2000—2014年艾比湖流域地表Ea与Ep时空分布特征及成因

阿迪来·乌甫，玉苏甫·买买提,玉素甫江·如素力，热伊莱·卡得尔，姜红

(1.新疆师范大学，地理科学与旅游学院，流域信息集成与生态安全实验室，830054，乌鲁木齐；2.新疆师范大学，新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室，830054，乌鲁木齐)

2000—2014年艾比湖流域地表Ea与Ep时空分布特征及成因

阿迪来·乌甫1，玉苏甫·买买提1,玉素甫江·如素力†，热伊莱·卡得尔1，姜红1

(1.新疆师范大学，地理科学与旅游学院，流域信息集成与生态安全实验室，830054，乌鲁木齐；2.新疆师范大学，新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室，830054，乌鲁木齐)

为了探明干旱区流域地表蒸散量时空分布及其变化特征，从而为流域水资源规划、旱涝检测和生态需水量研究提供科学依据，本文基于MOD16蒸散产品和气象站观测数据，运用线性倾向率和相对变化率等方法，分析了艾比湖流域2000—2014年地表实际蒸散(Ea)与潜在蒸散(Ep)的时空分布特征及其变化趋势，进一步揭示二者之间的关系。结果表明：1)近15年内艾比湖流域地表Ea、Ep年际波动不大，多年平均Ea与Ep分别为315.76和1 555.27 mm，年平均Ea与Ep的较大差距说明流域整体上缺水、干旱。年内分布处于先增大后减少的单峰型变化趋势，夏季两者差距最大，此时流域最干旱、缺水；2)流域Ea与Ep的空间分布状况正好相反。西北山区、精河—博乐绿洲区、北天山的西段支脉，玛依力山脉等区域水分比较充足。流域东部大范围地区、精河—博乐绿洲周围等区域干旱缺水。3) 影响因素分析显示气温是影响流域Ea、Ep时空分布变化的主要因素；4)2000—2014年间Ea总体上处于减少趋势，Ep处于增加趋势，说明流域近15年内干旱加重。

MOD16产品； 地表； 实际蒸散； 潜在蒸散； 时空分布； 变化趋势； 成因； 艾比湖流域

蒸散(Evapotranspiration)是地表和植被向大气输送的水汽总通量，是水循环中受土地利用和气候变化影响最直接的关键因素，在水循环和能量平衡中具有重要意义。蒸散分为实际蒸散(Ea,actual evapotranspiration)和潜在蒸散(Ep,potential evapotranspiration)。Ea是地表水分蒸发和植物蒸腾之和，是水文循环和地表能量平衡中极其重要的分量[1]。Ep是水分充足的条件下的蒸散，在研究干旱区气候演变和水资源的决定性参考指标。艾比湖流域生态环境极其脆弱，水资源短缺，流域供需水矛盾突出。近些年来，由于受气候变化和人类活动的较强影响，流域自然生态环境和水量平衡发生了重大变化[2]。充分认识流域蒸散量时空格局变化过程有利于加深气候演变、环境问题的认识，对于合理开发流域水土资源、科学评价气候干旱状况等研究具有重要的参考意义。

遥感技术在近些年来得到迅猛发展，使得大尺度非均匀陆面的蒸散量研究取得突破性进展[3]。20世纪70年代以来国内外陆续出现基于遥感数据的蒸散量估算方法，其中较典型的模型主要有基于Penman-Monteith公式的VITT模型[4]、基于Priestley-Taylor公式的三角形模型[5]、SEBAL模型[6]、SEBS模型[7]、TSEB模型[8]等。刘园等[9]利用Penman-Monteith方法分析华北平原Ep变化特征，并研究主次气候影响因子。李宝福等[10]基于SEBAL模型估算塔里木河干流区Ea，并对各土地利用/覆被类型的Ea进行了统计分析。2011年，美国NASA研究队员发布了全球陆地蒸散数据(MOD16)[11]，该数据模拟精度达到86%。国内一些研究人员利用MOD16产品对不同区域地表Ea时空分布和变化特征进行了评估，如鄱阳湖流域[12]、陕西省[13]、渭河流域[14]、淮河流域[15]。贺添等[16]检验了MOD16产品在我国的应用精度，并深入讨论我国2001—2010年的Ea时空分布格局和驱动因素，此研究结果表明，在干旱程度不断加剧的西北地区MOD16 蒸散产品验证精度良好，说明MOD16产品在西北地区具有适用性，可以用于艾比湖流域地表蒸散量时空分布特征研究。

近年来，一些学者对艾比湖流域气候变化、水资源的合理调配等方面进行了一些研究，但研究重点多在景观格局变化，以及绿洲、荒漠化演变等方面[17-18]；而主要针对艾比湖流域地表蒸散量的研究较少：因此，本文基于2000—2014年MOD16蒸散产品，分析艾比湖流域地表Ea、Ep时空分布格局，进一步探讨两者之间的关系，以期为干旱内陆湖泊流域水资源调配，干湿状况监测以及生态环境保护与改善提供科学依据。

1 研究区概况

艾比湖流域深居亚欧大陆腹地的中纬度地区，位于新疆维吾尔自治区北天山西段，是准噶尔盆地西段的最低洼地和水盐汇集地。地理位置在E 79°53′～85°02′，N 43°38′～45°52′之间，远离海洋，地势为西高东低、中心洼地，东西长约407.21 km，南北宽约230.13 km，总面积为5.06万km2。流域属于典型的温带干旱性大陆气候，干燥少雨、日照充足、热量丰富。年降水量116.0～169.2 mm，年平均气温6.6～7.8 ℃，无霜期160 d。流域因特殊的地貌特征和气候条件，形成多种植被类型，主要有梭梭(Haloxylonammodendron)、胡杨(Populuseuphratica)、柽柳(Tamarixramosissima)和芦苇(Phragmitesaustralis)等[19]。土地利用类型主要是以草原、耕地、稀疏灌木林、盐碱地、水体、裸地和冰川为主(图1)。

2 数据来源与方法

蒸散量数据：笔者所使用的蒸散量数据为2000—2014年月、年合成，卫星轨道号为h23v04/ h24v04的MOD16-Ea、Ep数据产品，空间分辨率为1 km。借助于MRT投影转换工具将数据格式转换为GeoTiff格式，将SIN投影转换为WGS-1984/Geographic经纬坐标系，并进行图像拼接与裁剪。数据使用说明，应剔除数据中的无效值并还原真实值。地表温度：2001—2014年各月份MOD11A2数据集中提取的白天和夜间地表温度8 d合成产品。海拔数据：SRTM(Shuttle Rader Topography Mission)采集的分辨率为90 m的DEM 数据。地面观测数据：阿拉山口、托里、温泉、精河等代表性气象站2000—2014年月实测气温、风速、相对湿度等数据。

1)Ea、Ep年际变化评估指标。

在IDL语言环境中逐像元计算2000—2014年Ea、Ep线性倾向率

(1)

式中：S为线性倾向值；n为年序列总长度；i为年份；Ei为第i年的Ea、Ep。当S为负，Ea、Ep变化处于减少趋势，S为正，Ea、Ep变化处于增加趋势。

2)相对变化率

(2)

3 结果与分析

3.1Ea与Ep时间分布特征

2000—2014年艾比湖流域地表Ea、Ep年际波动不大，波动范围分别为289.83～339.72和1 472.09～1 701.68 mm，多年平均Ea为315.76 mm，Ep为1 555.27 mm。Ea波动最为突出的年份是2002和2008年，相对变化率分别为7.05%和-8.5%。Ep波动最为突出的年份是2008和2003年，相对变化率分别为8.60%和-5.65% (图2a)。Ea为地表实际蒸散量，Ep为一定气象条件下水分供应不受限制时的最大蒸发蒸腾量，Ea与Ep的差距可以说明地表的缺水情况，也就是干旱程度。从图2可见，艾比湖流域地表Ea与Ep有较大的差距，说明流域整体上缺水，干旱。

年内Ea与Ep分布处于先增大后减少的单峰型变化趋势，峰值位于7月。Ea与Ep比较集中在5—9月，10—翌年2月变化波动比较平缓，6月Ea与Ep之间的差距最大，说明流域在6月处于最干旱状态。到了7月气温达到最高值、降雨量最大、太阳辐射强烈，有良好的蒸腾和蒸发条件，Ea与Ep处于最高值；10—翌年2月气温较低，降水量减少，植被覆盖度变低，Ea、Ep处于最低值。

按季节来看，春季即3—5月Ea与Ep处于增加趋势，夏季气温达到最高值；因此6月开始Ea与Ep迅速增长，秋季即9—11月降水量减少、气温下降，二者随之处于急剧减少趋势，到冬天处于最低值，12—翌年2月保持最低水平，无明显变化。夏季二者之间的差距最大，此时研究区最干旱、缺水。

图1 研究区示意图Fig.1 Sketch map of study area

Ea:Actual evapotranspiration.Ep:Potential evapotranspiration.The same below.图2 2000—2014年艾比湖流域平均Ea、Ep不同年月变化Fig.2 Annual and monthly variation of Ea and Ep in Ebinur Lake Basin during 2000-2014

图3 艾比湖流域年平均Ea与Ep空间分布Fig.3 Spatial distribution of mean annual Ea and Ep of Ebinur Lake Basin

3.2Ea与Ep空间分布特征

如图3所示，艾比湖流域2000—2014年平均Ea与Ep具有明显的空间分布差异，且两者的空间分布状况正好相反。西北山区和温泉县、精河—博乐绿洲、北天山的西段支脉以及托里县等区域Ea值比其他区域显著高，在301.5～596.1 mm之间，Ep值比较低，在906.5～1 487.3 mm之间。流域东部大范围地区、精河—博乐绿洲周围Ea值均比较低，为110～233.9 mm，Ep值较高，为1 620～2 142.4 mm。由于MOD16产品覆盖范围为有植被区域，所以在图中艾比湖、赛里木湖、艾比湖周边裸地及永久冰雪覆盖区等无植被区域为空白，没有数据。

Ea与Ep空间分布的相反状况，可通过蒸散发互补相关理论来解释[20,21]。当下垫面充分湿润条件下，Ea与Ep相等；当水分不足时，Ea变少，陆面和大气的相互作用导致Ep增大。西北山区和温泉县、精河—博乐绿洲、南部北天山的西段支脉以及玛依力山脉等区域风速大，且通过阿拉山口进入的气流在山区抬升形成较多降水，加上绿洲的灌溉引水使此区域Ea值较大，Ep值小，说明此区域水分比较充足；流域东部大范围地区、环精河—博乐绿洲的周围地区降水量少[22]、植被覆盖不良、下垫面供水不足，因此Ea值小，Ep值大，此区域干旱缺水。

3.3Ea与Ep影响因子分析

根据Ea与Ep的产生机制与相关数据的可获得性，选取阿拉山口、托里、温泉、精河等气象站2000—2014年月时间序列的气温、风速、相对湿度等实测数据，在“点”尺度上进行相关性分析。

在干旱半干旱区，Ea主要是由水分决定，而气象站实测Ea不受水分的影响，决定其大小的主要因子是能量，说明气象站实测Ea与MOD16-Ea具有相反关系。Ep表示的是充分供水情况下的最大蒸散量[23-24]，可知气象站实测Ea与MOD16-Ep更接近。因此本文通过MOD16-Ep数据与气象站实测数据进行相关性分析。

如图4所示，气温与Ep处于显著正相关关系，R2=0.92，相对湿度与Ep处于明显的负相关关系，R2=0.80，风速与Ep处于正相关关系，但其影响强度较弱，R2=0.24。

图4 主要气象因子与Ep的关系Fig.4 Relationship between major meteorological factors and Ep

为了进一步佐证不同因素对蒸散发的影响，选取地表温度(Land surface temperature)和海拔等因子分别与Ea、Ep逐像元进行相关性分析。由散点图(图5)可以看出：地表温度分别与Ea呈负相关、与Ep呈正相关关系，尤其在温度高于5 ℃的绿洲及其周围区域相关关系较明显；海拔高于1 000 m的高山区海拔与Ea的关系呈明显的正相关关系，这可能由于受人类活动的影响少、植被覆盖度高的原因；而在海拔<1 000 m的平原区，即绿洲及其周围区域相关关系不明显。海拔与Ep呈弱负相关关系。图4和图5中气温和地表温度与Ea、Ep有着不同的相关关系。因为实测Ea与MOD16-Ep更接近，气象站其他实测数据同样与MOD16-Ep数据有较好的相关关系。根据Ea与Ep的互补相关理论[20-21]，由于Ea与Ep是相反关系，地表温度与Ea呈负相关关系，这与前人研究结果[25]一致。

3.4Ea与Ep变化趋势分布

图6表示，近15年来艾比湖流域地表Ea与Ep变化趋势空间分布情况。可以看出，Ea在博乐—精河绿洲以及流域东部奎屯、乌苏等区域有增加或基本不变趋势，北天山的西段支脉和西北山区有严重减少趋势，流域东北部、西部环博乐—精河绿洲的大范围区域有轻微减少趋势，其中处于严重减少趋势的区域面积最大，约占总面积的25.75%。Ep在流域南部的奎屯、乌苏南部和北天山的西段支脉部分区域有明显增加趋势，东北部、博乐—精河绿洲南部和两侧有轻微增加趋势，温泉县、博乐—精河绿洲和东部绿洲的部分区域有基本不变趋势，博乐—精河绿洲和奎屯、乌苏等区域基本上有减少趋势，其中处于轻微增加趋势的区域面积最大，约占总面积的27.44%。综上所述，流域多年Ea严重减少和轻微减少的区域面积约占总面积的50%，Ep明显增加和轻微增加的区域面积约占总面积的48.39%，可知Ea总体上处于减少趋势，Ep处于增加趋势，这说明流域近15年内干旱加重。

图5 Ea、Ep与地表温度、海拔的关系Fig.5 Relationship between land surface temperature,elevation and Ea，Ep

图6 艾比湖流域2000—2014年Ea、Ep变化趋势Fig.6 Change trend of Ea and Ep in Ebinur Lake Basin during 2000-2014

4 结论

本文利用MOD16数据产品，对艾比湖流域2000—2014年地表Ea与Ep时空变化格局及其变化趋势进行了分析，并揭示两者之间的时空差异性。主要结论如下。

1)2000—2014年艾比湖流域地表Ea与Ep年际波动不大，多年平均Ea与Ep为315.76、1 555.27 mm。Ea与Ep有较大的差距，说明流域整体上缺水，干旱。年内分布处于先增大后减少的单峰型变化趋势，夏季二者之间的差距最大，此时研究区最干旱、缺水。

2)艾比湖流域平均Ea与Ep空间分布状况正好相反。西北山区和温泉县、精河—博乐绿洲、北天山的西段支脉以及流域北部玛依力山脉等区域Ea值较高，Ep值较低，此区域水分比较充足；流域东部大范围地区、精河—博乐绿洲周围Ea值均较低，Ep值较高，此区域干旱缺水。

3)气温为影响流域Ea与Ep变化的最主要因素，相对湿度有明显的负作用，风速作用不大。地表温度分别与Ea呈负相关、与Ep呈正相关关系。海拔与Ea呈明显的正相关关系，与Ep呈弱负相关关系。

4)流域多年Ea总体上处于减少趋势，减少趋势的区域面积约占总面积的50%；Ep处于增加趋势，约占总面积的48.39%。区域Ea减少和Ep增加趋势表明研究区近15年内干旱加重。

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Spatio-temporal distribution characteristics and contributing factors ofEaandEpin Ebinur Lake Basin during 2000-2014

Adilai WUFU1，Yusufu MAIMAITI1,Yusufujiang RUSULI1,2，Reyilai KADEER1，JIANG Hong1

(1.Institute of Geographical Science and Tourism/Laboratory of Information Integration and Eco-Security,Xinjiang Normal University，830054,Urumqi,China; 2.Xinjiang Key Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Zone,830054,Urumqi,China)

[Background] Water evaporation plays an important role in the hydrological process as it is a major part of the ecological water balance.The evapotranspiration (ET) is the loss of water from the soil both by evaporation and by transpiration from the plants growing thereon.Actual evaporation (Ea) concerns the water evaporation from natural surfaces to the atmosphere.Potential evaporation (Ep) is the amount of water that would be evaporated and transpired if there are sufficient water available.This demand incorporates the energy available for evaporation and the ability of the lower atmosphere to transport evaporated moisture away from the land surface.Therefore,the evaporation can substantially influence on a regional scale the amount and spatial distribution of water resources.In-depth understanding the spatio-temporal distribution and evolution process of evaporation provides scientific basis for basin water resources planning,evaluating the condition of drought,study on ecological water demand,etc.[Methods] The spatio-temporal distribution characteristics and evolution trend ofEaandEpwere studied by linear trend analysis and relative variation ratio using MOD16 product and observation data of meteorological station during 2000-2014 in Ebinur Lake Basin.[Results] 1) Inter-annual variation ofEaandEpwas not obvious during recent 15 years,the mean annualEaandEpwere 315.76 and 1 555.27 mm respectively,and the great discrepancy between mean annualEaandEpshowed that the whole study area was in the condition of water shortage and drought.2) The spatial distribution ofEawas opposite to that ofEp.The northwestern mountain area,Jinghe-Bole Oasis area,western branch of northern Tianshan Mountain and Mayili Mountain area had sufficient water supply,while the most eastern area of Ebinur Lake Basin,all around of Jinghe-Bole oasis suffered from drought and water shortage.3) Analysis of influencing factors demonstrated that temperature was the most important factor to affecting the spatio-temporal distribution ofEaandEpin the study area.4) The evolution trend ofEawas decreasing in the fifteen years,and the area with decreasing trend was accounted for 50% of the total.The evolution trend ofEpwas increasing in the fifteen years,and the area with increasing trend was accounted for 48.39% of the total.The evolution trend of decreasingEaand increasingEpindicated that the condition of drought was aggravated during 2000-2014 in Ebinur Lake Basin.[Conclusions] According to the spatio-temporal variation and evolution trend ofEaandEpin Ebinur Lake Basin during 2000-2014,the land surface in Ebinur Lake Basin was drought,and the condition was aggravated year by year.

MOD16； surface； actual evapotranspiration; potential evapotranspiration; spatio-temporal variation; evolution trend; contributing factors； Ebinur Lake Basin

2016-12-12

2017-07-04

项目名称：新疆研究生科研创新项目“基于MODIS数据的新疆地表蒸散量时空分异特征及气候归因”(XJGRI2016101)；新疆维吾尔自治区青年科技创新人才培养工程“变化环境下典型绿洲系统的时空演变过程及其驱动机制研究”(QN2015YX009)；国家自然科学基金 “内陆湖泊流域水循环过程模拟与调控研究”(41461006)

阿迪来·乌甫(1992—)，女，硕士研究生。主要研究方向：资源环境遥感。E-mail:Adilagupur@126.com

†通信作者简介：玉素甫江·如素力( 1975—)，男，教授，博士。主要研究方向：流域水文与生态系统，3S技术及其应用。E-mail：Yusupjan@xjnu.edu.cn

P426.2

A

2096-2673(2017)04-0060-08

10.16843/j.sswc.2017.04.008