基于MOD16的珠江流域蒸散量时空分布特征

靖娟利,蔡江涛,2a,耿仁方,2b,王永锋

(1.桂林理工大学 a.测绘地理信息学院;b.广西空间信息与测绘重点实验室,广西 桂林 541006;2.南京信息工程大学a.地理科学学院；b.遥感与测绘工程学院，南京 210044)

0 引 言

地表蒸散(evapotranspiration, ET)是指在不同下垫面的气候要素影响下,特定区域内水分蒸发和散发的总和,包括地表水分蒸发和植物体内水分的蒸腾。地表蒸散是全球水和能量循环的主要成分,转移了陆地上约2/3的降水量,维持着地表能量的平衡,对监测气候变化和改善水资源管理具有重要意义[1],受到国内外学者的广泛关注。

传统的蒸散研究方法大都基于“点” 尺度[2-4], 观测成本高、 代表性差, 难以直接应用到较大范围的区域尺度。 遥感技术提供了大范围地表特征信息, 具有较好的时效性和区域性特点, 为大尺度非均匀下垫面的蒸散发监测提供了新途径[5]。 2011年美国NASA 团队基于Penman-Monteith 遥感模型和MODIS 数据研发, 发布了全球陆地蒸散数据集产品MOD16, 该数据集已由全球通量塔数据验证, 模拟精度达到86%[6-7], 在全球范围内得到广泛应用。

珠江流域处于我国南方亚热带湿润地区,其上游地处滇、黔、桂3省交汇处,是我国喀斯特环境的集中分布区,自然生态环境脆弱,其人口、资源、环境与可持续发展矛盾突出[8]。近年来,珠江流域旱涝灾害频繁,造成了巨大经济损失[9]。因此,开展珠江流域地表蒸散发时空分布研究,在水资源管理、旱涝灾害预警等方面具有重要的应用价值。

近年来,国内研究人员基于MOD16产品对鄱阳湖流域[10]、中国[11]、陕西省[12]、三江平原[13]、渭河流域[14]、淮河流域[5]、汉江流域[15]等开展了不同尺度的地表蒸散发时空分布特征评估。国内学者也相继对珠江流域地表蒸散量时空特征进行了研究：刘昌明等[16]采用优化太阳辐射计算的Penman-Monteith潜在ET计算方法, 分析发现珠江流域潜在ET呈下降趋势, 潜在ET对最高气温的变化最为敏感; 李修仓等[17]采用水量平衡模型和Penman公式分别计算了珠江流域7个子流域1961—2000年实际ET和潜在ET。 但这些研究都是基于站点气象数据进行空间内插, 进而研究珠江流域的潜在ET或实际ET的趋势, 其结果空间代表性差, 不能精准反映区域尺度ET趋势走向, 同时缺乏对流域内ET的空间分布特征的探讨。

本文以空间分辨率为1 km的MOD16A2月数据和MOD16A3年尺度数据为基础, 分析珠江流域蒸散发时空变化特征。 此外, 由于不同土地利用类型本身的生理生态特性及其所处区域的水热条件差异, 其平均蒸散量分布特征会表现出不同的变化特点[18]。 分别提取了珠江流域各种土地利用类型年均ET值, 并分析其变化特征。 通过以上研究, 可以为认识流域旱涝灾害成因、 加强生态保护、 合理配置水资源等方面提供科学的理论指导依据。

1 研究区概况

本文所研究的珠江流域范围在北纬21°31′—26°49′ 、东经102°14′—115°53′,流域覆盖滇、桂、粤、黔、湘、赣等省区,总面积达44.78万km2,是中国流域面积第三、流量第二的南方大河流域,主要的支流包括西江、北江和东江。珠江流域地势大体上西高东低、北高南低(图1),从西到东横跨云贵高原、两广丘陵和珠江三角洲平原,流域内山地、丘陵面积占94.4%,平原面积仅占5.6%。流域地处湿热多雨的热带、亚热带气候区,年平均气温在14～22 ℃,年际变化不大,但地区差异大；流域内雨量丰沛,多年平均降水量在1 200～2 200 mm,降水量由东向西递减,降雨季节分配不均,地区差异和年际变化较大,致使流域洪、涝、旱等自然灾害频繁。

2 研究方法

2.1 数据来源及预处理

数据包括MOD16地表蒸散数据、土地利用数据和流域边界数据,详细数据来源见表1。MOD16产品是基于Penman-Monteith方程,结合MODIS的日常气象再分析资料和8 d遥感植被属性动态信息得到的,其空间分辨率为1 km。本文选取2000年1月—2014年12月连续15年的MOD16A3年产品和MOD16A2月产品,利用MRT(MODIS Reprojection Tool)工具将原始的HDF数据进行投影转换和拼接, 将原有的正弦曲线(sinusoidal)投影转换为等积圆锥(albers equal area conic)投影，最后在ArcGIS 10.2 平台中去除数据中的无效值，并进行裁剪操作得到研究区1 km分辨率的ET。结合珠江流域实际情况,从中国1∶100万植被类型空间分布数据中选择林地、灌木、草地、荒地和耕地5类土地利用类型(图2)。从全球流域数据库GDBD 中提取珠江流域边界,并分为北盘江流域、南盘江流域、红水河流域等9个子流域。

表1 研究所用数据来源Table 1 Data sources for research

图2 研究区土地利用现状Fig.2 Land use in study area

2.2 Theil-Sen 中值趋势分析与 Mann-Kendall显著性检验分析

本文采用Theil-Sen中值趋势分析法研究珠江流域年均ET时间序列的变化特征,并结合Mann-Kendall检验法对变化趋势的显著性进行检验。

Theil-Sen 趋势度ρ计算公式为[19]

(1)

严格来说,ρ=0的像元非常稀少, 故釆用±0.000 5为阈值, 划分两阈值之间的像元为稳定区，ρ>0.000 5的像元为ET增加区,ρ值<-0.000 5值的像元为ET减少区。

Mann-Kendall 检验常广泛应用于降雨、气温和径流等水文气象要素的趋势分析及变异检验,其优点是无论序列是否属于正态分布,或受少数异常值的干扰,都可用于变量的趋势检验,计算方便,可用于变量的突变分析[20]。

Mann-Kendall检验的计算公式为[21]

(2)

(3)

(4)

(5)

其中:Z为标准化后的检验统计量;S为检验统计量; sgn是符号函数;θ=ETj-ETi;n为时间序列长度(本研究中n=15)。 当Z为正时, 表示序列呈增加趋势;Z为负时, 表示序列呈减少趋势;Z的绝对值越大, 表示序列变化趋势越显著。 在给定显著性水平α下, 在正态分布表中查临界值Z1-α/2,当|Z|>|Z1-α/2|时,认为时间序列变化趋势显著。本文选择置信水平α=0.05,Z1-α/2=1.96。

为了研究珠江流域2000—2014年间ET动态变化趋势,本文基于 Theil-Sen 中值趋势分析和 Mann-Kendall显著性检验方法,利用ArcGIS 10.2中的Arcpy编程工具对年均ET进行逐像元编程,得到Theil-Sen 中值趋势度ρ值,并进行Mann-Kendal检验得到检验统计量Z值。综合ρ和Z值,将ET变化趋势划分为显著增加、轻微增加、基本稳定、轻微减少、显著减少5类。

3 结果与分析

3.1 蒸散量时间变化特征

由图3可看出, 2000—2014年珠江流域ET年际波动较大, 年均值变化范围在941.00～1 002.93 mm/a, 变化率为0.32 mm/a, 整体呈微弱增加趋势。 多年ET均值为959.33 mm/a, 明显超出多年平均值的年份为2003和2007年, 其中2003年ET最高, 超出平均值43.60 mm, 相对变化率达到了4.54%; ET最小值出现在2010年, 为941.00 mm/a。 相关资料表明, 2003年珠江流域出现了罕见的持续高温天气, 降水严重偏少, 各地先后呈现夏秋连续干旱现象; 2007年珠江流域降雨量偏少严重, 流域内旱情发展蔓延,局部区域旱情较严重[22],这可能是ET波动大的重要影响因素。

图3 珠江流域多年平均ET的年际变化Fig.3 Inter-annual variation of average annual ET in the pearl River Basin

图4显示了珠江流域ET的年内变化特征,总体上呈先增大后减小的单峰型分布。ET主要集中在 5—10月份, 4—5月快速增长, 7月份达到峰值121.60 mm, 10—11月迅速下降, 1月降至年内最低值 39.29 mm。 这主要是因为1、 2和12月份流域内的气温相对较低, 不利于地表蒸散发; 5—9月份是该流域的雨季, 水热条件充分，再加上风速大、 日照充足, 提供了有利于ET的条件; 10月后气温逐渐回落, 又向着不利于蒸散发的条件转变, ET逐渐下降到最小值。 受流域内海拔、 气候因子、 太阳辐射等多种因素的综合影响[23], 珠江流域四季ET差异显著,整体表现为:夏季(349.75 mm)>秋季(248.06 mm)>春季 (237.05 mm)>冬季(123.92 mm), 多年均值分别占年蒸散量的36.48%、 25.87%、 24.72%、 12.92%。 ET在春季(3—5月) 增长迅速, 夏季(6—8月)达到峰值, 秋季(9—11月)急剧减小, 冬季(12—2月)变动较平缓且全年最低。

图4 珠江流域多年月平均ET年内分布Fig.4 Distribution of average annual monthly ET in the Pearl River Basin

3.2 蒸散量空间分布特征

3.2.1 蒸散量多年平均及季节分布特征 珠江流域多年ET均值在401.2～1 665.1 mm/a, 表现出显著的空间差异性, 整体上呈现东高西低、 南高北低,流域上游低、 中下游高的分布格局。

由图5可知,流域内多年平均ET峰值出现在北江流域, 达到1 030.3 mm/a,ET高值区集中分布在北江流域中南部、桂江流域与黔洵江及西江流域接壤地区、右江流域北部及左江流域南部等地区,而低值区主要分布在北盘江流域和南盘江流域的西部,其ET值在400～600 mm/a。

图5 珠江流域多年ET平均值空间分布Fig.5 Spatial distribution of average annual ET in the Pearl River Basin

ET空间分布格局主要受地形地貌、地表植被类型、大气湿度等因子的影响。ET高值区主要位于珠江三角洲、广西盆地,这些地区海拔一般低于200 m,地表植被主要为常绿阔叶林,而且南临南海,水汽供应充足。而ET低值区集中分布在流域源头,位于云贵高原南缘,海拔大都在2 000 m以上,地处喀斯特地区,石灰岩广泛分布,土层薄且土壤侵蚀退化严重,地表植被主要以亚热带天然次生植被和人工植被为主,蓄水能力较差,而且由于地形抬升,水汽供应不足,造成多年平均ET较小。

为更好地反映ET的分布,将四季平均ET值每隔100 mm重分类成不同等级。珠江流域ET存在明显的季节性差异。春季流域内ET值在50～350 mm波动(图6a), 随着温度回升, 地表蒸散量逐渐增加。 蒸散量介于250～350 mm的高值区主要分布在两广丘陵地区海拔较高的山区,这些地区主要分布林地,蒸散量普遍较高;而<150 mm的低值区集中分布在珠江源头,这些地区处于云贵高原,海拔相对较高,远离海洋,空气湿度相对流域其他部分较低,同时该地区耕地广泛分布,春季尚未种植农作物,因此ET低于流域其他部分。夏季降水丰沛,温度随之升高,流域内ET达到全年最大值,低值区缩小至流域西北一角,红水河流域的中部和右江流域北部形成高值区中心,高值区域的植被类型大都为林地,林地的叶面积指数远高于其他植被类型,夏季水热条件优异的情况下,植被蒸腾作用较强,而植物蒸腾在蒸散中占据最大比重,因此产生高值集中区域。此外,右江流域高值区旁边有一条明显的西北—东南走向的狭长低值带,原因是该地区处于百色盆地,因此ET较周边区域低,这与多年ET均值的空间分布也相符合(图6b)。秋季,流域内气温逐渐降低,地表蒸散量逐渐回落,ET的高值中心缩小至百色中部,ET的整体分布与春季相似,低值区零星分布在流域西部(图6c)。冬季流域内ET达到全年最小值,50～150 mm的低值区在流域内广泛分布，仅在东南沿海地区地表蒸散量相对较高(图6d),原因是这些区域冬季水热、太阳辐射等相对于流域其他区域都更优异。

图6 珠江流域四季地表蒸散量空间分布Fig.6 Spatial distribution of land-surface evapotranspiration in different seasons of the Pearl River Basin

3.2.2 蒸散量空间变化趋势 由表2、图7和图8可知,珠江流域近15年蒸散量在空间上总体呈增加趋势。ET增加区域占54.13%,显著增加区域占7.15%;ET减少的区域占43.55%,显著减少的区域占4.68%;ET基本稳定的区域仅占2.32%。ET_Sen趋势度介于-57.3～44.2,经统计分析发现,低值区集中分布在南盘江流域、右江流域和北江流域,高值区散布于各流域。

云贵高原东南部和广西盆地等地区ET变化趋势复杂,这些区域是典型的喀斯特地区,生态环境脆弱,植被覆盖度较低,在人类工农业生产活动持续干扰下,改变下垫面的性质,ET波动较大。ET显著增加的区域主要分布于贵州境内,集中在安顺、黔南和黔西南三者交界处,桂林和柳州的东南部地区也存在小范围带状的显著增长区,这些区域地表植被覆盖良好,不同植被类型分布较为均衡。ET显著减少的区域主要集中在云南曲靖西部、红河哈尼族彝族自治州东部,广西百色中部的西北东南走向的带状区域以及桂林、南宁等城市中心周围的环状区域,这些地区受人类活动持续干扰, 地表植被覆盖度低, 且植被类型较为单一。ET基本稳定的像元零星分散在研究区,围绕在变化趋势不显著的像元。

图7 ET_Sen变化趋势Fig.7 Trends of ET_Sen

图8 Mann-Kendall显著性检验Fig.8 Significance test of Mann-Kendall

3.2.3 不同土地利用类型蒸散量变化特征 为了揭示珠江流域不同土地利用类型蒸散特征,基于GIS中的区域统计功能,分别提取不同土地利用类型的年均蒸散量变化特征。

从图9可知,不同土地利用类型年均ET值存在一定差异性,林地的年均ET均值远高于其他土地利用类型,达到1 011.22 mm/a,其次为草地、灌木、耕地,荒地年均ET仅为837.32 mm/a。究其原因,是研究区林地资源丰富、土壤水分比较充沛、气候湿润,因此林地蒸散量比较高;而荒地由于植被覆盖度低,土壤保水能力差,在相同的水热条件下,其蒸散量相对较低。

从图10可以进一步看出,不同土地利用类型15年来年均ET变化趋势大致类似。荒地的ET值年际波动最为显著,林地次之,两者均呈微弱增长趋势,与全流域年均ET的变化趋势相同,而草地和灌木的年际波动则不明显。

图9 不同土地利用类型的年平均蒸散量Fig.9 Annual average evapotranspiration of different land use types

图10 不同土地利用类型蒸散量年际变化Fig.10 Interannual variation of evapotranspiration of different land use types

4 结论与讨论

本文利用MOD16产品研究了2000—2014年珠江流域蒸散量时空分布特征和变化趋势,结论如下:

(1)时间格局上,2000—2014年珠江流域ET年际波动较大,总体呈微弱增加趋势,变化率为0.321 1 mm/a。多年ET在941.0～1 002.9 mm/a,均值为959.33 mm/a。ET的年内分布呈现先增大后减小的单峰型分布,各季节ET均值的大小关系为:夏季>秋季>春季>冬季。

(2)空间格局上,珠江流域多年平均ET空间差异显著,变化范围在 401.2～1 665.1 mm/a,整体上呈现东高西低、南高北低的空间分布格局。ET峰值出现在北江流域,而低值区集中分布在珠江源地区。四季平均ET夏季最大,高值区成片出现在红水河流域和右江流域;春秋接近且在流域内均衡分布;冬季最小,高低值的分布格局较其他季节有较大差异且空间分布差异不明显。

(3)由Theil-Sen 趋势分析结果可知:ET_Sen趋势度介于-57.3～44.2,ET变化趋势以轻微增加为主。其中ET增加区域(54.13%)大于减少区域(43.55%), 显著增加区域(7.15%)高于显著减少的区域(4.68%),而ET基本稳定的区域仅占2.32%。显著增加的区域主要分布于红水河流域、柳江流域、南盘江流域;而显著减少的区域主要分布在南盘江流域、右江流域、北江流域。

(4)受地表类型的影响,不同土地利用类型ET的分布特征具有差异性。林地的ET均值最高,荒地最低。不同土地利用类型年均ET波动基本类似,荒地的ET值年际波动最为显著。

2000—2014年珠江流域ET年际呈微弱增加趋势,年内变化在春季增长迅速,夏季达到峰值,秋季急剧减小,冬季变动较平缓且全年最低。这与钟昊哲等[24]采用最小二乘法对Penman-Monteith-Leuning模型进行参数优化,并结合MOD15A2叶面积指数进行空间外推,得出西南喀斯特区域蒸散发与季节的明显相关性:夏季蒸散发最高,冬季蒸散发最低的研究结果一致。基于Theil-Sen中值趋势分析和Mann-Kendall显著性检验方法分析研究区ET变化趋势,ET明显增加的区域主要分布于贵州境内,集中在安顺、黔南和黔西南三者交界处。这与戴明宏等[25]运用反距离权重插值法得出多年平均ET最高值点分布于安顺地区,毕节南部、六盘水东部和黔西南州北部次之的结论相似。由于动力和热力性质差异,不同土地覆盖的蒸散发量差异显著,林地>草地>灌木>耕地>荒地,且多年月平均蒸散量最大值均出现在7月。邴龙飞等[26]对 NOAH 陆面模式模拟的近30年中国陆地蒸散量和土壤含水量进行统计分析,认为林地在所有的生态系统类型中平均蒸散量最大,其次为草地、农田,除荒漠外,各生态系统类型蒸散量皆在7月达到最大,与本研究的结论相似。因此,本研究的结论对认识珠江流域不同时空维度的蒸散发格局增添了新的证据。

MOD16数据集基于Penman-Monteith方程,较好地反映了区域水和能量平衡,可用于揭示区域蒸散发的时空动态特征。随着区域气候系统的变化和人类活动的影响,珠江流域内ET显著减少的区域是否会持续发展,尤其是城市扩张造成的自然植被破坏,还需要全面、长序列的数据进行深入研究。区域地表蒸散发过程十分复杂,影响因素众多,主要包括水量供应因素(土壤含水量)和能量因素(主要有太阳辐射、 气温、 水汽压差以及风速等),本文尚未进一步定量分析这些因素对ET变化趋势的影响,有待进一步建立模型进行分析。