基于MOD16产品的怒江流域中上游蒸散发分布特征研究

范雪梅, 罗 贤, 季 漩, 李运刚, 黄江成

(云南大学亚洲国际河流中心/云南省国际河流与跨境生态安全重点实验室, 云南 昆明 650091)

蒸散发是水文过程的重要环节之一，地表水分的收支情况在一定程度上影响着地理环境的组成与演变，研究蒸散发的分布规律及变化特征，对于探讨水文过程对气候变化的响应具有重要意义[1]。由于地形、气候、植被等众多自然因素差异的存在，估算区域蒸散发一直是相关研究中的难题[2]。遥感具有覆盖范围广、时空连续观测的特点，促进了蒸散发量估算由点尺度向面尺度推广，在获取地表实际蒸散发方面具有独特优势[3-4]。青藏高原是亚洲主要大河的发源地，也是我国气候变化较为显著及突出的区域[5]。近几十年来，青藏高原地区气温呈明显上升趋势，年平均增幅达0.32 ℃/10 a[6-7]；另一方面，青藏高原的蒸发皿蒸发量呈减小趋势，变化速率为-30.6 mm/10 a[8]。与全球大多数区域类似，气温增加，潜在蒸发量减小的“蒸发悖论”现象在青藏高原地区同样存在。由于地形及气象条件复杂、观测站点缺乏，开展青藏高原地区蒸散发分布及变化特征研究，是气候变化影响下区域水文过程变化研究的难点之一。怒江流域中上游主要位于青藏高原东南部，流域西藏段是西藏的第二大河流，其长度、流域面积及径流量仅次于雅鲁藏布江[9]。近年来，怒江流域西藏段增温趋势明显[10]，气温增长速率达0.42 ℃/10 a[11-12]。一直以来，针对怒江流域尤其是中上游水文地理的有关研究相对较少，开展怒江流域中上游蒸散发量的空间分布特征分析，能够促进气候变化背景下，青藏高原东南部缺资料地区水量平衡分布规律的辨识。为此，本文利用怒江流域中上游及其周边地区气象站点实测降水资料，对TRMM(tropical rainfall measuring mission)3B43数据进行精度验证；基于水量平衡原理，结合TRMM数据及流量观测资料，对MODIS(moderate-resolution imagine spectroradiometer)全球陆地蒸散发产品(MOD16)在研究区的适用性进行评价；在此基础上，重点探讨研究区蒸散发及产水量的空间分布特性，为气候变化下的怒江流域中上游水资源合理开发利用及生态环境保护提供支撑。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

怒江—萨尔温江发源于青藏高原唐古拉山南麓，流经我国西藏、云南省，出境进入缅甸后称萨尔温江，干流全长3 673 km，流域面积为3.25×105km2[13]。在我国境内，怒江流域位于91°13′—100°15′E，23°5′—32°48′N，呈南北狭长型，自西北向东南地势逐渐降低，流域面积为1.36×105km2，干流全长2 013 km。河源至嘉玉桥为上游，位于地势相对较高的青藏高原东南部，气候严寒，昼夜温差大，降水较为稀少，径流补给来源丰富，其中降水、冰雪融水及地下径流分别占35%，32%，33%；嘉玉桥至六库为流域的中游，地处高山峡谷广布的横断山区，气候垂直变化明显，降水较上游有所增加，是径流补给的主要来源；六库以下为下游，位于地势较低的云贵高原，气候温暖湿润，降水期集中，径流全部由降水补给[9,13]。本文选取位于滇藏省界附近的贡山水文站(98°40′E，27°43′N)以上流域作为研究区，研究区面积约为1.07×105km2，占怒江流域在中国流域面积的78.7%。

1.2 数据来源

1.2.1 实测降水及径流数据 本研究采用的降水数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)，选取1998—2016年怒江流域中上游及其周边地区17个气象站点实测月降水量，用于TRMM3B43数据的验证，站点分布如图1所示。在流量数据方面，本研究收集到嘉玉桥站2003—2006年、贡山站2000—2011年各月流量观测资料，对研究区平均径流深进行计算。

图1 研究区地形及气象站、水文站分布

1.2.2 TRMM数据 TRMM3B43产品是TRMM卫星联合其他卫星及地面观测资料共同反演的降水产品，该产品首先订正TRMM/TMI(microwave image)资料，并结合SSM/I(special sensor microwave imager)、AMSR-E(advanced microwave scanning radiometer-earth observing system)、AMSU-B(advanced microwave sounding unit-B)资料估算降水，其次利用全球降水气候计划的红外降水估值订正微波降水，再将微波和红外资料联合估值，并融合地面雨量计数据，充分利用已有观测资料[14]，为无资料及缺资料地区的降水研究提供数据支撑[15]。在自然环境复杂、观测站点缺乏的青藏高原地区，开展TRMM数据的适用性研究，表明TRMM数据能够较好地呈现青藏高原降水的时空分布格局及变化特征[16-17]。本研究选用1998—2016年TRMM3B43V7数据(来源：https:∥disc.gsfc.nasa.gov)，时间分辨率为1个月，空间分辨率为0.25°×0.25°。将其与同期气象站点实测降水资料进行对比分析，以验证TRMM3B43V7数据在怒江流域中上游的精度，进而检验MOD16数据在怒江流域中上游的适用性，并明确该流域的蒸散发空间分布特征。

1.2.3 MODIS蒸散发数据 MOD16是NASA于2011年发布的全球陆地蒸散发产品数据，原理为Mu等基于Penman-Monteith公式在2007年的算法基础上得到的蒸散算法，计算输入数据包括叶面积指数、反照率、植被覆盖度等遥感信息及气温、气压、相对湿度、辐射等气象资料，产品包含蒸散发(ET)、潜热通量(LE)、潜在蒸散发(PET)和潜在潜热通量(PLE)。通过全球通量塔台站的检验，MOD16数据模拟精度可达86%[18-19]。MOD16数据在时空上具有高分辨率、连续覆盖等特点，在全球得到了较为广泛的应用[20]。目前，MOD16数据已用于我国地表蒸散发的时空变化特征分析[21-22]，总体上具有一定的适用性，在站点资料稀缺的青藏高原地区，MOD16数据能够较准确地呈现蒸散发的空间分布规律[23]。本研究选用2000—2011年的MOD16A2数据(来源：http:∥files.ntsg.umt.edu)，时间分辨率为1个月，空间分辨率为0.05°×0.05°。结合收集到流量数据的序列情况，基于水量平衡原理，利用同期TRMM3B43数据和流量观测资料，分别对MOD16A2数据在研究区不同部分的适用性进行验证。

1.2.4 植被数据 根据1∶100万中国植被图，对研究区植被类型分布情况进行划分，研究区植被类型以草甸和草本沼泽、灌丛和萌生矮林、针叶林、无植被为主，分别占研究区总面积的54.6%，30.6%，7.5%和6.6%。

1.3 研究方法

1.3.1 TRMM数据检验 对TRMM数据的整体精度评价采用相关系数(R)、相对偏差(BIAS)、平均误差(ME)及平均绝对误差(MAE)4个指标。

相关系数的计算方法为：

(1)

相对偏差的计算方法为：

(2)

BIAS表示TRMM降水与实测降水在数值上的偏离程度，BIAS越接近0，表明TRMM数据越精确。BIAS为正值，表明TRMM降水高于实测降水，BIAS为负值，表明TRMM降水低于实测降水。

平均误差及平均绝对误差的计算方法为：

(3)

(4)

ME和MAE表示TRMM数据与站点实测数据的误差，ME和MAE的值越小则误差越小。

1.3.2 MOD16数据检验 利用TRMM数据和径流深数据，基于水量平衡公式，对MOD16产品在研究区适用性进行评估。

P=E+R+ΔS

(5)

式中：P——年降水量(mm)；E——年蒸散发量(mm)；R——年径流深(mm)； ΔS——蓄水量的变化量(mm)。在多年平均的情况下，可以忽略流域蓄水量的变化[24]。

2 遥感数据适用性分析

2.1 TRMM数据精度验证

1998—2016年研究区及周边地区站点实测降水量与对应栅格降水量的决定系数为0.73，相关系数为0.86，并通过了显著性水平为0.01的检验(图2)，相对偏差BIAS为19.0%，平均误差ME为10.2 mm，平均绝对误差MAE为21.0 mm。总体而言，TRMM3B43V7降水量略高于实测降水量，TRMM3B43V7产品在研究区具有较好的精度。

图2 研究区TRMM降水与站点实测降水散点图

为全面分析TRMM产品在研究区的适用情况，进一步对17个站点的实测降水量与对应栅格TRMM降水量分别进行相关分析(表1)。TRMM降水量与各站点实测降水量的相关系数较高，均通过了显著性水平为0.01的检验。上游各站点的相关系数大于0.88，表明TRMM产品在上游地区精度较好；中游各站点的相关系数相对较低，其中贡山站的相关系数仅为0.77，表明TRMM产品在中游的精度不如上游。上游位于高原湖盆宽谷区，地形起伏较小，中游地处横断山区，地形复杂多变，降水空间差异较大，故TRMM产品在怒江上游所得降水更接近实测降水。TRMM3B43V7产品在研究区具有一定精度，本研究即采用2000—2011年TRMM3B43V7降水数据，结合流量观测资料对MOD16产品的适用性进行验证。

表1 研究区TRMM降水与站点实测降水的相关系数(R)

2.2 MOD16数据精度验证

表2及图3为怒江流域中上游不同部分TRMM多年平均降水P与MOD16估算降水(E+R)的对比结果。从图3可以看出TRMM降水与MOD16估算降水较为吻合，总体上呈现较好的一致性。同时对比两者的散点图，表明P与(E+R)整体变化趋势较为一致(图3)，决定系数为0.58，相关系数为0.76，且通过了显著性水平为0.01的检验。进一步分析MOD16产品在流域不同部分的适用性，发现在嘉玉桥以上的部分精度较高，相对误差为25%，而嘉玉桥至贡山的部分精度较低，利用MOD16产品所得蒸散发量相对偏大，这说明MOD16产品在地形起伏较大的山区精度较差。对研究区整体而言，2000—2011年，TRMM多年平均降水量P为682.9 mm，MOD16多年平均蒸散发量E为489.4 mm，多年平均径流深R为396.7 mm，多年平均(E+R)为886.1 mm，多年平均降水量P较(E+R)低203.2 mm，在研究区利用MOD16产品所得蒸散发量整体偏大。本研究利用MOD16产品所得怒江中上游的蒸散发量介于300～800 mm，与刘国纬[25]所得青藏高原东南部年蒸散发量500～800 mm的结果较为一致。由此可见，MOD16产品在怒江流域中上游具有一定的适用性，可利用MOD16数据分析研究区的蒸散发空间变化特征。

图3 研究区不同部分P与(E+R)的比较

表2 研究区不同部分多年平均P与(E+R)比较

3 怒江流域中上游水循环要素空间分布特征

3.1 降水空间分布特征

研究区年平均降水量为682.9 mm，不同区域降水空间分布差异较大(图4)，河源那曲地区、中游洛隆至左贡地区降水量较小，上游比如至洛隆、中游贡山地区降水相对丰富。河源区年降水量低于600 mm，源区海拔高，气候寒冷，且距印度洋水汽源较远，水汽在输送过程中逐渐损失；上游比如至洛隆地区降水量约为700～900 mm，来自印度洋的西南暖湿气流沿雅鲁藏布江通道上溯，水汽在此集中，形成降水的高值区；中游洛隆至左贡降水量介于500～700 mm，由于众多山脉阻隔，到达此处的水汽较少；中游贡山降水量约为1 500 mm，贡山位于研究区偏南、横断山区相对偏西，受地形及大气环流影响，印度洋水汽沿横断山脉自南向北上溯，同时水汽沿横断山脉西侧通道上溯至贡山地区，形成较为丰富的降水。

图4 研究区降水空间分布

3.2 蒸散发空间分布特征

研究区年平均蒸散发量为489.4 mm，蒸散发量多介于300～800 mm，研究区蒸散发空间分布差异较大，与降水的空间分布类似，存在两个明显的高值区和两个低值区(图5)。高值区分别位于上游比如至洛隆、中游贡山地区，低值区出现在河源、中游八宿至左贡地区，蒸散发沿河流呈现出低—高—低—高的变化规律。河源、八宿至左贡地区蒸散发量在400 mm以下，低于年平均值，由于降水较少，可供蒸散发的水分有限；比如至洛隆、贡山地区蒸散发量约为600～800 mm，该地区降水量较大，充足的水分可用于蒸散发。

图5 研究区蒸散发空间分布

杜军等[26]应用实测气象资料对1981—2010年怒江西藏段的潜在蒸发量进行研究，发现怒江西藏段年平均潜在蒸发量为870.1 mm，本研究采用MOD16产品所得年平均蒸散发量为496.8 mm，供水条件是影响研究区蒸散发的重要因素之一。

4 产水量空间分布特征

4.1 产水量空间分布特征

探究降水量与蒸散发量的差值(P-E)，以进一步评估研究区产水量的空间分布特征。研究区年平均(P-E)为193.5 mm，(P-E)空间分布如图6所示。整体来看，上游地区(P-E)空间分布差异较小，多低于400 mm，那曲至比如一带介于200～400 mm。刘冬英等[13]对怒江水资源特性进行分析，表明怒江上游大部分地区径流深介于200～400 mm，本研究所得结果与其相符。研究区中游地处横断山区，(P-E)空间分布极不均匀，贡山地区年降水量约为1 500 mm，蒸散发量介于700～800 mm，(P-E)可达600 mm以上。对比研究区降水空间分布图(图4)，可知(P-E)与降水的空间分布格局相似，研究区整体降水量偏小。

4.2 植被与(P-E)/P的关系

研究区(P-E)/P空间分布如图7所示，(P-E)/P与(P-E)的空间分布基本一致。上游那曲至比如地区(P-E)/P大于0.4，比如至洛隆地区则低于0.3；中游(P-E)/P分布差异较大，洛隆至八宿地区(P-E)/P在0.3以下，而左贡和贡山地区(P-E)/P可达0.6。研究区植被类型主要包括草甸和草本沼泽、灌丛和萌生矮林、针叶林、无植被等，植被分布如附图5所示。

图6 研究区(P-E)空间分布

图7 研究区(P-E)/P空间分布

对研究区2000—2011年主要植被类型(P-E)/P进行统计(表3)，经检验，草甸和草本沼泽与灌丛和萌生矮林的均值存在显著性差异，在0.05水平上差异显著。无植被地区(P-E)/P最大，为0.33，而植被覆盖区的(P-E)/P相对较小。在无植被地区，裸地的水源涵养能力较差，降水易下渗形成壤中流和地下径流，故(P-E)/P较高；在植被覆盖地区，植物能够在一定程度上截留降水，水分消耗于蒸散发，因此(P-E)/P较无植被地区较低。

表3 研究区不同植被类型降水及蒸散发特征

5 结 论

(1) 利用气象站点实测降水资料，对TRMM3B43降水产品及MOD16蒸散发产品在怒江流域中上游的适用性进行评估，研究区及其周边地区TRMM3B43数据与站点实测月降水量R为0.86，TRMM3B43数据在怒江流域中上游具有较好的精度，MOD16数据在怒江流域中上游的蒸散发量相对偏大，仍具有一定的适用性，可用于流域蒸散发分布特征的分析与研究。

(2) 基于遥感产品所得结果，怒江流域中上游多年平均蒸散发量为489.4 mm，蒸散发空间分布差异较大，沿河流呈现出低—高—低—高的变化特征，流域(P-E)与P的空间分布格局相似，具有明显的空间分布差异，无植被地区的(P-E)/P为0.33，植被覆盖区的(P-E)/P相对较小。

(3) 由于自然条件的限制，获取青藏高原蒸散发相关数据较为困难，而MOD16产品具有覆盖范围广、时空上连续等特征，为蒸散发及产水量的空间分布特征分析提供了相对可靠的数据支撑，可用于资料缺乏的青藏高原地区水文过程研究。利用MOD16产品所得区域蒸散发存在一定的偏差，在使用时需予以综合考虑。