基于MOD16A2的毛烏素沙地實際蒸散量時空穩定性模擬

劉 靜，劉鐵軍，杜曉峰，吳永勝，包玉龍

(1.水利部牧區水利科學研究所，內蒙古呼和浩特010020;2.內蒙古師范大學，內蒙古呼和浩特010020)

毛烏素沙地主要覆蓋鄂爾多斯高原西部和陜北長城沿線區域，是以草原和農牧交錯區為主的生態脆弱過渡帶。毛烏素沙地在氣候(蒙古-西伯利亞反氣旋中心向東南季風區)、區域(干旱向半干旱區)、景觀(沙漠向黃土高原)、土壤侵蝕類型(風蝕向水蝕)等自然特征方面均表現出了明顯的過渡性［1］。毛烏素沙地氣候干燥、降水稀少、蒸發強烈、植被類型單一、生態環境脆弱，導致沙塵暴強度和頻次不斷增加，生態環境惡化。該區長期干旱少雨，降雨量遠遠小于地面滲透量，地表水系不發達，地下水也較貧乏，且分布不均，導致區內植被覆蓋度較低。沙地內土地荒漠化發展迅速，對西部地區環境造成嚴重危害，因此一直以來毛烏素沙地都是中國荒漠化研究專家和學者關注并致力于長期研究的熱點地區［2］。

蒸散發(Evapotranspiration，ET)是水量平衡、能量平衡、水循環的重要過程，主要包括土壤表面和植物冠層的蒸發、蒸騰。全球陸地降水約60%以蒸散形式返回大氣，在降水較少的干旱地區達到90%［3］，因此在毛烏素沙地ET是水分流失的主要途徑。科學量化ET并清楚地認識ET的時空動態，對于合理利用毛烏素沙地稀有的水資源、促進沙區生態環境平衡意義重大。自從1802年Dalton提出蒸散發的計算公式后，世界各地專家學者開始對蒸散發進行廣泛的研究［4-8］，隨著研究的不斷深入，蒸散發的計算方法也在不斷增多，其中以經驗法和物理模型法為主。其中最具影響力的是將表面抗阻概念融入計算非飽和下墊面蒸散發公式，形成了Penman-Monteith公式，該公式作為蒸散發計算的經典算法直到現在仍然被廣泛應用。我國利用遙感影像估算區域蒸散發的研究基本開始于20世紀80年代，現今也取得了很多研究成果。如馬宏偉等［9］都分別利用不同尺度的遙感數據反演了生態需水。傳統的蒸散發監測、計算無法準確地對土壤及植被的實際蒸散發進行監測，其監測尺度也只是局限于“點”的小尺度范圍，而大尺度空間的研究能夠更加宏觀地反映出區域的一些變化特征及規律。大尺度界面的非均勻性，使得遙感這一先進的手段在觀測或模擬的諸多方法中更具優勢，同時也促進了區域ET的研究［10-13］。近年來，隨著遙感數據及技術的廣泛應用，遙感反演ET已經成為生態、水文等相關學科熱點問題，其尺度也可以實現上推到“面”的大尺度范圍。

本文運用MOD16-ET產品數據，空間分辨率1 km，統計并分析毛烏素沙地ET時空變化特征及空間穩定性模擬(數據精度通過驗證)，結論為沙地生態修復及植被需水的高效利用提供參考依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區選取整個毛烏素沙地，其中包括毛烏素的內蒙古部分、陜西榆林地區的北部及寧夏回族自治區的一小部分，主要包括鄂托克旗東南部、鄂托克前旗、烏審旗以及伊金霍洛旗南部、陜西榆林地區的北部以及寧夏回族自治區鹽池縣的東北部。由于毛烏素沙地的北部邊緣已經擴大到烏審旗北部和伊金霍洛旗西北部，并與庫布齊沙漠連接，而且沙漠化面積在緯度上現已向北擴展到 39°30＇，所以研究區地理位置選擇了 107°20＇～111°30＇E，37°25＇～39°30＇N，其他界線用行政界線界定，研究區面積為 39 835 km2［14］。

1.2 數據來源

蒸散產品(MOD16)從http://www.ntsg.umt.edu/project/mod16下載。蒸散數據采用MOD16蒸散產品數據。MOD16A2數據分辨1 km，掃描周期為8 d，時間尺度為天、月、年，可下載分析全球植被覆蓋區域的蒸散量、潛在蒸散量、潛熱通量、潛在潛熱通量數據。本次下載時間為2000—2014年，時間尺度為月，單位為每月0.1 mm的蒸散量(ET)數據。

1.3 數據處理

MOD16產品是采用分級數據格式(HDF，Hierarchical Data Format)、正弦曲線投影存儲的，因此首先需要利用NASA提供的MODIS Reprojection Tool(MRT)軟件轉換為GeoTiff格式文件，并進行投影轉換、軌道鑲嵌和重采樣等操作。本次提取ET之后在ERDASIMAGINE 2013中進行空間建模，計算多年ET年均值和月均值后生成圖像;利用毛烏素沙地的矢量邊界圖，切割出本次研究區范圍。在ARCGIS10系統中，制作毛烏素沙地2000—2014年的年、月ET平均分布圖。

利用線性傾向斜率法對毛烏素沙地ET時空變化趨勢進行分析。分析估算包括波動度和趨勢線斜率值的計算。計算結果用相關系數的統計檢驗方法進行顯著性趨勢檢驗。計算依照公式(1)～(3):

式中，t為年份序列;i、j分別代表柵格圖中的行與列;ETij表示圖像中第i行，第j列在所在像元的蒸散值。表示15 a的平均蒸散。

式中，Tij代表圖像中第i行，第j列像元的標準差值;t表示時間序列［15-18］。利用上述公式計算出波動度，用來反映區域內各像元偏離均值的波動程度，其值越大表示波動越強烈，值越小則越穩定。

式中，S為線性趨勢傾向程度，ET為蒸散量，t為監測時間段年限，n=15。當S＞0時，隨時間t的增加，ET呈上升趨勢;當S＜0時，隨時間t的增加，ET呈下降趨勢。S斜率值大小反映了蒸散量上升或下降的速率，即表示上升或下降的傾向程度。Sij是該像元在15 a的均值ET用一元線性回歸模擬出的一個總的變化趨勢，如果回歸方程的相關系數通過信度為0.05或0.01的顯著性水平(P＜0.05、P＜0.01)，則蒸散減小或增加趨勢分別達到顯著和極顯著水平［19-24］。

線性傾向值用來分析毛烏素沙地ET隨長時間序列整體發生變化情況。伴隨長時間序列，ET空間分布格局會整體呈現上升或下降趨勢，特別應注意在某時刻轉折、突變點的出現，這些特殊時刻數據，往往在結果分析中具有重要價值。

將最終計算的波動度、線性傾向斜率值采用“自然間斷點”分類法對波動度模擬數據進行分類，其分類原理是能夠在數據序列中差異相對較大的的位置設定邊界。該分類法優點是在較真實地保留原始數據性質的同時，對相似值進行了最恰當的分組，并實現了各類之間的差異最大化。

2 結果與分析

2.1 多年ET年際月均時空變化分析

圖1為根據MOD16數據產品經過數據轉換、鑲嵌、裁剪后得到的毛烏素沙地ET多年月均分布情況。可以看出3月是全年ET量最低月份，該月在沙地的西部邊緣最早出現0～10 mm以下ET，之后低ET范圍逐漸向東部延伸，直至沙地，ET幾乎全部下降至10 mm以下;之后東部開始零星出現ET上升區域。隨著植被生長季節的到來，高ET由東部逐漸向沙地中部及南部擴展，尤其到了雨水充足植被生長旺盛的8月，東部大部分地區及沙地南緣等沙區治理好的地區，明顯出現27.5 mm以上的ET，東部及南部邊緣部分有地區ET達到30 mm以上。

從圖2可以看出，毛烏素沙地冬春季節，ET呈下降趨勢。15 a間多年月均ET從1月份的22.5～25 mm開始以平均53.24%的速率逐月下降，4月份到達最低點，此時整個毛烏素沙地92.23%ET量在10 mm以下。夏季沙地ET逐月上升，6月沙地植被開始返青，ET量微量增加，但仍以20 mm以下為主。盛夏是沙地植被生長最旺盛的時期，此時期降水增多，日照充足，水汽充沛，有利于蒸散，ET量迅速上升，20 mm以上ET量從 32.38%上升到76.80%。入秋后，降水減少，植被凋落，外界條件不利于蒸散，沙地ET迅速下降。10月沙地已提前進入冬季，氣溫降低，降雪較早，故ET仍有小幅上升，但25 mm以上高ET全部消失，80.1%蒸散區間分布在15～20 mm之間。11—12月沙地ET量上升幅度較大，最高達27.5 mm，12月份沙地98.36%的ET在22.5～27.5 mm。

綜上可知，毛烏素沙地由于其特殊的地理位置和氣候條件，ET多年月均空間分布差異明顯，規律獨特。多年月均呈現先增后減的雙峰型分布曲線，兩次峰值出現在9月和12月，最低值出現在3—4月。空間分布規律呈現東部高于西部，南部高于北部;隨季節變換，ET呈現自西向東逐漸減少，繼而又由東部向西部及南部逐漸增加的趨勢。整個沙地全年ET東南部顯著高于其余地區。有研究者曾對2000—2013年毛烏素沙地年均氣溫做過相關研究，發現沙地多年四季氣溫均勻上升，而冬季升溫速率最快。冬季氣候變暖，水熱循環、蒸騰作用加強，植被生長季延長、物候期推遲，地表蒸發量也隨之增大［25-27］。這也合理解釋了沙地12月份ET出現峰值的原因。

2.2 多年ET年際時空變化特征分析

圖1 毛烏素沙地多年月平均蒸散反演Fig.1 Retrieval of monthly average ET in Mu Us sandy land

圖2 毛烏素沙地多年蒸散量月變化Fig.2 Monthly variation of annual ET in Mu Us sandy land

圖3顯示了毛烏素沙地2000—2014年ET逐年變化過程，從圖中可以看出2000—2014年間毛烏素沙地地表蒸散量的主要蒸散范圍在17.5～22.5 mm之間。沙地南部始終出現高蒸散范圍大于27.5 mm區域，而西北低蒸散范圍始終在12.5 mm以下。這就說明毛烏素沙地多年ET平均值具有較強的空間分異性，呈現東部高于西部，南部高于北部，不同空間位置ET差異較大，層次分明，這一特征與沙地地表植被覆蓋的地帶性變化大體一致，蒸散量高的地方植被覆蓋度也相對較高。分析具體原因可能是由于沙地東部和南部治理時間較長、措施完善，植被恢復情況良好，植被覆蓋度高，多年平均蒸散量也最高，均在20 mm以上，零星有30 mm以上區域呈條狀分布出現，應該為人工植被區。

時間分布上，毛烏素沙地15 a的蒸散分布呈逐年線性增大的趨勢并不明顯，有3個蒸散量明顯超出多年平均值的年份(2002、2003、2012年);有4個明顯低于多年平均值的年份(2000、2005、2006、2014年)，其余年份的蒸散量幾乎相當。ET年際空間分布特征表明:近15 a毛烏素沙地ET的主要蒸散范圍在17.5～22.5 mm之間。年均蒸散量波動范圍為448.0～533.3 mm，多年平均蒸散量為年均493.3 mm。年蒸散量明顯超出多年平均值的年份包括2002、2003、2012年，明顯低于多年平均值的年份包括2000、2005、2006、2014 年，其余年份的蒸散量幾乎相當。有研究者就2000—2013年毛烏素沙地年均降水量進行分析后得出結論，沙地14 a的年均降水呈波動性增加趨勢:2000—2013年毛烏素沙地的年均降水量為359.59 mm，其中8 a(2001年、2002年、2003年、2007年、2008年、2011年、2012年和2013年)超過平均水平，尤其在2012年出現降水峰值，年均降水量達到473.19 mm;而6 a(2000年、2004年、2005年、2006年、2009年和2010年)均低于平均水平，且 2000年出現降水低谷值，僅為 212.44 mm［18］。這個降水規律正好驗證了本文的ET結論。

2.3 多年ET空間動態變化特征模擬分析

2.3.1 多年ET空間穩定性模擬及分析 圖4和表1是經過波動值柵格計算、剔除極值、自然斷點分區、標準差法分析得出的毛烏素沙地2000—2014年ET的穩定性模擬結果。將整個沙地的ET波動值分成4個ET波動區間(用T表示)，即微弱波動區域(-0.02＜T＜-0.03)、輕度波動區域(-0.03＜T＜0.02)、中度波動區域(0.02＜T＜0.07)、強烈波動區域(0.07＜T＜0.2)。由圖4和表1可知，毛烏素沙地ET整體呈現西南部波動強烈而東北波動較緩、中部較為穩定的經向分布規律。各波動區間蒸散量的分布中，輕、中度波動居多，微弱波動和高波動次之，呈現穩定性地域差異大的特征。波動區間面積排序為:輕度波動＞中度波動＞強烈波動＞微弱波動。其中ET呈現極低波動區域面積占毛烏素沙地整個面積的15.83%，主要集中在西部和北部;輕度波動區域面積占33.67%，主要分布在沙地的中西部;中度波動區域面積最多占32.04%，遍布除西北以外的整個毛烏素沙地;強烈波動區域面積占18.46%，主要分布在沙地南緣和中東部，呈大斑塊和粗條帶狀分布，應多為人工植被和造林區域。

2.3.2 多年ET空間線性變化趨勢分析 圖5和表2是采用線性趨勢計算法，去除極值，等間隔劃分區間后得到的毛烏素沙地近15 a的ET變化趨勢結果。本次將變化趨勢Slope值(以下用S表示)定義為嚴重減少(-33＜S＜-11)、輕微減少(-11＜S＜-2)、基本不變(-2＜S＜5)、輕微增加(5＜S＜13)、顯著增加(13＜S＜47)5個等級。結果表明:研究期整個毛烏素沙地蒸散增加面積大于減少面積，其中增加區域占34.38%，輕微(P＜0.05)、顯著(P＜0.01)增加面積各占18.46%和15.92%，這些區域主要位于沙地東南部的陜西境內，尤其在沙地東緣和南緣已經形成斑塊區域，這與陜西省近年實施了大面積的生態治理工程，植被覆蓋及氣候條件明顯改善有關。蒸散減少面積占28.49%，輕微減少(P＜0.05)是嚴重(P＜0.01)減少的2倍，減少區域主要位于毛烏素沙地內蒙部分的烏審旗和鄂托克旗境內，這兩個旗縣土壤、氣候等自然條件較差，長期生態治理工程效果不明顯，雖已有所改善，仍有待進一步加強。沙地28.13%變化趨勢不明顯，主要分布在沙地北部、中東部和西部，且形成連續大斑塊，說明該地區近15 a來氣候穩定，植被生長變化不大。

3 討論與結論

本文采用MOD16蒸散產品數據，運用遙感圖像處理系統和地理信息系統，對毛烏素沙地2000—2014年15 a間ET時空分布特征、波動度及變化趨勢進行了模擬。主要結論如下:

圖3 毛烏素沙地2000—2014年多年蒸散年際變化Fig.3 Annual variation of ET in Mu Us sandy land during 2000-2014

圖4 毛烏素沙地2000—2014年ET年際波動程度Fig.4 The fluctuation degree of ET during 2000-2014 in Mu Us sandy land

表1 毛烏素沙地2000—2014年ET波動程度分類Table 1 Classification of the fluctuation degree of ET during 2000-2014 in Mu Us sandy land

圖5 毛烏素沙地2000—2014年ET年際變化趨勢Fig.5 The change trend of ET during 2000—2014 in Mu Us sandy land

表2 毛烏素沙地2000—2014年ET變化趨勢分類Table 2 Classification of the variation trend degree of ET during 2000-2014 in Mu Us sand land

(1)2000—2014年毛烏素沙地ET時空分布規律具有顯著的季節分異特征，冬春季節，ET呈下降趨勢;夏秋季ET變化截然相反，出現先上升后下降的變化特征。15 a間，沙地4月份ET最低最干旱，總面積的92.23%在10 mm以下。9月和12月出現ET的兩次峰值，整個沙地平均蒸散范圍在22.5～27.5 mm之間。這與毛烏素沙地春季氣溫偏低，回暖較晚，而冬季氣候變暖，植被生長季延長、物候期推遲的氣候特點一致。

(2)2000—2014年毛烏素沙地ET的年際波動變化不大，呈現西南部波動強烈而東北部波動較緩，中部波動較為穩定的經向分布規律。主要年波動范圍在448.0～533.3 mm之間，多年平均ET為年493.3 mm。ET明顯超出多年平均值的年份有2002、2003、2012年，明顯低于多年平均值的年份有2000、2005、2006、2014 年，其余年份ET幾乎相當。這與研究區多年的降雨資料一致。說明MOD16A2數據可以用于研究區地表ET時空分布特征。

(3)2000—2014年毛烏素沙地整體ET增加趨勢比例最大，約占34.38%;減少和不變趨勢基本一致，各占28.49%和28.13%。增加趨勢位于生態治理措施較好的陜西府谷縣、神木縣和內蒙的準格爾旗境內，這些旗縣的沙漠治理經驗豐富，治理效果優異，多數是水土保持治理的示范旗縣;各縣生態、氣候條件優良，栽培植被廣布。不變趨勢在烏審旗境內，且有大片斑塊形成，說明經過多年生態治理，區內植被生長和氣候都比較穩定。減少趨勢位于自然氣候條件相對惡劣的鄂托克前旗、鄂托克旗和杭錦旗境內，以荒漠草原和大片沙漠為主，主要植被類型是蒿屬類，喬、灌木僅零星分布，生態治理難度較大。總之，沙地15 a間整體的氣候改善，干旱程度減輕。

毛烏素沙地由于候條件惡劣多變、監測條件較差，以往對ET的研究多基于氣象觀測資料和試驗研究，這些研究雖有重要價值，但在研究范圍上也僅是基于“點”尺度［28-29］。若將這些研究結果進行空間尺度擴展用于整個沙地ET計算，會引起較大誤差。本文利用高分辨率MOD16蒸散產品，分析整個毛烏素沙地多年ET時空分布規律及變化趨勢，可以彌補以往研究的不足。研究結果與毛烏素沙地多年氣象資料、生態治理范圍和區域治理效果相吻合，說明將MOD16蒸散產品用于研究區是可行的。但地表ET變化過程十分復雜，受地理、環境、氣候、人為等因素影響較大。因此，在今后的研究中，本結論可作為基礎資料，結合研究區的實際情況，深入分析探討其他因素對ET的影響，為今后提出更適宜毛烏素沙地生態恢復的治理措施提供依據。