中國西北干旱區蒸散發時空動態特征

鄧興耀,劉 洋,劉志輝,姚俊強

1 新疆大學資源與環境科學學院,烏魯木齊 830046 2 新疆大學干旱生態環境研究所,烏魯木齊 830046 3 新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046 4 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,烏魯木齊 830002

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中國西北干旱區蒸散發時空動態特征

鄧興耀1,2,3,劉 洋1,2,3,劉志輝2,3,*,姚俊強4

1 新疆大學資源與環境科學學院,烏魯木齊 830046 2 新疆大學干旱生態環境研究所,烏魯木齊 830046 3 新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046 4 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,烏魯木齊 830002

利用MODIS ET數據集中2000—2014年的地表實際蒸散發量產品,運用變異系數、Theil-Sen median趨勢分析與Mann-Kendall檢驗和Hurst指數法,研究了中國西北干旱區蒸散發的空間格局、不同維度的空間異質性和時間變化特征及未來趨勢預測。結果表明：(1)2000—2014年全區蒸散發量總體較小,蒸散發量小于200 mm的區域占總面積的38.329%。在空間上ET自山區向兩側平原減少,不同土地覆蓋的ET大小為：林地>農用地>草地>稀疏植被。受降水和土地覆蓋的綜合影響,ET的高值區(>400 mm)主要在降水豐富的山區林地和草地,而低值區(<200 mm)主要在降水較少的平原稀疏植被區和草地。(2)近15年全區蒸散發變異程度不明顯,以相對較低的波動變化為主。各亞區內波動較低區域的比例為：北疆>天山>祁連山>內蒙西部>河西走廊>南疆。(3)15年間全區年均蒸散發量呈波動變化,總體有微弱的減小趨勢,變化率為-0.9348 mm/a。基于像元尺度的分析也表明全區ET以減小的變化趨勢為主,但各亞區的減小程度各異：天山>內蒙西部>河西走廊>北疆>祁連山,僅南疆有增加趨勢。(4)全區ET的Hurst指數均值為0.689,Hurst指數大于0.5的范圍所占比例為80.033%,未來全區蒸散發的變化趨勢以持續性減小為主。其中22.003%區域的變化趨勢無法確定。未來各亞區ET的減少趨勢為：內蒙西部>天山>河西走廊>北疆>祁連山>南疆。

MODIS；蒸散發；西北干旱區；趨勢分析；氣候變化

蒸散發(Evapotranspiration, ET)包括土壤、水面蒸發和植被蒸騰,連接著地表水分、能量和碳的循環過程,是構成氣候系統的中心環節[1]。研究陸面過程中的蒸散發,對天氣預報、旱澇監測、水資源和農業管理以及全球變化等領域有重要意義[2]。

基于地面觀測的資料可獲得長時間序列的蒸散發信息,但站點觀測值并不能提供蒸散發的空間分布特征,尤其是在觀測站點稀疏的西北干旱區。結合遙感技術可以反映蒸散發的空間異質性,滿足全球和區域尺度的研究。Jung等[3]發布了1982—2008年全球陸地蒸散發年尺度數據集；歐洲氣象衛星應用組織發布了覆蓋歐洲、非洲和南美洲東部的LSA-SAF MSG ET數據集[4]；美國蒙大拿大學森林學院工作組制作了2000年至今的全球MODIS ET數據集[5]。

MODIS ET數據集憑借較高模擬精度和時空分辨率,已成功應用于全球和區域蒸散發的動態監測。賀添等[6]利用中國陸地生態系統通量觀測研究網絡數據和水文數據,驗證了MODIS ET數據的精度。Kim等[7]利用亞洲通量網17個站點的渦度相關儀數據對MODIS ET產品進行驗證,并分析了該數據集在不同氣候和下墊面條件下的適用性；Liu等[8]利用中國海河平原的大孔徑閃爍儀觀測數據,驗證2008—2010年MODIS ET產品的精度,并分析了3種下墊面蒸散發量的季節和年變化規律；Jang等[9]利用MODIS ET產品和MODIS-KLDAS ET驅動數據監測2006—2008年東北亞地區日蒸散發量,MODIS ET產品的精度通過了區域通量塔觀測的驗證。

中國西北干旱區是亞洲中部干旱區的重要組成部分之一,區內地形復雜,山地盆地相間分布,沙漠與綠洲共存,各自然要素時空分布極不均勻,是生態環境脆弱地區,也是對全球變化響應最敏感地區之一[10]。全球氣候變化改變了陸面水循環要素和蒸散發量[3]。水資源是干旱區農業和社會經濟發展的制約因素。在此背景下,全球變化和人類活動共同驅動下的干旱區蒸散發時空分布及其變化受到諸多學者的關注。李寶富[11]、王海波[12]分別以西北干旱區典型內陸河塔里木河流域、黑河流域為研究區,發展了干旱區遙感估算蒸散發量的模型。馬金龍[13]、張鑫[14]利用渦度相關系統和波文比系統監測綠洲農田蒸散發,為干旱區作物生長階段不同灌溉時期和灌溉量的確定以及田間水分管理提供科學依據。劉春雨[15]研究了氣候變化背景下的西北干旱區蒸散發響應。李稚等[16]利用1958—2010年的氣象站觀測數據,得出西北干旱區蒸發皿蒸發量在過去50年內以1993年為轉折點,由下降趨勢逆轉為顯著上升的趨勢的結論。但是由于不同的干濕背景,干旱區蒸發皿蒸發和實際蒸散發之間的關系尚存在較大爭論[17- 18]。

可見,目前針對西北干旱區蒸散發的研究成果較多,但這些研究選用的站點資料有限,或以整體分析為主,缺乏不同時空維度的變異性研究,難以反映研究區特殊的“山地-綠洲-荒漠”系統的異質性,對全區未來蒸散發變化趨勢的定量研究還相對比較薄弱。研究西北干旱區蒸散發的時空變化規律和未來的變化趨勢,對提高應對氣候變化能力有重要意義,為促進區域經濟社會可持續發展提供參考。

1 研究區概況

中國西北干旱區位于亞洲中部,深居大陸腹地,為多年平均降水量小于200 mm的極端干旱區和干旱區,屬于典型的大陸性氣候[19],自然條件惡劣。該地區東以賀蘭山為界,南至昆侖山—阿爾金山—祁連山,北側和西側直抵國界,介于73—107°E和35—50°N之間,包括新疆維吾爾自治區全境、甘肅河西走廊、祁連山區、內蒙古阿拉善高原及黃河寧夏段以西的寧夏自治區部分,區內有天山、阿爾泰山、昆侖山、祁連山等一系列高大山系,包圍著準噶爾盆地、塔里木盆地等內陸盆地和河西走廊,分布著大片沙漠和戈壁,構成以山地-綠洲-荒漠三大生態系統為基本特征的特殊自然單元。根據前人的研究成果[19]和區域自然地理差異,將西北干旱區分為北疆(新疆北部)、南疆(新疆南部)、天山、祁連山、河西走廊和內蒙古西部等6個亞區(圖1)。

圖1 研究區概況Fig.1 Sketch map of arid region of Northwest China

2 數據與方法

2.1 數據來源

MODIS ET數據集包括地表實際蒸散發量(ET)、潛熱通量(LE)、潛在蒸散發量(PET)和潛在潛熱通量(PLE)產品,空間分辨率為1 km×1 km,時間分辨率有8天、1月和1年。其算法是Mu等[20]在Penman-Monteith 公式基礎上改進的,具體反演流程如圖2。該數據集考慮了土壤表面蒸發、冠層截流水分蒸發和植物蒸騰,較好地反映了荒漠和綠洲下墊面的非均勻性,適用于干旱區地表蒸散發的研究。本文選用地表實際蒸散發數據的年合成產品(MOD16A3),時間序列從2000年1月至2014年12月,在美國蒙大拿大學森林學院工作組網站下載(http://www.ntsg.umt.edu/project/mod16),使用MRT(Modis Reprojection Tool)工具對數據進行重投影等預處理。

DEM數據為SRTM3(Shuttle Radar Topography Mission),空間分辨率為90 m×90 m,來自中國科學院數據云(http://www.csdb.cn/)。

土地覆蓋數據為2001年和2013年的MODIS MCD12Q1 產品(下載地址: https://lpdaac.usgs.gov/),空間分辨率為500 m,該產品采用國際地圈生物圈計劃全球植被分類方案,將地表類型分為17種,本文將其合并為水體、林地、草地、農用地、城市和建筑區、冰雪與稀疏植被7大類。

降水資料來自英國East Anglia大學氣候研究中心(Climatic Research Unit, CRU)發布的全球陸地表面月平均氣候數據集(http://www.uea.ac.uk/),空間分辨率0.5°×0.5°,選取的時間序列為2000年1月至2014年12月。該資料不包含衛星觀測,不使用模式同化,僅用數學方法對數據進行整合和插值[21]。CRU氣候資料盡管包含插值帶來的誤差,但經對比,CRU降水除青藏高原西部外與中國臺站的觀測具有很好的一致性[22],故可用于本文的研究。

徑流數據為水文站的觀測,首先考慮河流上游的控制水文站,以盡可能避免選取有大型水庫及大規模灌溉用地的流域。同時,盡量選擇資料系列較長的流域。按此標準,選取研究區5個典型流域,包括天山北坡的博爾塔拉河與呼圖壁河,天山南坡的阿克蘇河與開都河,祁連山水系的黑河。降水數據為各流域內及周邊24個氣象站的實測,所有站點均在圖1中標注。

圖2 MOD16 ET反演算法流程圖Fig.2 Flow chart of MOD16 ET inversion algorithm

2.2 研究方法

2.2.1 流域水量平衡法

采用流域水量平衡法驗證MOD16A3產品在西北干旱區的模擬精度[6]。

2.2.2 變異系數法

變異系數是描述隨機變量分散程度的統計量,用來分析蒸散發空間格局與空間分異規律[23]。

(1)

2.2.3 Theil-Sen median趨勢分析與Mann-Kendall檢驗

Theil-Sen median趨勢分析與Mann-Kendall檢驗相結合,用以判斷長時間序列數據的趨勢[24]。其中,Theil-Sen median趨勢分析是一種穩健的非參數統計的趨勢計算方法,計算公式為：

(2)

式中,ETi和ETj為樣本數據值(2000≤i0時,反映了這一時間序列的蒸散發量呈增強趨勢；反之,則為衰減趨勢。

Mann-Kendall屬于非參數檢驗方法,與其他參數檢驗方法相比,不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數異常值干擾,更適合順序變量。Mann-Kendall檢驗已經在水文、氣象的時間序列分析中得到成功應用[25-26],用于判斷時間序列數據是否具有上升或下降的趨勢。

在用Mann-Kendall法進行ET趨勢檢驗時,將某時序的ET值看作一組獨立分布的樣本數據,以參數Zc作為像元ET衰減指標,計算公式如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中,sign為符號函數。本文在置信水平α=0.05上判斷ET變化趨勢的顯著性[24]。當|Zc|>1.96時表示時間序列置信水平α<0.05,|Zc|<1.96表示置信水平α>0.05。

2.2.4 Hurst指數

Hurst指數用于定量描述時間序列數據的可持續性。在水文學、經濟學、氣候學等領域有著廣泛的應用[27]。考慮ET時間序列{ET(t)} (t=1,2,3,4,…,n) 對于任意正整數t≥1,定義該時間序列的均值序列：

(7)

計算累積離差為：

(8)

(9)

(10)

計算Hurst指數：

(11)

式中,c為常數。對公式(11)兩邊同時取對數即得到Hurst經驗公式。基于時間序列并利用Hurst經驗公式得到一簇H值進行最小二乘法擬合,得出的直線斜率即為修正后的Hurst指數(H),它揭示了時間序列的分形特征。

不同的H對應不同的時間序列趨勢變化：當H=0.5時,表明時間序列是完全獨立的,沒有相關性或只是短程相關；00.5時,意味著未來的變化狀況與過去趨勢一致,整個過程具有持續性,H越大,持續性越強。

3 結果與分析

3.1 MOD16A3蒸散發產品精度評估

分析表1,水量平衡法計算的多年蒸散發量均值與MOD16A3數據的年均蒸散發量較為吻合,二者的平均絕對誤差為38.33 mm,平均相對誤差為12.29%,均方根誤差為39.88 mm。MODIS ET產品的年蒸散發值總體偏高,但其精度基本滿足區域尺度的研究,可以用于研究西北干旱區蒸散發的時空動態特征。

表1 西北干旱區典型流域MOD16A3數據精度評價

3.2 蒸散發量的空間分布特征

將2000—2014年的MODIS 蒸散發量和CRU降水數據逐像元逐年平均(圖3),用以分析ET的空間分布特征。

圖3 2000—2014年西北干旱區年均ET和降水量空間分布Fig.3 Spatial distribution of average annual evapotranspiration and precipitation in arid region of Northwest China from 2000 to 2014

將年均ET值分為8級,進行像元統計分析(表2)。全區低蒸散發區域(ET<200mm)占總面積的38.329%,各亞區內低蒸散發量區面積百分比為：內蒙古西部(90.197%)>河西走廊(54.379%)>北疆(53.018%)>南疆(50.557%)>天山(10.149%)>祁連山(2.686%)。全區高蒸散發區域(ET>400mm)占總面積的21.834%。

表2 西北干旱區年均ET分級

近15年西北干旱區ET值總體較小,空間分布上表現為自山區向兩側平原減少的特點。這種差異是因為干旱區的實際蒸散發主要受水分狀況(降水量)影響,降水直接影響地表土壤含水率大小,從而影響蒸散發量大小[28]。西北干旱區雖然海拔較高、太陽輻射多,蒸散發的能量充足,但是地處內陸,降水量稀少、土壤濕度低,使得蒸散發量低值區面積廣大。分析近15年降水量(圖3)可以看出,區域東南部及祁連山區受西南暖濕氣流和東亞季風影響,降水量大；西部為西風環流的通道,帶來大西洋的濕潤氣流,在山地迎風坡形成豐富的降水,而平原地區降水量較小。

土地覆蓋亦影響ET的空間格局。結合圖4可以看出：ET的高值區主要分布在天山、阿爾泰山和祁連山等山區的林地和草地。低值區主要在南疆塔里木盆地邊緣、北疆準噶爾盆地、河西走廊的草地和稀疏植被區。同時,綠洲區農用地的ET高于綠洲邊緣植被稀疏區。為進一步分析不同土地覆蓋類型的蒸散發量特征,統計研究區典型的4種土地覆蓋的ET平均值(圖5),2001年和2013年各土地覆蓋類型的ET平均值為：林地>農用地>草地>稀疏植被,這是因為不同土地覆蓋的動力和熱力性質存在差異,導致地氣相互作用中能量的重新分配[29]。綠洲區農用地因人工種植和灌溉,其植被覆蓋度和土壤水分都高于綠洲邊緣的稀疏植被區,使得蒸散發表現出顯著的空間異質性。

由于MODIS ET數據集對于無植被覆蓋的裸土、沙漠、戈壁等區域的蒸散發量不進行計算,故在本研究中將塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、巴丹吉林沙漠和戈壁區域的ET值設置為NoData,且不計入面積統計范圍。

圖4 2001年和2013年西北干旱區土地覆蓋的空間變化Fig.4 Spatial distribution of land cover types in arid region of Northwest China in 2001 and 2013

圖5 2001年和2013年西北干旱區4種土地覆蓋的ET平均值Fig.5 The average evapotranspiration of four kinds of land cover types in arid region of Northwest China in 2001 and 2013

3.3 蒸散發量的區域分異特征

運用變異系數法分析西北干旱區ET的空間格局變異性(圖6),將研究區像元尺度的變異系數CVET分為5級(表3)。可以看出,全區不同變異程度的面積比例為：相對較低的波動變化(40.905%)>中等波動變化(38.549%)>相對較高的波動變化(11.061%)>高波動變化(6.515%)>低波動變化(2.970%),即全區蒸散發的變異程度不明顯。各亞區內波動較低區的面積百分比依次為：北疆(60.482%)>天山(50.667%)>祁連山(25.54%)>內蒙古西部(16.238%)>河西走廊(13.619%)>南疆(9.694%)。

從圖6可以看出,南疆昆侖山北坡蒸散發呈高波動變化(CVET>0.20),因為該區域屬于典型的高海拔干旱生態脆弱區[30],分析2000—2014年西北干旱區和昆侖山區降水量的變化(圖7)發現,昆侖山區降水量的變化幅度明顯大于全區。年降水量變化較大,使得蒸散發表現出明顯的不穩定性；北疆額敏河流域、博爾塔拉河流域、奎屯河流域、瑪納斯河流域、呼圖壁河流域,天山伊犁河谷,南疆塔里木河流域、喀什噶爾河流域有零星的斑點狀高波動變化區域,這是因為綠洲面積擴大、種植結構調整和種植品種變化等人為因素引起綠洲NDVI的波動[31],導致區域蒸散發的高波動變化.

表3 西北干旱區ET值的變異系數統計

圖6 2000—2014年西北干旱區ET值變異程度Fig.6 Spatial distribution of variation coefficient of evapotranspiration in arid region of Northwest China from 2000 to 2014

圖7 2000—2014年西北干旱區和昆侖山區年際降水量變化Fig.7 Inter-annual variation of precipitation in arid region of Northwest China and Kunlun Mountain from 2000 to 2014

3.4 蒸散發量的時間變化特征

為說明西北干旱區蒸散發量隨時間變化的特點,將2000—2014年MODIS ET的區域均值作一元線性回歸分析(圖8)。15年間,全區蒸散發量大致穩定分布在225—285 mm之間,其中最小值出現在2008年(224.69 mm),最大值出現在2003年(282.13 mm)。各亞區中,祁連山和天山蒸散發量相對較高,最大值分別出現在2003年(414.92 mm)和2002年(387.15 mm),最小值分別在2000年(295.12 mm)和2008年(305.96 mm)；內蒙古西部亞區蒸散發量最小,穩定在117.71 mm(2013年)至165.90 mm(2003年)之間。

近15年全區年均蒸散發量呈波動變化,總體有微弱的減小趨勢,變化率為-0.9348 mm/a.各亞區的ET在時間序列上呈不同程度的減小趨勢,變化率為：天山 (-2.9116 mm/a) >內蒙西部 (-1.8266 mm/a) >河西走廊 (-0.573 mm/a) >北疆 (-0.533 mm/a) >祁連山 (-0.2559 mm/a),僅南疆有增加趨勢,變化率為1.4216 mm/a.

結合Theil-Sen median趨勢分析與Mann-Kendall檢驗的結果,得到2000—2014年全區像元尺度的ET變化趨勢(表4、圖9)。在Theil-Sen median趨勢分析中,根據β值的計算結果,分為增強趨勢(β>0)和衰減趨勢(β<0)兩類；在Mann-Kendall檢驗中選取顯著性檢驗的置信水平為0.05,將結果劃分為顯著變化(Zc>1.96或Zc<-1.96)和變化不顯著(-1.96≤Zc≤1.96)。

從表4可以看出：2000—2014年,全區ET各變化趨勢的面積比例依次為：輕微減小(53.518%)>輕微增加(25.475%)>顯著減小(15.761%)>顯著增加(5.246%),即西北干旱區蒸散發變化趨勢以減小為主,各亞區ET減小程度為：內蒙西部(94.363%)>天山(83.022%)>北疆(76.367%)>河西走廊(70.039%)>祁連山(44.556%)>南疆(35.056%)。

圖8 2000—2014年西北干旱區年際ET變化Fig.8 Inter-annual variation of evapotranspiration in arid region of Northwest China from 2000 to 2014

表4 西北干旱區ET值的變化趨勢統計

從變化趨勢分布(圖9)可以看出：北疆額敏河流域、博爾塔拉河流域、奎屯河流域、瑪納斯河流域、呼圖壁河流域,天山伊犁河谷中部,南疆塔里木河流域、喀什噶爾河流域蒸散發有顯著增加趨勢。這是因為以上流域均有高密度的綠洲農業發展,土地覆蓋的變化影響地表蒸散過程的信息鏈。結合研究區代表年份的土地覆蓋類型空間分布(圖4)和轉移矩陣(表5),分析區域蒸散發量對土地覆蓋變化的響應。結合表6可以看出,2001—2013年,綠洲邊緣的草地和稀疏植被區演變為農用地,導致草地凈減少16569.63 km2,稀疏植被區凈減少6366.32 km2,而農用地凈增加22935.95 km2。稀疏植被演變為農用地的區域,平均蒸散發量增加了82.41 mm,草地轉化為農用地的區域,平均蒸散發量亦增加了62.77 mm。這是因為人工灌溉的耕地其土壤濕度和植被覆蓋度都高于同氣象條件下的草地和稀疏植被區,故伴隨著農用地擴張的進程,以上流域的蒸散發都有顯著增加趨勢。

同時,天山山地和平原過渡帶的蒸散發為顯著減小趨勢。這是因為地表實際蒸散發亦受植被覆蓋變化的影響,據相關研究[32-33],1982—2012年和1982—2013年天山山地和平原過渡帶植被NDVI呈顯著下降趨勢。

圖9 2000—2014年西北干旱區ET變化趨勢Fig.9 Spatial distribution of the coefficient of variation of evapotranspiration in arid region of Northwest China from 2000 to 2014

表5 2001—2013年西北干旱區土地覆蓋類型轉移矩陣/km2

表6 2001—2013典型土地覆蓋演變區域蒸散發量的變化/mm

3.5 蒸散發量的預測

分析2000—2014年全區ET的Hurst指數空間分布圖(圖10),研究ET變化趨勢的復雜度及對未來變化趨勢進行預測。全區ET的Hurst指數均值為0.689,Hurst指數小于0.5的范圍所占比例為19.67%,大于0.5的范圍所占比例為80.033%,表明西北干旱區蒸散發的正向持續性較強,即未來的變化狀況與過去一致。

圖10 2000—2014年西北干旱區ET的Hurst指數分布Fig.10 Spatial distribution of Hurst Index of evapotranspiration in arid region of Northwest China from 2000 to 2014

為揭示ET未來的變化趨勢及其持續性,將2000—2014年ET的變化趨勢結果與Hurst指數結果進行疊加分析,得到變化趨勢與持續性的耦合結果(圖11、表7),全區各預測類型的面積比重依次為：持續性輕微減小(37.922%)>無法確定(22.003%)>持續性輕微增加(20.783%)>持續性顯著減小(14.282%)>持續性顯著增加(5.01%),即西北干旱區未來ET變化趨勢以持續性減小為主.各亞區內ET未來的變化趨勢減小程度為：內蒙西部(87.265%)>天山(69.888%)>河西走廊(57.542%)>北疆(50.895%)>祁連山(40.483%)>南疆(26.122%)。全區22.003%的區域未來變化趨勢無法確定,主要分布在阿爾泰山南坡、準噶爾盆地北部,該區域未來蒸散發的變化狀況需要持續關注。

圖11 西北干旱區ET的預測Fig.11 The predictions for the future of evapotranspiration in arid region of Northwest China

表7 西北干旱區ET預測的類型統計

4 結論與討論

4.1 結論

(1)基于水量平衡法評估了MOD16A3產品在西北干旱區的模擬精度,平均絕對誤差為38.33 mm,平均相對誤差為12.29%,均方根誤差為39.88 mm。MODIS ET產品的模擬值總體偏高,但其精度基本滿足區域尺度的研究。

(2)空間格局上,近15年西北干旱區ET值總體較小,ET小于200 mm的區域占總面積的38.329%。受降水量影響,蒸散發量在空間上表現為自山區向兩側平原減少的特點；受土地覆蓋影響,ET的高值區(>400 mm)主要在天山、阿爾泰山和祁連山等山區的林地和草地,ET的低值區(<200 mm)主要在南疆塔里木盆地邊緣、北疆準噶爾盆地、河西走廊的草地和稀疏植被區,不同土地覆蓋的蒸散發量差異顯著：林地>農用地>草地>稀疏植被。

(3)區域分異特征方面,15年間西北干旱區蒸散發變異程度不明顯,各變異程度的比例為：相對較低的波動變化(40.905%)>中等波動變化(38.549%)>相對較高的波動變化(11.061%)>高波動變化(6.515%)>低波動變化(2.970%).各亞區內波動較低區的比例為：北疆(60.482%)>天山(50.667%)>祁連山(25.54%)>內蒙古西部(16.238%)>河西走廊(13.619%)>南疆(9.694%).值得一提的是,昆侖山北坡蒸散發的高波動變化是年際降水變率較高所致,額敏河流域等的高波動變化則與綠洲面積擴大、種植結構調整和種植品種變化等人為因素有關。

(4)在時間序列上,近15年西北干旱區年均蒸散發量呈波動變化,總體有微弱的減小趨勢,變化率為-0.9348mm/a。各亞區的減小趨勢程度各異：天山 (-2.9116 mm/a) >內蒙西部 (-1.8266 mm/a) >河西走廊 (-0.573 mm/a) >北疆 (-0.533 mm/a) >祁連山 (-0.2559 mm/a),僅南疆有增加趨勢,變化率為1.4216 mm/a。

基于像元尺度的分析也表明全區ET以減小的變化趨勢為主,各變化比例為：輕微減小(53.518%)>輕微增加(25.475%)>顯著減小(15.761%)>顯著增加(5.246%)。其中,北疆瑪納斯河流域、天山伊犁河谷中部、南疆塔里木河流域等蒸散發有顯著增加趨勢,與土地覆蓋演變有關。天山山地和平原過渡帶的蒸散發為顯著減小趨勢,是受植被覆蓋變化的影響。

(5)對未來趨勢的預測方面,西北干旱區ET的Hurst指數均值為0.689,Hurst指數大于0.5的范圍所占比例為80.033%,表明全區蒸散發未來的變化狀況與過去一致。具體來講,各預測類型的面積比重為：持續性輕微減小(37.922%)>無法確定(22.003%)>持續性輕微增加(20.783%)>持續性顯著減小(14.282%)>持續性顯著增加(5.01%),即未來全區的ET變化趨勢以持續性減小為主。其中22.003%區域的變化趨勢無法確定,主要分布在阿爾泰山南坡、準噶爾盆地北部,該區域未來蒸散發的變化狀況需要持續關注。各亞區的空間異質性分析中,減小趨勢為：內蒙西部(87.265%)>天山(69.888%)>河西走廊(57.542%)>北疆(50.895%)>祁連山(40.483%)>南疆(26.122%)。

4.2 討論

(1)MODIS ET數據集的反演算法考慮了土壤表面蒸發、冠層截流水分蒸發和植物蒸騰,較好地反映了荒漠和綠洲下墊面的非均勻性。通過水量平衡法的驗證,該產品的模擬值總體偏高,但其精度基本滿足區域尺度的研究。因此,高空間分辨率的MODIS ET數據集可以被用于揭示區域蒸散發的時空動態特征,尤其在觀測站點稀疏的西北干旱區。

(2)西北干旱區蒸散發的空間格局受降水和土地覆蓋的綜合影響。地處內陸,降水稀少,決定了實際蒸散發低值區面積廣大。祁連山和天山等高大山脈迎風坡有豐富的降水,而周邊盆地和走廊降水稀少,使蒸散發量表現出山區大于平原的特點；同時,由于動力和熱力性質差異,不同土地覆蓋的蒸散發量差異顯著：林地>農用地>草地>稀疏植被。王海波等[12]在西北干旱區典型內陸河黑河流域,模擬了高寒草地和干旱區農田的蒸散發,得出生長季農田蒸散發量大于草地的結論。田靜等[34]利用NOAH陸面過程模擬了中國陸地蒸散發,認為年降雨量是決定蒸散發量大小的主要因素,西北地區不同土地利用類型的蒸散發量為：林地>耕地>草地>未利用地,與本研究的結論相似。因此,本研究的結論對認識西北干旱區不同空間維度的蒸散發格局增添了新的證據。

(3)受人類活動和氣候變化的共同影響,2000—2014年全區蒸散發以相對較低的波動變化與中等波動變化為主。西北干旱區內陸河流域發展了典型的綠洲農業,土地覆蓋演變、綠洲面積擴大、種植結構調整和種植品種變化均會引起蒸散發的波動；除人類活動,氣候變化對蒸散發的分異亦產生深刻影響,尤其是生態環境脆弱的高寒山區。氣候變化背景下的地表蒸散發響應[15,17- 18]和中國陸地蒸散發的時間序列變化[34-35]已有較多探討。與以上研究相比,本研究有以下優勢：根據自然地理差異,將西北干旱區分為6個亞區,分析不同尺度的蒸散發時間變化和分異特征,揭示了空間異質性,得出蒸散發波動變化在6個亞區內程度不一的結論,北疆和天山以相對較低的波動變化為主,南疆、祁連山、河西走廊和內蒙古西部以中等波動變化占主導。西北干旱區“山地—綠洲—荒漠”系統自然要素的分異特征十分鮮明,在全球干旱區具有很強的代表性。本研究的結論,對認識干旱區內部不同干濕背景下蒸散發的異質性提供了參考。

(4)2000年以來西北干旱區大部分區域蒸散發有微弱的減小趨勢,變化率為-0.9348 mm/a,這與區域降水變化有一定聯系。據陳亞寧等[36]的研究,最近10年,西北干旱區降水量的增加幅度降低,并且約有45%臺站的降水量較20世紀90年代表現為減少趨勢。降水量降低使土壤水分減少,導致西北干旱區實際蒸散發量減少。本研究與Nature[3]上發表的由于水分供給不足導致的全球陸面蒸散發呈下降趨勢的結論是一致的。與楊秀芹等[35]利用GLEAM遙感模型計算中國1980—2011年地表蒸散發,得到的西北西部地表蒸散發量存在下降趨勢有較好的一致性。本研究對西北干旱區蒸散發的變化趨勢增加了定量的分析,為認識全球變化和人類活動共同驅動下的干旱區蒸散發變化研究提供了一定參考。

(5)未來,全區蒸散發持續減小的面積比重近一半,各亞區的減小趨勢依次為：內蒙古西部>天山>河西走廊>北疆>祁連山>南疆。這種持續減小的變化趨勢,對綠洲、沙塵暴和湖泊等干旱區特殊的生態環境要素造成影響[10]。蒸散發量的減小,對高山草原和綠洲灌溉農業等有有利的影響,同時也能夠緩解荒漠綠洲過渡帶的退化。隨著區域氣候系統的變化和人類活動干預,蒸散發減小的趨勢是否會持續發展,干旱區水文循環、生態系統和地表過程將如何響應,尤其是對荒漠生態環境的保護和修復將產生怎樣的影響,需要全面的、長序列的數據進行深入研究。

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Temporal-spatial dynamic change characteristics of evapotranspiration in arid region of Northwest China

DENG Xingyao1, 2, 3, LIU Yang1, 2, 3, LIU Zhihui2, 3,*, YAO Junqiang4

1CollegeofResourceandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China2InstituteofAridEcologyandEnvironment,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China3KeyLaboratoryofOasisEcologyofEducationMinistry,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China4InstituteofDesertMeteorology,ChinaMeteorlogicalAdministration,Urumqi830002,China

Using MODIS ET data of actual surface evapotranspiration products that were concentrated between 2000 to 2014, we used variable coefficients, the Theil-Sen median trend analysis, Mann-Kendall test, and Hurst index, to investigate the spatial pattern of evapotranspiration, spatial heterogeneity of different dimensionalities, characteristics of time variation, and future trends considering an arid region in Northwest China. The results showed the following: 1) Evapotranspiration over the entire region was very low from 2000 to 2014, and the area of evapotranspiration, less than 200 mm, accounts for 38.329% of the total area. Evapotranspiration decreases from mountainous areas to the plains. Evapotranspiration data were obtained for different land covers, which are forest land, cropland, grassland, and sparse vegetation, arranged from high to low. Mountain forests and grasslands that receive high rainfall have higher values of evapotranspiration (more than 400 mm) than sparse vegetation plains and grasslands that experience low rainfall (less than 200 mm). 2) The degree of variation in evapotranspiration over the past 15 years for the entire region is not obvious, but shows a slight fluctuation. The proportion of areas with slight fluctuations in each subregion ranged from large to small in the order of Northern Xinjiang, Tianshan Mountain, Qilian Mountain, Western Inner Mongolia, Hexi Corridor, and Southern Xinjiang. 3) The degree of variation in evapotranspiration over the past 15 years for the entire region shows changes in the fluctuations with a weakly decreasing trend, at a change rate of-0.9348 mm/a. An analysis based on the pixel scale also shows a mainly decreasing trend. The degree of decreases in each subregion ranged from large to small in the order of Tianshan Mountain, Western Inner Mongolia, Hexi Corridor, Northern Xinjiang, and Qilian Mountain. Only Southern Xinjiang showed an increasing tendency. 4) The Hurst index average of evapotranspiration for the entire region is 0.689. The area of the Hurst index greater than 0.5 accounts for 80.033% of the total area. The trend of changes in evapotranspiration in the future for the entire region is mainly towards a persistent decrease. However, the trend of changes for 22.003% of the area cannot be determined. The future trend of change in the degree of decreases for each subregion from large to small follows the order of Western Inner Mongolia, Tianshan Mountain, Hexi Corridor, Northern Xinjiang, Qilian Mountain, and Southern Xinjiang.

MODIS; evapotranspiration; the arid region of Northwest China; trend analysis; climate change

國家科技支撐計劃項目課題(2012BAC23B01)；水利部公益性行業科研專項經費項目(201301103)；新疆維吾爾自治區研究生科研創新項目(XJGRI2015019)；國家國際科技合作項目(2010DFA92720-12)

2016- 01- 27; 網絡出版日期:2016- 12- 19

10.5846/stxb201601270190

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lzh@xju.edu.cn

鄧興耀,劉洋,劉志輝,姚俊強.中國西北干旱區蒸散發時空動態特征.生態學報,2017,37(9):2994- 3008.

Deng X Y, Liu Y, Liu Z H, Yao J Q.Temporal-spatial dynamic change characteristics of evapotranspiration in arid region of Northwest China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(9):2994- 3008.