2010-2019年青海湖流域蒸散发及对气候变化的响应①

李艳君

(吕梁学院离石师范分校,山西 吕梁 033000)

0 引 言

地表蒸散发(ET)包括土壤蒸发和植物蒸腾[1],具体为地表水汽从不同形态转变为气态形式进入大气,参与水文循环[2]。青藏高原作为全球气候变化的放大镜,通过特殊的动力、热力作用深刻地影响着东亚、南亚甚至全球的大气水分循环[3]。加强对青藏高原蒸散发的研究很有必要。目前对青藏高原蒸散发的研究主要集中在不同区域和生态系统蒸散发的估算和变化。研究区域包括三江源[4]、祁连山[5]等地,大部分学者认为青藏高原蒸散发主要受太阳辐射、风速、气温、降水等因素影响[6-7]。然而,目前的研究还未覆盖到区域内全部的重点生态系统,且大部分数据来源气象站点空间差值,研究精度不高。基于此,采用MOD16蒸散发遥感和气象栅格数据,量化了2010-2019年青海湖流域的蒸散发变化、分布及与气温和降水气候变化的响应关系,以期为青海湖流域水资源管理提供理论借鉴。

1 数据来源和研究方法

1.1 研究区概况

青海湖盆地位于青藏高原东北部,是青海湖流域五大生态功能区的过渡地带(祁连山冰川与水资源涵养生态带、柴达木盆地、河湟谷地、三江源草原草甸湿地生态屏障),具有独特的高山和半干旱生态系统特征。区域内海拔在3169-5268m,面积约为3.2万km2。气候类型也具有典型的过渡性,东西部差异明显,年均气温保持在0℃以下,降水较少。

1.2 数据来源

研究选取MOD16A3蒸散发遥感影像数据估算青海湖流域的蒸散发量,使用温度、降水两个气象数据作为蒸散发变化的影响因素。其中,MOD16A3是Monteith等 基 于Penman-Monteith公式计算全球表面陆地蒸散量而形成的遥感影像数据集[1],经过验证,具有在空间上蒸散发估算的良好表现,得到全球范围内的普遍认可。温度和降水栅格数据来源于国家地球系统科学数据中心共享服务平台,是利用近500个独立气象站点进行验证过的可信数据[3]。

首先对原始ET、气温和降水影像使用arigis10.2进行裁剪拼接,剔除无效值,并进行重采样为统一分辨率,得到青海湖流域2010-2019年ET、降水、温度栅格数据。

1.3 研究方法

首先使用最小二乘回归法估计青海湖流域2010-2019年ET的空间变化趋势。其中n代表研究的时间序列,Slope值代表研究区域ET的变化趋势,如果Slope＞0,则表示ET增加,相反,如果Slope＜0,ET则减少,值越大说明变化的趋势越明显,计算公式如式(1):

多元分析能够反应不同变量之间的空间相关性,本研究使用的相关性分析模型如式(2):

式(2)中x-是ET在时间序列上的平均值,是驱动因子温度和降水的多年平均值,i是研究时间序列(i=1,2,3,…,10),n是研究时间长度,x i是第一年ET值,y i是第一年的温度和降水值。r代表研究区ET和气候因子(气温和降水)的空间相关性,r＞0时,两者存在正相关,而r＜0时,两者存在负相关,r的值越靠近0,相关性越明显,反之,相关性越弱。

2 结果与分析

2.1 温度、降水分布

2010-2019年,青海湖流域降水和温度均呈现明显的空间分布特征(图1)。年均温度仅为3.56℃,空间上呈现东南高西北低的特征,最高温在青海湖周围,为2.91℃/a,最低温出现在西北部高山汇流区,为-13.36℃/a(图1a)。年均降水为425.43mm,空间上从东南到西北递减,降水最多的地区位于青海湖流域东南部地区,达到674.77mm/a,最低值出现在青海湖流域西北部地区,仅为294.34mm/a(图1b)。

图1 青海湖流域气温和降水空间分布

2.2 ET时间变化趋势

2010-2019年,青海湖流域ET逐年上升(图2),每年增加6.92mm,ET值介于435.35-518.61mm之间,年均ET为474.8mm。从变化趋势看,呈现典型的双峰型变化,大部分年份的ET值均高于近10年的年均值,2010-2013年波动下降,在2013年达到最低值,2013年开始ET逐渐上升,在2017年达到最高值,之后缓慢下降。

图2 青海湖流域10年间ET变化趋势

2.3 ET空间特征及变化趋势

通过计算2010-2019年青海湖流域MOD16地表蒸散发量栅格数据,统计分析10年ET值的空间分布特征(图3),具有明显的空间分布规律。ET呈现为东北高西南低的空间格局,ET值介于339.05-717.17mm之间,同时流域内差异也较为明显,高值区主要分布在东北部靠近祁连山的山地地带,低值区主要分布向柴达木盆地和三江源地区的过渡地带(图3a)。通过最小二乘回归法计算青海湖流域的空间线性变化趋势得知(图3b),Slope变化范围介于-6.59-53.61mm/a之间,从西北到东南逐渐增加。减少区域主要为青海湖北部的汇流山地,增加区域主要为南部地区。

图3 青海湖流域空间ET变化及趋势

2.4 ET变化的驱动因素分析

蒸散发是多种因素复合叠加相互作用的复杂结果。通过空间栅格计算得到气温和降水两个气候因素对ET的影响(图4)。从图4a可以看出,青海湖流域ET与气温的相关性较为显著,介于-0.95-0.99之间,负相关区域主要集中分布在青海湖西北部和东北部,正相关区域主要分布在青海湖周围。从图4b可以看出,青海湖流域ET与降水的相关性也较为显著,介于-0.82-0.9之间,负相关区域主要集中分布在青海湖东部和南部沿岸,西部也有零星分布,正相关区域则主要分布在青海湖北部和西部区域。

图4 青海湖流域ET与气温、降水的空间相关性

3 结 语

基于MODIS和气象栅格数据,定量刻画了2010-2019年青海湖流域ET变化及驱动因素,与马育军[8]等人基于SWIM模型对青海湖的估算结果相符(496.2 mm),但是高于青藏高原[9-10],,研究结果可信。同时,气温和降水对青海湖流域的ET均有显著相关性。此外,近些年开展的“退牧还草”工程,国家公园试点工程,当地的城市化进程对当地生态水文平衡也有不容小觑的影响,在未来的研究中要进一步加强。