崔 越, 張利華, 吳宗釩, 符雅盛, 馬永明
(中國地質(zhì)大學(武漢)地理與信息工程學院, 武漢 430074)
蒸散發(fā)(ET)是植被蒸騰與土壤蒸發(fā)的總和,在水文學中又被稱為綠水,在水循環(huán)中占據(jù)總水量的65%,因此被視為重要的水資源,同時ET也是連接水圈、大氣圈和生物圈的關(guān)鍵紐帶.獲取流域尺度的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)對農(nóng)林保護、水源涵養(yǎng)和旱情監(jiān)測等有重大意義[1-2].本研究中ET涉及范圍包括植被蒸騰、土壤蒸發(fā)、植被截留降水的蒸發(fā),研究區(qū)內(nèi)無大量表層水體,本研究中ET不包含地表水體的蒸發(fā)量.
目前ET數(shù)據(jù)的獲取途徑主要有:通量站測量、遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品、模型模擬等.其中通量站可直接進行較小尺度測量,但建設(shè)站點需要一定成本,且可移植性差.在遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品中,受到國內(nèi)外研究者廣泛認可的MODIS數(shù)據(jù)ET產(chǎn)品[3](MOD16A2)空間分辨率1 000 m×1 000 m,在研究小流域尺度時無法得到更高分辨率的數(shù)據(jù),導致數(shù)據(jù)精度不高.近年來,模型模擬的方法在不斷完善,結(jié)合遙感技術(shù)手段,可以一定程度上不受地區(qū)因素制約,高分辨率的應(yīng)用于研究小流域尺度的ET時空分布.
1948年P(guān)enman在研究蒸散發(fā)過程中建立了Penman公式[4].1965年Monteith在Penman公式的基礎(chǔ)上加入表面阻抗,建立Penman-Monteith(P-M)公式[5],P-M公式適用性強、精度高得到了廣泛認可[6].研究采用的BEPS-Terrainlab v2.0模型,是雙向耦合生態(tài)水文模型,BEPS模型由Liu[7]等于1997年建立,Terrainlab分布式水文模型由Chen等[8-9]在Wigmosta等[10]的分布式水文植被模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的.模型采用P-M公式計算ET,充分考慮了地形影響下土壤水分側(cè)向流動對植物蒸騰的影響,同時還加入植被凋落物、根系分布等影響因素,大大提高了模擬精度.該模型已經(jīng)在加拿大[7-8]、美國[9]、中國[11]、中國秦嶺[12]和大興安嶺地區(qū)[13]成功運用.
研究區(qū)犟河流域位于湖北省十堰市,犟河是漢江的二級支流,流經(jīng)十堰市張灣區(qū),匯入南水北調(diào)中線工程水源地丹江口水庫.獲得犟河流域ET數(shù)據(jù)對流域內(nèi)和流域下游的生態(tài)水文保護以及南水北調(diào)工程的評估具有重要意義,但流域內(nèi)沒有可用的ET通量站,并且流域面積較小(326 km2),MOD16A2數(shù)據(jù)精度較低,因此采用模型模擬方法估算犟河流域ET,并分析其時空分布特征,以期更好地認識流域內(nèi)水文循環(huán)與生態(tài)水文過程,為農(nóng)林業(yè)管理、水資源保護和南水北調(diào)工程水源地評估提供借鑒依據(jù).
犟河是堵河的支流,也是漢江的二級支流,是十堰城區(qū)最大的河流,地處十堰市西城開發(fā)區(qū),發(fā)源地為位于十堰花果一帶的大獨嶺,南部有財神溝、大西溝兩條主要支流[14].由于地勢東高西低,犟河自東向西流經(jīng)十堰市張灣區(qū)的花果街、西城、西溝、柏林、黃龍等地,在黃龍鎮(zhèn)匯入堵河,全長35 km,流域面積326 km2,跨越110°33′50″~110°42′8″E,32°27′28″~32°42′59″N.犟河流域地層以中元古屆武當山群為主,巖性為淺變質(zhì)巖系,流域地勢南高北低,自西南向東北傾斜,高程區(qū)間138~1 415 m,如圖1.

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of research area
流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L性氣候,多年平均溫15.4°C,降水769.6 mm,降水集中在6、7、8、9月約占全年降水的60%.研究區(qū)森林覆蓋率達80%以上,是我國南北、東西地區(qū)植被種類過渡區(qū),具有保存較完整的原始森林、次生林和水源涵養(yǎng)林,有面積較大的北亞熱帶、暖溫帶落葉闊葉林(以下簡稱闊葉林)、暖溫帶常綠針葉林(簡稱針葉林)、針闊混交林(簡稱混交林)等,十堰市政府地方志辦公室公布資料顯示,流域常見樹種有馬尾松、杉木、櫟類、響葉楊和果樹等,具有一定垂直分帶[15].
高程數(shù)據(jù): ASTER GDEM V2數(shù)據(jù),用于模型輸入、提取流域邊界和生成坡度、坡向等.數(shù)據(jù)下載自地理空間數(shù)據(jù)云,影像位置為path110/row032,空間分辨率30 m×30 m.
遙感數(shù)據(jù):獲取Landsat5、7、8衛(wèi)星1999年—2016年逐年5月~9月區(qū)間內(nèi)影像,用于土地利用分類與葉面積指數(shù)(LAI)計算(受云量影響2009年獲取4月13日影像,2012年全年無可用影像后續(xù)處理中用2013年影像代替),5月~9月流域內(nèi)植被分布廣泛,且年內(nèi)ET主要集中在該時間段.影像下載自美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS),影像位置path125/row037,空間分辨率30 m×30 m.
獲取MODIS衛(wèi)星蒸散發(fā)8 d合成產(chǎn)品MOD16A2,2000年—2016年數(shù)據(jù),用于與模擬結(jié)果對比.數(shù)據(jù)下載自MODIS官網(wǎng):https://MODIS.gsfc.nasa.gov,影像位置h27v05,空間分辨率1 000 m×1 000 m.
氣象數(shù)據(jù):獲取十堰市氣象站1999年—2016年逐日最高溫、最低溫、日均溫、降水、風速、太陽輻射,用于模型輸入.數(shù)據(jù)收集自中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心.十堰市沒有測量太陽輻射站點,所以從位于十堰市四個不同方位的安康、侯馬、南陽、宜昌站點獲得輻射數(shù)據(jù),再采用反距離加權(quán)法估算十堰市輻射數(shù)據(jù).
土壤數(shù)據(jù):采用全國1∶100萬土壤類型圖和第二次土壤普查獲取到的土壤剖面數(shù)據(jù)[16],根據(jù)砂粒、粉粒、黏粒含量進行土壤質(zhì)地劃分,用流域邊界對其裁剪,獲得空間分辨率為1 000 m×1 000 m的流域內(nèi)土壤質(zhì)地數(shù)據(jù).
BEPS-Terrainlab v2.0是基于過程的模型,將高程數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土地覆蓋類型、LAI等數(shù)據(jù)輸入模型,輸出數(shù)據(jù)以日為時間分辨率、30 m×30 m空間分辨率(以輸入數(shù)據(jù)為基準),輸出數(shù)據(jù)有ET、總初級生產(chǎn)力、凈初級生產(chǎn)力、地表徑流、地下水位、土壤溫度和土壤濕度等生態(tài)水文數(shù)據(jù).本研究主要獲取其ET數(shù)據(jù),做進一步分析.
模型將生態(tài)系統(tǒng)分成基本空間單元,每個遙感像元對應(yīng)一個特有的植被-水文-土壤系統(tǒng),彼此間存在地表水和地下水的交換.垂直方向上,每個單元劃分五個層次:上層林木、下層林木、苔蘚層、不飽和土壤層、飽和土壤層(如圖2),在水平方向上,受高程梯度影響每個像元和相鄰的8個像元進行水分交換.

圖2 模型垂直分層Fig.2 Model vertical stratification
在以流域為研究單位的模擬中,假設(shè)降水是唯一的水輸入方式.降水先落到植被上冠層,一部分被截留,蒸發(fā)(或升華)返回大氣;其余部分下落到下林冠層,同樣被截留并有部分返回大氣;剩余的部分降落地表滲入不飽和層.運算時將苔蘚層和不飽和層簡化為一個層面,水量平衡描述為:
ΔWo+ΔWu+ΔWsat+ΔWunsat=
P-Eo-Eu-T0-Tu-Roff-Es-Wdr,
(1)
其中,ΔWo,ΔWu,ΔWsat,ΔWunsat分別是上林冠層、下林冠層、土壤不飽和層、土壤飽和層的儲水量變化;P是降水量;Eo,Eu分別是上林冠層和下林冠層截留降水蒸發(fā)量;To,Tu分別是上林冠層和下林冠層蒸騰量;Roff是地表徑流量;Es是土壤水分蒸發(fā)量;Wdr是土層向下排水量.
模型采用P-M公式[5]計算蒸散發(fā)量:
(2)
其中,Ex是第x層的蒸散發(fā);Δ為飽和水氣壓與溫度曲線的斜率;Rnx是第x層接收到的凈太陽輻射;ρ為空氣密度;Cp為空氣比熱;es為飽和水氣壓;e為表面水氣壓;α為空氣阻力;λv為蒸發(fā)潛熱;γ為干濕表常數(shù);β為氣孔阻力.
總蒸散發(fā)表達式為:
ET=aTo+bTu+cEm+dEs+Sf+Ie+Is,
(3)
其中,To,Tu分別是上林冠層、下林冠層的蒸騰;Em,Es分別是苔蘚層和土壤表層的蒸發(fā);a,b,c,d分別是蒸騰、蒸發(fā)權(quán)重因子;Sf是苔蘚層和土壤層雪的升華;Ie,Is分別是截留降水的蒸發(fā)和升華.
模型運行需要輸入的數(shù)據(jù)主要有:土地利用類型、LAI、高程、坡度坡向、氣象數(shù)據(jù)等.
高程數(shù)據(jù)處理:在ArcGIS中對dem數(shù)據(jù)進行水文分析,提取犟河流域邊界,并計算流域內(nèi)坡度坡向.
遙感數(shù)據(jù)處理:Landsat原始影像在ENVI中經(jīng)過幾何校正、大氣校正和輻射定標等預處理,用流域邊界裁剪得到研究區(qū)內(nèi)影像,利用最大似然法進行土地覆蓋類型分類.由于流域內(nèi)植被較多,人類活動對植被分類的影響較少,因此對于土地覆蓋類型基本不變的連續(xù)年份使用一種土地覆蓋類型代表.逐年對比發(fā)現(xiàn)2012年—2013年流域東北部出現(xiàn)較大面積裸地,在此前流域內(nèi)基本無大面積裸地,因此以2013年為界,將流域土地覆蓋類型分為2013年前(如圖3)和2013年后(如圖4).

圖3 犟河土地覆蓋類型(2013前)Fig.3 Land cover type of Jiang River (before 2013)

圖4 犟河土地覆蓋類型(2013后)Fig.4 Land cover type of Jiang River (after 2013)
在ENVI中利用波段運算計算歸一化植被指數(shù)(NDVI),再根據(jù)陳方鑫[17]在湖北省堵河流域建立的NDVI-LAIe模型,利用波段運算計算出有效葉面積指數(shù)(LAIe),公式為:
LAIe=7.7768NDVI1.8353.
(4)
根據(jù)He Liming[18]等基于MODIS BRDF數(shù)據(jù)的全球聚集度指數(shù)研究,流域聚集度指數(shù)Ω取值0.6,LAIe除以聚集度指數(shù)得出LAI:
LAI=LAIe/Ω.
(5)
MOD16A2數(shù)據(jù)經(jīng)過MRT投影轉(zhuǎn)換,采用流域邊界裁剪.原始影像某些像元存在無效值(如32 765),通過波段計算重新賦為空值,這些像元不參與后續(xù)的統(tǒng)計計數(shù). MOD16A2數(shù)據(jù)為8 d合成數(shù)據(jù),換算為以日、年為時間尺度,方便后續(xù)的對比研究.
氣象數(shù)據(jù):模型輸入為每日最高溫、最低溫、日均溫、露點溫度、降水、太陽輻射.其中十堰站缺少的數(shù)據(jù):露點溫度根據(jù)Magnus-Tentens近似法查表得出;輻射數(shù)據(jù)采用四個站點反距離加權(quán)法估算十堰市輻射數(shù)據(jù):
(6)
(7)
式中,Wi為各氣象站的權(quán)重;p參數(shù)取值為2;hi是各氣象站到十堰站的距離;n是氣象站個數(shù)此處為4;Z(s0)為估算的十堰站輻射;Z(si)為各氣象站輻射.
3.1.1 犟河流域ET年內(nèi)變化 運行模型,輸出的ET時間分辨率為日.計算1999年—2016年在一年內(nèi)每日對應(yīng)ET的多年平均值,得到多年平均的年內(nèi)(1~365 d)ET變化趨勢,如圖5.

圖5 犟河流域年內(nèi)ET變化Fig.5 ET variation in Jiang River basin during the year
年內(nèi)ET呈單峰狀分布,受氣溫、降水、太陽輻射和植被生長周期的影響.第1~60 d ET較低且增長緩慢;第60~120 d溫度、降水、太陽輻射上升,植被進入生長季,蒸騰作用增強,ET迅速上升;第120~180 d氣溫、降水、太陽輻射繼續(xù)升高,植被生長進入繁盛期,在第180 d左右達到年內(nèi)最大ET;第180~200 d溫度達到一年中最高,溫度過高會導致植被氣孔關(guān)閉,蒸騰作用減弱,降水量也達到一年中最大值,但連續(xù)降雨導致日照時長縮短,地表接收太陽輻射降低,ET在這段時間內(nèi)略有下降;第200~230 d溫度開始降低,不再抑制植被蒸騰作用,ET短暫回升;第230~365 d,氣溫、降水降低,植被蒸騰減少,ET逐漸波動降低,最終達到年初水平.
犟河流域年總ET在1999年—2016年的平均值為611.4 mm,其中春季(3~5月)156.9 mm,夏季(6~8月)302.5 mm,秋季(9~11月)133.5 mm,冬季(12~次年2月)18.5 mm.ET在6月最高(112.6 mm),1月最低(2.4 mm),3月增長率最大(266 %).
3.1.2 犟河流域ET年際變化 統(tǒng)計1999年—2016每年的年總ET,以年為時間單位,輸出犟河流域ET年際變化,如圖6.

圖6 犟河流域年際ET變化Fig.6 ET variation in Jiang River basin annually
年際ET呈現(xiàn)波動變化,有一定的周期性:1999年—2006年呈“低—高—低”3年一個周期變化,2006年—2016呈“低—高—高—低”4年一個周期,整體上有上升趨勢.最低值在1999年(494.6 mm),最高值出現(xiàn)在2000年(714.1 mm),平均差49.8 mm.ET的周期變化與厄爾尼諾現(xiàn)象周期較為吻合,在2000年、2007年—2008年、2011年—2012年幾個ET較高的年份分別對應(yīng)了幾次強拉尼娜事件年或其次年[19].考慮到厄爾尼諾現(xiàn)象對研究區(qū)氣候影響可能存在一定的滯后性,可能的原因是厄爾尼諾現(xiàn)象對降水、氣溫等氣象因子產(chǎn)生影響,進而影響年際ET變化,但現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資料還不足以論證,有待進一步研究.
3.1.3 數(shù)據(jù)驗證 采用犟河流域模型模擬ET與MOD16A2數(shù)據(jù)進行年內(nèi)和年際變化的對比.由于MOD16A2數(shù)據(jù)在犟河流域有部分影像缺失,且部分影像無效像元數(shù)量較多,除去缺失或無效像元過多的影像,在ENVI中對剩余影像進行統(tǒng)計,得到MOD16A2影像的ET值用于對比.
年內(nèi)變化:模擬ET時間分辨率為每日,MOD16A2數(shù)據(jù)為8 d ET的和,將MOD16A2數(shù)據(jù)除以8后得到每8 d的平均值.為了便于比較,模擬ET每8 d計算一次平均值,降低時間分辨率與MOD16A2相同,對比如圖7、圖8.

圖7 模擬ET與MOD年內(nèi)趨勢對比圖Fig.7 Trend comparison of simulated ET and MOD

圖8 模擬ET與MOD年內(nèi)對比散點圖Fig.8 Scatter diagram of simulated ET and MOD
二者變化趨勢一致,呈單峰狀,在春季上升期與秋季下降期具有一致性較高的變化趨勢,在夏季(第180~200 d)都有一個下降谷,不同在于模擬ET比MOD16A2下降幅度大,前者更早達到最高值,且最高值更高;MOD16A2數(shù)據(jù)在冬季(第330 d~次年第60 d)數(shù)值較高,模擬ET相對較低; MOD16A2數(shù)據(jù)全年總ET為670.9 mm略高于模擬ET的611.4 mm.繪制模擬ET與MOD16A2的散點圖R2為0.92,擬合度較高.
年際變化:MOD16A2數(shù)據(jù)每年46景影像求和,得到以年為時間單位的MOD16A2數(shù)據(jù),其在2000年有10景影像缺失,所以選取2001年—2016年數(shù)據(jù)與模擬值相應(yīng)年份進行對比.MOD16A2變化趨勢上也表現(xiàn)為波動上升,上升幅度更大,并且也呈現(xiàn)出與模擬ET類似的周期性,在峰值上有一年滯后(如圖9).

圖9 犟河流域模擬ET與MOD16A2年際對比Fig.9 Comparison of simulated ET and MOD16A2 annually in Jiang River basin
綜合年內(nèi)、年際上的對比驗證,模擬ET與MOD16A2數(shù)據(jù)較為吻合,模擬值在很大程度上可以反映犟河流域ET的實際狀況.由于研究區(qū)尺度較小,MOD16A2數(shù)據(jù)尺度相對較大,并且之前對MOD16A2的處理中去除了部分無效像元,考慮到數(shù)據(jù)精度,不宜將MOD16A2數(shù)據(jù)作為真實值與模擬ET進行定量對比,只適宜定性分析.在數(shù)值與變化趨勢保持一致的前提下,模型模擬ET具有更高的時間、空間分辨率,并且不存在時間上的斷點,空間上的像元值缺失,更有利于小尺度的研究.
將模型輸出的1999年—2016年影像波段運算,合成多年平均ET影像如圖10.
流域內(nèi)ET較高的區(qū)域達到700 mm以上,在河道內(nèi)ET明顯減少到300 mm以下.ET分布受土地覆蓋類型影響較大,植被覆蓋區(qū)域大于非植被覆蓋區(qū),在植被覆蓋區(qū),流域北部ET總體比南部較大.在MATLAB中導入圖像,統(tǒng)計流域內(nèi)不同土地覆蓋類型蒸散發(fā)分布情況,計算方法為:某類型ET表示該類型總蒸散發(fā)除以該類型所占像元數(shù)得到的平均值,如表1.

圖10 犟河流域多年平均ETFig.10 Multi-year average ET in Jiang River basin

表1 犟河流域不同土地覆蓋類型ET分布
由表1可見,不同地表覆蓋類型ET存在差異:闊葉>混交>針葉>農(nóng)田>城市>裸地.與其他研究者的相關(guān)研究進行對比,如表2.本研究中劃分的裸地相當于其他研究者劃分的稀草地、稀灌木地.
對比發(fā)現(xiàn),本研究與楊金明[20]2011年在黑龍江研究結(jié)果對于ET的大小排序一致:闊葉>混交>針葉>農(nóng)田,但由于黑龍江屬于寒溫帶氣候類型,蒸散發(fā)作用明顯弱于湖北犟河流域,因此兩者在數(shù)值上存在較大差別.與Liu[21]等在長江流域的研究對比中,ET排序闊葉>農(nóng)田>裸地(稀草地),并且在數(shù)值上較為接近,犟河流域位于長江流域之內(nèi),與前人研究結(jié)果較為吻合.仇寬彪[22]以中國為研究區(qū)的研究中,同樣滿足闊葉、混交>針葉、裸地(稀草地)的排序,并且數(shù)值相當.因此可以認為本研究對于不同土地覆蓋類型的ET分布是較為準確的.

表2 不同土地覆蓋ET與其他研究結(jié)果對比
ET分布同樣受高程區(qū)間的影響,統(tǒng)計流域內(nèi)不同高程區(qū)間ET分布如表3.

表3 犟河流域不同高程ET分布
在海拔300~900 m區(qū)間內(nèi)ET較高,其中500~700 m區(qū)間最高,大于或小于這個區(qū)間ET都會下降,這與地表覆蓋類型和植被分布的垂直分異性有關(guān). 較高的闊葉、混交類型占比會顯著提高該高程區(qū)間內(nèi)的ET,統(tǒng)計不同高程區(qū)間土地覆蓋類型占比,發(fā)現(xiàn)闊葉林加混交林占比最高的區(qū)間是300~500 m (83.34%),500~700 m區(qū)間次之(79.10%),而它們分別對應(yīng)了ET第二高、最高的高程區(qū)間.說明不同高程ET分布很大程度上受植被類型的影響,但也受到其他因素的制約,例如水分的流動與聚集都受地形地勢的影響,最終也會對ET分布產(chǎn)生影響.
在SPSS中分別計算年內(nèi)、年際ET與模型輸入數(shù)據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù),研究各影響因素中對ET變化的影響程度.模型輸入數(shù)據(jù)包括:氣溫、降水、太陽輻射、風速、LAI.研究區(qū)LAI以年為單位取值,所以LAI對年內(nèi)變化的影響暫不做分析.
年內(nèi)ET與氣溫、降水、太陽輻射和風速的相關(guān)性見表4,年內(nèi)ET與氣溫、太陽輻射相關(guān)系數(shù)較大,與降水、風速相關(guān)系數(shù)較小,4項均通過0.01顯著性檢驗.年際ET與氣溫、降水、太陽輻射、風速和LAI的相關(guān)性見表5,年際ET與LAI、年均降水相關(guān)系數(shù)較大,通過0.05顯著性檢驗,與其他因素相關(guān)系數(shù)較小.因此認為ET年內(nèi)變化受氣溫、太陽輻射影響較大,年際變化受LAI、降水影響較大.

表4 犟河流域年內(nèi)ET與各影響因素相關(guān)性

表5 犟河流域年際ET與各影響因素相關(guān)性
研究采用BEPS-Terrainlab v2.0模型對犟河流域1999年—2016年ET進行模擬,將模擬結(jié)果與MOD16A2數(shù)據(jù)進行對比,年內(nèi)、年際變化一致,年內(nèi)模擬ET與MOD16A2數(shù)據(jù)R2=0.92,證明了模擬數(shù)據(jù)的合理性.
分析ET在時間、空間上的變化規(guī)律:1) 1999年—2016年多年平均ET值611.4 mm,ET在年內(nèi)的變化呈現(xiàn)單峰型,冬季18.5 mm,春季156.9 mm,夏季302.5 mm,秋季133.5 mm.其中春季為ET快速上升時期,3月增長率達266%;夏季ET在第180 d左右ET達到最大值,隨后由于溫度持續(xù)升高,抑制植被蒸騰作用,或連續(xù)降雨導致太陽輻射減少,ET在第180~200 d有下降趨勢,在第200~230 d再次出現(xiàn)一定程度升高;到達秋季,溫度、降水和太陽輻射下降年內(nèi)ET逐漸降低,冬季達到最低值.2) 模擬ET的年際變化具有波動性,1999年最低(494.6 mm),2000年最高(714.1 mm),波動變化有3~4 a周期性,總體上有上升趨勢.3) 空間上,流域內(nèi)ET在植被覆蓋區(qū)大于非植被覆蓋區(qū),其中不同覆蓋類型ET大小順序為:闊葉>混交>針葉>農(nóng)田>城市>裸地.不同高程ET也不同,在500~700 m高程區(qū)間內(nèi)ET最高(655.88 mm),大于或小于該高程區(qū)間ET減少.
犟河流域ET的影響因素中氣溫、太陽輻射對ET年內(nèi)變化影響較為顯著,而LAI、降水對ET年際變化影響更加顯著,以上均可解釋95%以上的ET變化.