王 釗，張潤(rùn)潤(rùn)，章 陽(yáng)

（河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

蒸散發(fā)主要包括土壤蒸發(fā)和植被蒸騰，是水文和能量循環(huán)中重要的組成成分，也是影響氣候變化和生態(tài)系統(tǒng)演變的主要因素之一［1，2］。蒸散發(fā)與氣候、下墊面等因素息息相關(guān)，不同氣候區(qū)蒸散發(fā)的變化趨勢(shì)及其主要影響因素存在著明顯的時(shí)空差異性。目前對(duì)于蒸散發(fā)的研究多集中于蒸散發(fā)總量，而對(duì)其組分的研究相對(duì)較少。由于土壤蒸發(fā)和植被蒸騰物理機(jī)制的差異，影響二者時(shí)空動(dòng)態(tài)的因素也有所不同。楊曉甜［3］等基于GLEAM 蒸散發(fā)產(chǎn)品分析了黃淮海流域?qū)嶋H蒸散發(fā)的時(shí)空演變規(guī)律和影響因素，指出NDVI增加是流域蒸散發(fā)顯著上升的主要原因；鞠艷［4］等通過(guò)GRACE 重力衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)、GLDAS 陸面模式同化數(shù)據(jù)以及水量平衡法，重建了金沙江流域多年平均實(shí)際蒸散發(fā)呈不顯著的增加趨勢(shì)，并說(shuō)明流域蒸散發(fā)主要受到降雨和氣溫影響較多，風(fēng)速次之；劉洋［5］等采用GG 模型估算了西北干旱區(qū)實(shí)際蒸散發(fā)時(shí)空變化特征，分析得出該地區(qū)60年來(lái)實(shí)際蒸散發(fā)呈微弱上升的趨勢(shì)，而在夏季和秋季則呈下降趨勢(shì)，其影響因素主要是氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速。

流域蒸散發(fā)時(shí)空變化受到氣候和下墊面條件等復(fù)雜因素的綜合影響。自21世紀(jì)以來(lái)，地處亞熱帶季風(fēng)氣候的鄱陽(yáng)湖流域干旱頻發(fā)，降水時(shí)空差異明顯，湖區(qū)最低水位不斷刷新［6］。流域內(nèi)人類活動(dòng)和氣候變化過(guò)程較為顯著，城市化進(jìn)程較快。一系列生態(tài)修復(fù)工程大規(guī)模實(shí)施，流域內(nèi)大部分地區(qū)植被覆蓋率增加［7］。同時(shí)，鄱陽(yáng)湖流域也呈現(xiàn)出明顯的暖化趨勢(shì)，年均氣溫持續(xù)增長(zhǎng)，極端天氣事件時(shí)有發(fā)生，洪旱程度加劇［8］。研究該流域蒸散發(fā)及其組分的時(shí)空動(dòng)態(tài)和影響成因?qū)α饔蛩Y源合理配置利用、揭示復(fù)雜環(huán)境下流域水文循環(huán)的響應(yīng)機(jī)理有重要意義。

基于氣象站點(diǎn)蒸發(fā)皿的實(shí)測(cè)蒸發(fā)，以及傳統(tǒng)的單源模型的模擬蒸發(fā)，均無(wú)法區(qū)分土壤蒸發(fā)與植被蒸騰等組分動(dòng)態(tài)［9］。Shuttleworth 和Wallace 綜合考慮了來(lái)自冠層和土壤的蒸散發(fā)過(guò)程，于1985年提出了S-W 雙源模型，并在站點(diǎn)尺度上實(shí)現(xiàn)了較好的模擬效果［10，11］。HU 等［12］通過(guò)引入Ball-Berry 氣孔導(dǎo)度模型以及基于光能利用率的GPP 模型改進(jìn)了S-W 模型，解決了S-W 模型在區(qū)域尺度模擬的難題，形成了SWH雙源模型［13］。該模型在我國(guó)黃土高原［14］、黃河流域［15］、西北地區(qū)［16］等多時(shí)空尺度取得了良好的模擬效果，適用于不同氣候區(qū)蒸散發(fā)的模擬［17］。

因此，以鄱陽(yáng)湖流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于SWH雙源模型模擬2001-2017年流域蒸散發(fā)組分，結(jié)合實(shí)測(cè)通量資料和MODIS 遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，分析流域多年蒸散發(fā)總量（ET）、土壤蒸發(fā)（Es）、植物蒸騰（Ec）和蒸發(fā)占比（Es/ET）的時(shí)空分布特征與趨勢(shì)變化規(guī)律，并進(jìn)一步基于SOBOL全局敏感性分析法［18］對(duì)蒸散發(fā)各組分變量的影響因素進(jìn)行定量評(píng)估，分析流域蒸散發(fā)組分變化的實(shí)際成因。研究旨在一方面基于SWH雙源模型模擬估算鄱陽(yáng)湖流域蒸散發(fā)ET，分離蒸散發(fā)組分Es和Ec；另一方面探討不同時(shí)空尺度下流域蒸散發(fā)組分和占比的變化反應(yīng)機(jī)理和敏感成因，以期為氣候變化背景下區(qū)域蒸散發(fā)響應(yīng)機(jī)制和水資源合理開(kāi)發(fā)利用等方面提供支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽(yáng)湖流域（115°49′～117°46′E，28°24′～29°46′N）位于長(zhǎng)江中下游南岸，總面積為16.22 萬(wàn)km2，由鄱陽(yáng)湖、贛江、撫河、信江、饒河與修河等水系組成（圖1）。鄱陽(yáng)湖流域三面環(huán)山，地形復(fù)雜，中部為相對(duì)低洼的丘陵及盆地，北部為鄱陽(yáng)湖沖積平原，整體地勢(shì)為南高北低。流域?qū)儆诘湫偷膩啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫17.1 ℃，年均降水量約為1 632 mm，降水具有明顯的季節(jié)性和區(qū)域差異性，整體表現(xiàn)為秋多冬少、北多南少的特點(diǎn)。流域內(nèi)土地覆蓋類型以林地、耕地、草地和水體為主，植被則以常綠闊葉林、農(nóng)作物以及混交林為主。

圖1 鄱陽(yáng)湖流域范圍Fig.1 Poyang Lake Basin

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

SWH 模型驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)包括氣溫（TEM）、降水（PRE）、風(fēng)速WS、相對(duì)濕度RH、凈輻射RN、光合有效輻射PAR、植被指數(shù)NDVI以及土地利用LUCC等。其中氣溫、降水、風(fēng)速和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)為2001-2017年鄱陽(yáng)湖流域內(nèi)部及周邊共83 個(gè)站點(diǎn)的逐日氣象資料，來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（https：//data.cma.cn），在經(jīng)過(guò)ANUSPLIN 空間插值后用于模型驅(qū)動(dòng)，空間分辨率為1 km。NDVI和土地利用類型數(shù)據(jù)采用MODIS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD13A2 和MCD12Q1（https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov），光合有效輻射和凈輻射數(shù)據(jù)集采用GLASS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品，來(lái)源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.geodata.cn），經(jīng)過(guò)程序化批量預(yù)處理后得到8天時(shí)間分辨率的數(shù)據(jù)序列。其中光合有效輻射數(shù)據(jù)換算系數(shù)參考董泰鋒［19］取值為4.55。

采用ChinaFLUX 發(fā)布的渦度通量塔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（http：//www.cnern.org.cn）和MODIS 蒸散發(fā)產(chǎn)品MOD16A2 數(shù)據(jù)，分別用于SWH 模型模擬結(jié)果在站點(diǎn)及流域尺度上的驗(yàn)證。其中站點(diǎn)尺度驗(yàn)證數(shù)據(jù)選擇千煙洲站潛熱通量數(shù)據(jù)集。

高程數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn），空間分辨率為1 km，地理坐標(biāo)系為WGS84。本文利用ArcGIS 軟件進(jìn)行裁剪、投影等操作后，作為研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)空間插值的協(xié)變量。

1.3 方法

1.3.1 SWH雙源模型

SWH雙源模型將蒸散發(fā)分為植被蒸騰和土壤蒸發(fā)兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過(guò)程。在Penman-Monteith 方程的基礎(chǔ)上，將所有冠層看作一片“大葉”，并假設(shè)植被和土壤的水熱過(guò)程均匯于一定高度與大氣進(jìn)行湍流交換。其中蒸散發(fā)計(jì)算公式如下：

式中：PMS與PMC分別為土壤表面和植被冠層的蒸散發(fā)量，W/m2；CS和CC為相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，分別表征植被和土壤對(duì)蒸散發(fā)影響作用大小，計(jì)算方法見(jiàn)［14］；Rn和Rns分別為植被冠層凈輻射與土壤表面凈輻射［20］，MJ/（m2·d）；G為土壤熱通量，MJ/（m2·d）；ρ為空氣密度，kg/m3；Δ為飽和蒸氣壓與溫度的斜率，γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；cp為定壓比熱容，J/（kg·℃）；VPD為飽和水汽壓與實(shí)際水汽壓之差，kPa；ras和rac分別為從土壤表面到冠層高度和從植被氣孔到冠層高度的空氣動(dòng)力學(xué)阻抗，raa為從冠層高度到參考高度的空氣動(dòng)力學(xué)阻抗［21］，s/m；rss和rsc分別為土壤表面阻抗和植被氣孔阻抗，s/m。

Hu 等［12，13］為實(shí)現(xiàn)土壤表面阻抗rss以及植被冠層阻抗rsc在區(qū)域尺度的準(zhǔn)確估計(jì)，引入了Ball-Berry 氣孔導(dǎo)度模型和土壤表面阻抗方程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)rss和rsc的估算。

土壤表面阻抗rss估算方法如下：

式中：SW和SWs分別為土壤表層含水量與飽和含水量，m3；b1、b2和b3均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)土地利用覆蓋類型來(lái)確定，其中b1取為3.5。

Ball-Berry氣孔導(dǎo)度模型計(jì)算方法如下：

式中：hs為冠層表面空氣相對(duì)濕度（此處以空氣濕度代替）；cs為植被氣孔胞間的CO2濃度，取值為390 ppm；g0和a1為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；pn為光合速率，μmol/（m2·s），是估算rsc的重要變量，以光能利用率模型估算的GPP代替［22］，公式如下：

式中：PAR為光合有效輻射，W/m2；FPAR為植被冠層吸收的PAR占總?cè)肷銹AR的比例（根據(jù)NDVI計(jì)算FPAR=1.24NDVI-0.618）；ε為根據(jù)氣溫、飽和水氣壓差以及土壤表層含水量標(biāo)準(zhǔn)化后的光能利用率，公式如下：

式中：εmax為最大光能利用效率；f(T)和f(VPD)分別為減量調(diào)節(jié)后溫度和飽和水汽壓差標(biāo)量；Tmax、Tmin和Topt分別為最大溫度、最小溫度和光合作用最適溫度。如果溫度低于最小溫度或高于最大溫度，則f(T)取為0；Tmin、Tmax和Topt分別取值為0、20和40 ℃。如果VPD＜0.5 kPa，則f(VPD)取值為1。如果估算出的f(VPD)＜0，則f(VPD)取值為0。VPDmax取值為3.5 kPa。

SWH 雙源蒸散發(fā)模型的具體原理見(jiàn)HU 等［12，13］，在本研究模擬過(guò)程中的部分參數(shù)取值參考HU［22］。其中，b1、b2、εmax、a1、g0分別取值為3.5、3.2、0.001 2、10.6、0.018。

1.3.2 多時(shí)空尺度驗(yàn)證評(píng)價(jià)

在站點(diǎn)尺度上，根據(jù)千煙洲通量站（圖1）潛熱數(shù)據(jù)計(jì)算獲得站點(diǎn)蒸散發(fā)總量，將其與基于SWH模型模擬獲得對(duì)應(yīng)空間位置的蒸散發(fā)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。本文將千煙洲站點(diǎn)周圍5×5 共25個(gè)柵格點(diǎn)的蒸散發(fā)平均值作為模擬值，在時(shí)間尺度上分別進(jìn)行了8天、月、季及年尺度的驗(yàn)證。千煙洲站日尺度潛熱數(shù)據(jù)換算為蒸散發(fā)水量數(shù)據(jù)的方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)［23］。

在流域尺度上，采用MODIS 蒸散發(fā)產(chǎn)品MOD16A2 數(shù)據(jù)作為參照值，與SWH 模型的模擬值進(jìn)行8 d、月、季與年尺度的驗(yàn)證分析。由于MOD16A2 數(shù)據(jù)在鄱陽(yáng)湖湖區(qū)附近存在一定數(shù)量的空值，且不同日期的遙感數(shù)據(jù)空值柵格數(shù)不同，因此本文采用ANUSPLIN 空間插值方法［24］對(duì)MOD16A2 數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，以插值結(jié)果代替原數(shù)據(jù)空值，從而與模型模擬值進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。

用以評(píng)價(jià)驗(yàn)證效果的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)有平均絕對(duì)誤差（MAE）、均方根誤差（RMSE）、相關(guān)系數(shù)（R2）以及納什系數(shù)（NSE），計(jì)算公式為：

式中：yi為實(shí)測(cè)潛熱通量數(shù)據(jù)或MOD16A2數(shù)據(jù)，mm；為觀測(cè)值的平均值，mm；xi為SWH雙源模型的模擬結(jié)果，mm；為模擬值的平均值，mm；n為數(shù)據(jù)總量。

1.3.3 時(shí)空趨勢(shì)分析方法

采用世界氣象組織推薦的Mann-Kendall 非參數(shù)化趨勢(shì)檢驗(yàn)法［25，26］對(duì)SWH 模型模擬的蒸散發(fā)進(jìn)行趨勢(shì)分析，Mann-Kendall的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S可定義如下：

式中：xj和xi為趨勢(shì)檢驗(yàn)的隨機(jī)變量；n為數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度；該檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S為正態(tài)分布，均值為0，方差計(jì)算公式如下：

當(dāng)n＞10時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量Z通過(guò)下式計(jì)算：

式中：j＞i＞1；統(tǒng)計(jì)量Z表示趨勢(shì)及其顯著性，當(dāng)Z＞0時(shí)表示增加趨勢(shì)，當(dāng)Z＜0 時(shí)表示降低趨勢(shì)。本文采取95%置信區(qū)間下的閾值（±1.96）為顯著性判定值。

1.3.4 敏感性分析方法

基于SOBOL 敏感分析法［18］對(duì)影響蒸散發(fā)組分的因素進(jìn)行定量評(píng)估，計(jì)算公式為：

式中：X為總方差；Xi為變量i貢獻(xiàn)的方差；Xi，j為變量i與j相互作用貢獻(xiàn)的方差。根據(jù)SOBOL全局敏感性方法的定義，一階與總階敏感系數(shù)計(jì)算方式為：

式中：Si為變量i的一階敏感性系數(shù)；Si，j為變量i的二階敏感性系數(shù)；STi為變量i的總階敏感性系數(shù)。

1.3.5 數(shù)值實(shí)驗(yàn)歸因分析

在研究中，SWH雙源模型共有八種驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，分別為氣溫TEM、降水PRE、風(fēng)速WS、相對(duì)濕度RH、凈輻射RN、光合有效輻射PAR、植被指數(shù)NDVI以及土地利用覆蓋類型LUCC。除LUCC以外，本文通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)解釋其余7種數(shù)據(jù)對(duì)流域蒸散發(fā)組分的實(shí)際變化貢獻(xiàn)，核心思路為設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)過(guò)程和7個(gè)情景實(shí)驗(yàn)過(guò)程。其中對(duì)照實(shí)驗(yàn)采用原始驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入計(jì)算，代表著氣候變化和下墊面條件綜合影響下的流域蒸散發(fā)動(dòng)態(tài)過(guò)程；每個(gè)情景實(shí)驗(yàn)分別采用6 種原始驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)和一種非趨勢(shì)化數(shù)據(jù)序列進(jìn)行輸入計(jì)算，代表著6 種驅(qū)動(dòng)因素影響下的流域蒸散發(fā)動(dòng)態(tài)。通過(guò)對(duì)每個(gè)情景實(shí)驗(yàn)的模擬蒸散發(fā)組分和對(duì)照實(shí)驗(yàn)的蒸散發(fā)組分進(jìn)行比較分析，計(jì)算出每種驅(qū)動(dòng)因素的實(shí)際貢獻(xiàn)量，具體方法見(jiàn)［27］。計(jì)算公式為：

式中：CNE(xi)是xi對(duì)基于數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法的流域蒸散發(fā)變化的貢獻(xiàn)量；xi為第i個(gè)驅(qū)動(dòng)因素；TET為基于線性回歸法的對(duì)照實(shí)驗(yàn)的蒸散發(fā)變化斜率；TETxi為基于第i個(gè)情景實(shí)驗(yàn)的蒸散發(fā)變化斜率。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸散發(fā)模擬結(jié)果的驗(yàn)證

模型在站點(diǎn)上的驗(yàn)證評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表1所示。模型模擬值與通量站實(shí)測(cè)值在各時(shí)間尺度下的相關(guān)系數(shù)均較高，8天、月、季與年尺度下的相關(guān)系數(shù)分別為0.92、0.95、0.96 和0.85。結(jié)合圖2（a）可知，模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合情況較為良好，整體上模擬值略大于實(shí)測(cè)值。模擬值與實(shí)測(cè)值在8天尺度下的平均絕對(duì)誤差和均方根誤差分別為0.52 mm和0.70 mm。

表1 基于千煙洲站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的SWH模型模擬驗(yàn)證結(jié)果Tab.1 Validation results of SWH dual-source model simulation based on observation data of Qianyanzhou Station

圖2 基于千煙洲站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和MODIS遙感數(shù)據(jù)對(duì)SWH雙源模型在8天尺度模擬驗(yàn)證Fig.2 Validation results of SWH dual-source model on 8-day scale based on observation data of Qianyanzhou Station and MODIS remote sensing data

在流域尺度上的驗(yàn)證結(jié)果如表2 和圖2（b）所示。SWH 模型模擬值與MODIS 參照值在8 天、月、季與年尺度下的相關(guān)系數(shù)分別為0.89、0.94、0.98 和0.73，模擬值與參照值一致性好。8天線性擬合斜率小于1，說(shuō)明模擬值相較參照值略小，平均絕對(duì)誤差與均方根誤差分別為0.43 mm和0.59 mm。

表2 基于MODIS遙感數(shù)據(jù)的SWH模型模擬驗(yàn)證結(jié)果Tab.2 Validation results of SWH dual-source model simulation based on MODIS remote sensing data

2.2 流域蒸散發(fā)時(shí)空演變特征分析

圖3 為鄱陽(yáng)湖流域蒸散發(fā)總量（ET）、土壤蒸發(fā)（Es）和植物蒸騰（Ec）的年際變化過(guò)程。對(duì)ET而言，年平均值為829.5 mm，年最大值出現(xiàn)在2009年，為867.6 mm，年最小值則出現(xiàn)在2015年，為761.8 mm?？傮w上，ET以1.0 mm/a的速度下降，但在0.05顯著性水平下趨勢(shì)性不顯著。其中，夏季和秋季ET分別以0.4 mm/a 和0.7 mm/a 的速度下降，而春季ET則以0.1 mm/a 的速度增加，在0.05顯著性水平下趨勢(shì)性均不顯著（表3）。

表3 蒸散發(fā)組分及蒸發(fā)占比年際MK趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)量Tab.3 MK trend statistics for evapotranspiration components and evaporation ratio

圖3 鄱陽(yáng)湖流域蒸散發(fā)組分年際變化Fig.3 Interannual variation of evapotranspiration components in Poyang Lake Basin in years

Es年均值為553.4 mm，以2.6 mm/a 的速度顯著下降。春季、夏季、秋季和冬季Es分別以0.6、0.8、1.2 和0.2 mm/a 的速度減少。其中秋季Es在0.05 顯著性水平下呈顯著變化趨勢(shì)（表3）。

Ec年均值為276.1 mm，以1.7 mm/a 的速度不顯著增加。春季Ec以0.7 mm/a 的速度顯著性增加。夏季、秋季和冬季Ec的季值分別為150.4、72.4 和6.6 mm，分別以0.4、0.4 和0.1 mm/a 的速度呈不顯著增加（表3）。

圖4 為鄱陽(yáng)湖流域Es/ET年際變化過(guò)程。結(jié)合表3 可以看出，在2001-2017年間，鄱陽(yáng)湖流域年Es占ET的比例呈下降趨勢(shì)（P＜0.05），年Es/ET以0.28%/a 的速度顯著下降。在季節(jié)方面，冬季Es/ET＞春季＞秋季＞夏季，年均值分別為91.52%、79.08%、69.85%和59.51%。其中，僅夏季Es/ET以0.05%/a 的速度呈不顯著下降；而春季、秋季和冬季Es/ET則分別以0.41%/a、0.32%/a 和0.27%/a 的速率呈顯著下降趨勢(shì)。雖然鄱陽(yáng)湖流域年Ec呈一定的增長(zhǎng)趨勢(shì)，但由于Es的下降趨勢(shì)更為顯著，導(dǎo)致Es/ET總體呈現(xiàn)年際顯著的下降趨勢(shì)，尤以春季和秋季Es/ET的變化為主要貢獻(xiàn)。

圖4 鄱陽(yáng)湖流域年、季尺度蒸發(fā)占比年際變化Fig.4 Interannual variation of evaporation ratio at annual and seasonal scales in Poyang Lake Basin

在空間上，鄱陽(yáng)湖流域年均ET總量呈現(xiàn)中部高、四周低的特征，各子流域及湖區(qū)空間分布存在顯著差異［圖5（e）］。其中ET最大的區(qū)域?yàn)檑蛾?yáng)湖湖區(qū)，其次為贛江流域上游地區(qū)，低值多分布在流域邊際地勢(shì)較高的地區(qū)，尤其是修河流域中部和信江流域南部。流域中部區(qū)域如湖區(qū)、撫河流域及贛江流域上中游地區(qū)ET呈增加趨勢(shì)，而流域東西部如修河流域、饒河流域和信江流域則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中饒河流域下降趨勢(shì)最為顯著［圖6（e）］。

圖5 鄱陽(yáng)湖流域春季、夏季、秋季、冬季與年蒸散發(fā)空間分布Fig.5 Spatial distribution of evapotranspiration in the Poyang Lake Basin in spring，summer，autumn，winter and years

圖6 鄱陽(yáng)湖流域春季、夏季、秋季、冬季與年蒸散發(fā)趨勢(shì)變化Fig.6 Distribution of temporal trend of evapotranspiration in the Poyang Lake Basin in spring，summer，autumn，winter and years

在季節(jié)分布上，春季ET空間分布與年ET類似［圖5（a）］，鄱陽(yáng)湖湖區(qū)、贛江流域和饒河流域?yàn)榇杭綞T最大的區(qū)域。就時(shí)變趨勢(shì)而言，僅贛江流域西部山區(qū)約占3.95%的區(qū)域呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，其余地區(qū)均不顯著。以湖區(qū)為中心的流域中部地區(qū)呈增加趨勢(shì)，尤其是撫河流域，共占24.06%的流域面積［圖6（a）］。相較于春季，夏季ET空間分布與地勢(shì)的關(guān)系較為密切，以湖區(qū)為中心的平原地區(qū)ET最大，其次為贛江流域中部地區(qū)，而地勢(shì)較高的山區(qū)ET最小［圖5（b）］。夏季ET除湖區(qū)呈不顯著增加趨勢(shì)以外，90%以上的流域均呈下降趨勢(shì)。其中以饒河流域和信江流域下降趨勢(shì)最為顯著，約占總面積的21.65%，空間差異明顯［圖6（b）］。秋季ET整體呈不顯著變化的趨勢(shì)，趨勢(shì)增加的區(qū)域約為33.88%，基本集中在湖區(qū)平原及贛江流域南部地區(qū)［圖6（c）］。冬季ET空間分布與秋季類似，僅在湖區(qū)和贛江流域南部ET較大，其他子流域地區(qū)ET均較小，修河流域最?。蹐D5（d）］。趨勢(shì)上冬季ET在流域大部分地區(qū)均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，在湖區(qū)和贛江流域中部呈顯著增加的趨勢(shì)［圖6（d）］。

圖7 為鄱陽(yáng)湖流域2001-2017年Es/ET時(shí)變趨勢(shì)的空間分布。流域80%以上的地區(qū)年Es/ET呈下降趨勢(shì)，僅湖區(qū)中部以及贛江流域西部山區(qū)呈增加趨勢(shì)。其中，33.86%的區(qū)域呈顯著下降趨勢(shì)，主要集中在湖區(qū)南部平原以及信江流域［圖7（e）］。春季、夏季、秋季和冬季Es/ET呈下降趨勢(shì)的流域面積分別占80.26%、61.41%、86.11%和76.80%，其中顯著下降的流域面積分別為27.17%、11.76%、34.86%和23.47%。春季和冬季Es/ET空間趨勢(shì)變化特征較為相似，Es/ET增大的區(qū)域主要在鄱陽(yáng)湖湖區(qū)和贛江流域局部地區(qū)，冬季湖區(qū)Es/ET呈顯著增大的趨勢(shì)，春季信江流域Es/ET則呈顯著下降的趨勢(shì)［圖7（a）、（d）］。夏季Es/ET整體空間上趨勢(shì)變化不顯著，趨勢(shì)增加的區(qū)域主要在流域中部，饒河流域Es/ET趨勢(shì)增加最為明顯［圖7（b）］。秋季Es/ET增大的面積僅占13.89%，且集中在鄱陽(yáng)湖湖區(qū)，湖區(qū)南部平原和信江流域中部Es/ET則呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)［圖7（c）］。

圖7 鄱陽(yáng)湖流域春季、夏季、秋季、冬季與年蒸發(fā)占比趨勢(shì)變化Fig.7 Distribution of temporal trend of evaporation ratio in Poyang Lake Basin in spring，summer，autumn，winter and years

2.3 流域蒸散發(fā)組分敏感性分析

針對(duì)植被指數(shù)（NDVI）、光合有效輻射（PAR）、降水（PRE）、相對(duì)濕度（RH）、凈輻射（RN）、氣溫（TEM）和風(fēng)速（WS）等七種影響因子對(duì)流域蒸散發(fā)總量及其組分進(jìn)行敏感性分析。結(jié)果表明，流域ET變化的主要敏感因素為TEM和WS，其總階敏感系數(shù)分別為0.47 和0.57，其次為PRE和RN（表4）。其中，春季和夏季ET的敏感系數(shù)排序一致，為WS＞TEM＞RN＞RH＞PRE＞NDVI＞PAR，而秋季和冬季ET對(duì)PRE較為RH更加敏感，其總階敏感系數(shù)分別為0.42 和0.44。同時(shí)，各影響因子的敏感系數(shù)在年內(nèi)的分布變化有所差異，ET對(duì)WS、TEM、PRE和RH的敏感系數(shù)均呈先減小后增大，對(duì)NDVI則呈先增大后減??；ET對(duì)RN在春夏季的敏感系數(shù)波動(dòng)幅度較大，而對(duì)PAR的敏感系數(shù)在全年無(wú)明顯變化［圖8（a）］。

表4 基于SOBOL分析法的蒸散發(fā)總量年際總階敏感系數(shù)Tab.4 Interannual sensitivity coefficient of total evapotranspiration based on SOBOL method

圖8 鄱陽(yáng)湖流域蒸散發(fā)總量、蒸發(fā)占比、土壤蒸發(fā)與植被蒸騰的敏感系數(shù)年內(nèi)變化過(guò)程Fig.8 Sensitivity coefficient of total evapotranspiration，evaporation ratio，soil evaporation，plant transpiration in Poyang Lake Basin in annual process

Es/ET的主要敏感因素為NDVI，其總階敏感系數(shù)為0.71，其次為TEM和PRE（表5）。在季節(jié)方面，Es/ET在各季節(jié)對(duì)NDVI最為敏感，在秋冬季對(duì)PRE和TEM較為敏感，在春夏季則對(duì)WS和TEM較為敏感。在年內(nèi)和年際分布變化中，Es/ET對(duì)各影響因子的敏感系數(shù)也呈現(xiàn)出明顯的差異，排序?yàn)镹DVI＞TEM＞W(wǎng)S＞PRE＞RN＞PAR≈RH，且除NDVI以外Es/ET對(duì)其他影響因子的敏感系數(shù)在年內(nèi)均呈先減小后增大的變化過(guò)程，尤以TEM和PRE變化幅度最大［圖8（b）］。對(duì)ET和Es/ET的敏感性分析表明流域ET受到的影響主要集中在氣候因素方面，而Es/ET受到的影響則主要為下墊面因素，尤其是植被相關(guān)的因素。

表5 基于SOBOL分析法的蒸發(fā)占比年際總階敏感系數(shù)Tab.5 Interannual sensitivity coefficient of evaporation ratio based on SOBOL method

在對(duì)Es和Ec的敏感性分析結(jié)果中可以看出，Es的敏感性分析結(jié)果與ET較為接近，而Ec的敏感性分析結(jié)果則與Es/ET較為接近（表6、7）。對(duì)Es而言，除WS和TEM是最主要的敏感因子以外，Es對(duì)NDVI、RN和PRE的敏感性較大，其總階敏感性系數(shù)分別為0.31、0.32 和0.35。Es對(duì)各影響因子的敏感系數(shù)在年內(nèi)的變化過(guò)程與ET較為一致，對(duì)NDVI則更加敏感，尤其是在夏季，其敏感系數(shù)為0.40，而在該季對(duì)TEM的敏感系數(shù)為0.37［圖8（c）］。Ec在各尺度下的主要敏感因素為NDVI，年Ec對(duì)NDVI的總階敏感系數(shù)為0.72，其次為TEM和WS，對(duì)PRE的敏感性較低。年內(nèi)各敏感系數(shù)的變化也與Es/ET一致［圖8（d）］。

表6 基于SOBOL分析法的土壤蒸發(fā)年際總階敏感系數(shù)Tab.6 Interannual sensitivity coefficient of soil evaporation based on SOBOL method

表7 基于SOBOL分析法的植被蒸騰年際總階敏感系數(shù)Tab.7 Interannual sensitivity coefficient of plant transpiration based on SOBOL method

2.4 流域蒸散發(fā)歸因分析

在敏感性分析的基礎(chǔ)上，本文對(duì)2001-2017年鄱陽(yáng)湖流域氣溫TEM、降水PRE、風(fēng)速WS、相對(duì)濕度RH、凈輻射RN、光合有效輻射PAR和植被指數(shù)NDVI等7 種流域蒸散發(fā)的影響因子進(jìn)行時(shí)間演變趨勢(shì)分析。結(jié)果顯示，2001-2017年鄱陽(yáng)湖流域四種氣象因子TEM、PRE、WS和RH均呈不顯著增加趨勢(shì)（P＜0.05），TEM和WS在秋季增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著，PRE在夏季增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著（表8）。各氣象因子的空間特征存在較大差異，流域TEM呈南高北低、中高周低的特征；流域PRE則表現(xiàn)為自西向東逐漸增加的空間特征；流域WS表現(xiàn)為周高中低的特征，28.46%的地區(qū)變化趨勢(shì)顯著；流域RH則表現(xiàn)為由北向南先增大再減小的特征。流域RN和PAR均呈不顯著下降趨勢(shì)（表8），空間上RN呈中高周低的特征，以湖區(qū)為中心向四周逐漸遞減，27.92%的地區(qū)呈顯著下降趨勢(shì)，主要分布在湖區(qū)、饒河流域等北部地區(qū)。流域PAR呈現(xiàn)為南北高、中間低的特征，峰值集中在湖區(qū)附近。流域年NDVI呈顯著增加趨勢(shì)，春季、秋季和冬季NDVI也均呈顯著增加的趨勢(shì)（表8）。NDVI在空間上表現(xiàn)為周高中低的特征，以湖區(qū)為中心向四周逐漸增加，峰值主要分布在流域周邊地勢(shì)較高的地區(qū)，49.51%的地區(qū)NDVI呈顯著增加趨勢(shì)，主要分布在湖區(qū)南部、贛江流域和信江流域。

表8 蒸散發(fā)驅(qū)動(dòng)影響因素年際MK趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)量Tab.8 MK trend statistics for driving factors of evapotranspiration

對(duì)鄱陽(yáng)湖流域2001-2017年蒸散發(fā)總量（ET）、蒸發(fā)占比（Es/ET）、土壤蒸發(fā)（Es）和植被蒸騰（Ec）的實(shí)際變化成因進(jìn)行研究分析。結(jié)果顯示：對(duì)年ET而言，NDVI和PRE對(duì)流域ET的貢獻(xiàn)量分別為0.378 和0.750，RH和RN對(duì)ET的貢獻(xiàn)量分別為-0.441 和-1.169（表9），說(shuō)明鄱陽(yáng)湖流域年ET增加主要由NDVI和PRE的變化引起，ET下降則主要由RH和RN的變化導(dǎo)致。結(jié)合RH、RN和WS的年際變化趨勢(shì)分析可知，年RH的增大和RN的下降是導(dǎo)致流域年ET呈下降趨勢(shì)的主要原因，WS增大對(duì)年ET的貢獻(xiàn)量則較小。

表9 鄱陽(yáng)湖流域蒸散發(fā)總量驅(qū)動(dòng)影響因素的貢獻(xiàn)量特征Tab.9 Characteristics of contribution of driving factors of total evapotranspiration in Poyang Lake Basin

在季節(jié)方面，鄱陽(yáng)湖流域各影響因素對(duì)春季ET變化的實(shí)際貢獻(xiàn)均較為明顯，RN和NDVI對(duì)流域春季ET變化的貢獻(xiàn)量最大，其貢獻(xiàn)量分別為-1.364 和0.462。夏季ET下降的主要原因來(lái)源于RN和RH，貢獻(xiàn)量分別為-0.649 和-0.290。秋季RN、RH和WS對(duì)流域ET的負(fù)貢獻(xiàn)量較大，分別為-3.723、-1.819 和-1.770，同時(shí)秋季ET對(duì)RN、RH和WS均較為敏感，因此秋季ET表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。冬季ET變化的主要貢獻(xiàn)來(lái)源于PRE和RN，實(shí)際貢獻(xiàn)量分別為-2.054 和1.017，且均為冬季ET較為敏感的影響因素。

對(duì)年Es/ET而言，NDVI的實(shí)際貢獻(xiàn)量為-1.233，PAR、PRE和WS的實(shí)際貢獻(xiàn)量分別為0.242、0.258 和0.154（表10）。年Es/ET最主要的敏感因素即為NDVI，這與年Es/ET變化的實(shí)際貢獻(xiàn)量特征一致（表5）。流域Es/ET整體表現(xiàn)為顯著性下降的變化趨勢(shì)，其主要原因即為流域NDVI呈顯著性增加的變化。

表10 鄱陽(yáng)湖流域蒸發(fā)占比驅(qū)動(dòng)影響因素的貢獻(xiàn)量特征Tab.10 Characteristics of contribution of driving factors of evaporation ratio in Poyang Lake Basin

各季Es/ET的實(shí)際貢獻(xiàn)特征與年Es/ET較為一致（表10）。對(duì)春季Es/ET的變化起主要貢獻(xiàn)作用的是NDVI，其次為PAR，貢獻(xiàn)量分別為-1.161 和0.230，NDVI顯著增加的趨勢(shì)變化是流域春季Es/ET顯著性下降的主要原因。夏季Es/ET的負(fù)貢獻(xiàn)量主要來(lái)源于NDVI和RH，實(shí)際貢獻(xiàn)量為別為-0.950 和-0.505，整體上略大于PAR、PRE和WS的正貢獻(xiàn)量，因此夏季Es/ET呈下降趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)不顯著。秋季NDVI對(duì)流域Es/ET的實(shí)際貢獻(xiàn)量為-1.212，NDVI顯著增加是秋季Es/ET顯著下降的主要成因。NDVI是冬季Es/ET最敏感的驅(qū)動(dòng)影響因素，實(shí)際變化貢獻(xiàn)量為-1.786，此外RN對(duì)冬季Es/ET的貢獻(xiàn)量也為-0.746，冬季NDVI和RN增加是Es/ET呈顯著性下降的主要原因。

鄱陽(yáng)湖流域年Es的主要敏感因素為TEM和WS，對(duì)流域年Es起主要貢獻(xiàn)作用的影響因素為RN、NDVI、PRE和RH，貢獻(xiàn)量分別為-0.591、-0.531、0.503 和-0.273（表11）。整體上鄱陽(yáng)湖流域RN、NDVI和RH的負(fù)貢獻(xiàn)量大于正貢獻(xiàn)量，因此流域年Es呈顯著的下降趨勢(shì)。結(jié)合RN、NDVI和RH年際變化趨勢(shì)可知，流域年Es變化的主要成因在于年RN下降和NDVI、RH增加。對(duì)Ec而言，流域年Ec的主要貢獻(xiàn)來(lái)源于NDVI、RN和PAR，貢獻(xiàn)量分別為1.152、0.537和0.488，流域年NDVI和PAR的增長(zhǎng)是Ec呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的主要原因（表12）。在季節(jié)方面，春季、秋季和冬季Ec驅(qū)動(dòng)影響因素的貢獻(xiàn)量特征與年Ec類似，NDVI是對(duì)各季Ec貢獻(xiàn)量最大的影響因素，貢獻(xiàn)量分別為1.169、0.633 和0.878。

表11 鄱陽(yáng)湖流域土壤蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)影響因素的貢獻(xiàn)量特征Tab.11 Characteristics of contribution of driving factors of soil evaporation in Poyang Lake Basin

表12 鄱陽(yáng)湖流域植被蒸騰驅(qū)動(dòng)影響因素的貢獻(xiàn)量特征Tab.12 Characteristics of contribution of driving factors of plant transpiration in Poyang Lake Basin

3 討 論

在模擬估算流域蒸散發(fā)及其組分的過(guò)程中，由于模型機(jī)制將流域水體看作為含水率接近100%的“土壤”，從而模擬估算Ec和Es，而對(duì)于鄱陽(yáng)湖流域而言，湖區(qū)水體面積占比較大，這樣的處理可能導(dǎo)致流域Ec和Es的估算誤差。同時(shí)，不同的植被指數(shù)對(duì)流域植被變化的反映存在一定差異，主要體現(xiàn)在植被指數(shù)對(duì)下墊面FPAR估算具有不同的適應(yīng)性［28］，在森林FPAR估算中增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）更有優(yōu)勢(shì)［29］，而對(duì)部分農(nóng)作物生育期FPAR估算中NDVI與FPAR的相關(guān)性則更高［30］，鄱陽(yáng)湖流域植被覆蓋率較高，年均NDVI為0.578，除冬季以外其余時(shí)段NDVI均在0.5 以上，在植被生長(zhǎng)季階段NDVI可較好地模擬不同下墊面條件的FPAR，而在非生長(zhǎng)季或植被茂密地區(qū)NDVI對(duì)流域植被變化的表征程度有所不足，導(dǎo)致FPAR的估計(jì)存在一定的偏差，這也導(dǎo)致本研究估計(jì)的ET和Ec存在一定的不確定性。在研究時(shí)段內(nèi)鄱陽(yáng)湖流域曾多次發(fā)生嚴(yán)重干旱事件，而較為直接反映干旱情況的降雨數(shù)據(jù)并非是作為模型公式的變量進(jìn)入模擬的過(guò)程［13］，且氣溫、降雨等氣象實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均是通過(guò)ANUSPLIN 空間插值得到流域面尺度數(shù)據(jù)，這也可能導(dǎo)致模型模擬誤差，后續(xù)可通過(guò)對(duì)多元數(shù)據(jù)及多種模型的比較分析，進(jìn)一步提高對(duì)該流域蒸散發(fā)時(shí)空動(dòng)態(tài)規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

ET的時(shí)空動(dòng)態(tài)受到氣候變化、下墊面條件等多方面因素的影響，對(duì)ET各組分作單獨(dú)的分析可進(jìn)一步明確ET的響應(yīng)變化機(jī)理。近年來(lái)鄱陽(yáng)湖流域經(jīng)歷了顯著的氣候變化過(guò)程，流域年均氣溫快速增長(zhǎng)，暖化趨勢(shì)明顯［8］，降水量及降水日數(shù)則明顯減少，降水時(shí)空分布不均［6］；鄱陽(yáng)湖流域自20世紀(jì)90年代以來(lái)實(shí)施了大規(guī)模的“退耕還林還草”等生態(tài)工程，流域植被覆蓋率大大增加［7］。這些氣候和下墊面的變化對(duì)蒸散發(fā)組分造成了一定的影響。本文基于SWH 模型模擬得到2001-2017年鄱陽(yáng)湖流域ET、Es、Ec和Es/ET，并對(duì)其進(jìn)行時(shí)空變化趨勢(shì)和影響因素的分析。研究結(jié)果表明，鄱陽(yáng)湖流域年均ET為829.5 mm，多年波動(dòng)范圍為761.8～867.6 mm，與劉沖［7］等和趙曉松［8］等研究結(jié)果較為接近，總體上以1.0 mm/a 的速度下降；鄱陽(yáng)湖流域ET在研究時(shí)段內(nèi)各尺度下的變化趨勢(shì)均不顯著，夏季和冬季ET的趨勢(shì)性結(jié)果與秦曉晨［31］等一致，但Es/ET在除夏季以外均呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì)，說(shuō)明流域Ec相對(duì)于Es增加趨勢(shì)明顯，在各時(shí)段內(nèi)Ec在ET中的占比顯著增大，流域蒸散發(fā)組分存在著明顯的變化情況，流域蒸散發(fā)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生一定的變化。對(duì)于Es而言，僅在秋季呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì)，在其他時(shí)段內(nèi)變化趨勢(shì)均不顯著；年Ec以1.7 mm/a 的速度不顯著增加，春季Ec增加趨勢(shì)顯著；在ET總量同樣變化不顯著的情況下，Ec在各時(shí)段內(nèi)的趨勢(shì)變化可能決定著ET總量的變化情況。通過(guò)對(duì)Es/ET在年內(nèi)及年際的分布變化可知，2001-2017年鄱陽(yáng)湖流域年Es/ET以0.28%/a 的速度減小，2012年以前Es/ET年均水平約為76%，而在2012年以后年均水平約為73%，春季、秋季和冬季也均有3%左右的降幅；Es/ET在年內(nèi)3-8月降幅為33.17%，尤其在植被生長(zhǎng)季（3-6月）月均下降8%左右，在7-9月則維持在2%左右，進(jìn)一步可以說(shuō)明Ec相較Es對(duì)ET總量起著更加重要的影響作用。

結(jié)合上述流域背景情況［6-8］以及敏感性分析結(jié)果可知，ET和Es對(duì)TEM、WS和PRE等氣候因素更加敏感，而Es/ET和Ec對(duì)NDVI等下墊面因素更加敏感，且Es對(duì)NDVI也具有一定的敏感性，各變量對(duì)RN和PAR等能量因素的敏感性程度一般，劉沖［7］等和趙曉松［8］等也認(rèn)為TEM等氣候因素對(duì)流域ET影響較大，但在RN等能量因素的分析上存在著一定差異。植被條件改善是驅(qū)動(dòng)流域ET增長(zhǎng)的主導(dǎo)因素，氣候變化是導(dǎo)致ET年際波動(dòng)的主要原因［7］，而主要體現(xiàn)在對(duì)流域蒸散發(fā)組分Ec的影響，Ec對(duì)NDVI的敏感系數(shù)為0.72。因此鄱陽(yáng)湖流域氣溫增長(zhǎng)、暖化趨勢(shì)明顯可能是導(dǎo)致年Es顯著下降的主要原因，而流域內(nèi)開(kāi)展的生態(tài)修復(fù)工程使得植被覆蓋率大大增加，植被冠層吸收的光合有效輻射增加，導(dǎo)致Ec在春季顯著增大、Es/ET下降趨勢(shì)顯著。

4 結(jié)論

（1）SWH雙源模型在站點(diǎn)和流域尺度上均取得了良好的模擬效果，適用于鄱陽(yáng)湖流域蒸散發(fā)的模擬。

（2）在2001-2017年期間，流域年均ET變化趨勢(shì)不顯著，年Es和Es/ET均呈顯著下降趨勢(shì)。Ec全年呈增大趨勢(shì)，在春季顯著增大，導(dǎo)致Es/ET顯著下降，尤其是在湖區(qū)南部平原和信江流域。

（3）鄱陽(yáng)湖流域年ET和Es變化的主要敏感因素為TEM和WS，其次為PRE和RN。其中秋季和冬季受PRE影響較大，Es對(duì)NDVI也較為敏感。Ec和Es/ET在年、季尺度下的主要敏感因素均為NDVI，其次為TEM。

（4）鄱陽(yáng)湖流域?qū)T變化貢獻(xiàn)最大的影響因子為RN、PRE和RH，年RN下降和RH增大是導(dǎo)致流域年ET呈下降趨勢(shì)的主要原因。流域年Es/ET顯著下降的主要原因?yàn)镹DVI顯著性增加。對(duì)流域Es起主要作用的影響因子為RN、NDVI和RH，年Es顯著下降的主要成因在于RN下降和NDVI、RH增加。流域Ec顯著增大的主要原因?yàn)镹DVI和PAR增大，NDVI是各季Ec增大的主要成因。