基于混合型線性雙源遙感蒸散模型的南疆綠洲地區(qū)干旱研究

高瑜蓮，柳錦寶，柳維揚(yáng)，于 靜，3，劉志紅

(1.成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610225；2.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市氣象局，內(nèi)蒙古 通遼市 028000)

在全球變暖的大背景下，近年來由于人類活動(dòng)對氣候變化的影響，一些極端氣候事件在國內(nèi)外相繼發(fā)生并且災(zāi)害頻率不斷增加[1-2]。氣候變暖會(huì)對大氣環(huán)流和水文過程產(chǎn)生影響，在一定程度上來說，氣候變暖的大環(huán)境會(huì)使干旱加劇[3]。干旱帶來的影響巨大，它的持續(xù)時(shí)間長，覆蓋范圍廣[4-5]。因此，干旱監(jiān)測和研究對氣候變化以及防災(zāi)減災(zāi)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在干旱半干旱地區(qū)的干旱監(jiān)測研究中，水分的蒸發(fā)蒸騰是水循環(huán)的重要途徑，蒸散與降水共同決定地區(qū)干旱程度[6]。充分認(rèn)識(shí)蒸散的變化過程，對干旱監(jiān)測等研究有十分重要的參考意義[7]。干旱形成的原因十分復(fù)雜，影響干旱的因素眾多，因此針對干旱的研究不僅需要考慮降水量，還要充分考慮氣溫、蒸發(fā)、徑流以及土壤濕度等因素[8]。針對干旱發(fā)生的原因以及規(guī)律，許多學(xué)者們都進(jìn)行了干旱研究。隨著近年來遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，目前有許多干旱監(jiān)測的方法基于衛(wèi)星遙感信息來完成，例如基于植被指數(shù)的干旱監(jiān)測指數(shù)、基于地表溫度的干旱監(jiān)測指數(shù)以及植被指數(shù)和地表溫度相結(jié)合的干旱監(jiān)測指數(shù)等[9]。利用氣象要素進(jìn)行干旱監(jiān)測的指數(shù)包括帕默爾干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index，PDSI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index，SPI)、作物濕度指數(shù)(Crop Moisture Index，CMI)、地表供水指數(shù)(Surface Water Index，SWSI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)等[10-16]。其中Palme指數(shù)綜合考慮了前期降水、水分供給、水分需求、實(shí)際蒸散量、潛在蒸散量等要素，以水分平衡為基礎(chǔ)而建立了一個(gè)氣象干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index，PDSI)，PDSI指數(shù)現(xiàn)被廣泛應(yīng)用在干旱評估、旱情比較、旱情的時(shí)空分布特征等的分析中[9,16]；SPI計(jì)算較簡單，它利用降水?dāng)?shù)據(jù)反映干旱強(qiáng)度以及持續(xù)時(shí)間，但是SPI沒有考慮到溫度、蒸散等其他因素的影響；SPEI是既有PDSI對溫度的敏感性，又有SPI多時(shí)間尺度以及計(jì)算簡單的一種干旱監(jiān)測方法，近年來在干旱研究中得到廣泛應(yīng)用[17-18]。這些干旱指數(shù)主要都是基于降水對干旱進(jìn)行的相關(guān)研究，而引起干旱的因素是復(fù)雜多樣的，經(jīng)常是蒸發(fā)量和降水量等因素綜合作用而造成的[19]。近年來全球持續(xù)性增溫，由于升溫所導(dǎo)致的蒸發(fā)變化對地表干濕程度產(chǎn)生了很大影響[1,20-21]。眾多學(xué)者基于降水以及蒸散相關(guān)指數(shù)對地區(qū)的地表干濕程度進(jìn)行了分析，研究表明蒸散量能夠較好地反映土壤和植被的干旱狀況[22]，是干旱指標(biāo)中重要的水分支出項(xiàng)之一，因此，準(zhǔn)確地測定和估算蒸散量是干旱指標(biāo)能否精確反映干旱程度的關(guān)鍵[23-24]。

由于在新疆南疆綠洲地區(qū)通過蒸散角度探索干旱進(jìn)程的研究目前并不充分，本文在已有的混合型線性雙源遙感模型基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，加入植被因素的影響構(gòu)建適用于南疆綠洲地區(qū)的混合型線性雙源遙感蒸散模型，從地表蒸散變化的角度，利用MODIS蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)和南疆地區(qū)2001—2014年氣象站點(diǎn)月數(shù)據(jù)集等數(shù)據(jù)，估算近14 a新疆南疆綠洲地區(qū)的地表蒸散，構(gòu)建蒸散干旱指數(shù)進(jìn)行干旱監(jiān)測，為新疆南疆綠洲地區(qū)的旱情監(jiān)測提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新疆南疆作為典型的干旱地區(qū)之一，沙漠與綠洲共存，水資源極度短缺。綠洲是南疆地區(qū)人們居住活動(dòng)的主要中心，在極端沙漠氣候環(huán)境下，綠洲為人們的生活提供了各項(xiàng)需求保障[25]。我國新疆綠洲主要分布在天山南北麓、昆侖山和祁連山北麓、柴達(dá)木盆地及河套平原，新疆是我國綠洲分布面積最大的地區(qū)。本文通過最新土地覆蓋數(shù)據(jù)以及植被產(chǎn)品數(shù)據(jù)對南疆地區(qū)綠洲的范圍進(jìn)行篩選確定。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究中所使用的數(shù)據(jù)有：(1)中國地面累年值月值數(shù)據(jù)集，研究中主要利用了新疆南疆地區(qū)2001—2014年氣象站點(diǎn)的月數(shù)據(jù)集，在本文中用到數(shù)據(jù)集中的平均氣溫、降水量、水汽壓、蒸發(fā)量、最高氣溫及最低氣溫?cái)?shù)據(jù)。(2)本研究采用MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)，包括MODI13歸一化植被指數(shù)NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)和MOD16蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)，蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)包含了潛在蒸散(PET)產(chǎn)品數(shù)據(jù)和實(shí)際蒸散(ET)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

2.2 構(gòu)建混合型線性雙源遙感蒸散模型

在模型的構(gòu)建過程中，參考Nishida 等[26]利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過簡單雙源遙感蒸散模型估算蒸發(fā)量的思路，將地表認(rèn)為是裸土和植被覆蓋的混合物。本研究沿用Nishida等區(qū)分裸土和植被的思想，考慮NDVI對蒸散的影響，利用植被覆蓋度(fv)把蒸散劃分為地球表面裸土蒸發(fā)和植被蒸騰兩部分，具體表達(dá)式如下：

(1)

ET=fvETv+(1-fv)ETs

(2)

其中，ET表示總蒸散量，ETv表示植被蒸騰，ETs表示土壤蒸發(fā)，NDVImax表示整個(gè)植被情況下的NDVI，此時(shí)，fv=1；NDVImin為整個(gè)裸土情況下的NDVI，此時(shí)，fv=0。

為降低線性雙源蒸散模型的復(fù)雜性，利用地表凈輻射(Rn)和空氣晝夜溫差的倒數(shù)(1/(Tmax-Tmin))來簡化裸土的蒸散模型，空氣晝夜溫差的倒數(shù)可以用來表示土壤含水量，同時(shí)增加經(jīng)驗(yàn)性系數(shù)a1，土壤蒸散模型具體公式如下：

(3)

式中，a1是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，Rn為地表凈輻射，Tmax和Tmin分別為最高和最低空氣溫度。利用空氣晝夜溫差來代替地表晝夜溫差，空氣溫度可以通過氣象資料獲得，而遙感反演的地表溫度產(chǎn)品受云影響很難獲取每日完整數(shù)據(jù)。

為了簡化植被蒸散函數(shù)，在本研究中，認(rèn)為地表凈輻射(Rn)是植被蒸散的最主要控制因子，選擇其他的重要參數(shù)包括空氣溫度(T)、空氣晝夜溫差的倒數(shù)(1/(Tmax-Tmin))，通過增加經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a2和a3獲得簡易植被蒸散方程：

(4)

為了獲取整個(gè)植被和土壤的蒸散量，本研究增加a0Rn作為整個(gè)蒸散的訂正項(xiàng)，因?yàn)榈乇韮糨椛涫钦羯⒌淖钪饕刂埔蛩亍？紤]方程(1)、(2)、(3)和(4)，蒸散方程可以表達(dá)為：

(5)

進(jìn)一步考慮到NDVI對蒸散的影響，因此利用NDVI進(jìn)行簡化得到混合型線性雙源遙感蒸散模型：

(6)

式中，ET表示地表蒸散，Rn表示地表凈輻射，NDVI代表歸一化植被指數(shù)，Tmax為最高空氣溫度，Tmin為最低空氣溫度，b1、b2、b3、b4為回歸系數(shù)。通過上述方法，能夠反演計(jì)算研究區(qū)的實(shí)際蒸散量。

2.3 潛在蒸散模型

采用Hargreaves公式來進(jìn)行新疆南疆綠洲地區(qū)潛在蒸散的估算，Hargreaves公式只需要地理緯度、空氣溫度和空氣溫差3個(gè)參數(shù)來完成計(jì)算。Hargreaves 公式可以表達(dá)為：

(7)

式中，PET表示地表潛在蒸散，Tmean表示空氣平均溫度，Tmax表示空氣最高溫度，Tmin表示空氣最低溫度，Ra表示太陽輻射。利用式(7)能夠反演研究區(qū)的潛在蒸散量。

2.4 蒸散干旱指數(shù)

蒸散干旱指數(shù)(EDI)根據(jù)蒸散脅迫指數(shù)ESI的機(jī)理，得到蒸散干旱指數(shù)EDI的表達(dá)式，即

(2)溶液儲(chǔ)槽。通過優(yōu)化槽體結(jié)構(gòu)和使用工況條件，消除了溶液儲(chǔ)槽制造、維護(hù)缺陷，使儲(chǔ)槽使用性能進(jìn)一步改善，運(yùn)行過程中未發(fā)生溶液儲(chǔ)槽滲漏、塌陷等意外情況，運(yùn)行狀況良好。

(8)

其中,ET為實(shí)際蒸散，PET為潛在蒸散。理論上EDI的值在0～1之間。地區(qū)干旱越嚴(yán)重，水分脅迫就越嚴(yán)重，對應(yīng)潛在蒸散與實(shí)際蒸散的差值就越大，即EDI值越高。反之，土壤越濕潤，EDI值越低。

為了突出年、季、月的EDI指數(shù)與多年相應(yīng)的平均值的差異，引入EDI距平指數(shù)，表示為：

(9)

式中，j為年份。

EDI距平能夠在一定程度上判斷干旱輕重程度，EDI距平值為正的年份干旱較嚴(yán)重，反之，EDI距平值為負(fù)的年份干旱程度稍輕。

2.5 降水距平

利用實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)，在南疆進(jìn)行降水距平(ΔR)計(jì)算，利用歷史平均水平作為基礎(chǔ)來確定干旱程度[27]，能夠有效地反映EDI在綠洲地區(qū)的干旱監(jiān)測合理程度。

降水距平ΔR的計(jì)算公式：

(10)

式中，i為月份，j為年份。

3 結(jié)果與分析

3.1 精度檢驗(yàn)分析

本研究參考Nishida[26]等利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)估算蒸散量的思路，利用MOD16蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)對新疆南疆綠洲地區(qū)的蒸散量進(jìn)行估算。本研究首先驗(yàn)證MOD16蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)在新疆南疆綠洲地區(qū)的適用性，檢驗(yàn)MOD16蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)與氣象站蒸發(fā)皿實(shí)測蒸發(fā)量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)程度，判定利用MOD16蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)估算綠洲地區(qū)蒸散量的可行性。結(jié)果(圖1)表明，蒸發(fā)皿實(shí)測蒸發(fā)量數(shù)據(jù)與MOD16蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)相關(guān)性較高，并且通過了0.01顯著性檢驗(yàn)，說明MOD16蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)在南疆綠洲地區(qū)的適用性較好。

進(jìn)一步驗(yàn)證反演蒸散量與蒸發(fā)皿實(shí)測蒸發(fā)量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，結(jié)果(圖2)表明，氣象站蒸發(fā)皿實(shí)測蒸發(fā)量數(shù)據(jù)與反演蒸散量相關(guān)性較高，檢驗(yàn)結(jié)果通過0.01顯著性檢驗(yàn)。說明利用MOD16蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行蒸散量的估算可信度較高。

圖1 蒸發(fā)皿實(shí)測蒸散量與MOD16蒸散產(chǎn)品關(guān)系圖Fig.1 Correlation between the measured evaporation volume of the evaporating dish and the MOD16 evapotranspiration product

圖2 蒸發(fā)皿實(shí)測蒸散量與反演蒸散量關(guān)系圖Fig.2 Correlation between the measured evaporation volume of the evaporating dish and inversion evapotranspiration

觀察圖1和圖2發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)皿實(shí)測蒸發(fā)量比MOD16蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)和反演蒸散量都偏大。夜間不會(huì)產(chǎn)生蒸散量，但是由于日間殘余熱量在夜間持續(xù)影響蒸發(fā)皿，使蒸發(fā)皿實(shí)測的蒸散量偏大。因此，導(dǎo)致蒸發(fā)皿實(shí)測蒸發(fā)量與MOD16蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)和反演蒸散量之間存在一定差異。

3.2 EDI的年際、四季變化分析

南疆綠洲地區(qū)四季中EDI均值春季最高達(dá)0.75，夏季其次0.74，秋冬EDI依次降低，分別為0.68和0.38。綠洲在南疆地區(qū)呈現(xiàn)環(huán)狀分布，由圖3可知，南部綠洲地區(qū)EDI值普遍高于北部。由于地域特征，北部的綠洲有積雪融水的供應(yīng)，水分來源比南部的綠洲更充足，綠洲地區(qū)的EDI空間上呈現(xiàn)出明顯的由南至北減小趨勢。圖4表明了EDI在新疆南疆綠洲地區(qū)的年際變化情況，能夠看出2001—2014年間EDI值均在0.6以上，因此南疆綠洲地區(qū)干旱程度總體較嚴(yán)重。EDI年均值變化情況與EDI距平變化一致，即南疆綠洲地區(qū)EDI值越高、EDI距平正值越大的年份干旱越嚴(yán)重。通過EDI距平的計(jì)算來判斷干旱的嚴(yán)重程度，新疆南疆綠洲地區(qū)在2001、2007、2008、2009、2014年EDI值較大，EDI距平呈正值，說明在2001—2014年間干旱較嚴(yán)重。

3.3 新疆南疆綠洲地區(qū)干旱特點(diǎn)分析

多年EDI平均值能夠反映研究時(shí)限內(nèi)的平均干濕程度，但是想要反映出地區(qū)的干濕狀況就需要進(jìn)行EDI距平值的計(jì)算。本文分別針對新疆南疆綠洲地區(qū)的四季EDI進(jìn)行了距平計(jì)算，使四季的干旱情況能夠有更詳細(xì)的展示。圖5A反映出新疆南疆綠洲地區(qū)的春季干旱情況，2003年和2005年的干旱較輕，其余12 a的春季干旱均較嚴(yán)重；圖5B反映綠洲地區(qū)夏季在2001、2002、2004、2006、2007、2008、2009年干旱情況偏嚴(yán)重，其余7 a干旱較輕；在圖5C中，南疆綠洲地區(qū)秋季在2001、2002、2006、2007、2008、2013年干旱嚴(yán)重；冬季的干旱情況可以從圖5D反映出來，新疆南疆綠洲地區(qū)在2001、2002、2007、2009、2011、2013、2014年干旱情況較為嚴(yán)重。針對春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)對綠洲地區(qū)進(jìn)行距平計(jì)算，詳細(xì)地反映出近14 a研究區(qū)四季干旱的情況。

本文基于混合型線性雙源遙感蒸散模型在新疆南疆綠洲地區(qū)進(jìn)行干旱監(jiān)測，計(jì)算出南疆綠洲地區(qū)的EDI，利用降水距平與EDI結(jié)果進(jìn)行比較，旨在論述蒸散干旱指數(shù)在綠洲地區(qū)的適用程度[28]。

圖3 EDI四季空間變化圖Fig.3 Spatial change map of EDI in four seasons

圖4 EDI與EDI距平(ΔEDI)變化Fig.4 Diagram of EDI and EDI anomaly (ΔEDI) variation

從表1可以發(fā)現(xiàn)，近14 a新疆南疆綠洲地區(qū)的EDI值全部都在0.6以上，說明在研究時(shí)段內(nèi)綠洲地區(qū)整體干旱比較嚴(yán)重。其中2001、2007、2008、2009、2014年的EDI距平值均為正值，反映出這5 a的干旱異常嚴(yán)重。將EDI、EDI距平值以及降水距平進(jìn)行豎向?qū)Ρ龋诟珊诞惓?yán)重的5 a中降水距平都為負(fù)值，EDI與EDI距平均為正值。在新疆南疆綠洲地區(qū)EDI值越大，降水量越少，干旱情況越嚴(yán)重。

圖6為年際降水距平值與年際EDI距平值對比圖，可以發(fā)現(xiàn)降水距平值與EDI年際變化以及EDI距平值變化呈相反的趨勢，反映出在實(shí)測降水量降低的情況下，降水距平值負(fù)值越小、EDI距平正值越大則EDI值越大，地區(qū)干旱情況越嚴(yán)重。

4 討 論

1)定義干旱指數(shù)是干旱監(jiān)測的基礎(chǔ)，干旱指數(shù)的大小能夠反映干旱輕重程度。本研究的結(jié)果表明，南疆綠洲地區(qū)的干旱輕重程度四季變化分明，春季干旱比夏季嚴(yán)重[29]，秋冬干旱嚴(yán)重程度遞減。

2)從時(shí)間尺度來看，在2001、2007、2008、2009、2014年新疆南疆綠洲地區(qū)的干旱較為嚴(yán)重，其中EDI值最小為0.66。因此，本研究以0.66的EDI值作為界限，EDI值小于0.66的年份干旱相對較輕，反之，EDI值大于0.66的年份干旱較為嚴(yán)重。從空間尺度來看，南疆綠洲地區(qū)的土壤濕度南部低于北部，干旱嚴(yán)重程度南部高于北部[30]。

3)降水距平值作為單因素指數(shù)，由于降水?dāng)?shù)據(jù)的不連續(xù)性，使得降水距平在月以上尺度才具有意義[31]。由于單一距平不能準(zhǔn)確地反映影響蒸散以及干旱的全面因素，將降水距平作為對照，對比驗(yàn)證EDI反映地區(qū)干旱情況的能力以及準(zhǔn)確度。

4)利用混合型線性雙源遙感蒸散模型估算新疆南疆綠洲地區(qū)地表蒸散，在估算地表蒸散的基礎(chǔ)上，建立干旱指數(shù)進(jìn)行干旱監(jiān)測，展示出了利用遙感資料和地面資料簡化進(jìn)行大尺度干旱監(jiān)測的能力[32-33]。由于地表蒸散受多種氣象、地理要素的綜合影響，不同下墊面的蒸散能力不盡相同。因此，進(jìn)一步估算不同下墊面的蒸散將是下一步研究的重點(diǎn)。

圖5 EDI四季距平(ΔEDI)Fig.5 EDI four seasons anomaly (ΔEDI)

圖6 年際降水距平、年際EDI距平對比圖Fig.6 Comparison of interannual precipitation anomaly and interannual EDI anomaly

5 結(jié) 論

基于混合型線性雙源遙感蒸散模型在新疆南疆綠洲地區(qū)進(jìn)行蒸散計(jì)算進(jìn)而實(shí)現(xiàn)干旱監(jiān)測，通過EDI、ΔEDI及降水距平在新疆南疆綠洲地區(qū)的對比應(yīng)用，有如下結(jié)論：

(1)EDI指數(shù)的空間分布特征呈現(xiàn)南高北低的總體趨勢，北部的綠洲地區(qū)毗鄰天山，不僅有來自河流的水分，還有來自天山的積雪冰山等融水，導(dǎo)致四季綠洲地區(qū)的干旱情況均比南部更為嚴(yán)重。

(2)通過計(jì)算EDI距平值，定義一個(gè)區(qū)分干旱輕重程度的臨界值。EDI大于0.66的年份干旱較為嚴(yán)重，EDI值小于0.66的年份干旱較輕。新疆南疆綠洲地區(qū)在2001—2014年間，在2001、2007、2008、2009、2014年的EDI值都大于0.66，說明在這5 a綠洲地區(qū)的干旱情況較為嚴(yán)重。

表1 2001—2014年EDI、EDI距平值(ΔEDI)和降水距平值(ΔR)對比表

(3)驗(yàn)證了氣象站蒸發(fā)皿實(shí)測蒸發(fā)量數(shù)據(jù)與MOD16蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，結(jié)果通過0.01顯著性檢驗(yàn)；進(jìn)一步驗(yàn)證蒸發(fā)皿實(shí)測蒸發(fā)量數(shù)據(jù)與反演蒸散量之間的關(guān)系，驗(yàn)證結(jié)果通過0.01顯著性檢驗(yàn)。說明MOD16蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)在新疆南疆綠洲地區(qū)具有較好的適用性，也表明了利用MOD16蒸散產(chǎn)品數(shù)據(jù)估算蒸散量具有較高合理性。

(4)混合型線性雙源遙感模型在新疆南疆綠洲地區(qū)干旱監(jiān)測的合理程度，通過降水距平進(jìn)行了間接驗(yàn)證。降水距平的年際變化與年均EDI值變化和EDI距平值變化情況相反，即降水距平值為越小的負(fù)值時(shí)，EDI值越大，EDI距平值為越大的正值，干旱越嚴(yán)重。