基于MOD16产品的塔里木河流域 蒸散量时空分布特征

艾力亚·艾尼瓦尔，玉米提·哈力克，买尔当·克依木，艾萨迪拉·玉苏甫

(新疆大学资源与环境科学学院 / 绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046)

0 引 言

气候变暖导致地球热量平衡失调，影响了全球水资源的优化调配，改变蒸散量时空分布格局，直接影响区域生态环境建设、农业生产布局、经济和社会可持续发展[1,2]。蒸散(Evapotranspiration,ET)作为地表能量平衡和水分状况的关键参数，也是水循环中最直接受土地利用和气候变化影响的重要因素，分析其时空变化趋势及其对气候变化和人类干扰的响应，对深入理解全球水循环和气候演变过程具有重要的理论和实践意义[3,4]。ET分为实际蒸散(AET, Actual Evapotranspiration)和潜在蒸散(PET, Potential Evapotranspiration)。AET是指发生在土壤和植被表层实际被蒸发的水分量，也包括植物表面和体内的水分蒸腾，是决定土壤—植被—大气系统中能量、水分交换的主要途径，也是衡量水分变化的客观变量。PET是指在有充分供水条件下陆面可能达到的最大蒸发量，在干旱区决定该地区气候变化和水资源时空分布的重要指标[5,6]。

由于不同下垫面会体现不同的物理特性，蒸散的观测与定量分析较为复杂，所以传统计算方法均以“点”位的观测资料为基础在小尺度上开展了研究[7]，而较大区域范围进行蒸散观测成本高、难以获取长期连续的观测结果，数据代表性和可比性差，缺乏对整个流域系统实际蒸散量的总体认识，使得传统的局地小尺度研究方法很难直接外推到中、大尺度区域[8,9]。相对于传统的蒸散估算方法，遥感技术来监测区域能量平衡和水分状况已成为一种成熟的研究手段。它具有较好的时效性和区域性特点，为大尺度非均匀地表蒸散研究提供了新途径，可以使蒸散的计算在时空尺度上扩展研究[10,11]。最近国内外学者对于蒸散的研究已获得卓越的成果[12]。童瑞等运用Mann-Kendall 趋势检验方法和Budyko水分能量平衡公式，分析了AET、PET、蒸散率和干燥指数的时空变化趋势[13]；胡珊珊等利用Penman-Monteith公式和Budyko假设的傅抱璞公式，对PET和AET的变化特征进行对比研究，并初步分析了AET、PET与降水的关系[14]；张长春等融合TM和NOAA遥感数据，利用SEBS模型获取了黄河三角洲地表ET的区域分布信息[15]；田国良等利用AVHRR数据和气象站资料估算了麦田的蒸散量分布特征[16]；李宝福等基于SEBAL模型估算塔里木河干流区ET，并对各土地利用(覆被)类型的ET进行了统计分析[17]。2011 年美国NASA研究团队在MODIS 遥感数据蒸散反演算法上取得了重要成果，并通过NASA地球观测系统发布了全球MODIS 陆地蒸散产品数据(MOD16)[18,19]，该数据通过了全球通量塔站台的检验，模拟精度达到86%，具有高时间分辨率以及免费获取等特点，能够提供地表蒸散量的特征参数。目前，MODIS 作为新一代资源卫星传感器在研究典型生态系统蒸散时空分布以及变化趋势时有一定的优势。如我国白洋淀流域[14]、鄱阳湖流域[20]、三江平原[21]、陕西省[22]、汉江流域[23]等分别在站点尺度和区域尺度上检验了MOD16 产品在我国的应用精度[24]，并深入讨论我国2000-2014年的ET时空格局和驱动因素。

塔里木河流域气候干燥、降水少、蒸散大，水资源短缺是该地区社会经济发展和生态保育的瓶颈[25,26]；长期处于饥渴状态的区域环境对水循环的变化极其敏感，而蒸散是影响水循环过程的关键因素[27]。科学预测塔里木河流域地表蒸散量变化趋势，不仅有利于加深该区域生态环境与气候变化的认识，同时对水资源评价及合理开发利用、旱涝气候监测与预警等方面具有重要意义[28]。基于此，本文以塔里木河流域为研究靶区，以2000-2014年1 km 空间分辨率的MOD16 产品为数据源，在年、月时间尺度上对塔里木河流域地表AET和PET的时空格局特征进行深入分析，以期揭示地表AET和PET的变化规律，为“一带一路”枢纽区水资源可持续管理与水分高效利用提供参考依据。

1 研究区概况

塔里木河流域(34°20′-43°39′N, 71°39′-93°45′ E)四周高山环绕，地势西高东低(见图1)，整个流域涵盖了南疆5地州，总面积约102 万km2，人口971 万人[29]。流域包括塔里木盆地周围向心聚流的9大水系，多年平均水资源总量为430.2 亿m3，其中地表水资源量为409.9 亿m3，地下水与地表水不重复量为20.4 亿m3[30]。塔里木河流域多年平均降水总量为1.164 3×1011m3，占全疆降水总量的45.3%(流域面积占全疆总面积的60%)，降水量呈现出北多南少，西多东少的特点，且山地多于平原。山区年平均降水量250～500 mm，平原年平均降水量20～80 mm[31]。日照时间充足、降水量少[32]、地表热量丰富、极端干旱[33]，年平均气温约为7～14 ℃。由于特殊的地理位置、地形和气候条件的影响，植被覆盖率低，沙漠戈壁和裸地面积大，使其生态系统比较敏感，生态环境十分脆弱[34]。

图1 研究区土地利用(土地覆盖)空间分布Fig.1 The spatial distribution of land use/cover of the study area

2 数据来源与方法

2.1 数据来源与处理

MOD16蒸散产品下载地址为http:∥www.ntsg.umt.edu/project/mod16。根据MOD16产品数据轨道号的排列规律及研究区所在地理位置，选择的卫星轨道号为h26v05和h27v05，其中涵盖了塔里木河流域2000-2014年共15 a的数据。MOD16产品包括全球植被覆盖区域的月、年时间尺度的蒸散量(AET)、潜在蒸散量(PET)，空间分辨率为1 km。借助于NASA提供的MRT (MODIS Reprojection Tool) 投影转换工具将原始的数据格式(HDF，Hierarchical Data Format)转换为 GeoTiff 格式，将SIN投影转为WGS-1984/Geographic 经纬坐标系，并进行图像空间拼接。根据下载网站提供的数据使用说明，剔除数据中的无效值并还原真实值。最后对数据进行矢量裁剪并获取研究区各年、月AET和PET值。

为了检验塔里木河流域MOD16蒸散量的准确性，选取位于塔里木河流域内的巴音布鲁克、巴伦台、大山口、和静、库车、喀什、和田等13个气象观测站的2000-2004年月时间序列的实际蒸发皿ET数据与 MOD16-PET数据在“点”尺度上进行验证。

2.2 方 法

ET年际变化评估指标[35,36]借鉴线性倾向估计计算每个像元2000-2014 年的ET时间线性倾向率(S):

式中：S为线性倾向值；n为年序列总长度(n=15)；i为具体计算年份；ETi为第i年的MOD16-AET/PET；S为负表示随时间i的增加，ET变化处于减少趋势，S为正表示随时间i的增加，ET变化处于增加趋势[35]。

3 结果与分析

3.1 MOD16产品精度验证

为了验证利用遥感技术监测区域蒸散量的准确性，在研究区内15个基本气象站中(见图1)选取有实测数据的13个气象观测站的2000-2004 年月时间序列的小型蒸发皿ET数据在“点”尺度上进行精度验证。在干旱半干旱地区，决定蒸发皿蒸发和实际蒸发的主要因素是能量，水分是次要因素。因此，两者以相反的变化趋势为主[37,38]。PET表示的是有充分供水条件下陆面可能达到的最大蒸散量。从而可知，通过蒸发皿ET与MOD16-PET的相关性来检验MOD16蒸散产品在塔里木河流域内的可用性是可行的。

从图2可以看出蒸发皿实测ET和MOD16-PET的拟合效果较好，总体上呈现出较好的相关性，相关系数R2达到0.81。结果表明MOD16 地表蒸散产品在研究区范围内的精度良好，可以用于分析和探讨塔里木河流域地表蒸散量的时空变化研究。

图2 潜在蒸散量与气象站月实测数据的关系Fig.2 Relationship between MOD16-PET product and monthly ET at meteorological stations

3.2 平均AET 、PET的时间分布特征

2000-2014年塔里木河流域地表AET、PET年际波动不大，AET波动范围为306.54～383.77 mm，多年平均AET值为345.04 mm；PET波动范围为1 551.97～1 744.85 mm，多年平均PET值为1 641.52 mm。年AET波动最为突出的年份是2012年和2008年，相对变化率分别为10.09%和-12.56%。年PET波动最为突出的年份是2007年和2003年，相对变化率分别为5.92%和-5.77%(见图3)。AET为地表实际蒸散量，PET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，AET与PET的差距可以说明地表的缺水情况，也就是干旱程度。从图3中可以看出，AET与PET差距之大，说明塔里木河流域整体上缺水，干旱。

图3 2000-2014年塔里木河流域AET、PET不同年月变化Fig.3 Annual and monthly variations of AET and PET in Tarim River basin during 2000-2014

塔里木河流域地表AET、PET年内分布处于先增大后减少的单峰形变化趋势，峰值出现在7月(见图3)。AET、PET都比较集中在4-9月，10 -次年3月变动波动比较平缓，平均AET值约24.34 mm，PET值约81.99 mm，4-7 月处于快速增长趋势，7月达到最高值，分别为62.62 mm 和215.80 mm，8 月份开始迅速下降，12月处于最小值，分别为22.69 mm 和67.21 mm。7月AET与PET差距较大，说明塔里木河流域在7月处于最干旱状态。按季节来看，春季即3-5月AET和PET处于增加趋势，夏季气温达到最高值，因此6月份开始都迅速增长，秋季即9-11月降水量减少、气温下降，两者随之处于急剧减少趋势，到了冬季处于最低值，12-次年2月保持最低值，无明显的变化。夏季两者之间的差距最大，此时研究区最干旱、缺水。

3.3 平均ET 、PET的空间分布特征

根据图4所示，塔里木河流域2000-2014年平均AET与PET具有明显的空间分布差异，两者空间分布格局体现出从盆地中心往外环状分布的特征，且AET与PET值的增减分布正好相反。多年平均AET波动范围为48.4～790.8 mm，PET波动范围为684.6～2 630.9 mm。流域外围天山山脉、阿尔金山、昆仑山、帕米尔高原等边疆山区AET值明显高于平原绿洲地区，为248～786.6 mm，PET值比较低，为684.6～1 466.4 mm。环塔里木盆地的尉犁绿洲、渭干河绿洲、阿克苏绿洲、喀什绿洲、叶尔羌绿洲及和田绿洲区AET值均比较低，为48～248 mm，PET值较高，为1 466.4～2 630.9 mm。由于MOD16产品覆盖范围为有植被区域，所以在图4中塔克拉玛干沙漠腹地、东部大范围荒漠戈壁区域、南部喀喇昆仑山山脉带状山麓地带等没有植被区域为空白，没有数据。

图4 塔里木河流域年平均AET、PET空间分布Fig.4 The spatial distribution of mean annual AET and PET of Tarim River basin

根据AET与PET的相反关系可以看出，流域北部天山山脉、阿尔金山、昆仑山、帕米尔高原等边疆山区水分比较充足，而环塔里木盆地的绿洲区域干旱缺水。图5为塔里木河流域4季多年平均AET、PET空间分布图，从图5中可以看出，AET各季节空间分布具有明显的差异性。4季AET的大小关系为：夏>春>秋>冬，春季(3-5月)为3.5～212.9 mm，平均值为100.2 mm；夏季(6-8月)为9～386.3 mm，平均值为134.06 mm；秋季(9-11月)为7.4～178.1 mm，平均值为77 mm；冬季(12-2月)为27～111.4 mm，平均值为67.55 mm。AET在夏季最高，其次为春季、秋季，冬季最少。春季气温慢慢升高、降水量逐渐增多、植被返青，AET也随之升高。夏季气温达到最高值，受西风气流的影响，水汽来源充沛，使得降雨量大、太阳辐射强烈，不同地貌类型的AET达到最大值，因此，AET比其他季节较大。夏季虽然北部天山山脉的气温较低，但河流水量充沛、风速大、土壤含水量高、植被处于生长期、蒸腾和蒸发作用旺盛，再加上高山融雪而引起的径流增加为地表AET提供了充分条件，因此，沿北部天山区域AET仍保持高水平。秋季气温开始下降、降水减少、植被处于衰败阶段，地表AET比夏季相对较少，在此期间AET最高值同样出现在流域外围的天山、阿尔金山、昆仑山、帕米尔高原等边疆山区，跟春季AET空间分布一致。冬季AET明显减少，在前3季均为高值的北部天山山脉转变为低值，中部的平原与山区的过渡带、博斯腾湖流域、尉犁绿洲以及渭干河绿洲等区域AET相反较高。主要的原因是，冬季在北部山区的气温比中部低得多，植被量少，河流处于枯水期，没有良好的蒸发条件，导致AET显著减少。

图5 塔里木河流域不同季节平均AET、PET空间分布Fig.5 The spatial distribution of AET and PET in different seasons in Tarim River basin

3.4 地表ET、PET的变化趋势分析

图6表示，近15 a来塔里木河流域地表AET、PET变化趋势空间分布情况。从图6中可以看出，AET在博斯腾湖、开都河流域、渭干河绿洲、阿克苏绿洲、喀什绿洲及叶尔羌绿洲部分地区有明显增加趋势，面积约占总面积的3%；沿昆仑山一带和塔里木盆地外缘水资源丰富的绿洲区有轻微增加或者基本不变趋势，面积约占22%和28%；北部位于天山山脉的巴音布鲁克草原、西北边的天山山脉有减少趋势，轻微减少和严重减少区域面积约占总面积的23%和24%。PET在位于天山南部的巴音布勒克草原以及塔里木河中游尉犁绿洲等区域有明显增加趋势，面积约占总面积的19%；天山西部、开都河流域、渭干河绿洲和阿尔金山等区域有轻微增加或者基本不变趋势，约占总面积的21%和25%；在环塔里木盆地的绿洲城市如阿克苏市、喀什市、和田市沿线绿洲和昆仑山北坡山前荒漠草原等区域有减少趋势，轻微减少和严重减少区域面积约占总面积的29%和6%。塔里木河流域多年AET总体上处于基本不变趋势，基本不变的区域面积约占总面积的28%；PET处于轻微减少趋势，约占总面积的 29%。按增加或减少的趋势所占的面积来看，AET有增加趋势的区域面积明显小于有减少趋势的区域面积，PET有减少趋势的区域面积小于有增加趋势的区域面积，区域AET减少趋势和PET增加趋势表明该区域干旱加重[39]。

图6 塔里木河流域年际与不同季节AET、PET变化趋势Fig.6 The variation trend of annual and seasonal AET and PET in Tarim River basin during 2000-2014

4 结 论

本文利用MOD16产品，对新疆2000-2014年期间地表AET、PET时空变化格局及其变化趋势进行了分析，并进一步揭示两者之间的关系。主要结论如下：

(1)2000-2014 年塔里木河流域地表AET、PET年际波动不大，AET波动范围为306.54～383.77 mm，多年平均AET值为345.04 mm；PET波动范围为1 551.97～1 744.85 mm，多年平均PET值为1641.52 mm。塔里木河流域地表AET与PET之差较大，说明该流域整体上缺水，干旱。地表AET、PET年内分布处于先增大后减少的单峰形变化趋势，峰值位于7月。AET、PET都比较集中在4-9月，10 -次年2 月份变动波动比较平缓，峰值位于7月，分别为62.62 mm 和215.80 mm，12月处于最小值，分别为22.69 mm 和67.21 mm。7月AET与PET之间的差距最大，说明塔里木河流域在7月处于最干旱状态。

(2)塔里木河流域2000-2014 年平均AET、PET具有明显的空间分异特征，两者空间分布格局体现出以塔里木盆地为中心，环状分布的特征，且AET、PET值的增减分布正好相反。流域外围的天山山脉、阿尔金山、昆仑山、帕米尔高原等边疆山区AET值明显高于平原绿洲地区，为248～786.6 mm，而PET值比较低，为684.6～1 466.4 mm，表明山区水分比较充足。环塔里木盆地的尉犁绿洲、渭干河绿洲、阿克苏绿洲、喀什绿洲、叶尔羌绿洲及和田绿洲区ET值均比较低，为48～248 mm，而PET值较高，为1 466.4～2 630.9 mm，表明绿洲平原地区水分条件差，干旱缺水特征明显。

(3)从 2000-2014年间塔里木河流域地表AET、PET变化趋势来看，AET总体上处于基本不变趋势，基本不变的区域面积约占总面积的28%；PET处于轻微减少趋势，约占总面积的29%。按增加或减少的趋势所占的面积来看，AET有增加趋势的区域面积小于有减少趋势的区域面积，PET有减少趋势的区域面积小于有增加趋势的区域面积，区域AET减少趋势和PET增加趋势表明该区域干旱加重。

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