劉新旭, 任蘇明, 王富強(qiáng),2, 張紅璐, 張立新, 趙衡,2

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046; 2.河南省黃河流域水資源節(jié)約集約利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450046; 3.北方民族大學(xué),寧夏 銀川 750021)

蒸散發(fā)是氣候系統(tǒng)能量循環(huán)和水分循環(huán)的關(guān)鍵要素[1],準(zhǔn)確估算蒸散發(fā)量對區(qū)域水環(huán)境、水生態(tài)等研究至關(guān)重要。目前,估算區(qū)域蒸散發(fā)量的方法主要分為兩類:一類是以水文學(xué)和氣象學(xué)為主,包括經(jīng)驗(yàn)公式法、水量平衡法、空氣動(dòng)力學(xué)等;另一類是以遙感模型為主,包括陸地表面能量平衡算法(Surface Energy Balance Algorithm for Land,SEBAL)模型、地表能量平衡系統(tǒng)(Surface Energy Balance System,SEBS)模型、雙源能量平衡算法(Two-Source Energy Balance,TSEB)模型等[2]。

以水文學(xué)、氣象學(xué)為主的傳統(tǒng)蒸散發(fā)量估算方法中最具有代表性的是Penman-Monteith(P-M)公式。1948年P(guān)ENMAN H L[3]將能量平衡方程和空氣動(dòng)力學(xué)方程結(jié)合起來進(jìn)行能量平衡研究,建立了第一個(gè)具有物理基礎(chǔ)的計(jì)算潛在蒸散發(fā)量的數(shù)學(xué)表達(dá)式Penman方程。1965年MONTELTH J L[4]對Penman方程進(jìn)行了完善并創(chuàng)建了Penman-Monteith公式。目前,該方法是世界上用于估算蒸散發(fā)量的最廣泛使用的方法之一,也是最準(zhǔn)確的方法之一[5]。但傳統(tǒng)蒸散發(fā)量估算方法只能進(jìn)行以“點(diǎn)”為基礎(chǔ)的小范圍蒸散發(fā)量測定,難以應(yīng)用于大尺度區(qū)域蒸散發(fā)量動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的研究。遙感蒸散發(fā)模型可以利用遙感技術(shù)以及憑借較少的地面數(shù)據(jù)來估算大尺度區(qū)域蒸散發(fā)量,與傳統(tǒng)方法相比,結(jié)合遙感技術(shù)估算蒸散發(fā)量更精確、更有效。隨著遙感技術(shù)的更新與發(fā)展,國內(nèi)外學(xué)者選用遙感模型對盆地[6-7]、流域[8-10]、高原[11-12]、濕地[13-14]、灌區(qū)[15-16]等多個(gè)區(qū)域的蒸散發(fā)量進(jìn)行了估算研究,并取得了一系列的創(chuàng)新突破。如:涂晨雨等[6]基于MODIS產(chǎn)品構(gòu)建了具有時(shí)空二維屬性的地表溫度-植被指數(shù)特征模型,完成了對柴達(dá)木盆地陸面蒸散發(fā)量的估算,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分離土壤蒸發(fā)與植被蒸騰,開展了研究區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)耗水有效性評價(jià);許越越[8]選用SEBAL模型對內(nèi)蒙古察汗淖爾流域進(jìn)行了蒸散發(fā)量反演研究,分析了通量參數(shù)以及日蒸散發(fā)量的時(shí)空變化規(guī)律,并利用地理探測器模型進(jìn)一步探究了主要影響因子對流域蒸散發(fā)空間分布的影響程度;CHENG M等[11]基于SEBAL模型和多源遙感數(shù)據(jù)反演了多個(gè)時(shí)間序列的蒸散發(fā)量,并將其結(jié)果用于水資源管理等相關(guān)研究中;ELNMER A等[13]基于SEBAL模型和Landsat-8遙感影像數(shù)據(jù)估算了尼羅河三角洲蒸散發(fā)量,并通過水量平衡法評估了三角洲中部地區(qū)的灌溉效率,為實(shí)現(xiàn)研究區(qū)的可持續(xù)灌溉管理提供了參考依據(jù)。

近些年來,我國有多位學(xué)者應(yīng)用遙感蒸散發(fā)模型估算了黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量,從分布特征、演變規(guī)律等多個(gè)角度進(jìn)行了一系列深入研究。潘志強(qiáng)等[17]基于SEBAL模型選用Landsat ETM+遙感影像數(shù)據(jù)估算了黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量,并檢驗(yàn)了其精度。張長春等[18]基于SEBS模型選用NOAA遙感影像數(shù)據(jù)對黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量進(jìn)行了估算。奚歌等[19]選用SEBS模型估算了黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量,從時(shí)間和空間兩個(gè)角度探究了黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量的分布特征。朱明明等[20]選用SEBAL模型和MODIS遙感影像數(shù)據(jù)分析了黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量的數(shù)量特征和空間分布格局,并在此基礎(chǔ)上研究了土地利用類型與蒸散發(fā)的關(guān)系。JIA L等[21]基于SEBS模型,選用MODIS遙感影像數(shù)據(jù)估算了黃河三角洲日蒸發(fā)量,插補(bǔ)延長了由于云覆蓋造成的觀測序列中的缺失數(shù)據(jù),生成一年內(nèi)逐日蒸散發(fā)量時(shí)間序列,與FAO56 P-M公式得到的參考蒸散發(fā)量進(jìn)行了比較。

為維持黃河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定,充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,近十年我國實(shí)施了生態(tài)補(bǔ)水、退耕還濕和生境改造等保護(hù)措施。這些措施對該區(qū)域蒸散發(fā)過程具有明顯的促進(jìn)作用,蒸散發(fā)量的數(shù)量特征及時(shí)空分布格局產(chǎn)生了較明顯的變化。鑒于此,本文基于Landsat遙感影像數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù),利用SEBAL模型估算了2000—2020年黃河三角洲濕地的蒸散發(fā)量,分析了不同時(shí)空尺度下黃河三角洲濕地的蒸散發(fā)量分布特征,以期為黃河三角洲濕地水生態(tài)保護(hù)和修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 區(qū)域概況

黃河三角洲濕地位于山東省東營市東北部,北臨渤海,東臨萊州灣,地理坐標(biāo)為118°33′～119°20′E、37°35′～38°12′N,區(qū)域面積為15.3 萬 hm2,水體面積為5.9 萬 hm2。黃河三角洲濕地由黃河現(xiàn)行入海流路和1976年以前的黃河故道兩部分組成,其生境類型獨(dú)特,典型性強(qiáng),生物群落豐富,是我國暖溫帶保存最完整、最廣闊、最年輕的河口濕地,也是具有保護(hù)價(jià)值的國際重要濕地。區(qū)域多年平均降雨量為600 mm,多年平均蒸發(fā)量為1 928 mm,蒸發(fā)量是降雨量的3.2倍;土壤類型以潮土和鹽土為主,植被類型主要為鹽化草甸和一年生鹽生植物群落。研究區(qū)位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)選用地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(https://www.gscloud.cn/)上的Landsat系列衛(wèi)星遙感影像,2013年之前的是由Landsat-5衛(wèi)星獲取的TM遙感影像,2013年之后的是由Landsat-8衛(wèi)星獲取的OLI遙感影像。高程數(shù)據(jù)選用分辨率為30 m的ASTER GDEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)。氣候數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站上的中國地面氣候標(biāo)準(zhǔn)值日值數(shù)據(jù)集V3.0,指標(biāo)包括溫度、濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等。實(shí)測蒸散發(fā)量來源于黃河三角洲濕地周邊氣象站的觀測數(shù)據(jù),為蒸散發(fā)量時(shí)間尺度擴(kuò)展及精度驗(yàn)證的輔助參數(shù)。

1.3 研究方法

1.3.1 SEBAL模型

SEBAL模型是由荷蘭Water-Watch公司的學(xué)者建立的一種基于地表能量平衡原理的大尺度區(qū)域遙感蒸散發(fā)模型[22]。該模型主要應(yīng)用于地面數(shù)據(jù)資料較少的大面積區(qū)域蒸散發(fā)量的反演估算,其計(jì)算式為:

(1)

式中:ETinst為瞬時(shí)蒸散發(fā)量,mm;Rn為地表凈輻射通量,W/m2;H為感熱通量,W/m2;G為土壤熱通量,W/m2;λ為潛熱蒸發(fā)系數(shù),W/(m2·mm)。

1.3.2 不同時(shí)間尺度下的蒸散發(fā)量擴(kuò)展方法

1)日尺度蒸散發(fā)量擴(kuò)展方法。已有研究發(fā)現(xiàn),瞬時(shí)的潛熱通量在日內(nèi)的變化規(guī)律呈現(xiàn)正弦曲線變化[23]。因此,采用正弦關(guān)系法來推算日蒸散發(fā)量ETd,其計(jì)算式為:

(2)

式中:ETd為日蒸散發(fā)量,mm;Ne為蒸發(fā)時(shí)數(shù);t為從蒸散發(fā)開始到衛(wèi)星過境的時(shí)間。

2)月尺度蒸散發(fā)量擴(kuò)展方法。由于云覆蓋等原因造成部分日期蒸散發(fā)量難以獲取,考慮到月內(nèi)氣候變化較小,因此,采用公式(3)將日尺度蒸散發(fā)量進(jìn)一步擴(kuò)展為月尺度蒸散發(fā)量。

(3)

式中:ETm為月蒸散發(fā)量,mm;ET實(shí)測為成像日期當(dāng)天氣象站的實(shí)測蒸散發(fā)量,mm;ETi為氣象站第i天的實(shí)測蒸散發(fā)量,mm;n為總天數(shù)(隨月份變化)。

2 黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量反演結(jié)果與精度分析

近年來,我國開展了一系列濕地生態(tài)修復(fù)工程。2008年,開展了生態(tài)補(bǔ)水工程,截至2019年累計(jì)向黃河三角洲濕地補(bǔ)水4.64 億m3[24];2017年,開展了濕地保護(hù)與修復(fù)等重點(diǎn)工程,修復(fù)濕地面積1.88 萬hm2;2020年,黃河水利委員會實(shí)施了黃河三角洲應(yīng)急生態(tài)補(bǔ)水計(jì)劃,共計(jì)補(bǔ)水1.55 億m3。本研究依據(jù)上述已開展的生態(tài)濕地修復(fù)工程,選取2000—2020年為研究時(shí)段,每隔3年為一個(gè)典型年進(jìn)行蒸散發(fā)量的反演估算,其中2000年反演的是2000年9月15日的蒸散發(fā)量,2003年反演的是2003年8月7日的蒸散發(fā)量,2005年、2008年、2011年、2014年、2017年、2020年反演的分別是相應(yīng)年份7月11日、3日、28日、20日、21日、20日的蒸散發(fā)量。

2.1 蒸散發(fā)量反演結(jié)果

遙感衛(wèi)星成像的方式為瞬時(shí)成像,應(yīng)用地表能量平衡理論和SEBAL模型得到的蒸散發(fā)量具有瞬時(shí)性。將瞬時(shí)蒸散發(fā)量在一天中呈現(xiàn)正弦曲線的變化規(guī)律作為本研究中擴(kuò)展時(shí)間尺度蒸散發(fā)的基本原理,對遙感影像進(jìn)行解譯處理,得到黃河三角洲濕地2000—2020年8個(gè)典型日的蒸散發(fā)量空間分布情況,如圖2所示。

圖2 黃河三角洲濕地典型日的蒸散發(fā)量空間分布

由圖2可知,黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量呈增加趨勢,空間分布上從東北到西南具有明顯的階梯變化特點(diǎn),且日蒸散發(fā)量的較大值往往出現(xiàn)在濕地沿海區(qū)域,較小值出現(xiàn)在遠(yuǎn)離海岸帶的陸地區(qū)域。

結(jié)合已開展的生態(tài)補(bǔ)水、濕地修復(fù)等工程來看,各研究時(shí)段的日蒸散發(fā)量主要發(fā)生了如下變化:2008年,我國首次開展黃河下游生態(tài)調(diào)度,持續(xù)向黃河三角洲濕地補(bǔ)水1 356 萬m3,核心區(qū)水體面積增加了2.23 km2,入?？诟浇w面積增加了12.32 km2,濕地蒸散發(fā)量較生態(tài)調(diào)度前的呈現(xiàn)顯著上升趨勢(圖2(d));2017年,開展了濕地修復(fù)工程,黃河三角洲北部區(qū)域和南部區(qū)域濕地面積分別增加了14.96%和10.96%(圖2(g));2020年,向黃河三角洲濕地應(yīng)急生態(tài)補(bǔ)水1.55 億m3,退耕還濕、退養(yǎng)還灘48 km2,修復(fù)濱海濕地22 km2,濕地蒸散發(fā)量達(dá)到相對較大值(圖2(h))。

2.2 反演結(jié)果精度分析

由于缺少黃河三角洲濕地實(shí)際蒸散發(fā)資料,且水量平衡法所需的相關(guān)數(shù)據(jù)難以獲取,因此采用區(qū)間驗(yàn)證的方式對反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。黃河三角洲作為典型濱海濕地,是一個(gè)相對特殊的水體聚集區(qū),具體表現(xiàn)為水體和植被的混合體。假設(shè)區(qū)域內(nèi)均為水體,計(jì)算水體實(shí)際蒸散發(fā)量ETa,并將其作為區(qū)間上限;假設(shè)區(qū)域內(nèi)均為植被,計(jì)算植被實(shí)際蒸散發(fā)量ETc,將其作為區(qū)間下限。若反演結(jié)果位于區(qū)間內(nèi),則認(rèn)為反演結(jié)果合理。

水體實(shí)際蒸散發(fā)量ETa采用20 m2蒸發(fā)池的蒸散發(fā)量。20 m2蒸發(fā)池是世界氣象組織推薦的標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)池,其測定的蒸散發(fā)量可視為大尺度區(qū)域的實(shí)際水體蒸散發(fā)量[25]。黃河三角洲濕地區(qū)域內(nèi)無標(biāo)準(zhǔn)尺寸的蒸發(fā)池,部分學(xué)者[19,26]通過引用折算系數(shù)[27]將蒸發(fā)皿觀測的蒸散發(fā)量轉(zhuǎn)化為20 m2蒸發(fā)池的蒸散發(fā)量來推算黃河三角洲濕地水體的實(shí)際蒸散發(fā)量。本研究中黃河三角洲濕地周邊氣象站觀測的蒸散發(fā)量來源于E-601型蒸發(fā)皿,采用公式(4)將E-601型蒸發(fā)皿觀測的蒸散發(fā)量轉(zhuǎn)化為20 m2蒸發(fā)池的蒸散發(fā)量。

ET20m2=cwET601。

(4)

式中:ET20m2為20 m2蒸發(fā)池測定的蒸散發(fā)量,mm;cw為蒸發(fā)折算系數(shù),取值參考文獻(xiàn)[27],具體見表1;ET601為E-601型蒸發(fā)皿觀測的蒸散發(fā)量,mm。

表1 20 m2蒸發(fā)池與E-601型蒸發(fā)皿折算系數(shù)

植被實(shí)際蒸散發(fā)量ETc通過參考作物蒸散發(fā)量ET0乘以作物系數(shù)得到,其中參考作物蒸散發(fā)量ET0采用FAO 56推薦的Penman-Monteith公式進(jìn)行計(jì)算。作物系數(shù)是一個(gè)綜合反映生長狀態(tài)、環(huán)境差異等因素對植被蒸散發(fā)量影響的無量綱衰減系數(shù)[28]。基于濕地內(nèi)主要植被類型及其特征,參考FAO推薦的作物系數(shù)表,結(jié)合黃河三角洲濕地有關(guān)作物系數(shù)的研究結(jié)論[26,29-30],綜合確定作物系數(shù)Kc的取值為0.7,具體計(jì)算式如下:

ETc=KcET0。

(5)

其中,

(6)

式中:ETc為植被實(shí)際蒸散發(fā)量,mm;Kc為作物系數(shù);ET0為參考作物蒸散發(fā)量,mm;Δ為飽和水汽壓-溫度曲線的斜率;Rn為地表凈輻射通量,W/m2;G為土壤熱通量,W/m2;γ為干濕溫度常數(shù);T為平均氣溫,℃;u2為距地面2 m高處風(fēng)速,m/s;es為飽和水汽壓,kPa;ea為實(shí)際水汽壓,kPa。

黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量的區(qū)間精度驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,經(jīng)SEBAL模型反演得到的蒸散發(fā)量位于水體實(shí)際蒸散發(fā)量和植被實(shí)際蒸散發(fā)量變化區(qū)間范圍內(nèi)。經(jīng)分析,模型反演得到的蒸散發(fā)量與水體實(shí)際蒸散發(fā)量的相對偏差為10.75%,與植被實(shí)際蒸散發(fā)量的相對偏差為9.36%。由于遙感數(shù)據(jù)的瞬時(shí)性使反演算法得到的黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量在某種程度上有一定的誤差,通過公式(3)結(jié)合實(shí)測蒸散發(fā)量延展得到的月蒸散發(fā)量對反演結(jié)果同樣有一定干擾作用[31],但誤差均在合理的范圍之內(nèi),且SEBAL模型反演的蒸散發(fā)量與水體實(shí)際蒸散發(fā)量、植被蒸散發(fā)量的變化趨勢基本一致,整體相關(guān)性較好。這說明由SEBAL模型反演得到的實(shí)際蒸散發(fā)量較為合理。

3 黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量時(shí)空演變規(guī)律分析

3.1 蒸散發(fā)量時(shí)間尺度分析

根據(jù)黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量的變化區(qū)間,選取相關(guān)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行規(guī)律分析,圖4為三角洲濕地不同時(shí)間尺度下蒸散發(fā)量變化趨勢。由圖4可知:①黃河三角洲濕地7月份的日蒸散發(fā)量的變化范圍為0.07～8.63 mm,8月份的變化范圍為0.04～6.45 mm,9月份的變化范圍為0～5.18 mm。②結(jié)合圖2蒸散發(fā)量反演結(jié)果分析可知,黃河三角洲濕地7月份和8月份的蒸散發(fā)量變幅均較小,85%的日蒸散發(fā)量都集中在2～5 mm,而9月份日蒸散發(fā)量主要集中在1～4 mm,7月份和8月份的日蒸散發(fā)量明顯大于9月份的。這一變化特點(diǎn)符合黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量夏季大于秋季的規(guī)律[32]。③受暖溫帶大陸性季風(fēng)的影響,7月份黃河三角洲濕地氣溫較高,降雨量較大,植物生長茂盛蒸騰能力強(qiáng),因此蒸散發(fā)量相對較大;8月份氣溫逐漸降低,月蒸散發(fā)量較于7月份的明顯減少;9月份進(jìn)入秋季,氣溫急劇下降,降雨量逐漸減少,蒸散發(fā)量達(dá)到相對較低值,整體呈上下波動(dòng)趨勢。

圖4 不同時(shí)間尺度下蒸散發(fā)量變化趨勢

2008年實(shí)施生態(tài)補(bǔ)水工程后,黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量呈現(xiàn)顯著上升趨勢;2014年、2017年山東省夏季降雨量較常年偏少34.6%,黃河三角洲濕地所在地東營市7月份降雨量較常年偏少50%左右,導(dǎo)致濕地蒸散發(fā)量整體下降,但月蒸散發(fā)量仍保持在100 mm以上。2017—2020年實(shí)施濕地保護(hù)修復(fù)與應(yīng)急補(bǔ)水工程,三角洲濕地蒸散發(fā)量穩(wěn)固上升并達(dá)到近20年中的最大值,表明開展的濕地保護(hù)與修復(fù)工程明顯改善了黃河三角洲濕地的生態(tài)環(huán)境,產(chǎn)生了顯著的生態(tài)效益。

3.2 蒸散發(fā)量空間尺度分析

根據(jù)黃河入海流路的變化情況,將黃河三角洲濕地劃分為北部區(qū)域和南部區(qū)域,分別進(jìn)行蒸散發(fā)量空間分布特征分析,選取部分典型性蒸散發(fā)量分布圖(圖5)作為參考來分析比較黃河三角洲濕地南北區(qū)域的變化情況。

圖5 黃河三角洲濕地南北區(qū)域蒸散發(fā)量分布

由圖5可知,黃河三角洲濕地南部區(qū)域的日蒸散發(fā)量的變化范圍為0～9 mm,且蒸散發(fā)量的最大值出現(xiàn)在水體周邊區(qū)域,最小值出現(xiàn)在無植被覆蓋的裸地區(qū)域。經(jīng)分析,黃河三角洲濕地北部區(qū)域的蒸散發(fā)量大于南部區(qū)域的,除極個(gè)別地區(qū)外,黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量總體變化趨勢表現(xiàn)為由北部沿海向南部內(nèi)陸逐漸減小的變化規(guī)律,且與降水量空間分布規(guī)律相同。

截至2019年,黃河三角洲濕地北部區(qū)域累計(jì)補(bǔ)水2.44 億m3,濕地面積占比增加14.96%;南部區(qū)域累計(jì)補(bǔ)水2.20 億m3,濕地面積占比增加10.96%。結(jié)合南北區(qū)域蒸散發(fā)量分布特征來看,黃河三角洲濕地生態(tài)補(bǔ)水、退耕還濕等措施對其蒸散發(fā)過程具有明顯的促進(jìn)作用,有效增強(qiáng)了黃河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)自然恢復(fù)能力。

3.3 歸因分析

3.3.1 歸一化植被指數(shù)

歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)是表征植被分布狀態(tài)的指標(biāo),本研究采用Pearson相關(guān)系數(shù)、Spearman相關(guān)系數(shù)和Kendall相關(guān)系數(shù)來衡量蒸散發(fā)量與NDVI之間的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性分析結(jié)果見表2。由表2可知,蒸散發(fā)量和NDVI具有顯著的相關(guān)性。

表2 相關(guān)性分析結(jié)果

為進(jìn)一步確定二者之間的相關(guān)關(guān)系,將蒸散發(fā)量和NDVI值進(jìn)行線性擬合,結(jié)果如圖6所示。

圖6 日蒸散發(fā)量與NDVI值的線性擬合

由圖6可知,蒸散發(fā)量和NDVI值之間呈現(xiàn)線性正相關(guān)趨勢,擬合優(yōu)度R2為0.767。濕地內(nèi)NDVI值大于0,代表該區(qū)域有植被覆蓋,NDVI值越大植被覆蓋密度越大,蒸騰作用越顯著,蒸散發(fā)量越大。進(jìn)一步分析可知,黃河三角洲濕地北部區(qū)域是NDVI高值的集中分布區(qū),NDVI中低值主要分布在南部區(qū)域?？傮w來說,濕地內(nèi)蒸散發(fā)量與NDVI值的空間分布基本一致,且蒸散發(fā)量的變化與NDVI值的大小具有較好的相關(guān)性。

3.3.2 氣象因素

氣象因素是影響蒸散發(fā)量變化的直接因素,選取7個(gè)主要?dú)庀笠蛩剡M(jìn)行通徑分析,客觀地評價(jià)多個(gè)氣象因素對蒸散發(fā)量的影響情況,確定各個(gè)氣象因素對蒸散發(fā)量的主要貢獻(xiàn)度,結(jié)果見表3。表3中,當(dāng)氣象要素的直接通徑系數(shù)>間接通徑系數(shù)時(shí),表示該因素對蒸散發(fā)量變化的主要貢獻(xiàn)表現(xiàn)為直接效應(yīng);反之,表示該因素對蒸散發(fā)量變化的主要貢獻(xiàn)表現(xiàn)為通過其他因素產(chǎn)生的間接效應(yīng)。依據(jù)通徑系數(shù)及相關(guān)系數(shù)繪制通徑分析圖,如圖7所示(7個(gè)氣象因素的相關(guān)系數(shù)r較多,此處僅標(biāo)出部分相關(guān)系數(shù))。

表3 氣象因素對蒸散發(fā)量通徑分析結(jié)果

圖7 通徑分析圖

由表3可知:7個(gè)氣象因素均對蒸散發(fā)量有正向促進(jìn)作用,相關(guān)系數(shù)由大到小的順序依次為風(fēng)速、平均氣壓、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、最低溫度、最高溫度、相對濕度,其中風(fēng)速、平均氣壓和平均氣溫是影響黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量變化的主要?dú)庀笠蛩?三者與蒸散發(fā)量之間存在顯著的相關(guān)性,而相對濕度與蒸散發(fā)量間的相關(guān)性較弱。

由圖7可知:在主要影響蒸散發(fā)量變化的3個(gè)因素中,平均氣壓對蒸散發(fā)量的直接作用最大,風(fēng)速和平均氣溫對蒸散發(fā)量的間接作用大于直接作用,而這種間接作用效應(yīng)主要是通過平均氣壓產(chǎn)生的。此外,其他4個(gè)氣象因素對蒸散發(fā)過程同樣具有一定的影響。其中,日照時(shí)數(shù)和溫度主要影響地表凈輻射量轉(zhuǎn)化過程;相對濕度是指空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比,當(dāng)相對濕度達(dá)到100%時(shí),水面便會停止蒸散發(fā)過程,因此相對濕度與蒸散發(fā)量間的相關(guān)性較弱,甚至在部分研究中呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

4 結(jié)語

本文以Landsat遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),應(yīng)用SEBAL模型對黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量進(jìn)行反演估算,采用不同時(shí)間尺度下的蒸散發(fā)量擴(kuò)展方法得到日、月蒸散發(fā)量,從反演精度、時(shí)空演變特征、影響因素3個(gè)方面綜合分析本次反演結(jié)果,得到的主要結(jié)論如下:

1)選用SEBAL模型反演得到的黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量在合理的區(qū)間范圍內(nèi),表明該模型具有良好的適用性。

2)從時(shí)間上看,黃河三角洲濕地7月份的蒸散發(fā)量最大,8月份的次之,9月份的最小,主要原因是7月份氣溫較高,降雨量較大,植物生長茂盛蒸騰能力強(qiáng),因此蒸散發(fā)量數(shù)值較大;從空間上看,蒸散發(fā)量呈北部高、南部低的變化趨勢,蒸散發(fā)量最大值在水體周邊區(qū)域,最小值出現(xiàn)在無植被覆蓋的裸地區(qū)域。

3)蒸散發(fā)量的變化與NDVI值的大小具有較好的相關(guān)性,濕地內(nèi)蒸散發(fā)量與NDVI值的空間分布基本一致;風(fēng)速、平均氣壓和平均氣溫是影響黃河三角洲濕地蒸散發(fā)量變化的主要?dú)庀笠蛩?與蒸散發(fā)量之間存在顯著的相關(guān)性。

4)在開展一系列生態(tài)補(bǔ)水、退耕還濕等濕地保護(hù)措施后,黃河三角洲濕地的蒸散發(fā)量的數(shù)量特征和時(shí)空分布格局均呈現(xiàn)顯著的正向變化,明顯改善了黃河三角洲濕地的生態(tài)環(huán)境,增強(qiáng)了黃河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)的自然修復(fù)能力。