基于MOD16的東江流域地表蒸散發(fā)時(shí)空特征分析

(1.江西理工大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000； 2.江西理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江西 贛州 341000)

1 研究背景

蒸散(Evapotranspiration, ET)是植被及地面向大氣輸送的水汽總通量，既包括從地表和植物表面的水分蒸發(fā)，也包括通過植物表面和植物體內(nèi)的水分蒸騰，它是陸面水文過程中極其重要的分量，決定了土壤-植被-大氣系統(tǒng)中的水分和熱量傳輸，是水文水循環(huán)和水量平衡研究的核心[1-3]。而潛在蒸散發(fā)(Potential evapotranspiration，PET)，是指在一定氣象條件下，水分供應(yīng)不受限制時(shí)某一固定下墊面可能達(dá)到的最大蒸散發(fā)量，也稱為作物蒸散量，是估算生態(tài)需水和農(nóng)業(yè)灌溉的關(guān)鍵因子[4]。東江流域具有豐富多樣的地形種類，是我國(guó)南方典型的紅壤低山丘陵區(qū)，流域所處亞熱帶地區(qū)，有著豐富的水土資源，是廣東省的主要糧產(chǎn)區(qū)之一，同時(shí)也肩負(fù)著香港供水的重任，在國(guó)家戰(zhàn)略層面有著重大的意義。但在氣候變化和人類活動(dòng)共同影響下，流域汛期和非汛期洪災(zāi)、澇災(zāi)或旱災(zāi)等自然災(zāi)害頻發(fā)，危及人民群眾的生命安全以及財(cái)產(chǎn)安全[5]。旱澇災(zāi)害的頻發(fā)與流域水量平衡關(guān)系的變化息息相關(guān)，而陸面蒸散發(fā)在流域水量平衡關(guān)系中占據(jù)重要比重[6]。研究不同植被覆蓋類型下的蒸散發(fā)量，對(duì)于調(diào)節(jié)東江流域的氣候、保護(hù)上游生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和合理配置及下游供水有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

MODIS數(shù)據(jù)具有光譜范圍廣，精度高，可免費(fèi)獲取以及更新快等特點(diǎn)，因此，在2011年美國(guó)NASA利用MODIS數(shù)據(jù)在ET反演研究上取得了一些成果后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)蒸散發(fā)領(lǐng)域逐步開展起來。如張靜等[7]基于MOD16數(shù)據(jù)，與漢江土地覆被數(shù)據(jù)相結(jié)合，探索不同土地覆被下ET和PET的時(shí)空特征，PET呈東南向西北遞減態(tài)勢(shì)，ET呈東低西高，南高北低態(tài)勢(shì)；吳桂平等[8]以MOD16遙感數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，分析鄱陽湖流域2000—2010年不同地表類型下蒸散量的差異性變化特征，空間格局呈現(xiàn)四周高、中間低的分布規(guī)律；劉憲峰等[9]通過對(duì)西北五省潛在蒸散發(fā)的研究發(fā)現(xiàn)西北五省ET整體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)；在蒸發(fā)的研究中，ET與PET之間的關(guān)系對(duì)于分析氣候與水文相互作用關(guān)系具有非常重要的作用[10]；劉小莽等[11]在海河流域的研究則表明潛在蒸散發(fā)最為敏感的氣象因子是水汽壓；劉佳麗等[12]分析了西藏湖泊的時(shí)空分布和變化特征以及驅(qū)動(dòng)力，得出湖泊變遷對(duì)氣候的響應(yīng)；Li[13]對(duì)黑河流域中西部地區(qū)的異質(zhì)綠洲-沙漠地區(qū)逐日ET進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析不同地表類型的ET差異；She等[14]調(diào)查了1960—2012年中國(guó)黃河流域中游49個(gè)氣象站ET變化的原因，分析出在該研究區(qū)域的不同地區(qū)、不同時(shí)期ET變化的原因有較大差異；Gao等[15]利用1960—2012年的中國(guó)西遼河流域干旱半干旱地區(qū)的15個(gè)氣象站，分析ET的季節(jié)和年變化以及空間分布特征。

上述研究表明，蒸散發(fā)具有典型的時(shí)空特征，各地區(qū)處于不同的經(jīng)緯度位置，由于自身位置的特殊性，蒸散發(fā)特征會(huì)有所變化，而東江流域蒸散發(fā)鮮有研究。本文擬基于MOD16-ET數(shù)據(jù)，與東江流域土地覆蓋類型相結(jié)合，探討利用該產(chǎn)品分析東江流域地表蒸散量時(shí)空變化規(guī)律及其影響因素，從而為預(yù)防東江流域的旱澇災(zāi)害以及保護(hù)東江流域的生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。

圖1 東江流域位置

2 研究區(qū)域概況

東江流域(圖1)位于22°33′N—25°14′N、113°29′E—115°56′E之間，流域內(nèi)夏季高溫多雨，冬季溫暖濕潤(rùn)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。東江流域發(fā)源于江西省尋烏縣梗髻缽山，跨江西、廣東兩省，是珠江水系的主要河流之一。干流自東北向西南流，總長(zhǎng)562 km，流域總面積達(dá)35 340 km2，源頭至龍川縣合河壩為東江上游；從合河壩至博羅縣觀音閣，是東江中游；觀音閣以下為東江下游[16]。東江流域的土地利用類型以耕地和林地為主，上游主要以山地植被景觀為主，下游以平原植被景觀為主，而中部則是山地與平原植被兼具，地勢(shì)起伏較大[17-18]。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文所用的地表蒸散產(chǎn)品(MOD16)是美國(guó)NASA研究團(tuán)隊(duì)在Penman-Monteith公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)后估算得到的，該數(shù)據(jù)集包括全球植被覆蓋區(qū)域的蒸散發(fā)(ET)、潛熱通量(LE)、潛在蒸散發(fā)(PET)和潛在潛熱通量[19]，數(shù)據(jù)來自于http:∥www. ntsg. umt. edu/project/mod16，具體見表1。根據(jù)MOD16產(chǎn)品的衛(wèi)星軌道號(hào)排列規(guī)律和東江流域的經(jīng)緯度，衛(wèi)星軌道號(hào)為h28v06，其中包括了東江流域2005—2014年共10 a的數(shù)據(jù)。文中主要采用月尺度的ET和PET數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km。所用的土地覆被數(shù)據(jù)是MOD12Q1產(chǎn)品，地表覆蓋類型96 d合成，分辨率為1 km，該數(shù)據(jù)主要來自于http:∥www.gscloud.cn/。

表1 數(shù)據(jù)與資料信息

原始MODIS數(shù)據(jù)以一種分層數(shù)據(jù)格式(Hierarchical Data Format，HDF)儲(chǔ)存，不能直接讀取。利用MRT軟件(由NASA網(wǎng)站提供)，將MOD16-ET產(chǎn)品、MOD16-PET產(chǎn)品與MOD12Q1產(chǎn)品由HDF格式轉(zhuǎn)換為GeoTiff格式文件，采用UTM投影經(jīng)緯度坐標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行重采樣和軌道鑲嵌等工作。將MOD12Q1的原始分類進(jìn)行合并，得到最終的土地利用分類。利用江西、廣東兩省的DEM數(shù)據(jù)，經(jīng)過水文分析，提取東江流域矢量邊界圖，并在ENVI軟件中進(jìn)行裁剪，得到東江流域不同時(shí)間尺度和空間尺度的地表蒸散發(fā)圖像，在 ENVI軟件的IDL系統(tǒng)支持下，統(tǒng)計(jì)ET和PET的年平均值以及最大值、最小值和方差等，利用軟件將MOD16-ET以及PET中的異常值剔除，從而得到東江流域各種尺度的蒸散量圖像。

3.2 研究方法

本文分別采用均值法、標(biāo)準(zhǔn)差法和變異系數(shù)來模擬東江流域ET在柵格單元上2005—2014年蒸散的時(shí)空差異以及變化規(guī)律，其公式如下。

(1)平均值法：

(1)

(2)標(biāo)準(zhǔn)差法：

(2)

(3)變異系數(shù)：

(3)

式中：t表示年份，從2005—2014年共10 a；ETij表示東江流域第i年蒸散量的平均值，也反映該年流域內(nèi)數(shù)據(jù)的平均狀態(tài)；STDij表示第i年該流域蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)差，該值越大，表明該區(qū)域的蒸散發(fā)值在當(dāng)年波動(dòng)越大，值越小則相反；CV表示變異系數(shù)，用來計(jì)算流域內(nèi)不同土地利用類型下ET的離散程度。變異系數(shù)越大，代表該土地覆被下蒸散量的離散程度以及誤差越大；變異系數(shù)越小，代表該土地覆被下蒸散量的離散程度以及誤差越小。

下文所說的DET代表實(shí)際蒸散量與潛在蒸散量之間的差，可以根據(jù)DET來估計(jì)某個(gè)季節(jié)或是某種土地覆被的干濕狀況。式(1)—式(3)中ET均可替換成PET。

4 結(jié)果分析

4.1 東江流域ET與PET空間分布特征

利用MOD16年數(shù)據(jù)產(chǎn)品獲取東江流域多年的ET和PET平均分布值(圖2)。由圖2(a)可見，東江流域ET值范圍在206～1 835 mm之間，整個(gè)流域的ET值呈現(xiàn)高低交錯(cuò)現(xiàn)象，總體是中部高南北兩面稍低的趨勢(shì)，且蒸散量大部分地區(qū)都較高。東江流域PET值范圍在263～1 630 mm之間，整個(gè)流域的PET值呈現(xiàn)由南到北遞減的趨勢(shì)。結(jié)合東江流域上下游特征，統(tǒng)計(jì)出了ET和PET最大值、最小值和平均值，東江流域上中下游ET及PET值具有明顯的空間差異性。

圖2 東江流域ET和PET分布特征

表2為2005—2014年東江流域上下游ET和PET特征。由表2可知，東江流域的ET平均值的高低順序排列為：中游>下游>上游。結(jié)合圖2可知，中游以林地為主，且地勢(shì)較上游起伏小，植被葉面也相對(duì)較寬，蒸騰作用較強(qiáng)，所以實(shí)際蒸散發(fā)是最大的；而上游大部分在江西省，山地較多，海拔較高，植物葉面較窄，蒸騰作用相對(duì)較弱，且由于贛粵交界的九連山脈阻擋，水汽不能長(zhǎng)驅(qū)直入，所以地表蒸散量相對(duì)較?。欢谙掠未蟛糠譃槌鞘杏玫睾透?，植被相對(duì)較少，蒸騰作用較弱。PET平均值的高低順序?yàn)椋合掠?中游>上游。由于東江中下游土壤肥沃，作物分布廣泛，而上游多為山地，所以在充分供水條件下，PET值由下游往上游逐漸遞減。

表2 2005—2014年東江流域ET和PET特征

再結(jié)合東江流域的土地覆被分布，統(tǒng)計(jì)在不同的土地覆被類型中，流域內(nèi)ET和PET的分布特征如圖3所示，得出東江流域內(nèi)土地利用分類下的ET和PET存在較大差異。據(jù)統(tǒng)計(jì)，多年的ET均值在不同土地覆被類型的大小排列順序?yàn)椋毫值?草地>裸地>耕地>城市用地；而PET均值大小排列順序?yàn)椋撼鞘杏玫?裸地>耕地>草地>林地;年均PET要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于年均ET。ET是在非充足供水情況下的蒸散量，而PET是在充足供水情況下的蒸散量，當(dāng)降水量不充足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際蒸散發(fā)并沒有這么高。流域內(nèi)ET變異系數(shù)排列順序?yàn)槁愕?耕地>城市用地>草地>林地，林地草地變異系數(shù)較小，說明林地和草地離散程度小，植物對(duì)于蒸散量非常重要，為調(diào)節(jié)蒸散量做出巨大貢獻(xiàn)。流域內(nèi)PET變異系數(shù)排列順序?yàn)槌鞘杏玫?耕地>草地>林地>裸地。其中林地和草地的變異系數(shù)相差相似且較小，但是該流域內(nèi)PET的變異系數(shù)裸地最小，說明在水分充足條件下，裸地的蒸散量離散程度小。總體來說，土地覆被類型的蒸散量特征與上下游的蒸散量分布特征基本是吻合的。說明植被具有蓄水功能，能夠?qū)λw進(jìn)行涵養(yǎng)，改善區(qū)域蒸散量的大小，林地、草地等尤為顯著，對(duì)調(diào)節(jié)氣候、預(yù)防旱澇災(zāi)害有著非比尋常的意義[20]。

圖3 2005—2014東江流域不同土地覆被類型下ET和PET平均值以及離散系數(shù)

4.2 東江流域ET和PET年際變化特征

DET為PET與ET之間的差值，能夠很好地反映區(qū)域內(nèi)的自然水分狀況。自2005年以來，東江流域的DET值起伏較大，但是整體上呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)；PET值與DET值基本一致，在2009年和2012年比較低，但是PET值在2012—2014年增加較快；流域的ET值整體呈現(xiàn)弱增長(zhǎng)趨勢(shì)，在前9 a中蒸散量較平穩(wěn)，在后一年呈現(xiàn)一個(gè)陡增趨勢(shì)(見圖4)。上述情況與2014年我國(guó)東南地區(qū)發(fā)生特大洪澇災(zāi)害基本吻合。

圖4 東江流域地表蒸散量的年變化

從圖4可看出，東江流域多年的ET平均值波動(dòng)在401～671 mm/a之間，而PET的平均值大概波動(dòng)在808～1 114 mm/a之間。ET和PET的最大值都在2014年，分別是671,1 114 mm。二者的最小值則在不同年份，ET的最小值在2005年，ET值為401 mm左右；PET的最小值在2012年，PET值在808 mm左右。二者的DET平均差值為493 mm左右，其中差值最大的年份在2005年，約為638 mm；差值最小的年份在2012年，約為299 mm。

為了更好地研究東江流域蒸散發(fā)的時(shí)間特征，統(tǒng)計(jì)了東江流域2005—2014年共10 a的ET和PET的相對(duì)年際變化率和平均值，以此研究流域內(nèi)蒸散量的波動(dòng)情況(見圖5)。

圖5 2005—2014年東江流域ET和PET的年際變化

由圖5可知，10 a中，流域ET和PET的平均值分別在481 mm/a和975 mm/a左右，且實(shí)際蒸散量超出平均值的年份有2007年、2012年、2014年，在2014年尤為突出。多年以來，東江流域ET的相對(duì)變化率處于-16.63%～39.50%之間，PET的相對(duì)變化率處于-20.67%～12.48%之間。其中ET和PET相對(duì)變化率最大均在2014年，分別超出平均值190 mm和139 mm,變化率分別高達(dá)39.50%和12.48%。ET相對(duì)變化率最小在2005年，低于平均值80 mm,變化率為-16.63%； PET的相對(duì)變化率最小值在2012年，低于平均值167 mm，變化率為-20.67%，PET相對(duì)變化率是負(fù)值的分別是2006年、2009年、2011—2013年這5年。

綜上所述，這10 a以來，蒸散量在大多數(shù)年份比較穩(wěn)定，少數(shù)幾年ET和PET高低懸殊，且ET和PET在2014年有增加趨勢(shì)，在其后幾年都有持續(xù)增加的趨勢(shì)，表明東江流域在未來幾年可能呈現(xiàn)旱澇災(zāi)害加劇的趨勢(shì)，且加劇東江流域的水土流失程度，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定的破壞。

4.3 東江流域ET月變化特征

以MOD16數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)的東江流域月蒸散量特征如圖6所示，流域內(nèi)多年的月ET值呈現(xiàn)一個(gè)單峰型趨勢(shì)。東江流域多年的各月ET平均值波動(dòng)在200～1 200 mm之間，其中最高的月份是9月，為1 183 mm，最低月份在2月，為209 mm。且5—10月份ET值較高，普遍在1 000 mm以上，其余月份均在1 000 mm以下。據(jù)東江流域的氣候特征可知，9月份為夏末秋初之際，溫度較高，降雨豐富，地面蒸發(fā)和植物蒸騰相對(duì)較旺盛，所以蒸散量也相對(duì)較大；1，2月份前后是春節(jié)之際，天氣寒冷，且降雨量較少，萬物枯萎，蒸騰作用也相對(duì)減弱許多，因此蒸散量相對(duì)較小。流域內(nèi)上中下游ET值月變化特征與其相似，大多數(shù)月份ET值呈現(xiàn)“中游>下游>上游”的趨勢(shì)。由于上游位于江西贛南境內(nèi)，贛南地區(qū)山多坡險(xiǎn)，水土流失相對(duì)嚴(yán)重，且稀土礦過度開采，植被破壞嚴(yán)重[21]，蒸散量較小。

圖6 東江流域內(nèi)蒸散發(fā)量月變化

2005—2014年東江流域的各月ET值在不同植被覆蓋類型下也不同(見圖7)，其中12個(gè)月中縱向比較，林地的ET平均值最高，城市的ET平均值最小；橫向比較的話，ET在耕地、林地、草地都是呈現(xiàn)單峰狀，在12月份最小，在9月份最高，與多年各月的ET相吻合；但是裸地與城市在2月份與4月份是最低的，在3月份突然劇增，波動(dòng)較大。東江流域作物普遍是一年兩熟，局部地區(qū)是一年三熟。在年后(2—3月份)，萬物開始復(fù)蘇，雨水也漸漸增多，ET值開始慢慢增加，一直到9月份，秋季來臨，作物開始豐收，雨水開始減少，蒸騰作用減弱，ET值也相應(yīng)開始降低，在12月份—次年2月份，形成一個(gè)低谷狀態(tài)。

圖7 東江流域不同土地覆被類型下ET年內(nèi)各月變化

圖8 東江流域四季ET時(shí)空分布特征

4.4 東江流域ET季節(jié)變化特征

東江流域的蒸散量可分為4個(gè)季度來統(tǒng)計(jì)分析，考慮到區(qū)域緯度相對(duì)較低，將1—3月份劃為春季，將4—6月份劃為夏季，將7—9月份劃為秋季，將10—12月份劃為冬季(見圖8)。 流域內(nèi)植被覆蓋以及種類、降水量、太陽輻射等造成空間分布差異明顯。

由圖8可以得出，春季地表ET為218～1 088 mm。由于處于春節(jié)前后，氣溫開始回暖，特別是處于中下游的廣東一帶，緯度較低，此時(shí)開始種植農(nóng)業(yè)灌溉需水量大，植被開始發(fā)芽，使得蒸發(fā)與蒸騰作用增強(qiáng)，蒸散量開始逐漸增高。夏季地表ET為253～2 251 mm。由于東江流域地處北回歸線附近，溫度較高，又主要受海陸熱力性質(zhì)差異影響，吹東南風(fēng)，且梅雨季節(jié)開始來臨，水汽較多，ET值普遍較高。秋季ET值為257～2 409 mm。由于氣候原因，流域內(nèi)夏秋季節(jié)并不明顯，且7，8月份東南沿海受臺(tái)風(fēng)影響較大，降水較豐富，地表蒸散發(fā)較大，且ET值較大的地區(qū)集中在中下游部分。冬季ET值為206～1 835 mm，此時(shí)受西伯利亞的寒風(fēng)影響，且受大陸高壓控制，溫度較低，降雨相對(duì)較春夏秋季節(jié)更小，蒸發(fā)較弱，且冬天不利于植被生長(zhǎng)，蒸騰作用較弱，再者，氣旋過境頻繁，晴天較少，綜合起來導(dǎo)致冬季整體的地表ET值較低。地表ET值在四季的均值分別為725，1 101，1 183，671 mm/a，且秋季>夏季>春季>冬季，分別占年內(nèi)蒸散量的32.15%，29.92%，19.70%，18.23%。

ET不僅受植被覆蓋的影響，還受土壤濕度、空氣濕度等的影響，所以ET是水文循環(huán)和地表能量平衡的真實(shí)反映。故本文還深入分析了在不同植被覆蓋下各季節(jié)的ET值變異系數(shù)(見圖9)。由圖9可知，東江流域內(nèi)ET變異系數(shù)冬季最大，夏季相對(duì)較小，說明夏天空間差異性較小，冬天空間差異性較大。其中，在林地上，春夏秋冬的變異系數(shù)都較小且相差不大，但是在裸地上，四季的變異系數(shù)相對(duì)偏大，且春夏秋冬之間的差值也較大，說明裸地存在的不確定因素較多，而林地相對(duì)來說較穩(wěn)定。

圖9 不同土地覆被類型下各季節(jié)ET變異系數(shù)

5 結(jié) 論

(1)東江流域ET值整體呈高低交錯(cuò)的態(tài)勢(shì)，總體趨勢(shì)中間高，南北兩端稍低，表現(xiàn)為“中游>下游>上游”；而PET值則呈明顯的由南到北遞減的趨勢(shì)，表現(xiàn)為“下游>中游>上游”。2005—2014年中，每年的ET值波動(dòng)較小，而PET值相對(duì)波動(dòng)較大，其中ET在2014年較高，PET在2007年、2008年、2014年較高，均超過了1 000 mm，二者在2014年乃至其后幾年均呈增高趨勢(shì)，加劇東江流域的水土流失，對(duì)環(huán)境造成破壞。

(2)受氣候特征影響，2005—2014年內(nèi)各月ET折線圖呈單峰型，其中ET值在9月最高，在2月最低。ET值較高月份集中在5—10月，均在1 000 mm以上，ET值較低月份集中在12月—次年2月，均在600 mm以下。其次，流域內(nèi)的ET值有較強(qiáng)的季節(jié)性，表現(xiàn)為“秋季>夏季>春季>冬季”。

(3)在不同植被覆蓋類型下，年尺度上，ET排列順序?yàn)榱值?草地>裸地>耕地>城市用地，PET的排列順序?yàn)槌鞘?裸地>耕地>草地>林地；月尺度上， ET基本與年尺度是一致的。且冬季ET變異系數(shù)均較高，夏季則較低；林地覆蓋下，四季ET變異系數(shù)較低且誤差較小，且四季離散程度差值較小，在裸地覆蓋面積上則是相反。