三江源地区蒸散发时空特征及其原因分析

2021-03-20张丽平敖洋钎徐龙坤

科技创新与应用 2021年11期

关键词：三江土地利用风速

张丽平，敖洋钎，徐龙坤，马锋

（1.成都信息工程大学资源环境学院，四川成都 610200；2.榆林市气象局，陕西榆林 719099）

1 概述

图1 三江源地区河流分布

图2 三江源地区气象站点蒸散发和MOD16 蒸散发对比

蒸散发是表征地面水资源进入大气的水分含量，是植被以及地面对大气进行水汽输送的总量，对流域生态水文循环过程起到至关重要的作用[1]。随着遥感技术的发展结合大气的风速、湿度等的信息估算蒸散量得到了发展[2]。且产生构造了统计模型和物理模型两种类别[3]。基于SEBAL 模型反演蒸散发的方法，对干旱地区的空间差异性就有很好的考虑[4]。刘曼晴[5]等就利用SEBAL 模型反演了水面蒸发且与蒸发皿的实测值有较好的拟合程度。SEBS 模型具有精度高、时间拓展性强的特点，也被广泛应用，在大尺度的蒸散发研究上的效果较好[6-7]。尹剑等[8]就利用SEBS 模型对长江流域的蒸散发进行了遥感估算。近期对于蒸散发的研究还有韦小茶、蒋翼[9]等人基于Priestley-Taylor 模型的贵州省涟江流域的蒸散发研究，以及张璐，朱仲元等[10]人依据气象站点对锡林河流域潜在蒸散发进行研究。其中对三江源地区的研究有：李婧梅等[11]利用涡度相关法对三江源的蒸散特征进行了研究。马晓真等[12]基于地表能量平衡方程的遥感方法，对三江源地区的蓄水量进行了研究。加上三江源的特色地理位置以及独特的生态地位，因此三江源的蒸散发研究问题具有重要意义。

目前对三江源蒸散发的研究有，孙琪[13]结合遥感数据、高程数据等对三江源的蒸散发进行研究得到生态需水量的研究，研究方法较为完整全面但是由于时间跨度较小没有对三江源区域进行较大时间尺度上的观测。夏中烨等[14]基于AIRS 数据对三江源区域大气水汽含量进行了分析，时间研究范围也较短，对三江源区域的研究着重于大气水汽，没有分析影响三江源的水文影响因子。而且对三江源区域蒸散发的研究仍然较少。

本文研究三江源区域2000 年到2019 年的蒸散发，具有较长的时间范围，可以全面的对三江源区域蒸散发有较长时间跨度上的研究分析。

2 方法与数据

2.1 研究区概括

三江源地区平均海拔高度为3500-4800m，区域内存在许多河流。本文选取了全国河流数据，以三江源为边界进行提取，得到了三江源区域内的河流分布（如图1）。

青海三江源国家级自然保护区内气候属青藏高原气候系统，为典型的高原大陆性气候。

2.2 MOD16 产品

MOD16 产品数据集包括四部分：地表蒸散发（ET）、潜在蒸散发（PET）、潜热通量（LE）、潜在潜热通量（PLE）。其中本文采用的MOD16 数据分为两部分，第一部分为2000-2014 年的MOD16 蒸散发数据，来自于由蒙大拿大学密苏拉分校地球动态数值模拟研究组（NTSG）制作，空间分辨率为1km，时间分辨率采取了年和月数据。另外一部分为2015-2019 年的MOD16 数据，在MODIS 官网上下载得到的八天合成数据。

图3 三江源地区20 年平均蒸散发空间分布

图4 三江源地区年蒸散发量变化趋势

2.3 气象水文数据

三江源气象数据来自中国气象数据网（http：//data.cma.cn/），获取了当地的降水、风速、日照等数据。

2.4 高程数据以及土地利用数据

高程数据的获取来自NASA 官网（https：//www.nasa.gov/），空间分辨率为30m。而土地利用数据则来自全国地理信息资源服务系统（http：//webmap.cn），按照其分类手册，得到三江源地区的不同土地分类数据。

2.5 研究方法

数据精度评价

本文是利用均方根误差、平均相对误差、平均绝对误差、相关系数等指标对气象站点测得打蒸散发数据与MOD16 的蒸散发数据进行对比，进行精度评价。

3 结果分析

3.1 MOD16_ET 产品精度评价

为了确保MOD16 遥感数据的准确性，首先对该产品的ET 数据进行精度评价。使用来自“中国气象数据网”的2000-2019 年的气象站站点实测蒸发数据，通过折算系数[15]得到三江源地区的自然水体的蒸散量，来对三江源地区的MOD16_ET 数据进行适用性评估和验证。图2 为三江源地区20 年平均站点ET 和20 年平均MOD16_ET的数据对比。分析二者之间的相关性，得到二者的均方根误差RMSE=93.21mm/a，平均绝对误差MAE=103.04mm/a，平均相对误差MRE=13.79%，相关系数为0.73，大于杨秀芹[16]在淮河流域的检验结果（r=0.59）。从检验结果可以看出MOD16_ET 的误差较小，且相关性良好，精度总体上符合要求，因此可以用于三江源地区的时空蒸散发研究。

3.2 三江源地区20 年平均蒸散发空间分布

由图3 可以看出三江源地区近20 年的平均蒸散发在空间上呈现出东高西低的分布形态，整体的变化范围在300~800mm 之间。

3.3 三江源地区年际蒸散发变化

图5 三江源地区蒸散发变化速率

图6 三江源地区2000-2019 年季平均蒸散发空间分布

图8 三江源20 年平均季蒸散发量

图9 三江源地区20 年月平均蒸散发变化

图4 为三江源地区2000-2019 年地表蒸散发的逐年变化数据，蒸散发的变化范围为423.41~564.56mm，20 年地表蒸散发平均值为508.52mm。根据线性回归方程的拟合指标R2=0.0007 可以看出拟合效果不佳，蒸散发变化趋势不明显。图5 为三江源地区蒸散发变化速率，从图中可以看出几乎整个三江源地区的变化速率都为正，西南部的蒸散发变化率最大。通过计算各时间序列的相关系数r 值来确定蒸散变化趋势k 是否显著，计算结果得到|r|=0.316。（r0.05=0.44376），|r|＜r0.05，近 20 年来三江源地区地表蒸散发变化未通过信度0.05 的显著性检验，地表蒸散发的变化速率不显著，呈不显著的增加。

3.4 三江源地区年内平均蒸散发

3.4.1 三江源地区季平均蒸散发时空分布

图10 三江源地区各气象站点近20 年平均日照、风速、降水和气温数据

图6（a）~（d）分别为三江源地区四季的蒸散发 20 年平均值地表蒸散发的空间分布。

图7 为三江源近20 年区域季平均蒸散发，从图中可以看出各区域之间的蒸散发值在秋、冬季节变化较为平缓，在春、夏两季区域间的蒸散发则差异较大，起伏明显。

图7 为三江源地区近20 年来平均季节蒸散发量。从图中可以看出冬季（12-2 月）的蒸散值为四季最低。

3.4.2 三江源地区月平均蒸散发变化

三江源地区各月地表蒸散量的年内变化如图8 所示，三江源地区地表蒸散量年内月均值总体呈现出先增后减的分布趋势，具有明显的时间差异性，这与孙琪[13]在2001-2015 年的三江源蒸散发研究结果大致相同。

4 驱动力分析

4.1 气象因子

图10 为三江源地区各气象站点近20 年平均日照、风速、降水和气温数据。结合图3 可以看出，五道梁和沱沱河两地虽然风速大、日照时间长，但因降水少、气温低，蒸散发量仍旧很小。而班玛和久治两地却与之相反，因降水量大、气温高这里的蒸散发量很大。

图11 为三江源地区近20 年来平均气温、风速、日照、降水的变化趋势。其中气温和降水都呈现出较明显的上升趋势，与耿晓平[17]等人的研究结果基本相同。结合图4 分析，三江源的蒸散发呈现出微增的变化趋势没有明显的和哪一种气象因子变化相关，可能是受气温、风速、日照、降水等因素的综合影响造成的。其中在2007 年出现一个蒸散发的低谷，主要是受该年春季的寒潮和4、5、8 月出现的中度干旱的影响。

图12 为三江源地区近20 年的四季的气温、降水、风速、日照的平均数据。结合图6、图7 分析得到：冬季三江源平均气温在-9℃以下，大部分地区的水体处于结冰状态，此时三江源的植被也在冻结期。随着温度升高，降水量增大，水体解冻，植被也开始复苏在春季三江源地区的蒸散发明显增大。夏季气温和降水都达到全年最大，该季的植被蒸腾、土壤的蒸发以及水面的蒸发比较旺盛，使得三江源的蒸散量迅速增加，在这时达到全年最大。秋季由于气温降低，降水量也逐渐减少，因此地表蒸散量也随之降低，并且由于风速小、日照少等原因导致该季的蒸散值小于春季。

4.2 地形因子

三江源地区是青藏高原的腹地和主体，以山地地貌为主，山脉绵延、地势高耸、地形复杂。根据图1 三江源地区的高程数据可以看出，三江源地势呈现出西高东低的分布。根据三江源海拔、坡度等特点将其分为高山、中山、高原平地三种地形。其中高山所占面积最大，占到三江源面积的90%，高山的蒸散发受“高寒”的影响，使蒸散发的值偏小。中山位于三江源东北部，受到高原大陆性气候的影响，冬寒夏凉、雨量偏小导致中山的蒸散发量最少。

图11 三江源地区近20 年来平均气温、风速、日照、降水的变化趋势

表1 三江源地区土地利用年均蒸散

4.3 土地利用因子

图13 三江源地区的土地主要分为农业用地、人工用地、灌木、湿地、草地、水体、裸地、雪地、森林九类，结合三江源的年均蒸散数据和土地利用数据使用Arcmap 计算出三江源地区不同土地利用类型的年均蒸散值如表1。从表中和图中我们可以看出，三江源地区主要的土地利用类型为草地，草地的平均蒸散发值（551.98mm），是一个较接近三江源蒸散发平均值513.94mm 的量。因此，在土地利用类型中草地对三江源地区的蒸散发影响最大。对三江源地区草地年内蒸散发进行统计，呈现出先增后减的变化趋势，在 6、7、8 月的蒸散发量最大，这与张耀生[18]等人的研究结果相似。森林因位于三江源南部，有充足的降水和较高的温度，且三江源森林植被类型为针叶林和阔叶林，因此一年四季都存在植物的蒸腾作用，所以森林的蒸散发最大（568.98mm）并促进了三江源的蒸散发。