基于MOD16產品的科爾沁草原地表蒸散時空變化特征

于 靜，王 鶯，高亞敏，齊佳慧，付 銘

(1.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室，中國氣象局干旱氣候變化與減災重點實驗室，甘肅 蘭州 730020；2.內蒙古自治區通遼市氣象局，內蒙古 通遼 028000；3.內蒙古自治區赤峰市氣象局，內蒙古 赤峰 024000)

引 言

蒸散是植被及地面向大氣輸送的水汽總通量，包含水分蒸發、土壤蒸發和植被蒸騰三部分，是水循環系統中影響水體、土壤、植被和大氣之間水分交換過程的重要媒介[1-2]。潛在蒸散(potential evapotranspiration, PET)和實際蒸散(evapotranspiration, ET)是反映地表蒸散能力的兩個代表性變量。潛在蒸散指充足水分供應條件下地表蒸散能力，是一種理想狀態，而實際蒸散則是地表在自然情況下真實蒸散能力，二者存在互補關系[3-4]。科爾沁草原地處干旱半干旱地區，蒸散是該地區水分消耗的主要途徑，其與降水共同決定著區域氣候的干旱程度[5]，因此充分認識蒸散變化過程，對于準確把握科爾沁草原水資源合理利用、旱澇特征及監測與預警具有重要意義。

全球變暖對大氣環流及水文過程有深刻影響，進而對水循環系統和水資源時空再分配產生影響[6-8]。蒸散一直以來都是陸表水循環最難估測的分量，傳統蒸散研究只限于區域觀測及理論模型計算的點狀數據，較難實現較大區域蒸散的統計和分析[9-12]。相比于傳統蒸散估算方法，遙感監測具有實時性強、準確度高、宏觀尺度大等優勢，且能夠大范圍同步獲取地表輻射、植被狀況等信息，使得獲取大范圍、多時相的地表蒸散成為可能[13]，因此基于遙感的ET估算被廣泛應用于中國陸面蒸散發研究中，一定程度上減少了站點數據非均質界面上尺度外推所造成的誤差[14]。2011年，NASA發布了全球蒸散發產品數據集(MOD16)，該數據為全球陸地水循環、能量循環和環境變化研究提供重要信息，其精度達86%，廣泛用于不同區域、不同地表蒸散的時空分布特征以及影響因素等[15-19]研究。如MOD16蒸散產品在中國南疆地區有較好的適用性，且ET與PET空間分布趨勢相反，二者年均差值較大[17]；黃河源區不同土地利用類型的MOD16-ET自沼澤地、林地、草地、裸地逐漸減小，且ET與同期氣溫、降水呈正相關[19]。

科爾沁草原地區，沙地與草地共存，水資源短缺，降水少，蒸發大，約90%的降水用于蒸發，致使土壤水分虧缺、植被生產力低、干旱頻發[20]，蒸散是該區域地表熱量和水分平衡的決定性因素，其變化關系著區域氣候、生態環境、水資源等。然而，以往研究多基于氣象站點觀測資料，難以真實反映區域尺度下地表蒸散狀況。為此，本文利用2000—2019年MOD16蒸散產品數據集和MCD12土地覆蓋數據以及科爾沁草原地區氣溫和降水量等氣象要素站點觀測資料，在年、月時間尺度下對科爾沁草原地表ET與PET的時空變化特征進行分析，并采用Hurst指數揭示蒸散量的未來變化趨勢，以期為科爾沁草原地區水資源管理、生態環境保護以及沙地綜合治理提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區與數據源

科爾沁草原位于內蒙古自治區東南部，地理位置介于117°49′E—123°42′E、41°41′N—46°05′N之間[21]，其地表覆被包含草地、林地以及農業用地等，行政區劃上包括14個旗縣：赤峰市的翁牛特旗、阿魯科爾沁旗、敖漢旗、巴林左旗、巴林右旗和興安盟的科爾沁右翼中旗以及通遼市所有旗縣(區)。該區域平均海拔476.9 m，地形總體西高東低(圖1)，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，雨熱同期。對科爾沁草原及其周邊18個氣象站點2000—2019年氣候資料統計發現，該地區年平均氣溫約6.6 ℃，年平均降水量為355.7 mm，其中2009年降水量最少為259.5 mm，2012年最多為511.7 mm，且降水量年內分配不均，多集中在6—8月，約占年降水量的80%。

圖1 研究區地形高度(陰影)及氣象站點分布Fig.1 Distribution of terrain height (shadows) and meteorological stations in study area

所用數據有：(1)2000—2019年中國地面氣候資料月值數據集，氣候要素包括平均氣溫、降水量、日照時數、大風日數、相對濕度、蒸發皿蒸發量。(2)2000—2019年MOD16蒸散產品逐月數據集，其空間分辨率為1 km，包含潛在蒸散(PET)和實際蒸散(ET)2種數據；MCD12土地覆蓋類型數據，空間分辨率為1 km。(MODIS數據網址：https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/)。(3)GDEM V2 DEM數字高程數據，空間分辨率30 m(地理空間數據云網址：http://www.gscloud.cn/sources/index)。利用ENVI、ArcGIS對MOD16產品進行異常值、無效值剔除，以及圖像拼接、裁剪、投影轉換等基礎操作，獲得科爾沁草原ET和PET數據集。另外，涉及的內蒙古行政邊界是基于內蒙古自治區標準地圖服務網站下載的審圖號為蒙S(2017)028的標準地圖制作，底圖無修改。

1.2 研究方法

1.2.1 MOD16產品精度檢驗

科爾沁草原地處干旱與半干旱區，蒸發皿蒸發量與MOD16-PET更接近，都表示為一定水分供應條件下的最大蒸發量。為驗證MOD16蒸散產品在科爾沁草原的適用性，選取研究區內14個觀測站點的168組蒸發皿觀測數據，其中108組數據與MOD16-PET數據進行相關性檢驗，即“點”尺度上的精度驗證。從圖2看出，蒸發皿蒸發量與MOD16-PET的擬合效果較好，決定系數達0.9以上，通過α=0.05的顯著性檢驗，說明MOD16-PET蒸散數據在科爾沁草原地區具有較好的適用性。但同時也發現，當蒸發量較大時二者部分點比較離散，且MOD16-PET明顯偏小，這可能是PET受太陽輻射影響，在夜間沒有潛在蒸散，而蒸發皿數據則是全天候監測，導致量值偏大，在一定程度上影響二者的相關性。

圖2 MOD16-PET與蒸發皿蒸發量的相關性Fig.2 Correlation between pan evaporation and MOD16-PET product

1.2.2 統計方法

采用趨勢分析法、Mann-Kendall突變檢驗[22]及Hurst指數[23]等方法，分別計算每一個柵格像元ET及PET的變化傾向率和總體上突變點及未來變化趨勢。其中，變化率分為嚴重減少、輕度減少、基本不變、輕度增加、顯著增加5個等級。

2 結果與分析

2.1 科爾沁草原ET與PET的時間變化特征

近20 a科爾沁草原ET較PET年際波動明顯[圖3(a)]，ET的波動范圍為233.36～322.48 mm，多年平均為287.04 mm，傾向率為28.86 mm·(10 a)-1，整體呈現顯著增加趨勢(R=0.58，通過α=0.05的顯著性檢驗)；PET的波動范圍為1122.23～1512.94 mm，多年平均為1395.65 mm，整體呈顯著減小趨勢(R=0.64，通過α=0.05的顯著性檢驗)，傾向率為-13.35 mm·(10 a)-1。PET與ET之差可以較好地反映地表缺水情況，差值越大，缺水、干旱程度越嚴重。從圖3(a)看出，科爾沁草原地區PET與ET的差值較大，各年份普遍在1000 mm以上，說明該區域整體缺水、易旱，最為明顯的是2009年，其次為2007年。與地表實際情況對比發現：由于長期晴熱高溫，無有效降水，2009年內蒙古全區發生了嚴重的旱災，科爾沁草原地區出現夏旱(6—8月)[24-25]。據國家氣候中心2007年全國主要干旱總體評價可知，2007年科爾沁草原地區出現了嚴重夏旱。

從圖3(b)看出，科爾沁草原地區ET與PET整體上均呈現單峰型的月際分布，表現為先升后降的變化趨勢，但高值出現的月份存在一定差異，PET在5—7月較大，而ET在7—8月較大，可見蒸散量在春夏轉換及夏季時期較大，此時日照充足，降水充沛，且草原處于盛草期，蒸發、蒸騰旺盛；5月PET與ET 的差距最大，說明科爾沁草原在5月處于最干旱狀態。按季節來看，春季(3—5月)ET處于較低值，且有一定的下降，而PET則表現為持續迅速上升，極易發生春旱，其原因是春季氣溫迅速回升、植被開始返青、降水仍較少；夏季(6—8月)，氣溫升高，降水增多，日照充足，ET與PET處于年內最高季節；秋季(9—11月)，氣溫降低，降水減少，蒸發能力減弱，ET與PET均開始減少；冬季(12月至次年2月)，氣溫低、降水少、太陽輻射弱，ET與PET均處于最低值。綜上可見，5月PET與ET的差值最大，其次為6月，說明科爾沁草原地區極易發生春旱或春夏連旱。

圖3 2000—2019年科爾沁草原ET與PET年際(a)及逐月(b)變化Fig.3 The inter-annual (a) and monthly (b) changes of ET and PET in the Korqin grassland from 2000 to 2019

圖4是2000—2019年科爾沁草原ET與PET變化趨勢空間分布。可以看出，科爾沁草原ET整體上以增加趨勢為主，增加區域總體超過75%，其中輕度增加的面積占64.36%，顯著增加(通過α=0.05的顯著性檢驗)的面積占10.95%；而西部則以減小趨勢為主，集中分布在巴林左旗、巴林右旗以及翁牛特旗中東部、阿魯科爾沁旗北部[圖4(a)]；PET增加的面積大于減少的面積，增加的區域集中在庫倫旗、科左后旗以及巴林右旗大部、翁牛特旗西部，面積達40%，而減少面積約占25%[圖4(b)]。

圖4 2000—2019年科爾沁草原ET(a)與PET(b)變化趨勢(空白區無值，下同)Fig.4 Change trend of ET (a) and PET (b) in the Korqin grassland from 2000 to 2019(the values in blank areas for nodata, the same as below)

科爾沁草原地表蒸散的增加可能與植被恢復工程有關。十八大以后，地處科爾沁草原腹地的通遼市，推進科爾沁沙地綜合治理、退耕還林還草，建立草原長效保護機制，其北部草原植被覆蓋度比2013年提高了3.4%，草原綜合植被蓋度達62.1%。根據水量平衡原理，地表蒸散發的顯著增加將會引起降水增加。統計發現，研究區域降水量呈現增加趨勢。這正印證了上述觀點。

Mann-Kendall檢驗顯示，就ET而言，2000—2019年UF值波動變化，但始終大于0，且UF和UB在95%的置信區間內有2個交點(分別在2003年和2011年)，交點值均大于0，此后UF值均超過臨界線[圖5(a)]，表明科爾沁草原ET呈現增加趨勢，且分別在2003年和2011年發生由弱到強的突變。與ET變化趨勢相反，PET呈現減少趨勢，且在置信區間內UF和UB有1個交點(在2015年)，交點值小于0，此后UF值超過了臨界線[圖5(b)]，表明PET在2015年發生由強到弱的突變。可見，近20 a科爾沁草原地區ET與PET整體呈現反向變化趨勢，ET呈現增加趨勢，且分別在2003年和2011年發生顯著突變，而PET呈現減少趨勢，且在2015年發生顯著突變。

圖5 2000—2019年科爾沁草原平均ET(a)和PET(b)的Mann-Kendall檢驗Fig.5 The Mann-Kendall test of average ET (a) and PET (b) in the Korqin grassland from 2000 to 2019

此外，利用Hurst指數判斷科爾沁草原地表實際蒸散量在時間上的持續性，發現Hurst指數介于0.02～0.68之間，平均為0.419，Hurst指數大于0.5的區域主要集中在科爾沁草原西部和北部地區，包括扎魯特旗中北部、阿魯科爾沁旗、巴林左旗北部、巴林右旗東部以及敖漢旗西北部(圖略)，占總面積的21.7%，表明未來科爾沁草原約有兩成的區域ET仍持續目前的變化趨勢。

2.2 科爾沁草原ET與PET的空間分布特征

科爾沁草原多年平均ET與PET存在明顯的空間分異特征，整體上ET由東南和西北兩側向中部逐漸遞減[圖6(a)]，大值區主要分布在西北部，以旗縣為統計單元，巴林左旗的蒸散量最大，平均為26.28 mm，蒸散量最小的為翁牛特旗，平均為19.50 mm；PET大體由中部向西北和東南兩側逐漸遞減，中部敖漢旗的潛在蒸散量最大，平均為127.37 mm，其次為翁牛特旗，平均為127.23 mm，科爾沁右翼中旗最小為116.70 mm。可見，科爾沁草原ET和PET在空間上存在一定的反向分布特征。

圖6 科爾沁草原年平均ET(a)與PET(b)的空間分布(單位：mm)Fig.6 Spatial distribution of annual average ET (a) and PET (b) in the Korqin grassland (Unit: mm)

2.3 不同土地利用類型的ET與PET變化特征

對科爾沁草原主要土地利用類型林地(占6.7%)、草地(占72.3%)、農田(占21%)的ET與PET進行統計，發現不同土地利用類型下地表蒸散特征不同，多年平均ET自林地(29.2 mm)、草地(23.73 mm)、農田(22.46 mm)依次減小，其原因可能是樹木根系深、吸水性強、郁閉度大，蒸騰作用強，因此林地ET較大；PET自農田(122.89 mm)、草地(121.29 mm)、林地(117.93 mm)依次減小，這可能與農田灌溉有一定的關系，灌入農田的水在地表停留時間較長，致使潛在蒸散量較大。

2.4 地表蒸散與氣象因子的響應關系

氣象因子對地表蒸散有重要影響。統計發現，近20 a科爾沁草原地區平均氣溫呈不顯著升高趨勢，升溫率為0.19 ℃·(10 a)-1；降水量呈顯著增加趨勢(通過α=0.05的顯著性檢驗)，每10 a約增加64.37 mm，其中春季降水增加顯著，增加率為24.99 mm·(10 a)-1，春季降水增加有利于牧草返青與生長。日照時數和年均風速及大風日數均呈現減少(小)趨勢，減少(小)率分別為111.4 h·(10 a)-1、0.08 m·s-1·(10 a)-1、3.7 d·(10 a)-1，其中僅日照時數通過了顯著性檢驗。綜上可見，近20 a科爾沁草原降水量明顯增加，日照時數顯著減小，平均氣溫、平均風速與大風日數變化不明顯。

ET和PET與上述氣象因子相關分析(表1)發現，科爾沁草原ET和PET與各氣象因子的相關性一致，均表現出與降水量和日照時數呈顯著正相關，而與其他要素的相關性較弱。近20 a來，科爾沁草原降水增加有利于地表蒸散，尤其是降水集中的夏季，其地表蒸散量趨于最大，但日照時數減少不利于地表蒸散，說明地處干旱半干旱的科爾沁草原地表蒸散變化受溫度影響較小，主要取決于降水因素，還可能與降水增多引起植被改善有一定關系。

表1 科爾沁草原地表蒸散與氣象因子的相關系數Tab.1 The correlation coefficients between surface evapotranspiration and meteorological factors in the Korqin grassland

3 結 論

(1)MOD16地表蒸散產品在科爾沁草原地區具有較好的適用性。近20 a科爾沁草原ET較PET年際波動明顯，變化趨勢空間不盡一致，ET整體呈增加趨勢，以28.86 mm·(10 a)-1的速率增加，增加的范圍超過75%；而PET整體則以13.35 mm·(10 a)-1的速率減少，但增加趨勢的面積大于減少趨勢的面積。

(2)科爾沁草原ET與PET均呈現典型的“先升后降”單峰型月際分布，但蒸散量高值出現的時間存在一定差異，PET在5—7月較大，而ET則在7—8月較大。

(3)科爾沁草原ET和PET具有反向的空間分異特征，大體上ET由東南、西北兩側向中部遞減，大值區分布在西北部，而PET則相反；不同土地利用類型下地表蒸散量不同，ET自林地、草地、農田依次減小，而PET正相反，農田的PET最大。

(4)近20 a科爾沁草原ET分別在2003年和2011年發生由弱到強的突變，而PET則在2015年發生由強到弱的突變；ET的Hurst指數介于0.02～0.68之間，平均為0.419，未來科爾沁草原僅有20%左右的區域地表實際蒸散可能持續目前的變化趨勢。

(5)科爾沁草原ET和PET與各氣象因子的相關性一致，均與降水量、日照時數呈顯著正相關，而與平均氣溫、風速、相對濕度關系不顯著。

由于受云和地形陰影等因素干擾，MOD16遙感數據產品某些像元存在無值現象，這可能會導致研究結果存在一定誤差，因此開展無值像元擬合算法研究，是該產品亟待解決的問題之一。