究區的63.21%，ET與NDVI具有顯著的正相關關系。ET與NDVI的相關性的空間分異性可能與土地利用類型有直接關系，豫西，豫北地區以及南陽、信陽南部等地區以森林，草原為主，ET與NDVI相關性顯著；商丘、周口等豫東地區以耕地為主，ET與NDVI相關性較弱。

圖5 ET和NDVI的相關分析

2.3.2 河南省ET與氣候因子的相關分析 ET的變化與區域水熱變化規律密切相關，而氣溫和降水變化是影響區域水熱分布的重要環境因素[17]，通過年際變化特征研究表明降水量和氣溫的變化是影響ET變化的重要氣象因子。因此，選取降水和氣溫氣候因子作為影響河南省ET的主要氣候因子進行相關分析，并討論河南省ET的驅動類型。

(1) ET與氣候因子的線性相關性分析河南省ET與降水量、氣溫的空間簡單線性相關系數分布見圖6。ET與降水量的相關系數為-0.17～0.56，空間平均相關系數為0.22；與氣溫的相關系數為-0.26～0.57，空間平均相關系數為0.19，整體來說:河南省ET與降水量和氣溫均呈正相關關系。ET與氣溫的正相關區域占全區域的80.06%，呈顯著正相關區域 (p<0.05)占全研究區域為14.79%，分布相對廣泛，在周口、許昌以及豫北地區等形成連續大斑塊，而ET與氣溫呈顯著負相關區域 (p<0.05)占全研究區域為2.11%，集中分布在鄭州及周邊區域；ET與降水量的正相關區域占全區域的83.64%，呈顯著正相關區域 (p<0.05)區域占全研究區域為15.35%，而ET與降水量的呈顯著負相關區域 (p<0.05)區域幾乎忽略不計，其中豫南的顯著正相關區域多于豫北，說明豫南的ET受降水影響大于豫北。

圖6 河南省ET與氣溫、降水量的線性相關系數空間分布

(2) ET與氣候因子的偏相關性分析為了排除彼此的干擾，分別針對降水量和氣溫展開與ET進行偏相關分析，見圖7。ET與氣溫的偏相關系數為-0.21～0.61，平均值為0.26，顯著性水平(p<0.05)呈正相關區域占全區域20.79%，主要分布廣泛在新鄉市、周口市等豫東北地區；ET與降水量的偏相關系數為-0.09～0.6，平均值為0.28，顯著性水平(p<0.05)呈正相關區域占全區域22.38%，主要分布在南陽市、信陽市、周口市等豫東南地區。由結果可以看出，排除彼此的相關干擾，ET與降水量、氣溫的相關強度均增強。顯著性檢驗表明，全省ET與溫度的偏相關強度區域主要分布在豫北地區，ET與降水的偏相關強度區域主要分布在豫南地區。

圖7 河南省ET與氣溫、降水量的偏相關系數空間分布

(3) ET與氣候因子的復相關性分析將降水量和氣溫對ET進行復相關分析，分析降水量和氣溫對ET的共同影響。河南省ET與氣溫和降水的復相關系數在0.17～0.71，平均值為0.44，從圖8可以看出：河南省大部分地區ET與氣溫、降水的復相關性明顯，由F檢驗結果表明，通過顯著性水平(p<0.05)的ET區域為48.3%。

圖8 河南省ET與氣溫降水量的復相關系數空間分布

3 討 論

為了進一步揭示和掌握河南省ET與氣候因子的關系，基于偏相關與復相關的基礎上，參考葉紅等[19]的研究擬定的驅動規則(表3)，探索河南省ET的驅動機制。研究區內ET受溫度、降水驅動的地區存在空間分異現象，其中受降水驅動的區域占全區域為22.37%，受降水強驅動的地區占降水驅動區域的38.69%；主要分布在南陽，信陽等豫南地區；其中受氣溫驅動的區域占全區域為22.52%，氣溫強驅動的地區占氣溫驅動區域的43.49%，主要分布在豫北地區；氣溫降水共同驅動的區域占全區域為5.54%，主要分布在信陽、駐馬店和周口市等地區，氣溫降水共同強驅動的區域基本可以忽略。整體上，2001—2019年河南省ET驅動機制表現為氣溫或降水氣象因子單一驅動影響，除此還存在其他因子驅動。

表3 河南省ET驅動分布規則

河南省的ET時空特征具有一定的時空規律性，多年ET高值區主要分布在三門峽、駐馬店，南陽與信陽南部等豫南地區；多年ET低值區主要分布在鄭州、平頂山等豫西北地區，與楊秀芹等[21]研究一致。ET與NDVI的相關性較高區域主要分布在三門峽、南陽與信陽南部等豫南地區，此類地區海拔相對較高，植被類型以森林、草原為主，植被覆蓋率較高，表明ET分布與海拔、植被覆蓋度具有一定的聯系。ET與氣候因子的相關性分析結果表明全省ET與溫度的顯著正相關區域主要分布在豫北地區，與黃葵等[27]對海河流域南部蒸散發與溫度的相關性研究結論一致，而在鄭州及周邊區域存在少量的負相關區域，可能受工業化和城市化進程影響，生態環境遭受破環，存在“蒸發悖論”現象[28]；而豫南地區的ET與降水量的正相關性區域強于豫北地區，這與河南地處南北過渡帶，即暖溫帶—亞熱帶、濕潤—半濕潤季風氣候有關。

本文針對2001—2019年河南省ET時空特征及其與NDVI、氣溫和降水兩氣候因子的關系進行了深入研究，但仍存在一定的局限性:(1) 選用的MOD16/ET時序數據空間分辨率為500 m×500 m，時間分辨率有8 d，其中少量的像元值為無效值，本研究以鄰近時間的像元值為依據，合成各月尺度和年尺度的ET值，所以單個像元可能無法準確表現實際的ET分布。因此，在今后研究中，需選用更高分辨率的遙感數據，提高對區域細節和精度的解釋能力；(2) 本研究重點探索了河南省ET與NDVI、氣候因子等影響因子的關系，但ET受土地利用類型、經濟因素等眾多因素的影響。因此，從多個角度綜合考慮對河南省ET時空變化及其影響因素是以后研究重點之一。

4 結 論

(1) 2001—2019年河南省年際ET介于397.54～607.2 mm，多年平均ET值為509.22 mm，變化率波動明顯，從整體來看，河南省整體呈階梯上升趨勢現象與河南省生態文明建設工程的實施密切相關；2001—2019年河南省ET年內呈現周期性波動變化趨勢，具有強烈的季節差異性，四季多年ET均值從大到小排列為:夏季(217.72 mm)>春季(138.37 mm)>秋季(95.83 mm)>冬季(52.34 mm)，且多年ET年際及四季的變化率分別為7.06 mm/a， 2.43 mm/a，4.41 mm/a，1.80 mm/a，-0.34 mm/a，由四季、多年ET均值及四季的變化率結果表明，春季、夏季和秋季ET值對年際ET值變化影響較大，而冬季的ET值較小且變化相對比較穩定。

(2) 河南省2001—2019年多年平均ET空間分布總體呈現從南高北低的趨勢，ET的范圍介于207.43～1 101.96 mm/a，根據19 a的數據來看，豫東南地區和豫西地區植被覆蓋率高，降雨量豐富，ET主要500～700 mm為主；焦作北部、濟源北部等豫北地區植被覆蓋率低，降雨量少，ET以300～500 mm為主；從河南省ET的sen趨勢分析來看：值介于在-28～48 mm/a，平均sen趨勢值為7.247 7 mm/a，其中ET的上升區域所占總比重為92.32%，下降區域僅占總比重為6.64%，整體表明河南省ET整體向上升趨勢發展。

(3) 2001—2019年河南省多年月平均ET值和NDVI值兩者皆呈雙峰型變化規律，其中多年月平均NDVI值為0.34～0.76，多年月平均ET值為18.01～96.4 mm，伴隨NDVI的波動變化，多年月平均ET值隨之波動變化，具有顯著的一致性；從空間上對ET與植被指數NDVI的相關性進行分析，ET與NDVI的相關系數為-0.68～0.98，空間平均相關系數為0.51，ET與NDVI呈正相關區域占研究區總面積的96.53%，ET與NDVI具有顯著的正相關，從整體上看，ET與NDVI的相關性與植被類型緊密相關。

(4) ET與氣候因子的相關分析表明，ET與氣溫、降水整體呈正相關關系，其中豫南的ET受降水影響的區域大于豫北；豫北的ET受溫度影響的區域略大于豫南。整體上，2001—2019年河南省ET驅動機制表現為氣溫或降水氣象因子單一驅動影響，除此還存在其他因子驅動。