趙亮+姚強(qiáng)勝+丁穎+宋雅寧

摘要：中原文明起源于黃河，興盛于黃河，而黃河的水土保持和水量平衡一直以來都是黃河研究的重點(diǎn)。本文在對(duì)黃河流域及其子流域長(zhǎng)時(shí)間序列蒸散趨勢(shì)分析的基礎(chǔ)上，用中值監(jiān)測(cè)法和最大值合成法進(jìn)一步對(duì)蒸散和土地利用、氣溫變化之間的關(guān)系進(jìn)行研究，從而揭示出流域與子流域蒸散趨勢(shì)變化規(guī)律以及蒸散與氣溫、不同土地利用類型的關(guān)系。本文利用MOD16數(shù)據(jù)2000-2013年黃河流域年、月的蒸散數(shù)據(jù)，進(jìn)行趨勢(shì)分析和蒸散數(shù)據(jù)對(duì)比。結(jié)果得出：①在時(shí)間尺度上，14年間黃河流域平均蒸散量呈總體上升的趨勢(shì)。在空間尺度上，黃河流域不同子流域的年平均蒸散量雖各不相同但總體趨勢(shì)與整個(gè)流域的變化趨勢(shì)一致。 ②黃河流域年內(nèi)各月間蒸散量也表現(xiàn)出明顯的時(shí)空變異特性，其大致為先增大后減小的單峰分布趨勢(shì)。③黃河流域不同土地利用平均年蒸散量的趨勢(shì)變化也不盡相同。在年際時(shí)間尺度上，林地的蒸散值最高。耕地、草地次之。而裸地的蒸散值則是最低的。這為黃河流域的水量平衡研究提供了一定的理論支持。

關(guān)鍵詞：蒸散；MODIS；黃河流域；趨勢(shì)分析；土地利用

1.引言

蒸散（Evapotranspiration， ET）包括地表水分蒸發(fā)與植物體內(nèi)水分的蒸騰。它是維持陸面水分平衡的重要組成部分，同時(shí)它也是陸面水文過程中極其重要的部分，是水循環(huán)和水量平衡研究的核心[1]。由于近年來國(guó)家對(duì)黃河流域水土保持和水量平衡的研究工作越來越重視，因此眾多學(xué)者對(duì)黃河流域的水量平衡中蒸散過程的研究也越來越多。比如：高歌等利用氣象站資料對(duì)中國(guó)1956-2000潛在蒸散量變化趨勢(shì)的研究得出蒸散量與日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對(duì)濕度等要素關(guān)系密切[2]。曾麗紅等對(duì)松嫩平原生長(zhǎng)季蒸散量時(shí)空格局及影響因素分析得出松嫩平原2000-2008年生長(zhǎng)季蒸散量的區(qū)域平均值呈明顯下降趨勢(shì)[3]。而這些學(xué)者的研究?jī)H停留在點(diǎn)上，都是針對(duì)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)來推算潛在蒸散量進(jìn)而得出結(jié)論，沒有與真實(shí)有效的實(shí)測(cè)蒸散數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。近年來隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感圖像被應(yīng)用到很多研究領(lǐng)域，加之遙感技術(shù)具有快速、經(jīng)濟(jì)、宏觀等特點(diǎn)，尤其是它的可見光、近紅外和熱紅外波段數(shù)據(jù)可提供大范圍的特征參數(shù)和熱信息，這使蒸散研究從站點(diǎn)走向區(qū)域、從定性走向定量半定量成為現(xiàn)實(shí)[4-5]。所以就有學(xué)者利用遙感信息和地面氣象要素的蒸散模型，對(duì)區(qū)域蒸散的趨勢(shì)進(jìn)行分析和研究。目前，MODIS作為新一代資源衛(wèi)星傳感器，其數(shù)據(jù)和產(chǎn)品已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于能量平衡的監(jiān)測(cè)過程中。NASA地球觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)布了全球MODIS陸地蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)（MOD16），該產(chǎn)品不僅提供了蒸散量的特征參數(shù)，還具有高時(shí)間分辨率以及免費(fèi)獲取等特點(diǎn)，因此利用MOD16產(chǎn)品來反映黃河流域蒸散時(shí)空分布及其與土地利用類型、氣溫的關(guān)系具有一定的優(yōu)勢(shì)。范建忠等人基于MOD16對(duì)陜西省蒸散量時(shí)空分布特征分析得出全省年蒸散量在波動(dòng)中緩慢上升[6]。吳桂平等基于MOD16產(chǎn)品對(duì)鄱陽湖流域地表蒸散量時(shí)空分布特征進(jìn)行研究得出MOD16產(chǎn)品的精度能夠滿足鄱陽湖流域地表蒸散量時(shí)空變化分析的要求[7]。張雨航等在對(duì)海流兔河流域蒸散量的研究中采用遙感模型結(jié)合實(shí)測(cè)的氣象水文資料的方法對(duì)該流域蒸散量進(jìn)行了估算[8]。但他們的研究大多只針對(duì)某一流域（地區(qū)）進(jìn)行整體連續(xù)時(shí)間序列分析，很少考慮到蒸散量與氣溫連續(xù)變化之間的關(guān)系，

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（41401504）和中原經(jīng)濟(jì)區(qū)空間信息集成項(xiàng)目聯(lián)合資助

并且也都沒有對(duì)研究區(qū)子流域（區(qū)域）進(jìn)行趨勢(shì)變化分析。介于此，本文利用2000-2013年MOD16數(shù)據(jù)在對(duì)黃河流域整個(gè)流域的年蒸散數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列趨勢(shì)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了黃河各子流域的蒸散趨勢(shì)變化與總趨勢(shì)變化的關(guān)系。并且通過其和土地利用、氣溫變化的關(guān)系進(jìn)行分析。

2. 研究區(qū)與數(shù)據(jù)的獲取和處理

2.1黃河流域概況

黃河，發(fā)源于青海巴顏喀拉山北麓，自青藏高原奔流而下，全長(zhǎng)5464km，在中國(guó)歷史上，黃河及沿岸流域給人類文明帶來了巨大的影響。流域幅員遼闊、集水面積大，流域面積為7.93×，地理位置95°53'～119°05'E，32°10'～41°50'N，地勢(shì)自西向東逐級(jí)下降。流域氣溫差異較大，垂直變化明顯，多年平均氣溫介于-3.94～14.6C，由南向北、由東向西氣溫逐漸降低，且年際變化較大，蒸發(fā)能力強(qiáng)。20世紀(jì)80年代以來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的迅速發(fā)展，黃河水資源供需矛盾加劇，下游斷流愈加頻繁。為了實(shí)現(xiàn)黃河流域水資源的合理配置，必須對(duì)黃河流域水資源數(shù)量、分布進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，其中蒸散量的評(píng)價(jià)和分析是一個(gè)重要的方面[9]

圖1黃河各子流域

2.2數(shù)據(jù)來源

本文以2000-2013年MODIS16數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行一系列的蒸散趨勢(shì)分析。MODIS16數(shù)據(jù)下載地址為http：//www.ntsg.umt.edu。根據(jù)MOD16產(chǎn)品數(shù)據(jù)軌道號(hào)選擇涵蓋了黃河流域2000—2013年共14年的數(shù)據(jù)。MOD16產(chǎn)品包括全球植被覆蓋區(qū)域的8天、月、年時(shí)間尺度的蒸散量（ET）、潛熱通量（LE）、潛在蒸散量（PET）、潛在潛熱通量（PLE），空間分辨率為1 km。另外還有黃河流域土地利用數(shù)據(jù)來自地球系統(tǒng)科學(xué)共享網(wǎng)2001年至今-全球土地覆被數(shù)據(jù)集（MODIS LC）；黃河流域及其子流域矢量化數(shù)據(jù)，通過自己手工矢量化得到。黃河流域氣象站點(diǎn)氣溫?cái)?shù)據(jù)。

2.3數(shù)據(jù)處理

原始的MODIS產(chǎn)品是采用分級(jí)數(shù)據(jù)格式（HDF，Hierarchical DataFormat）、正弦曲線投影存儲(chǔ)的。所以需要利用NASA提供的MRT軟件，將MOD16產(chǎn)品的HDF文件進(jìn)行批量的投影轉(zhuǎn)換、重采樣的操作。并利用矢量化完的黃河流域的邊界底圖在Arcgis軟件中對(duì)其進(jìn)行批量裁剪，從而得到2000-2013年一系列黃河流域月蒸散數(shù)據(jù)。然后在柵格計(jì)算器中利用公式：

Con（‘* >= 0& ‘* < 63500，*/10000，NoData）endprint

其中*為月蒸散數(shù)據(jù)。對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，目的是剔除水體區(qū)域以及無數(shù)據(jù)區(qū)對(duì)蒸散數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析的影響。運(yùn)用中值檢測(cè)方法對(duì)14年數(shù)據(jù)進(jìn)行極端值的監(jiān)測(cè)和剔除。并利用最大值合成法進(jìn)行年蒸散數(shù)據(jù)的批量計(jì)算。得到不同時(shí)間尺度和空間尺度的蒸散數(shù)據(jù)。其中中值檢測(cè)公式為[10]：

x（i）> MED（x）+zMAD（x）

則x（i）被認(rèn)為是極端值.樣本x（i）長(zhǎng)度為n，MED（x）和MAD（x）分別是原始序列（i）和序列{I（i）一MED（x）I；i=1，…，It}的中值。平均氣溫則是通過對(duì)各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行IDW插值然后裁剪獲取。最后通過和子流域矢量圖、土地利用等圖像的疊加，利用線性回歸分析的方法進(jìn)行時(shí)間序列蒸散趨勢(shì)分析。從而得出黃河流域及其子流域蒸散量趨勢(shì)變化、黃河流域蒸散變化（分布）與土地利用、氣溫變化之間的關(guān)系。

3.結(jié)果與分析

3.1 整體變化趨勢(shì)

首先是2000-2013年黃河流域年尺度上的蒸散趨勢(shì)變化和氣溫變化的關(guān)系：

圖2黃河流域蒸散與氣溫14年變化趨勢(shì)

圖2，根據(jù)線性回歸系數(shù)0.067可知，蒸散量呈現(xiàn)整體緩慢上升趨勢(shì)。14年間，其中2001-2003年有明顯的上升趨勢(shì)，上升率達(dá)20.2%。但2003年到2008年這6年間呈下降趨勢(shì)，下降率高達(dá)25%。而在2008年之后一直呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的趨勢(shì)。在氣溫方面，由于流域處于中緯度地帶，受大氣環(huán)流和季風(fēng)環(huán)流影響。因此，流域內(nèi)不同地區(qū)氣候的差異顯著。而我們通過插值14年的氣溫值，得出14年間平均氣溫有緩慢增加的趨勢(shì)。同時(shí)這也證明了吳文玉在對(duì)安徽區(qū)域日蒸散估算分析一文中的結(jié)論[11]--即氣溫升高，影響植物和地表的蒸騰和蒸發(fā)作用，使蒸散量也隨之增加。

3.2子流域趨勢(shì)分析

為了進(jìn)一步顯示黃河流域蒸散變化趨勢(shì)，圖3給出2000-2013年間，各子流域的蒸散變化趨勢(shì)?？芍?5個(gè)流域的14年變化趨勢(shì)總體相似。

NAME TRENDLINE R?

黃河干流 y = 0.0101x + 31.42 0.0004

大汶河流域 y = -0.1527x + 37.13 0.0375

洛河流域 y = -0.3829x + 45.434 0.1689

沁河流域 y = -0.3468x + 41.101 0.1325

汾河流域 y = 0.0062x + 33.485 0.0516

黑白河流域 y = 0.0925x + 49.191 0.0135

洮河流域 y = 0.2883x + 41.301 0.1213

渭河流域 y = 0.2596x + 35.484 0.1029

祖厲河流域 y = 0.4436x + 24.277 0.2166

清水河流域 y = 0.2235x + 20.978 0.0879

窟野河流域 y = 0.0989x + 16.931 0.0656

無定河流域 y = 0.1001x + 18.483 0.0477

內(nèi)流區(qū) y = -0.0148x + 15.814 0.0015

大黑河流域 y = -0.0832x + 23.27 0.0159

湟水流域 y = 0.1822x + 34.806 0.0529

圖3子流域趨勢(shì)函數(shù)

在劃分的15個(gè)子流域中，有5個(gè)子流域的蒸散系數(shù)在14年間呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，與黃河流域整體的蒸散量變化趨勢(shì)相反（函數(shù)一次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)），減少趨勢(shì)最明顯的是洛河和沁河流域（系數(shù)為-0.35和-0.38），因?yàn)檫@兩個(gè)子流域在黃河流域的下游，地處黃土高原，土質(zhì)疏松，河水對(duì)土壤的侵蝕較嚴(yán)重，土壤養(yǎng)分流失，植被的存活率降低，導(dǎo)致蒸散量降低；其余子流域變化趨勢(shì)與整體變化趨勢(shì)相同（函數(shù)一次項(xiàng)系數(shù)為正），其中洮河、渭河、祖厲河、清水河流域增加趨勢(shì)較為明顯，因?yàn)檫@幾個(gè)子流域離黃河干流較近，且地處黃河“幾”字彎的內(nèi)側(cè)，黃河從上游帶來的養(yǎng)分在此處堆積，為植被的成長(zhǎng)提供了天然的條件，所以具有較高的蒸散系數(shù)。

3.3 月蒸散趨勢(shì)與不同土地利用類型的蒸散

a 黃河流域月平均蒸散年內(nèi)變化趨勢(shì) b不同植被覆蓋類型的年蒸散均值

圖4月蒸散趨勢(shì)與不同植被覆蓋蒸散均值

圖4-a給出了黃河流域地表蒸散年內(nèi)變化趨勢(shì)。蒸散的年內(nèi)變化呈單峰特征。1-4月蒸散趨勢(shì)變化不明顯，4-8月蒸散急劇升高，8月達(dá)到最高（56.72 mm）。然后 7-11 月迅速下降，11-12月緩慢回升，11月份的蒸散量為全年最低（18.06 mm）。黃河流域的地表蒸散主要集中于夏季，6-8月的地表蒸散量占全年總量的39.6%。冬季蒸散最低是因?yàn)闅鉁剌^低和降水少的緣故；春季由于氣溫回升，加上積雪融水的補(bǔ)給使得地表蒸散顯著升高；夏季氣溫最高，冰雪融水最多，而且流域的降水也主要集中在該季節(jié)，因此地表蒸散保持在較高的水平上；秋季氣溫回落，降水也減少，使得地表蒸散迅速下降。

圖4-b顯示出不同植被覆蓋類型的年蒸散均值，不同土地利用類型平均蒸散量的分布趨勢(shì)表現(xiàn)出不同的變化特點(diǎn)。本文利用ArcGIS 10.1 的空間統(tǒng)計(jì)功能，進(jìn)行分析之后發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)年均蒸散量與土地利用類型密切相關(guān)，不同土地覆蓋類型的平均蒸散量存在著較大差異，林地的年蒸散均值最高，達(dá)到9.87 mm，大大超過了其它土地利用類型的蒸散量，這是因?yàn)榱值匾话惴植荚诒容^濕潤(rùn)的地區(qū)，土壤水分供應(yīng)充沛，因此年均蒸散量相對(duì)較高；裸地蒸散均值最低，僅為1.69mm。除了水體之外，各種土地覆蓋類型的年均蒸散量按照“林地>耕地>草地>聚落>裸地”的順序遞減。

4.結(jié)語endprint

本次研究采用1km空間分辨率的長(zhǎng)時(shí)間序列MOD16數(shù)據(jù)和土地利用、氣溫指數(shù)等數(shù)據(jù)，對(duì)黃河流域及其子流域的蒸散趨勢(shì)變化加以分析。得出：

①對(duì)于整個(gè)黃河流域來說，在時(shí)間尺度上，2000年-2013年14年間年平均蒸散量呈現(xiàn)總體上升趨勢(shì)，其中2003、2004、2012年的蒸散值均遠(yuǎn)大于平均蒸散值，其中2012年最為突出。在空間尺度上，黃河流域不同子流域的年平均蒸散量雖各不相同但總體趨勢(shì)與整個(gè)流域的變化趨勢(shì)一致。 其中洮河流域、渭河流域、祖厲河流域蒸散趨勢(shì)變化最大，且均成增加趨勢(shì)，而減少趨勢(shì)最明顯的洛河流域和沁河流域。

②在太陽輻射、氣溫條件、等因素的影響下，黃河流域年內(nèi)各月間蒸散量也表現(xiàn)出明顯的時(shí)空變異的特性，其大致為先增大后減小的單峰分布趨勢(shì)。蒸散量主要集中在6-8 月份，約占流域總面積9.6%。8月蒸散量最大，達(dá)57 mm左右。11月蒸散量最小，僅為18.06 mm左右。

③ 黃河流域不同土地利用類型由于其下墊面物理特性的差異，平均年蒸散量的趨勢(shì)變化也不盡相同。在年際時(shí)間尺度上，林地的蒸散值是最高的達(dá)到9.87 mm。耕地、草地次之。而裸地的蒸散值則是最低的。

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