基于遙感蒸散量的我國干旱特征研究

李偉光，劉少軍，韓 靜，陳小敏，趙 婷

（1.海南省氣象科學研究所，海南 ?？?70203；2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南 ?？?70203）

水分是植物生長發育過程中最重要的環境因子之一。降水不僅決定了植被的空間分布，降水的年際波動還影響著植被長勢。由于固定在植物體內的水分遠小于蒸騰，所以可用植被蒸散量與同期降水量之間的差來反映降水滿足植被需水的程度[1-2]。以往研究中多以氣象站點觀測的數據為基礎，采用Thornthwaite或Penman-Monteith公式計算的參考作物蒸散量[3-5]來表示作物需水量。參考作物蒸散量反映的是水分充足條件下大氣環境要素驅動的作物蒸散量，忽略了植物氣孔阻力項的差異，這會導致過高估計植被蒸騰水汽通量。此外，實際蒸散量在時間上和空間上是高度變化的，與氣象條件、降水、土壤水文參數、植被類型和密度的時空格局密切相關，這就使得傳統潛在蒸散乘以固定作物系數的方法很難反映實際蒸散的時空差異[6-7]。

遙感可以快速、經濟、宏觀監測許多影響蒸散的因子，如地表反照率、土壤濕度、地表溫度和植被特征等重要信息[8-9]。隨著結合遙感信息和地面氣象要素的蒸散模型的發展，為區域實際蒸散的可靠估算提供了科學基礎[10]。2011年，NASA在MODIS遙感數據蒸散反演算法上取得了重要成果，并通過NASA地球觀測系統發布了全球MODIS陸地蒸散產品數據（MOD16）[11-12]。

利用MOD16月蒸散量產品結合氣象觀測站的月降水資料，分析地表降水供給與實際蒸散量需求的季節和區域差異,為掌握不同地區干旱狀況提供新的視角。

1 資料與方法

1.1 研究資料

本文所用數據集為MODIS反演的蒸散產品（MOD16A2）。該數據集產品基于Penman-Monteith模型算法[11-12]，產品包括地表蒸散量（ET）、潛在蒸散量（PET）、潛熱通量（LE）、潛在潛熱通量（PLE），空間分辨率為0.05°，時間分辨率為月，時間范圍為2000—2014年。下載地址為http：//files.ntsg.umt.edu/data/NTSG_Products/MOD16/。氣象數據為1961—2018年地面觀測月降水量數據。

1.2 研究方法

1.2.1 MOD16年蒸散及變異系數

基于MOD16A2產品計算年平均蒸散量分兩步，第一步計算逐月平均蒸散量，若遇到某年某月數據缺測，則計算其余年份相應月份平均蒸散量。第二步根據12個月的平均蒸散量相加獲得年平均蒸散量。歷年蒸散量計算過程為該年1—12月蒸散量之和，若某格點數據中含有缺測，則標記該格點數據該年蒸散量為缺測。蒸散量變異系數是歷年蒸散量的標準差與年平均蒸散量的比值。

1.2.2 降水蒸散差

氣象站點降水量觀測數據首先進行質量控制，分別統計每個站點1—12月缺測情況，剔除缺測超過20%以上站點。然后計算逐月平均降水量，合成季節平均降水量。將季節降水量利用反距離加權法（Inverse Distance Weighted，IDW）插值到0.05°格點，與季節實際蒸散數據相減得到季節降水蒸散差。

1.2.3 降水充沛月比例

考慮到降水年際變化大，年降水量最大值可能是最小值的5倍以上，所以統計了降水充沛月比例（逐月降水量大于同期月平均實際蒸散量月份數的比例）。分別統計1961—1990與1991—2018年前后29 a降水充沛月比例，然后利用1991—2018年降水充沛月比例減去1961—1990年的值繪制降水充沛月比例變化趨勢圖。

2 研究結果

2.1 MOD16準確性研究

為掌握MOD16實際蒸散量產品的適用性，匯總了我國MOD16準確性檢驗相關研究結果。科學家主要通過4種方式對MOD16蒸散產品進行準確性驗證（表1）。一是利用通量觀測站實際觀測結果對比檢驗MOD16產品在我國森林、農田等不同生態系統的精度，結果表明，MOD16日產品與站點觀測值的匹配程度較好[14]，年值總體相對誤差＜10%[15]。二是利用流域水量平衡方法驗證MOD16年值的準確性，MOD16年蒸散量的準確性好于通量觀測站觀測結果。在我國各大流域，遼河、海河、黃河、洛河、淮河流域的驗證結果精度較高[14，16-18]。針對海南島全島水分平衡的研究表明，蒸散與徑流差比較吻合，多年平均差異僅為1%，只有4 a偏差超過5%[19]。三是利用氣象站點蒸發皿觀測數據對MOD16中的潛在蒸散量或實際蒸發量擬合值對比，表明實際觀測值與遙感反演數據相關性較高[20-23]。四是其他蒸散模擬產品與MOD16對比，也表明一致性較高[24]?？傊?，MOD16蒸散產品的準確性能夠滿足區域水分平衡分析的要求。

表1 中國MOD16蒸散量檢驗論文匯總

2.2 蒸散量的空間分布狀況

2000—2014年，我國年平均實際蒸散量為530mm，呈現明顯的空間差異，從南向北遞減（圖1）。蒸散最小的區域主要分布于我國東北、西北干旱區，新疆、內蒙古、甘肅和青海的沙漠周邊地帶，該區域蒸散量普遍在200～400mm。蒸散最大的區域主要分布在熱帶和亞熱帶的東南沿海、海南島、云南南部，蒸散量在1000mm以上。我國中部和東部地區蒸散在500～1000mm。由于MOD16產品對于無植被覆蓋的裸土、沙漠等區域的蒸散不進行計算，所以圖1中西北地區的大部分沙漠和戈壁地帶為空白。

利用2000—2014年數據計算我國潛在蒸散量分布（圖2）顯示，我國大部分地區年潛在蒸散量在1000～2000mm。僅我國東北和西北的部分區域在1000mm以下；東北和我國中部、東部區域潛在蒸散量在1000～1500mm；而其余地區在1500mm以上。對比實際蒸散（圖1）與潛在蒸散（圖2）的分布可以發現：潛在蒸散的空間分布南北、東西差異程度小于實際蒸散，實際蒸散與潛在蒸散的差異從南向北逐漸增大。

圖2 中國區域潛在蒸散量分布

2.3 實際蒸散量的年際變異

MOD16實際蒸散量變異系數分布（圖3）顯示，蒸散量大的區域變異系數比較低。我國南部大部分區域也就是亞熱帶季風氣候區的蒸散量相對穩定，變異系數＜5%。在北部地區，變異系數在5%～10%，而西北地區變異系數在10%以上。青藏高原地區變異系數最大，部分地區＞20%。在四川盆地區域，蒸散量變異系數也比較高，通過分析數據源發現，該區域云覆蓋量較高、植被數據質量差，這可能增大了蒸散數據的不確定性。

圖3 中國區域年實際蒸散量變異系數分布

2.4 四季降水蒸散差空間分布狀況

一個地區在一段時間內的干濕狀況可用干濕度指數衡量，其中應用最廣泛的是潛在蒸散量與同期降水的比值，在不同文獻中稱之為干燥度指數、濕潤度指數等[25-26]，該指標常用在氣候分區中。為更準確反應降水對生態用水量的滿足程度，本文用降水與同期實際蒸散量差值來衡量。通過四季降水蒸散差分布圖（圖4）來看，夏季，我國降水蒸散差最大，降水最充沛，我國大部分地區降水蒸散差＞100mm。春季，降水蒸散差最大的區域在我國東南部地區，普遍＞100mm，該季節氣溫比較低，植被蒸騰也不活躍，降水相對比較充足；華北大部分、東北地區東南部降水蒸散差約50mm，也是相對濕潤的區域。秋季，我國大部分地區降水蒸散差的分布情況與春季相近，但華南地區降水蒸散差為負值，部分區域差值超過-100mm；川渝、華中地區最濕潤，降水蒸散差普遍＞50mm。冬季降水蒸散差普遍為負值，西北西南地區甚至＜-50mm，僅我國東南部浙江、福建和江西、湖南及周圍部分地區降水蒸散差＞50mm，降水比較豐富。

圖4 我國各季節降水蒸散差分布

2.5 降水充沛月比例分布

降水的年際波動顯著大于實際蒸散量的變化，為從頻率上掌握干旱的發生規律，進一步統計了降水充沛月（月降水量大于同期月平均蒸散量）的比例（圖5）。一年中，秋冬干燥，春夏濕潤；空間上從東南向西北濕潤程度遞減。春季降水充沛月比例最高的區域在長江中下游，比例在80%以上；而華北、東北、西北及西南地區降水充沛月比例在40%以下，最易發生春季干旱。夏季，我國華南、西南西藏和內蒙等地區降水充沛月比例非常高，在80%以上；中東部地區普遍表現為降水充沛月份比例略低，大部分在60%～80%。秋季，我國降水充沛月比例高于80%的范圍最小，僅川渝地區；華南地區比例也比較低，在普遍在20%～60%。冬季我國絕大部分地區降水充沛月比例＜20%，僅東南部小部分區域降水充沛月比例在20%以上。

圖5 各季節降水充沛月份比例分布

2.6 降水充沛月比例的趨勢

通過對比1961—1989年和1990—2018年降水充沛月比例（圖6）可以發現我國干旱趨勢。我國東南部地區、西部北疆、東北黑龍江、內蒙東北部以及四川西部、西藏、青海等地區降水充沛月比例在提升；其中北疆和東北部分地區上升明顯。而陜西、甘南、寧夏、河南、湖北、貴州西部、四川東部等地區降水充沛月比例在降低，部分地區降低超過3%。

圖6 1990—2018年與1961—1989年降水充沛月比例差

3 結論

我國平均蒸散量為530mm/a，從華南的1000mm向東北、西北地區不足500mm的區域遞減（圖1）。年潛在蒸散量大部分地區在1000～2000mm。潛在蒸散的空間分布南北、東西差異程度小于實際蒸散。實際蒸散量變異系數與實際蒸散量的分布相反，實際蒸散量大的華南地區變異系數在5%以下，而蒸散量相對較小的東北、西北區域變異系數反而＞10%。

降水蒸散差分布與降水充沛月比例分布相似，夏季，我國降水資源最充沛，我國大部分地區降水蒸散差＞100mm，降水充沛月比例普遍在80%以上。春季，我國東南部地區水資源充沛，降水蒸散差普遍＞100mm，比例在80%以上；華北大部分、東北地區東南部降水蒸散差為正值，但降水比例＜40%。秋季，華南地區降水蒸散差＜-100mm，比例更是＜40%。冬季，降水蒸散差普遍為負值，降水充沛月比例都＜20%，僅我國東南部江西、湖南及周圍部分地區降水蒸散差為正值，降水充沛月比例也普遍在60%以上。1961—1989年與1990—2018年降水充沛月比例對比發現，我國中部和西南部部分地區降水充沛月比例存在下降趨勢，而北疆、東部和東南部地區存在上升趨勢。

4 討論

地表水分收支狀況是評價一個地區干旱特征的重要內容，對生態保護、農業開發、承載力規劃具有重要意義。目前針對全國或區域的水分盈虧研究多采用潛在蒸散代表水分支出[27]。潛在蒸散計算的是充分供水條件下最大蒸散量，空間和時間分布的差異主要受地表輻射和大氣湍流等物理因素影響[28]。實際蒸散量估算過程中引入了影響蒸散的地表植被變化和氣孔阻力差異，能夠反映出生物對蒸散狀況的反饋，更符合實際狀況。我國幅員遼闊，水資源狀況差異較大，每個地區都有獨特的降水分布和水分散失特點。在我國南方多闊葉林、北方多針葉林，單位葉面面積氣孔數目不同造成植被蒸騰量差異巨大。此外在土壤水分不足時，可能出現導致實際蒸散減少而潛在蒸散增加[28]的互補現象。由于氣候及植被分布差異的差異，我國西北地區潛在蒸散顯著大于實際蒸散量[29]，華南地區兩者差異較小。這個差異導致無法用統一的降水與潛在蒸散量指標大范圍準確地衡量干旱事件或者危害程度。

一個地區的生態狀況、農業生產是長期對氣候條件的適應。只有降水偏離常態，不能滿足實際蒸散需求，才會致災。掌握降水滿足植被需水量的程度是開展農業和生態干旱研究的基礎。本文嘗試應用基于遙感實際蒸散量數據，緊扣生態水分支出量這一關鍵因素分析干旱，分析不同地區不同季節降水滿足生態需水量程度和干旱發生頻率。通過實際蒸散量分析的干旱特征與我國氣候干濕區劃結果基本一致[30-31]，較基于干燥度之類的干旱指數更能反映不同地區降水滿足生態需水量的程度，更適宜計算干旱事件發生的概率。我國部分區域降水充沛月比例上升趨勢與前期關于北疆降水趨勢研究結果一致[32]；陜西地區降水充盈月減少趨勢與前人應用標準化降水指數分析結果相似[33]。與標準化降水指數（SPI）、標準化降水蒸散指數相比，降水蒸散差和降水充沛月比例更能反映出不同地區降水豐盈差異。因此應用實際蒸散數據分析干旱特征，對從多學科交叉的角度認識旱災成因、科學配置水資源以及指導植被恢復與重建等具有重要意義[34]。