基于MOD16产品的涟江流域蒸散量时空变化特征

颜红，马龙生，韦小茶，杨文，梁建方，夏传花

(贵州师范大学 地理与环境科学学院，贵州贵阳550001)

近年来，在日益加剧的全球变化背景下，各区域的水热条件发生了明显变化[1]。蒸散发(evapotranspiration，ET)是地下水-土壤水-植被-大气水循环系统的重要驱动力[2-3]。地表大约一半以上的降水都是以蒸散发的方式到达大气中，它对区域水热分布状况起着重要作用[4-5]。因此，分析流域地表蒸散发的时空变化特征，对了解区域水热分布规律、水资源合理开发利用与水土保持等有着重要意义[6-7]。

近年来，国内外的相关学者对地表蒸散量开展了大量研究。在基于站点数据的地表蒸散发研究中，杜琦基于汾河流域1956—2010年6个水文站点的平均蒸散发系数，计算了植被恢复对流域蒸散发的影响[3]；吴霞等基于中国552个气象站点1961—2015年逐日气象数据的研究指出，风速减小、日照时数降低和水汽压微弱增加是ET减少的主要原因[8]；于飞等研究认为日照时数、日最高温度和日相对湿度对贵州潜在蒸散量的变化具有重要作用[9]。但对较大的流域尺度来说，地表存在着较大的差异性，水热传输存在动态性，传统的仪器设备和方法已不适用于大尺度流域ET的监测[10-12]。随着遥感技术的不断更新换代，地表参数获取途径越来越方便，为区域ET的遥感监测找到新的途径[13-15]。张长春通过利用相关遥感数据和方法对黄河的三角洲地区进行研究[16]；Hafeez等通过相应的地表参数和模型，对菲律宾的Puma Panga河上游区域开展深入研究，掌握了区域地表蒸散发分布情况[17]；梁文广等对鄱阳湖流域的地表蒸散发分布情况也进行相应研究，并取得了良好的效果[18]。范建忠等利用MOD16产品数据，分析陕西省ET的时空变化特征[19]。邓兴耀等通过15 a的地表蒸散发量数据，运用相关分析及模型模拟等方法，研究中国西北干旱区蒸散发的空间分布格局，并对不同维度的时空分异规律和未来变化趋势进行预测[20]。前人基于遥感数据和水文模型等方法的研究中[21-23]，表明MOD16产品能较好地表示各区域地表蒸散量时空分布特征，融合“遥感反演-实地监测-计量经济学模型测算-数据综合分析”四位一体是流域水资源管理的重要方法[24-25]。

喀斯特地区广泛分布着可溶性的碳酸盐岩，具有地表地下二元结构，地表渗漏系数大，即使在降水条件丰富的条件下，仍容易形成“工程性缺水”的问题。在脆弱的喀斯特生态环境背景下，地表蒸散发更是加剧该区的水资源问题[26]。吴丽萍等研究发现，日照时数、风速和平均温度等因子对ET的影响在喀斯特与非喀斯特地区表现出不同的特征[27]。涟江流域是贵州典型的喀斯特流域，水资源开发利用是当地社会经济发展的重要问题。因此，基于2000—2014年MOD16产品数据，分析贵州省涟江流域月、季节和年尺度下的地表蒸散量时空变化特性，为流域水资源的合理开发利用、水循环过程研究和生态环境建设等提供科学依据和决策参考。

1 研究区概况

涟江流域地处贵州省中南部，地理坐标为：东经106°14′～106°51′，北纬25°32′～26°26′之间，流域面积约3 050.65 km2。地势东南高西北低，主要分布着碳酸盐岩，发育有岩溶高原和峰丛洼地为主的喀斯特地貌，其中黄壤、水稻土、草甸土和石灰土为主要土壤类型。属亚热带季风气候，具有温暖湿润、降雨量大的特点，年平均温度为15.8 ℃，降水量约为1 231 mm，以亚热带常绿阔叶林为主[28]。区域属喀斯特生态环境脆弱地区，日益加剧的人类活动干扰使得自然环境不断遭到破坏，土壤侵蚀严重，基岩裸露导致土地生产力下降，流域内长顺市、罗甸县和龙里县等地的石漠化、水土流失现象较为严重。参考童晓伟等人的研究，将涟江流域划分为峰丛洼地和岩溶高原2个大地貌单元[29](图1)。

图1 涟江流域区位

2 数据来源与处理

地表蒸散遥感数据(MOD16，Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer 16)的下载地址为http://files.ntsg.umt.edu/data/NTSG_Products/MOD16/，研究区所处的卫星轨道号为h27v06，所获取数据的时间分辨率为8 d，时间序列为2000—2014年。基于IDL编程语言将MOD16产品的hdf格式批量转换为tif格式，采用WGS_1984地理坐标，Albers Equal-Area Conic投影坐标。并通过IDL编程语言实现影像批量拼接、裁剪和像元亮度值(digital number，DN)转化等。采用最大值合成法MVC(Maximum Value Composites)将8 d的数据合成月份、年份数据，该方法能消除一部分云、大气、太阳高度角的部分干扰，目前已被广泛应用于遥感数据的处理过程中[30]。

为说明MOD16产品数据对涟江流域ET反演结果的适用性，通过所能获取的涟江流域内惠水站2009—2014年小型蒸发皿实测年均ET数据，以此对MOD16产品数据进行精度验证。图2所示，可看出实测值与遥感产品之间的相关系数较高(R2=0.91)，总体上能满足对该地区地表蒸散发的时空分布特征的分析。流域的土地利用数据(2010年)来源于地理空间数据云官网(http://www.gscloud.cn)。

图2 2000—2014年涟江流域MOD16产品与实测ET值关系

3 结果与分析

3.1 不同月份的ET变化特征

涟江流域2000—2014年的月平均蒸散发量统计结果见图3，从1—12月表现为先增后减，夏季的地表蒸散发量较高。最小值出现在1月多年月均蒸发量为41.54 mm，冬季地表气温较低，许多植被枝叶掉落，生长减缓，降水量少，植物的蒸腾作用以及地表的蒸散发等能力达到全年中最小，不利于地表蒸散发。而7月的ET值最大，为118.50 mm。在春季3—5月份期间，气温开始升高，同时随着降雨的增加和植被的生长，春季的ET相对于冬季有了较大的上升；在夏季的6—8月份，降雨增加，气温升高，植被处于繁茂生长时期，流域内的ET最高；在秋季的9—11月份，随着气温开始下降，降雨量逐渐减少，植被生长处于落叶时期，在该时段的ET也出现下降的趋势。在月尺度上，流域的ET变化受到气温、降水、植被生长状态的显著影响，总体呈春夏高、秋冬低的变化特征。

图3 涟江流域2000—2014年地表蒸散量分布

3.2 不同季节ET变化特征

选取1、4、7、10月分别代表流域冬、春、夏、秋季，涟江流域2000—2014年不同季节的ET变化特征见图4。其中，各年不同季节的ET值表现为夏季>春季>秋季>冬季，可能是因为春季和夏季植被覆盖度较高，蒸腾和蒸发作用加强，且该时间段的降水和气温均较高，所以蒸散发较大；而在秋冬季，气温较低，降水也减少，许多植被的枝叶开始枯落，植被蒸腾和蒸发减小，因此地表的蒸散量也较低。由此可看出，主要由于流域不同季节水热条件集植被生长状况的差异，使得地表蒸散量呈现出季节差异性。

图4 涟江流域2000—2014年1、4、7、10月地表蒸散量

3.3 年均ET变化特征

涟江流域2000—2014年年均ET变化特征见图5，研究期间年均ET值的变化范围为725.68～775.98 mm/a，多年平均ET为745.35 mm/a。年均ET较高的年份为2003、2005、2011、2012、2013和2014年。其中，2014年的ET最高，为775.98 mm，这15 a的地表蒸散量大致呈现逐渐上升的趋势，分析原因可能是近年来退耕还林等政策的实施，使得流域内植被得到恢复，植被的蒸腾作用加强；同时，有报道全球气温正处于逐渐变暖地趋势，各区域的气温均有所上升，从而影响了流域地表蒸散量大致呈现逐年上升的趋势。而且由于近年来在快速城镇化进程的影响下，大面积不透水的城市建筑增加，这些下垫面也是地表蒸发量增加的重要原因。

图5 涟江流域2000—2014年地表蒸散量年际变化

3.4 不同土地利用类型的ET变化特征

涟江流域2010年不同土地利用类型空间分布见图6，共分为林地、草地、耕地、未利用地、建设用地。在Arc GIS中，通过分区统计工具统计多年平均不同土地覆盖类型的地表蒸散特征的的统计结果见图7。从图中的分析结果可看出，土地覆盖类型不同，其相应的地表蒸散发量也存在差异。林地、草地、耕地、建设用地和未利用地的多年ET均值分别为1 580、730、262、211、227 mm/a，林地的多年ET均值最大，其次为草地，耕地和未利用地的多年ET均值较低，建设用地的多年ET均值最低，耕地、建设用地和未利用地的多年ET均值相差不大。综上所述，植被覆盖度较高的林地和草地的多年ET均值较高，而在植被覆盖度较低的耕地、建设用地和未利用地，其对应的多年ET均值较低。分析认为，除了植被自身生长需要消耗一定的水分，同时，随着植被覆盖度的增加，叶片对降雨的截留增加，叶片蒸发和植物蒸腾是高植被覆盖区出现较高蒸散发的重要原因。贵州的退耕还林、石漠化治理等生态工程使得植被覆盖增加，但也会在一定程度上造成该区域植被耗水和蒸腾的增加。

图6 涟江流域不同土地覆盖类型ET分布

图7 不同土地覆盖类型年均蒸散量

3.5 不同地貌类型的ET变化特征

不同地貌类型由于其生态环境背景的不同，地表蒸散量特征也会表现出差异性。为进一步了解地形地貌对蒸散发的影响，利用ArcGIS 10.2 软件，提取岩溶高原、峰丛洼地2种不同地貌类型下的蒸散量特征。图8所示，岩溶高原地貌的多年ET均值为76.71 mm，峰丛洼地的多年ET均值为44.56 mm，可见不同地貌的蒸散量也存在较显著的差异。分析原因认为，在贵州省喀斯特地区，峰丛洼地地区的落水洞和地下暗河较多，当降水到达地表，降水会很快从山峰的垂直坡面汇聚到洼地中，进而流入落水洞和地下暗河中；而在溶岩高原地貌区域，降水到达地表后，渗漏的速度较慢，地表对降水的截留较多，从而蒸散量较大。

图8 涟江流域不同地貌类型的ET特征

4 结论

基于MOD16遥感数据，从不同月份、季节、年、土地利用类型和地貌类型的角度，对贵州省涟江流域2000—2014年地表蒸散量的时空变化特征进行分析，得出主要结论：①涟江流域蒸散量实测值与MOD16遥感产品之间的相关系数较高(R2=0.91)，精度验证结果表明该数据集能满足对该区域地表蒸散发的研究需求；②流域不同季节、不同土地利用类型及地貌类型的蒸散量存在差异性，表现为：夏季>春季>秋季>冬季，林地>草地>耕地>未利用地>建设用地，岩溶高原>峰丛洼地；③15 a间的多年平均蒸散量总体呈上升趋势，尤其是2011—2014年的蒸散量较大，气温、降水、土地利用方式和地质条件背景对地表蒸散发的产生重要影响，植被覆盖的增加是流域蒸散量上升的主要原因。