基于MOD16的呼倫貝爾蒸散量變化分析

曲學(xué)斌 ，高紹鑫 ，竇華山 ，王彥平 ，鄭洪玉 ，羅煥梅

（1.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室，中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室，甘肅 蘭州730020；2.呼倫貝爾市氣象局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾021008；3.內(nèi)蒙古呼倫湖國家級自然保護區(qū)，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008；4.朔城區(qū)氣象局，山西 朔州 036002）

蒸散量（Evapotranspiration，ET）是植被及地面向大氣輸送的水汽總量，是土壤蒸發(fā)和植被蒸騰的水汽總量，全球約60%的降水通過蒸散的形式擴散到大氣，是全球水循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)[1]。潛在蒸散（Potential Evapotranspiration，PET）是指在充分供水條件下的蒸散量，是管理地區(qū)水量平衡、評估氣象干旱程度的重要參數(shù)[2]。隨著我國生態(tài)環(huán)境保護力度的加強，水資源的管理和可持續(xù)利用已受到全社會的高度關(guān)注，ET和PET作為水資源研究的重要組成部分，越來越受到專家學(xué)者的重視[3-4]。

傳統(tǒng)估算或?qū)崪yET、PET的方法大都基于站點觀測，受站點密度和下墊面復(fù)雜多變的限制，區(qū)域代表性較差。隨著遙感技術(shù)的興起，地表相關(guān)參數(shù)得以反演，使得大區(qū)域、長序列的ET、PET監(jiān)測和研究成為可能。ET、PET遙感估算模型可分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、遙感數(shù)值模型和能量余項模型[5]。其中經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭饕揽康孛嬗^測數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)的關(guān)系建立，Rivas，et al[6]人建立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ途蛯儆诖祟?，模型中的?jīng)驗參數(shù)需要本地化，缺乏廣泛的適用性。遙感數(shù)值模型是在陸面過程的基礎(chǔ)上建立“物理—化學(xué)—生物”聯(lián)合模型，物理意義非常明確，但陸面過程的參數(shù)眾多且難以準確獲取[7]。能量余項模型是以能量平衡為基礎(chǔ)，通過潛熱通量、顯熱通量和土壤熱通量反演 ET、PET，蘇忠波等[8]建立的 SEBS（The Surface Energy Balance System）模型、Bastiaanssen， et al[9]建立的SEBAL（Surface Energy Balance Algorithm for Land）模型以及MOD16[10]的算法均屬于此類。

近些年來，MOD16產(chǎn)品以其較高的時空分辨率、便捷的獲取方式和較為準確的反演結(jié)果得到了很多國內(nèi)學(xué)者的認可[11]。趙燊等[12]利用MOD16分析了山東省ET、PET時空變化，表明地表植被對其變化趨勢有重要影響。范建忠等[13]基于MOD16分析了陜西省ET的時空變化特征。楊江州等[14]利用MOD16分析了貴州省不同地貌類型區(qū)PET、ET的變化特征。呼倫貝爾市是我國東北最重要的生態(tài)屏障之一，境內(nèi)同時擁有草原、森林、農(nóng)田等不同生態(tài)區(qū)[15]，但目前針對呼倫貝爾市ET、PET的研究較少，不同生態(tài)區(qū)ET、PET的年、月的變化趨勢尚不清楚。因此，開展呼倫貝爾市ET、PET時空變化研究，可以更好地揭示ET、PET變化規(guī)律，為當?shù)厮Y源管理和有效利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

呼倫貝爾市地處內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，平均海拔 659.2 m，面積為 2.53×105km2，其中森林 1.26×105km2、 草原 1.0×105km2、500 多個湖泊、3000 多條河流，構(gòu)成了目前中國規(guī)模最大、最為完整的生態(tài)系統(tǒng)。大興安嶺以東北—西南走向縱貫呼倫貝爾市，主要途經(jīng)的4個旗（市、區(qū)）構(gòu)成呼倫貝爾市的林區(qū)。嶺西的6個旗（市、區(qū)）主要位于呼倫貝爾草原，是呼倫貝爾市的牧區(qū)。嶺東為東北平原—松嫩平原邊緣的3個旗（市、區(qū)）以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，是內(nèi)蒙古東北部最重要的糧食產(chǎn)區(qū)，即為呼倫貝爾市的農(nóng)區(qū)（圖1）。呼倫貝爾市的年平均氣溫為0.6℃，自南向北依次遞減，年平均降水量為294.2 mm，自東向西依次遞減，主要氣候特點為：冬季寒冷漫長，夏季溫涼短促，春季干燥風(fēng)大，秋季降溫迅速[16]。

圖1 呼倫貝爾市地表覆蓋類型及氣象臺站分布

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

ET與PET數(shù)據(jù)采用蒙大拿大學(xué)地球動態(tài)數(shù)值模擬研究小組（NTSG）制作的 2001—2014年MOD16A2和 MOD16A3數(shù)據(jù)集（http：//www.ntsg.umt.edu），空間分辨率均為1 km，時間分辨率分別為月和年。其計算方式基于Penman-Monteith公式的改進，并結(jié)合衛(wèi)星反照率、植被覆蓋類型和其他氣象數(shù)據(jù)獲得，ET和PET計算所使用的數(shù)據(jù)一致，僅陸面水環(huán)境參數(shù)不同[17]。使用MRT（MODIS Reprojection Tool）對數(shù)據(jù)集進行投影、拼接和格式轉(zhuǎn)化，并利用ArcGIS對影像進行裁剪和分析。MOD16產(chǎn)品覆蓋范圍為植被覆蓋區(qū)，不包含水體、城市等非植被覆蓋區(qū)，因此將非植被覆蓋區(qū)的ET和PET去除。氣象數(shù)據(jù)源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/），包含呼倫貝爾市 16個氣象站點2001—2014年逐月和逐年的相對濕度、降水量、氣溫、日照時數(shù)和10 m風(fēng)速等。在ET、PET月分布及變化、與氣象要素相關(guān)性分析時，取站點周邊10 km范圍內(nèi)植被覆蓋區(qū)的均值，并按照站點所在地的農(nóng)、牧、林區(qū)進行分區(qū)統(tǒng)計。

1.3 研究方法

利用相關(guān)系數(shù)法對PET數(shù)據(jù)進行驗證，并分析ET、PET與氣溫、降水、相對濕度等氣象要素的相關(guān)性。利用線性傾向率估計逐柵格ET、PET的時間變化趨勢，其計算公式為[18]：

式中：a為線性傾向率，n為研究期長度，i為年份，xi為i年對應(yīng)ET或PET的值。當a＞0時說明研究期內(nèi)該地區(qū)的ET或PET有增加趨勢，反之則為減少趨勢。

1.4 數(shù)據(jù)驗證

因此利用站點的氣象觀測數(shù)據(jù)和FAO Penman-Monteith（P-M）計算逐年的潛在蒸散量，PM的計算參照《氣象干旱等級》（GB/T 20481-2017）標準為：

式中：Pe為逐日的潛在蒸散量；Rn為地表凈輻射；G為土壤熱通量，本次研究在日時間尺度上參照草地土壤熱容量做忽略不計處理；Tmean為日平均氣溫；ea為實際水汽壓；es為飽和水汽壓；u2為2 m高處風(fēng)速，用臺站測量的10 m風(fēng)速帶入國標中的訂正方程獲得；駐為飽和水汽壓曲線斜率，r為干濕表常數(shù)，均可根據(jù)各氣象站實測資料和所在地理信息數(shù)據(jù)求解。求出逐日潛在蒸散量后再按所需時間尺度進行統(tǒng)計。

P-M的計算結(jié)果與站點周邊10 km緩沖區(qū)內(nèi)逐年的平均PET進行對比驗證（圖2）[19]。P-M計算所得的PET以作物冠層為假想?yún)⒄?，因此普遍比MOD16的PET偏低400~500 mm，但兩者的相關(guān)性可達到極顯著相關(guān)（P＜0.01），說明MOD16可以滿足分析呼倫貝爾市蒸散發(fā)的要求。

圖 2MOD16（PET）與 P-M（PET）的對比

2 結(jié)果與分析

2.1 年平均ET、PET的空間分布及變化

呼倫貝爾市2001—2014年的年平均ET、PET分布及變化如圖3。全市年平均ET為310.0 mm，其中林區(qū)年平均ET為401.5 mm，農(nóng)區(qū)年平均ET為334.0 mm，牧區(qū)年平均ET為232.6 mm，整體呈林區(qū)＞農(nóng)區(qū)＞牧區(qū)分布。大興安嶺南部兩麓林地由于植被覆蓋度高、溫度和降水條件在林區(qū)中相對較好，年平均ET為全市最高（＞500 mm）。牧區(qū)西南部由于草地植被覆蓋度偏低，降水偏少，年平均ET＜200 mm，為全市最低。全市ET的年變化傾向率平均為15.3 mm/10 a，其中林區(qū)為-18 mm/10 a，農(nóng)區(qū)為-3.7 mm/10 a，牧區(qū)為64 mm/10 a，但僅牧區(qū)西南部通過了0.05的顯著性水平檢驗。

全市年平均PET為1 157.6 mm，其中林區(qū)年平均PET為1 096.0 mm，農(nóng)區(qū)年平均PET為1 225.8 mm，牧區(qū)年平均PET為1 242.0 mm。總體呈牧區(qū)、農(nóng)區(qū)向中北部林區(qū)遞減分布，與年平均氣溫的空間分布十分相似。林區(qū)北部年平均PET最低（≤1000 mm），牧區(qū)西南部和農(nóng)區(qū)東南部的年平均PET最高（＞1300 mm）。全市PET的年變化傾向率平均為-20.7 mm/10 a，林區(qū)為4.1 mm/10 a，農(nóng)區(qū)為6.3 mm/10 a，牧區(qū)為-63.2 mm/10 a，通過0.05顯著性檢驗的區(qū)域與ET基本一致，但范圍略小。

呼倫貝爾市的年平均ET和PET存在相反的空間分布和變化特點。從氣象與植被的關(guān)系來看，林區(qū)氣溫低，導(dǎo)致大氣的飽和水汽壓較低、相對濕度較高，加之植被覆蓋度較高，蒸騰作用較強，所以其ET較高而PET較低。牧區(qū)的氣溫較高，但降水不足，相對濕度偏低，植被又以牧草為主，蒸騰作用較差，造成其ET較低而PET較高。牧區(qū)西南部ET和PET間的差距有顯著減小趨勢，對該地區(qū)改善生態(tài)環(huán)境和減低干旱風(fēng)險較為有利。

2.2 各月ET與PET的分布及變化

呼倫貝爾市2001—2014年各月的平均ET、PET如圖4。全市各月的平均ET呈雙峰型分布，其中ET的最高峰值出現(xiàn)在7月（64.5 mm），次峰值為3月（25.3 mm），最低值出現(xiàn)在 1月（7.3 mm）。 農(nóng)區(qū)和牧區(qū)也呈現(xiàn)雙峰型分布，主峰出現(xiàn)在7月，ET分別為72.6 mm和38.1 mm；次峰出現(xiàn)在3月，ET分別為26.8 mm和26.2 mm。這主要是由于冬季呼倫貝爾市全境均有積雪覆蓋，3月農(nóng)區(qū)、牧區(qū)氣溫回升，地表融化的積雪為ET提供了較充分的水源，因此3月出現(xiàn)了峰值，而林區(qū)地理位置偏北且海拔偏高，3月氣溫回升較慢，峰值并不明顯，因此林區(qū)呈單峰型分布。由于呼倫貝爾市冬季氣溫極低，植被的蒸騰作用弱，11月—次年3月的ET主要是來自地面積雪，而分布也與氣溫分布相似，ET呈現(xiàn)出農(nóng)區(qū)＞牧區(qū)＞林區(qū)的分布方式。4月氣溫回升，林區(qū)樹木逐漸恢復(fù)生長，牧區(qū)牧草也開始逐漸返青，而農(nóng)區(qū)作物出苗一般在5月初，因此ET呈現(xiàn)出林區(qū)＞牧區(qū)＞農(nóng)區(qū)的分布方式。5—7月和9月ET均為林區(qū)＞農(nóng)區(qū)＞牧區(qū)，8月由于正值農(nóng)區(qū)大豆、玉米等主要作物生長最旺盛的階段，ET呈現(xiàn)出農(nóng)區(qū)＞林區(qū)＞牧區(qū)的分布，10月農(nóng)作物完成收獲，ET呈林區(qū)＞牧區(qū)＞農(nóng)區(qū)分布。

全市各月平均的PET呈單峰型分布，其中最高值出現(xiàn)在6月（198.7 mm），最低值出現(xiàn)在1月（7.8 mm），與月平均氣溫的變化相似。10月—次年4月呈現(xiàn)農(nóng)區(qū)＞牧區(qū)＞林區(qū)的分布，而5—9月呈現(xiàn)牧區(qū)＞農(nóng)區(qū)＞林區(qū)的分布。PET與ET的差值也呈現(xiàn)出單峰型分布，5月PET與ET的差值最大（162.1 mm），其次為 6月（158.4 mm），1月差值最?。?.5 mm），不同月份各區(qū)域的分布方式和PET相同。可見呼倫貝爾市5—6月缺水最為嚴重。 對于各區(qū)域來說，牧區(qū)缺水較農(nóng)牧和林區(qū)更為嚴重。

全市各月ET、PET的月傾向率和顯著性檢驗見表1。全市及各區(qū)域的ET在2、3、4、10月呈減少趨勢，在 1、5、6、7、11、12 月呈增加趨勢，8、9 月增加與減少趨勢并存，但僅牧區(qū)4月、各區(qū)域及全市6月份、牧區(qū)和全市7月的ET傾向率達顯著（P＜0.05），3月牧區(qū)的ET變化可能與地表積雪覆蓋有關(guān)，6—7月則可能與植被覆蓋度增加有關(guān)，這與之前2001—2016年呼倫貝爾草原NDVI整體呈上升趨勢[20]的研究結(jié)論基本一致。全市及各區(qū)域的PET在2、3、6、9月呈減少趨勢，1、4、10、11、12 月呈增加趨勢，5、7、8月增加與減少趨勢并存，但PET的傾向率均未通過顯著性檢驗，變化趨勢不顯著。

圖3 2001—2014年呼倫貝爾市年平均ET、PET分布及變化

圖4 2001—2014年呼倫貝爾市ET、PET平均月分布

2.3 ET、PET與氣象要素的關(guān)系

分別統(tǒng)計每個月各站點ET、PET與氣象要素的相關(guān)系數(shù)，取平均后如表2所示。在植被生長季，相對濕度的增加可以抑制植物的蒸騰作用，且春季干旱是呼倫貝爾市的主要氣象災(zāi)害，4—6月降水較多可以降低春季干旱的發(fā)生幾率，有利于牧草返青和農(nóng)作物出苗，較多的降水也會間接造成相對濕度偏高，因此形成了ET與4—10月的相對濕度、4—6月降水的顯著正相關(guān)（P＜0.05）。冬季呼倫貝爾市地表有積雪覆蓋，地表可用來蒸散的供水條件較好，氣溫成為影響ET的主要因素，因此ET與11月—次年2月的氣溫呈極顯著正相關(guān)（P＜0.05）。ET與4月的氣溫呈顯著負相關(guān)（P＜0.05），可能是因為4月氣溫較高會造成積雪快速融化，地表供水條件轉(zhuǎn)差而造成的，具體原因仍需進一步研究。ET與1、3、4、11月的10 m風(fēng)速呈正相關(guān)，其他月份呈負相關(guān)，但相關(guān)性均未達顯著水平。

全年各月的PET與相對濕度和降水均呈負相關(guān)，且分別在3—11月和4—11月達到顯著（P＜0.05），降水充足可以增加土壤含水量從而降低土壤熱通量，較高的相對濕度可以抑制土壤和作物蒸散，且相對濕度本身也受降水影響，因此降水條件的改善可以有效降低春、夏、秋季的PET。全年各月的PET與氣溫均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），可見氣溫的增加可直接造成PET的增加。日照時數(shù)在6—8月、10月與PET呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），主要是由于日照時數(shù)增加可以帶來更多的太陽輻射為地表增溫，從而提高了PET的值。PET與10 m風(fēng)速的相關(guān)性均未達顯著，雖然風(fēng)速是影響蒸散發(fā)的主要因素之一，但在研究區(qū)內(nèi)，10 m風(fēng)速的變化對ET和PET的影響并不顯著。

表1 2001—2014年呼倫貝爾市ET、PET月傾向率

表2 2001—2014年呼倫貝爾市各月ET、PET與氣象要素的關(guān)系

3 結(jié)論與討論

（1）MOD16數(shù)據(jù)集中的PET與基于站點氣象要素計算的PET達到極顯著相關(guān)（P＜0.01），且MOD16數(shù)據(jù)集中的PET與ET算法所使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一致，說明MOD16數(shù)據(jù)集可以滿足呼倫貝爾市ET、PET時空變化分析的需要。

（2）呼倫貝爾市的年平均ET為310.0 mm，呈林區(qū)＞農(nóng)區(qū)＞牧區(qū)分布，年平均傾向率為15.3 mm/10 a，僅牧區(qū)西部呈顯著增加趨勢（P＜0.05）。年平均PET為1096.0 mm，呈農(nóng)區(qū)、牧區(qū)兩側(cè)向林區(qū)遞減分布，年平均傾向率為-20.7 mm/10 a，顯著減小（P＜0.05）的區(qū)域與ET相同且范圍略小。牧區(qū)ET顯著增加、PET顯著減小與呼倫貝爾草原區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善有一定關(guān)系。

（3）農(nóng)區(qū)和牧區(qū)的ET月變化呈雙峰型（3月、7月為峰值）分布，林區(qū)呈單峰型（7月為峰值）分布。各區(qū)域的PET月變化均呈單峰型分布，6月最高而1月最低。ET與PET之差在5—6月最高，可見5—6月為呼倫貝爾市缺水最為嚴重的月份。

（4）全年的PET均與氣溫呈顯著相關(guān)，而只有冬季的ET與氣溫呈顯著相關(guān)，主要是由于高溫會加速地表水分蒸發(fā)，又會抑制植被蒸騰，因此夏季氣溫對ET的影響不明顯。植被生長季里ET和PET都與相對濕度和降水有一定的相關(guān)性，這是由于降水增多時土壤含水量增加，可為ET提供更多水分，但同時也會間接增加相對濕度，對PET產(chǎn)生抑制。生長季的日照長度會增加地表的輻射增溫效果，也會對PET產(chǎn)生影響。

從分析結(jié)果可以看出，MOD16可以反映出比臺站監(jiān)測更加細致的ET與PET變化，對區(qū)域水循環(huán)、水資源管理和生態(tài)環(huán)境保護等工作具有重要參考價值。干旱是呼倫貝爾市的主要氣象災(zāi)害之一，但目前依賴站點計算的干旱指數(shù)已難以滿足精細化監(jiān)測的要求，如果能將格點化、高分辨率的降水、蒸散發(fā)模式產(chǎn)品引入干旱指數(shù)的計算中，將有利于進一步提升氣象部門的干旱監(jiān)測能力，提高氣象防災(zāi)減災(zāi)的精細化水平。