基于MOD16的东江流域地表蒸散发时空特征分析

(1.江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000； 2.江西理工大学 经济管理学院，江西 赣州 341000)

1 研究背景

蒸散(Evapotranspiration, ET)是植被及地面向大气输送的水汽总通量，既包括从地表和植物表面的水分蒸发，也包括通过植物表面和植物体内的水分蒸腾，它是陆面水文过程中极其重要的分量，决定了土壤-植被-大气系统中的水分和热量传输，是水文水循环和水量平衡研究的核心[1-3]。而潜在蒸散发(Potential evapotranspiration，PET)，是指在一定气象条件下，水分供应不受限制时某一固定下垫面可能达到的最大蒸散发量，也称为作物蒸散量，是估算生态需水和农业灌溉的关键因子[4]。东江流域具有丰富多样的地形种类，是我国南方典型的红壤低山丘陵区，流域所处亚热带地区，有着丰富的水土资源，是广东省的主要粮产区之一，同时也肩负着香港供水的重任，在国家战略层面有着重大的意义。但在气候变化和人类活动共同影响下，流域汛期和非汛期洪灾、涝灾或旱灾等自然灾害频发，危及人民群众的生命安全以及财产安全[5]。旱涝灾害的频发与流域水量平衡关系的变化息息相关，而陆面蒸散发在流域水量平衡关系中占据重要比重[6]。研究不同植被覆盖类型下的蒸散发量，对于调节东江流域的气候、保护上游生态环境、促进农业生产和合理配置及下游供水有着重要的现实意义。

MODIS数据具有光谱范围广，精度高，可免费获取以及更新快等特点，因此，在2011年美国NASA利用MODIS数据在ET反演研究上取得了一些成果后，国内外学者对蒸散发领域逐步开展起来。如张静等[7]基于MOD16数据，与汉江土地覆被数据相结合，探索不同土地覆被下ET和PET的时空特征，PET呈东南向西北递减态势，ET呈东低西高，南高北低态势；吴桂平等[8]以MOD16遥感数据集为基础，分析鄱阳湖流域2000—2010年不同地表类型下蒸散量的差异性变化特征，空间格局呈现四周高、中间低的分布规律；刘宪峰等[9]通过对西北五省潜在蒸散发的研究发现西北五省ET整体呈现出下降趋势；在蒸发的研究中，ET与PET之间的关系对于分析气候与水文相互作用关系具有非常重要的作用[10]；刘小莽等[11]在海河流域的研究则表明潜在蒸散发最为敏感的气象因子是水汽压；刘佳丽等[12]分析了西藏湖泊的时空分布和变化特征以及驱动力，得出湖泊变迁对气候的响应；Li[13]对黑河流域中西部地区的异质绿洲-沙漠地区逐日ET进行监测，分析不同地表类型的ET差异；She等[14]调查了1960—2012年中国黄河流域中游49个气象站ET变化的原因，分析出在该研究区域的不同地区、不同时期ET变化的原因有较大差异；Gao等[15]利用1960—2012年的中国西辽河流域干旱半干旱地区的15个气象站，分析ET的季节和年变化以及空间分布特征。

上述研究表明，蒸散发具有典型的时空特征，各地区处于不同的经纬度位置，由于自身位置的特殊性，蒸散发特征会有所变化，而东江流域蒸散发鲜有研究。本文拟基于MOD16-ET数据，与东江流域土地覆盖类型相结合，探讨利用该产品分析东江流域地表蒸散量时空变化规律及其影响因素，从而为预防东江流域的旱涝灾害以及保护东江流域的生态环境提供理论依据。

图1 东江流域位置

2 研究区域概况

东江流域(图1)位于22°33′N—25°14′N、113°29′E—115°56′E之间，流域内夏季高温多雨，冬季温暖湿润，属亚热带季风气候。东江流域发源于江西省寻乌县梗髻钵山，跨江西、广东两省，是珠江水系的主要河流之一。干流自东北向西南流，总长562 km，流域总面积达35 340 km2，源头至龙川县合河坝为东江上游；从合河坝至博罗县观音阁，是东江中游；观音阁以下为东江下游[16]。东江流域的土地利用类型以耕地和林地为主，上游主要以山地植被景观为主，下游以平原植被景观为主，而中部则是山地与平原植被兼具，地势起伏较大[17-18]。

3 数据与方法

3.1 数据来源与处理

本文所用的地表蒸散产品(MOD16)是美国NASA研究团队在Penman-Monteith公式的基础上进行改进后估算得到的，该数据集包括全球植被覆盖区域的蒸散发(ET)、潜热通量(LE)、潜在蒸散发(PET)和潜在潜热通量[19]，数据来自于http:∥www. ntsg. umt. edu/project/mod16，具体见表1。根据MOD16产品的卫星轨道号排列规律和东江流域的经纬度，卫星轨道号为h28v06，其中包括了东江流域2005—2014年共10 a的数据。文中主要采用月尺度的ET和PET数据，空间分辨率为1 km。所用的土地覆被数据是MOD12Q1产品，地表覆盖类型96 d合成，分辨率为1 km，该数据主要来自于http:∥www.gscloud.cn/。

表1 数据与资料信息

原始MODIS数据以一种分层数据格式(Hierarchical Data Format，HDF)储存，不能直接读取。利用MRT软件(由NASA网站提供)，将MOD16-ET产品、MOD16-PET产品与MOD12Q1产品由HDF格式转换为GeoTiff格式文件，采用UTM投影经纬度坐标系统，对其进行重采样和轨道镶嵌等工作。将MOD12Q1的原始分类进行合并，得到最终的土地利用分类。利用江西、广东两省的DEM数据，经过水文分析，提取东江流域矢量边界图，并在ENVI软件中进行裁剪，得到东江流域不同时间尺度和空间尺度的地表蒸散发图像，在 ENVI软件的IDL系统支持下，统计ET和PET的年平均值以及最大值、最小值和方差等，利用软件将MOD16-ET以及PET中的异常值剔除，从而得到东江流域各种尺度的蒸散量图像。

3.2 研究方法

本文分别采用均值法、标准差法和变异系数来模拟东江流域ET在栅格单元上2005—2014年蒸散的时空差异以及变化规律，其公式如下。

(1)平均值法：

(1)

(2)标准差法：

(2)

(3)变异系数：

(3)

式中：t表示年份，从2005—2014年共10 a；ETij表示东江流域第i年蒸散量的平均值，也反映该年流域内数据的平均状态；STDij表示第i年该流域蒸散量的标准差，该值越大，表明该区域的蒸散发值在当年波动越大，值越小则相反；CV表示变异系数，用来计算流域内不同土地利用类型下ET的离散程度。变异系数越大，代表该土地覆被下蒸散量的离散程度以及误差越大；变异系数越小，代表该土地覆被下蒸散量的离散程度以及误差越小。

下文所说的DET代表实际蒸散量与潜在蒸散量之间的差，可以根据DET来估计某个季节或是某种土地覆被的干湿状况。式(1)—式(3)中ET均可替换成PET。

4 结果分析

4.1 东江流域ET与PET空间分布特征

利用MOD16年数据产品获取东江流域多年的ET和PET平均分布值(图2)。由图2(a)可见，东江流域ET值范围在206～1 835 mm之间，整个流域的ET值呈现高低交错现象，总体是中部高南北两面稍低的趋势，且蒸散量大部分地区都较高。东江流域PET值范围在263～1 630 mm之间，整个流域的PET值呈现由南到北递减的趋势。结合东江流域上下游特征，统计出了ET和PET最大值、最小值和平均值，东江流域上中下游ET及PET值具有明显的空间差异性。

图2 东江流域ET和PET分布特征

表2为2005—2014年东江流域上下游ET和PET特征。由表2可知，东江流域的ET平均值的高低顺序排列为：中游>下游>上游。结合图2可知，中游以林地为主，且地势较上游起伏小，植被叶面也相对较宽，蒸腾作用较强，所以实际蒸散发是最大的；而上游大部分在江西省，山地较多，海拔较高，植物叶面较窄，蒸腾作用相对较弱，且由于赣粤交界的九连山脉阻挡，水汽不能长驱直入，所以地表蒸散量相对较小；而在下游大部分为城市用地和耕地，植被相对较少，蒸腾作用较弱。PET平均值的高低顺序为：下游>中游>上游。由于东江中下游土壤肥沃，作物分布广泛，而上游多为山地，所以在充分供水条件下，PET值由下游往上游逐渐递减。

表2 2005—2014年东江流域ET和PET特征

再结合东江流域的土地覆被分布，统计在不同的土地覆被类型中，流域内ET和PET的分布特征如图3所示，得出东江流域内土地利用分类下的ET和PET存在较大差异。据统计，多年的ET均值在不同土地覆被类型的大小排列顺序为：林地>草地>裸地>耕地>城市用地；而PET均值大小排列顺序为：城市用地>裸地>耕地>草地>林地;年均PET要远远大于年均ET。ET是在非充足供水情况下的蒸散量，而PET是在充足供水情况下的蒸散量，当降水量不充足时，会导致实际蒸散发并没有这么高。流域内ET变异系数排列顺序为裸地>耕地>城市用地>草地>林地，林地草地变异系数较小，说明林地和草地离散程度小，植物对于蒸散量非常重要，为调节蒸散量做出巨大贡献。流域内PET变异系数排列顺序为城市用地>耕地>草地>林地>裸地。其中林地和草地的变异系数相差相似且较小，但是该流域内PET的变异系数裸地最小，说明在水分充足条件下，裸地的蒸散量离散程度小。总体来说，土地覆被类型的蒸散量特征与上下游的蒸散量分布特征基本是吻合的。说明植被具有蓄水功能，能够对水体进行涵养，改善区域蒸散量的大小，林地、草地等尤为显著，对调节气候、预防旱涝灾害有着非比寻常的意义[20]。

图3 2005—2014东江流域不同土地覆被类型下ET和PET平均值以及离散系数

4.2 东江流域ET和PET年际变化特征

DET为PET与ET之间的差值，能够很好地反映区域内的自然水分状况。自2005年以来，东江流域的DET值起伏较大，但是整体上呈现递减趋势；PET值与DET值基本一致，在2009年和2012年比较低，但是PET值在2012—2014年增加较快；流域的ET值整体呈现弱增长趋势，在前9 a中蒸散量较平稳，在后一年呈现一个陡增趋势(见图4)。上述情况与2014年我国东南地区发生特大洪涝灾害基本吻合。

图4 东江流域地表蒸散量的年变化

从图4可看出，东江流域多年的ET平均值波动在401～671 mm/a之间，而PET的平均值大概波动在808～1 114 mm/a之间。ET和PET的最大值都在2014年，分别是671,1 114 mm。二者的最小值则在不同年份，ET的最小值在2005年，ET值为401 mm左右；PET的最小值在2012年，PET值在808 mm左右。二者的DET平均差值为493 mm左右，其中差值最大的年份在2005年，约为638 mm；差值最小的年份在2012年，约为299 mm。

为了更好地研究东江流域蒸散发的时间特征，统计了东江流域2005—2014年共10 a的ET和PET的相对年际变化率和平均值，以此研究流域内蒸散量的波动情况(见图5)。

图5 2005—2014年东江流域ET和PET的年际变化

由图5可知，10 a中，流域ET和PET的平均值分别在481 mm/a和975 mm/a左右，且实际蒸散量超出平均值的年份有2007年、2012年、2014年，在2014年尤为突出。多年以来，东江流域ET的相对变化率处于-16.63%～39.50%之间，PET的相对变化率处于-20.67%～12.48%之间。其中ET和PET相对变化率最大均在2014年，分别超出平均值190 mm和139 mm,变化率分别高达39.50%和12.48%。ET相对变化率最小在2005年，低于平均值80 mm,变化率为-16.63%； PET的相对变化率最小值在2012年，低于平均值167 mm，变化率为-20.67%，PET相对变化率是负值的分别是2006年、2009年、2011—2013年这5年。

综上所述，这10 a以来，蒸散量在大多数年份比较稳定，少数几年ET和PET高低悬殊，且ET和PET在2014年有增加趋势，在其后几年都有持续增加的趋势，表明东江流域在未来几年可能呈现旱涝灾害加剧的趋势，且加剧东江流域的水土流失程度，对生态环境造成一定的破坏。

4.3 东江流域ET月变化特征

以MOD16数据为基础统计的东江流域月蒸散量特征如图6所示，流域内多年的月ET值呈现一个单峰型趋势。东江流域多年的各月ET平均值波动在200～1 200 mm之间，其中最高的月份是9月，为1 183 mm，最低月份在2月，为209 mm。且5—10月份ET值较高，普遍在1 000 mm以上，其余月份均在1 000 mm以下。据东江流域的气候特征可知，9月份为夏末秋初之际，温度较高，降雨丰富，地面蒸发和植物蒸腾相对较旺盛，所以蒸散量也相对较大；1，2月份前后是春节之际，天气寒冷，且降雨量较少，万物枯萎，蒸腾作用也相对减弱许多，因此蒸散量相对较小。流域内上中下游ET值月变化特征与其相似，大多数月份ET值呈现“中游>下游>上游”的趋势。由于上游位于江西赣南境内，赣南地区山多坡险，水土流失相对严重，且稀土矿过度开采，植被破坏严重[21]，蒸散量较小。

图6 东江流域内蒸散发量月变化

2005—2014年东江流域的各月ET值在不同植被覆盖类型下也不同(见图7)，其中12个月中纵向比较，林地的ET平均值最高，城市的ET平均值最小；横向比较的话，ET在耕地、林地、草地都是呈现单峰状，在12月份最小，在9月份最高，与多年各月的ET相吻合；但是裸地与城市在2月份与4月份是最低的，在3月份突然剧增，波动较大。东江流域作物普遍是一年两熟，局部地区是一年三熟。在年后(2—3月份)，万物开始复苏，雨水也渐渐增多，ET值开始慢慢增加，一直到9月份，秋季来临，作物开始丰收，雨水开始减少，蒸腾作用减弱，ET值也相应开始降低，在12月份—次年2月份，形成一个低谷状态。

图7 东江流域不同土地覆被类型下ET年内各月变化

图8 东江流域四季ET时空分布特征

4.4 东江流域ET季节变化特征

东江流域的蒸散量可分为4个季度来统计分析，考虑到区域纬度相对较低，将1—3月份划为春季，将4—6月份划为夏季，将7—9月份划为秋季，将10—12月份划为冬季(见图8)。 流域内植被覆盖以及种类、降水量、太阳辐射等造成空间分布差异明显。

由图8可以得出，春季地表ET为218～1 088 mm。由于处于春节前后，气温开始回暖，特别是处于中下游的广东一带，纬度较低，此时开始种植农业灌溉需水量大，植被开始发芽，使得蒸发与蒸腾作用增强，蒸散量开始逐渐增高。夏季地表ET为253～2 251 mm。由于东江流域地处北回归线附近，温度较高，又主要受海陆热力性质差异影响，吹东南风，且梅雨季节开始来临，水汽较多，ET值普遍较高。秋季ET值为257～2 409 mm。由于气候原因，流域内夏秋季节并不明显，且7，8月份东南沿海受台风影响较大，降水较丰富，地表蒸散发较大，且ET值较大的地区集中在中下游部分。冬季ET值为206～1 835 mm，此时受西伯利亚的寒风影响，且受大陆高压控制，温度较低，降雨相对较春夏秋季节更小，蒸发较弱，且冬天不利于植被生长，蒸腾作用较弱，再者，气旋过境频繁，晴天较少，综合起来导致冬季整体的地表ET值较低。地表ET值在四季的均值分别为725，1 101，1 183，671 mm/a，且秋季>夏季>春季>冬季，分别占年内蒸散量的32.15%，29.92%，19.70%，18.23%。

ET不仅受植被覆盖的影响，还受土壤湿度、空气湿度等的影响，所以ET是水文循环和地表能量平衡的真实反映。故本文还深入分析了在不同植被覆盖下各季节的ET值变异系数(见图9)。由图9可知，东江流域内ET变异系数冬季最大，夏季相对较小，说明夏天空间差异性较小，冬天空间差异性较大。其中，在林地上，春夏秋冬的变异系数都较小且相差不大，但是在裸地上，四季的变异系数相对偏大，且春夏秋冬之间的差值也较大，说明裸地存在的不确定因素较多，而林地相对来说较稳定。

图9 不同土地覆被类型下各季节ET变异系数

5 结 论

(1)东江流域ET值整体呈高低交错的态势，总体趋势中间高，南北两端稍低，表现为“中游>下游>上游”；而PET值则呈明显的由南到北递减的趋势，表现为“下游>中游>上游”。2005—2014年中，每年的ET值波动较小，而PET值相对波动较大，其中ET在2014年较高，PET在2007年、2008年、2014年较高，均超过了1 000 mm，二者在2014年乃至其后几年均呈增高趋势，加剧东江流域的水土流失，对环境造成破坏。

(2)受气候特征影响，2005—2014年内各月ET折线图呈单峰型，其中ET值在9月最高，在2月最低。ET值较高月份集中在5—10月，均在1 000 mm以上，ET值较低月份集中在12月—次年2月，均在600 mm以下。其次，流域内的ET值有较强的季节性，表现为“秋季>夏季>春季>冬季”。

(3)在不同植被覆盖类型下，年尺度上，ET排列顺序为林地>草地>裸地>耕地>城市用地，PET的排列顺序为城市>裸地>耕地>草地>林地；月尺度上， ET基本与年尺度是一致的。且冬季ET变异系数均较高，夏季则较低；林地覆盖下，四季ET变异系数较低且误差较小，且四季离散程度差值较小，在裸地覆盖面积上则是相反。