新疆玛纳斯河流域蒸散发时空分布格局研究

孔晶晶，昝 梅*，张振东

（1.新疆师范大学，乌鲁木齐830054；2.山东师范大学，济南250358）

0 引 言

【研究意义】蒸散发是水文循环过程中自降水到达地面后由液态(或固态)转化为水汽返回大气的一个阶段。指水分子从蒸发面即物体表面，向大气逸散的现象。水量消耗的主要途径之一是蒸散发[1]，是水循环过程中不可缺少的一部分，与水分和热量各要素之间关系的协调以及能量保持相对平衡有着非常紧密的联系[2]。玛纳斯河流域是沙漠、绿洲、山地3 种地貌类型共同存在的干旱半干旱地区，水资源比较珍贵[3]。蒸散量的变化对流域原生态发展和人类活动有很大的影响，因此，深入了解玛纳斯河流域蒸散发时空特征，对该地区水资源分布和利用有着极其重要的意义[2]。

【研究进展】国内外学者对于蒸散的研究较多[1]。靖娟利等[4]运用Theil-Sen 中值趋势分析法及Mann-Kendall 检验法对流域内ET的变化趋势进行研究；邓兴耀等[5]运用变异系数、Theil-Sen median 趋势分析与Mann-Kendall 检验和Hurs 指数法对中国天山山区蒸散发的空间和时间变化特征及未来趋势进行了预测分析[5]；美国NASA 团队根据Penman-Monteith遥感模型和MODIS 数据，于2011年发布了全球陆地蒸散数据集（MOD16）[6-10]。MOD16 产品提供了表面蒸散的各种特征参数。该数据集准确度达86%，已在全球范围内广泛使用[11-13]。

近年来，玛纳斯河流域水资源利用情况、生态服务价值、水资源的合理调配是许多学者的研究热点[14]，但多集中在降水、土地利用、河川径流的变化等方面[15]。ET与能量平衡、水热平衡有着非常紧密的联系，对水资源分布和利用有着十分重要的意义。【切入点】目前而言，对区域蒸散发的研究主要是集中在对大片区域的研究，研究新疆整个区域的相关文章较多，而有关玛纳斯河小流域ET的系统研究还不完善。因此，利用长时间序列的最新气象资料来开展玛纳斯河流域ET时空变化规律及ET与气候因素的相互关系研究将是重要的研究方向[3]。本文主要研究了ET与气温和降水量2 个气候因素的相互关系，并在此基础上探讨了影响玛纳斯河流域蒸散发量变化的原因。

【拟解决的关键问题】利用2000、2005、2010、2015、2018年5 期空间分辨率为500 m 的MOD16产品以及气象数据，分别以年尺度和季节尺度分析玛纳斯河流域ET的时空分布特征及变化趋势和不同土地利用类型ET的变化特征，最后分析温度和降水对ET的影响。为该流域估算生态需水量和水资源合理分配提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

玛纳斯河流域坐落在天山北麓中部，准噶尔盆地南缘，地理位置43°03′—46°02′N，84°50′—86°36′E，研究区面积3.35×104km2。玛纳斯河流域为干旱区典型的山盆结构，从南到北地貌类型依次为上游山区，中游绿洲平原区和下游荒漠地区，为典型的“山地-绿洲-荒漠”地形结构，如图1 所示。海拔最高5 152 m，主要河流有塔西河、金沟河、玛纳斯河等，该流域年均降水量114～200 mm，年均潜在蒸发量在1 500～2 100 mm，主要集中在夏季，时空分布不均。近18年来年均气温7.7 ℃，最高气温42 ℃，最低气温-39.3 ℃，玛纳斯河流域年均风速1.5 m/s，气候干燥，降雨量少，蒸发量大，气温年较差大。玛纳斯河流域位于天山北坡，是当地经济带的重要组成部分。

图1 研究区概况Fig.1 General situation map of research area

1.2 数据来源及处理

1.2.1 蒸散发数据

MOD16 地表蒸散发产品来源于美国国家航空航天局（https://search.earthdata.nasa.gov/）。全球陆地蒸散数据集产品（MOD16）包括3 种时间分辨率，分别为8 d、月以及年，空间分辨率有500 m、1 km。根据MOD16 产品数据在中国区域的行列号排列情况，本文下载了2000、2005、2010、2015、2018年共5 期时间分辨率为8 d、空间分辨率为500 m 的MOD16A2 产品数据。选取研究区的行列号为h23v04和h24v04。用MRT（MODIS Reprojection Tool）工具将原数据的格式（.hdf）提取转换为栅格（.tif）格式，再投影转换和拼接，将原有的投影转换为UTM投影（Universal Transverse Mercator，通用横轴墨卡托投影），最后对数据进行裁剪提取并获取研究区各月、季、年的ET值。

1.2.2 土地覆盖数据

土地覆盖数据来源于美国国家航空航天局的MCD12Q1 产品。MCD12Q1 产品时间序列为2000、2005、2010、2015、2018年，时间分辨率为年尺度，空间分辨率为500 m，包括17 种土地覆盖类型。MCD12Q1 土地覆盖数据反映了玛纳斯河流域植被面积的年度动态变化过程。本文重点分析玛纳斯河流域内主要土地覆盖类型的变化特征，将17 种土地覆盖数据重分类为草地、耕地、建设用地、林地、水域和未利用地6 种土地利用类型，如图2。

图2 2018年土地利用类型Fig.2 Land use types

1.2.3 气象数据

气象数据来源于中国气象数据网，包括2000、2005、2010、2015、2018年5 期玛纳斯河流域气象站点数据。本研究选取了玛纳斯河流域的莫索湾、炮台、石河子、玛纳斯、沙湾、乌兰乌苏6 个气象观测站的2000、2005、2010、2015、2018年月尺度序列的降水、温度、蒸发等数据。利用实测气象数据对MOD16产品做了验证，验证结果表明MOD16 产品数据在研究区ET的精度较好，可以满足本研究的工作。

1.2.4 DEM 数字高程数据

DEM 数字高程数据来源于中国地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/），空间分辨率为90m。DEM数字高程数据直观反映了玛纳斯河流域的地形和地貌特征。本文对DEM 数字高程数据进行了简单的计算分析、拼接、裁剪、异常值处理、投影坐标转换等操作，得到玛纳斯河流域的DEM（图1）。

2 结果与分析

2.1 玛纳斯河流域蒸散发量的分布特征

2.1.1 蒸散发量的时间分布特征

在年际尺度上，平均ET的时间分布特征2000—2018年期间玛纳斯河流域地表ET年际变化如图3 所示。平均ET波动范围为179.50～270.21 mm 之间，多年平均ET为222.27 mm；明显超出多年ET均值的年份是2015年和2018年，其中2018年ET最高，超出平均值47.94 mm，年ET波动最为突出，距平相对变化率为21.57%；ET最小值出现在2000年，为179.5 mm，距平相对变化率为-19.24%。线性回归（图3）表明，2000—2018年，蒸散发量以19.891 mm/a 的增长率大幅增加。线性回归R2为0.918 6，说明2000—2018年玛纳斯河流域蒸散发量与时间拟合效果较好，随时间呈增加趋势。

图3 玛纳斯河流域ET年际变化Fig.3 Interannual change of ET in Manas River Basin

年内季尺度上对玛纳斯河流域的ET进行了分析，如图4，把一年划分为4 个季节，具体为春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月），ET的年内主要分布情况处于先增大后减少的变化趋势。将四季平均ET值重分类成不同等级，可以看出玛纳斯河流域ET存在明显的季节差异性。各季节平均值分别为55.29、102.02、50.98、28.45 mm，ET在夏季最高，其次为春季、秋季，冬季最少；春季（3—5月）蒸散发ET处于增加趋势，3月开始气温慢慢升高、降水量逐渐增多、植物生长发芽需要大量的水，ET也随之升高；夏季（6—8月）太阳辐射最强烈，气温增温强烈，受夏季风的影响，雨量充沛，植物生长旺盛，蒸腾作用和土壤蒸发更强烈，ET达到最大值，因此夏季的ET值最高。秋季（9—11月）太阳直射点逐渐向南移动，温度随之逐渐降低，植被开始枯萎、凋落，降雨减少，ET随之急剧减少；冬季（12—2月）太阳直射点在赤道以南到南回归线，辐射最小，气温最低、降水量少，植被已经枯败，几乎没有蒸腾作用，因此冬季的ET值最低。

图4 玛纳斯河流域四季ET 的时间分布Fig.4 Temporal distribution of ET in four seasons of Manas River Basin

2.1.2 蒸散发量的空间分布特征

玛纳斯河流域多年ET均值在16.08～598.77 mm/a，表现出显著的空间差异性，整体上呈南部高、中部次之、北部最低，流域上中游高，下游低的分布格局。由图5 可知，流域内多年平均ET峰值出现在林地、流域南部草地以及和耕地接壤部分，达到598.77 mm/a，ET的高值区域集中在玛纳斯河流域中部的耕地和建设用地南部及南部的高山区域，而低值区域则主要分布在克拉玛依区南部、沙湾县和玛纳斯县的北部以及呼图壁县北部的部分地区，其ET值小于100 mm/a。

图5 玛纳斯河流域多年ET 平均值空间分布Fig.5 Spatial distribution of annual ET in Manas River Basin

由图6 可知，玛纳斯河流域ET大面积呈增加趋势，主要表现在草地类型上；流域中部蒸散量变化不明显，中部土地利用类型以耕地为主。蒸散发量大概呈南部降低、中北部升高的趋势，与其土地利用类型正好相对。大幅度减少的面积约占整个盆地的25%，主要集中在山区和城镇附近；蒸散量的变化受气候条件和人类活动的联合影响，相应的气象数据和土地利用数据表明，近年来，流域降水量呈明显减少趋势。2000—2018年，草地面积减少了6.34%，未利用地面积减少了3.5%，而耕地面积则增加了9.23%。可能是由于近年来建设用地的扩张，耕地的开垦和降水减少以及全球气候变暖等的综合影响，导致了平原区耕地的ET增加不显著；高海拔丘陵地区的ET显著减少可能受气候、地形及其构造的影响。

图6 玛纳斯河流域多年平均ET 变化趋势空间分布Fig.6 Spatial distribution of annual average ET change trend in Manas River Basin

2.2 不同土地利用类型的差异

2.2.1 土地利用变化分析

2000—2018年土地利用面积变化情况如图7 所示，草地、未利用地和耕地所占玛纳斯河流域面积的比例比较大，平均占比分别为47.67%、33.45%和16.38%，可见，草地、未利用地和耕地为该流域最主要的土地利用类型。2000—2018年耕地面积呈显著的增加趋势，其中2005—2010年耕地面积显著增加，增长率高达35.27%，2010—2015年增长率达到17.58%；林地面积在2000—2005年急剧减少，但在2015—2018年林地面积缓慢增加，增长率为14.57%；2000—2018年草地面积变化比较大，呈明显的减少趋势，其中2000年草地面积占比为51.27%，到2018年占到总土地利用面积的44.92%，2005—2010年草地面积明显减少，减少率为7.12%，2010—2015年草地面积减少率为5.92%。水域的面积从2000年到2010年的变化不大，但2010—2018年水域的面积呈增加趋势，面积增长率为37.51%，2018年水域面积占总面积的2.45%；建设用地面积变化呈稳定的小幅增长；未利用地占流域总面积的30%以上，并且未利用面积趋于减少。尤其是近几年，水域、林地、草地增幅较显著，未利用地面积显著减少，正反映了玛纳斯河流域的生态环境逐渐好转。

图7 不同土地类型面积变化Fig.7 Area change of different land types

2.2.2 不同土地利用类型的蒸散发特征

流域内，蒸散发量受不同土地利用类型影响，产生的结果存在差异，为了揭示玛纳斯河流域不同土地利用类型的蒸散特征，使用ArcGIS 中的提取分析功能，分别提取玛纳斯河流域不同土地利用类型的年均蒸散发量。各类土地利用的平均蒸散发量表现为林地（418.65 mm）>水域（302.36 mm）>耕地（257.32 mm）>未利用地（222.00 mm）>建设用地（218.10 mm）>草地（207.04 mm）。

表1 为玛纳斯河流域各类土地利用的平均蒸散发量。2000—2005年，玛纳斯河流域水域的平均蒸散发量有所减少，其他土地利用的平均蒸散发量都有不同程度的增加，其中耕地、未利用地的平均蒸散发量增加幅度最大，建设用地、草地的平均蒸散发量增加幅度次之，林地的平均蒸散发量增加幅度最小；2005—2010年，各类土地利用的平均蒸散发量增加幅度最大的为建设用地，其次为未利用地，再次为草地，水域的平均蒸散量依然处于减少趋势，而林地的平均蒸散量也出现减小趋势；2010—2015年各种土地利用类型的平均蒸散量变化幅度不大；2015—2018年，各类土地利用的平均蒸散发量均有增加，不同土地利用的平均蒸散发量增加程度表现为建设用地>未利用地>耕地>草地>水域>林地；2000—2018年，不同土地利用的平均蒸散发量增加程度从大到小排列为未利用地、耕地、建设用地、草地、林地、水域，其中水域的平均蒸散量有轻微的减少。

表1 各类土地利用的平均蒸散量Table 1 Average evapotranspiration of various land uses mm

由表1 可知，建设用地的平均ET值和未利用地比较接近，林地的平均ET最高。2018年各土地利用类型的蒸散发都显著增加。而林地的蒸散发量在2010年有波动，总体呈增加趋势；2000—2015年，水域的平均ET值逐年减少，在2018年有明显的回升。草地的平均ET逐年增加；其他土地利用类型的平均ET都有明显的波动，但总体呈增加趋势。

2.3 蒸散发量与影响因素相关性分析

ET受到气温、降水等多种因素的共同影响。将2000—2018年MODISET的均值、降水量和气温分别做一元线性回归分析（图8），探讨玛纳斯河流域蒸散发量随时间变化的特征及相关性。2000—2018年，全流域蒸散发量分布在179.50～270.21 mm，最小值在2000年，最大值在2018年（270.21 mm）。降水量的变化率为-5.108 7 mm/a，气温的变化率为0.032 9 mm/a。在2010年温度有降低，降水增加明显，是因为2010年玛纳斯河流域突发暴雪，造成特大洪水灾害[16-17]，而2010年ET呈上升趋势，说明在2010年降水对ET的影响比较大。气温在2015年显著增加，降水量在2015年明显减少，是因为2015年干旱比较严重[18]，而在2015年，ET值也有增加，但增加的程度不大，说明在2015年ET受温度的影响比较大，同时在2015年林地和水域的蒸散发量也比较大，玛纳斯河流域为绿洲灌溉区，在2015年耕地面积大幅增加，灌溉农业抽取地下水，进一步提高了蒸散发量。分析玛纳斯河流域ET与气温、降水的相关性得知，该流域ET与气温正相关；与降水呈弱的负相关关系。

图8 气温、年降水量、ET 变化Fig.8 Temperature,annual precipitation and ET change

3 讨论

玛纳斯河流域是新疆最大的棉花种植区之一，水分利用效率对棉花的生长非常重要，具有研究价值。蒸散发是水循环过程中不可缺少的一部分，而玛纳斯河流域利用MOD16 产品分析蒸散发的研究较少，本文利用MOD16 蒸散产品结合研究区土地利用数据和实测气象站数据，分析玛纳斯河流域ET时空分布规律，说明MOD16 蒸散发产品对玛纳斯河流域有一定的适用性，对今后深入了解玛纳斯河流域蒸散发时空特征对该区域节水灌溉和农业生产提供指导意义。在此基础上，本文分别探讨了不同气象因子、土地利用类型及与蒸散发的定量关系。此外，本文与张特等[11]、杨秀芹等[12]、佟斯琴等[19]的论文相比，对土地类型的划分比较精细；在数据方面，时间比较新且序列长。因此，本文在分析蒸散发对玛纳斯河流域的影响也得出了对比较精细的结论。

基于2000—2018年MOD16 蒸散发产品分析玛纳斯河流域近18年蒸散发的时空变化格局。探讨蒸散发增加的可能原因是耕地和灌溉面积增加提高了蒸散发量[20-21]。此外，地形、植被覆盖、降水强度，植被截流、土壤下渗等因素都会对蒸散发量产生一定的影响[22]。除此之外，气候变化和人类活动的综合作用也会影响蒸散发。以后应当进一步利用定量的方法研究ET反演的敏感性，提高后续反演ET产品的精度，综合考虑气象因子对蒸散发的影响，深入研究蒸散发及发展趋势。

4 结论

1）不同土地利用的平均蒸散发量表现为林地>水域>耕地>未利用地>建设用地>草地。

2）玛纳斯流域蒸散发量最高的季节是夏季，其次为春季、秋季，冬季的蒸散发量最少；多年平均ET为222.27 mm，2018年ET最高，超出平均值47.94 mm，2000—2018年，蒸散发量整体上大幅增加，蒸散发量增长率为19.891 mm/a。

3）玛纳斯河流域多年ET均值在16.08～598.77 mm/a 之间。表现出显著的空间差异性，整体上呈南部高、中部次之、北部最低，流域上中游高，下游低的分布格局。由于水热资源和植被土壤的分布情况受地势差异的影响，土壤蒸散发量也因此会产生差异。而玛纳斯河流域的地貌分布差异显著，再加上季节变化造成的水热资源改变，玛纳斯河流域四季蒸散发量的空间分布差异非常明显。