鄧興耀,劉 洋,劉志輝,姚俊強(qiáng)

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046 2 新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所,烏魯木齊 830046 3 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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

?

中國西北干旱區(qū)蒸散發(fā)時(shí)空動態(tài)特征

鄧興耀1,2,3,劉 洋1,2,3,劉志輝2,3,*,姚俊強(qiáng)4

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046 2 新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所,烏魯木齊 830046 3 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)集中2000—2014年的地表實(shí)際蒸散發(fā)量產(chǎn)品,運(yùn)用變異系數(shù)、Theil-Sen median趨勢分析與Mann-Kendall檢驗(yàn)和Hurst指數(shù)法,研究了中國西北干旱區(qū)蒸散發(fā)的空間格局、不同維度的空間異質(zhì)性和時(shí)間變化特征及未來趨勢預(yù)測。結(jié)果表明：(1)2000—2014年全區(qū)蒸散發(fā)量總體較小,蒸散發(fā)量小于200 mm的區(qū)域占總面積的38.329%。在空間上ET自山區(qū)向兩側(cè)平原減少,不同土地覆蓋的ET大小為：林地>農(nóng)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(qū)(>400 mm)主要在降水豐富的山區(qū)林地和草地,而低值區(qū)(<200 mm)主要在降水較少的平原稀疏植被區(qū)和草地。(2)近15年全區(qū)蒸散發(fā)變異程度不明顯,以相對較低的波動變化為主。各亞區(qū)內(nèi)波動較低區(qū)域的比例為：北疆>天山>祁連山>內(nèi)蒙西部>河西走廊>南疆。(3)15年間全區(qū)年均蒸散發(fā)量呈波動變化,總體有微弱的減小趨勢,變化率為-0.9348 mm/a?；谙裨叨鹊姆治鲆脖砻魅珔^(qū)ET以減小的變化趨勢為主,但各亞區(qū)的減小程度各異：天山>內(nèi)蒙西部>河西走廊>北疆>祁連山,僅南疆有增加趨勢。(4)全區(qū)ET的Hurst指數(shù)均值為0.689,Hurst指數(shù)大于0.5的范圍所占比例為80.033%,未來全區(qū)蒸散發(fā)的變化趨勢以持續(xù)性減小為主。其中22.003%區(qū)域的變化趨勢無法確定。未來各亞區(qū)ET的減少趨勢為：內(nèi)蒙西部>天山>河西走廊>北疆>祁連山>南疆。

MODIS；蒸散發(fā)；西北干旱區(qū)；趨勢分析；氣候變化

蒸散發(fā)(Evapotranspiration, ET)包括土壤、水面蒸發(fā)和植被蒸騰,連接著地表水分、能量和碳的循環(huán)過程,是構(gòu)成氣候系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)[1]。研究陸面過程中的蒸散發(fā),對天氣預(yù)報(bào)、旱澇監(jiān)測、水資源和農(nóng)業(yè)管理以及全球變化等領(lǐng)域有重要意義[2]。

基于地面觀測的資料可獲得長時(shí)間序列的蒸散發(fā)信息,但站點(diǎn)觀測值并不能提供蒸散發(fā)的空間分布特征,尤其是在觀測站點(diǎn)稀疏的西北干旱區(qū)。結(jié)合遙感技術(shù)可以反映蒸散發(fā)的空間異質(zhì)性,滿足全球和區(qū)域尺度的研究。Jung等[3]發(fā)布了1982—2008年全球陸地蒸散發(fā)年尺度數(shù)據(jù)集；歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織發(fā)布了覆蓋歐洲、非洲和南美洲東部的LSA-SAF MSG ET數(shù)據(jù)集[4]；美國蒙大拿大學(xué)森林學(xué)院工作組制作了2000年至今的全球MODIS ET數(shù)據(jù)集[5]。

MODIS ET數(shù)據(jù)集憑借較高模擬精度和時(shí)空分辨率,已成功應(yīng)用于全球和區(qū)域蒸散發(fā)的動態(tài)監(jiān)測。賀添等[6]利用中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù),驗(yàn)證了MODIS ET數(shù)據(jù)的精度。Kim等[7]利用亞洲通量網(wǎng)17個(gè)站點(diǎn)的渦度相關(guān)儀數(shù)據(jù)對MODIS ET產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證,并分析了該數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),驗(yàn)證2008—2010年MODIS ET產(chǎn)品的精度,并分析了3種下墊面蒸散發(fā)量的季節(jié)和年變化規(guī)律；Jang等[9]利用MODIS ET產(chǎn)品和MODIS-KLDAS ET驅(qū)動數(shù)據(jù)監(jiān)測2006—2008年東北亞地區(qū)日蒸散發(fā)量,MODIS ET產(chǎn)品的精度通過了區(qū)域通量塔觀測的驗(yàn)證。

中國西北干旱區(qū)是亞洲中部干旱區(qū)的重要組成部分之一,區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜,山地盆地相間分布,沙漠與綠洲共存,各自然要素時(shí)空分布極不均勻,是生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū),也是對全球變化響應(yīng)最敏感地區(qū)之一[10]。全球氣候變化改變了陸面水循環(huán)要素和蒸散發(fā)量[3]。水資源是干旱區(qū)農(nóng)業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素。在此背景下,全球變化和人類活動共同驅(qū)動下的干旱區(qū)蒸散發(fā)時(shí)空分布及其變化受到諸多學(xué)者的關(guān)注。李寶富[11]、王海波[12]分別以西北干旱區(qū)典型內(nèi)陸河塔里木河流域、黑河流域?yàn)檠芯繀^(qū),發(fā)展了干旱區(qū)遙感估算蒸散發(fā)量的模型。馬金龍[13]、張鑫[14]利用渦度相關(guān)系統(tǒng)和波文比系統(tǒng)監(jiān)測綠洲農(nóng)田蒸散發(fā),為干旱區(qū)作物生長階段不同灌溉時(shí)期和灌溉量的確定以及田間水分管理提供科學(xué)依據(jù)。劉春雨[15]研究了氣候變化背景下的西北干旱區(qū)蒸散發(fā)響應(yīng)。李稚等[16]利用1958—2010年的氣象站觀測數(shù)據(jù),得出西北干旱區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量在過去50年內(nèi)以1993年為轉(zhuǎn)折點(diǎn),由下降趨勢逆轉(zhuǎn)為顯著上升的趨勢的結(jié)論。但是由于不同的干濕背景,干旱區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)和實(shí)際蒸散發(fā)之間的關(guān)系尚存在較大爭論[17- 18]。

可見,目前針對西北干旱區(qū)蒸散發(fā)的研究成果較多,但這些研究選用的站點(diǎn)資料有限,或以整體分析為主,缺乏不同時(shí)空維度的變異性研究,難以反映研究區(qū)特殊的“山地-綠洲-荒漠”系統(tǒng)的異質(zhì)性,對全區(qū)未來蒸散發(fā)變化趨勢的定量研究還相對比較薄弱。研究西北干旱區(qū)蒸散發(fā)的時(shí)空變化規(guī)律和未來的變化趨勢,對提高應(yīng)對氣候變化能力有重要意義,為促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

中國西北干旱區(qū)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(qū)和干旱區(qū),屬于典型的大陸性氣候[19],自然條件惡劣。該地區(qū)東以賀蘭山為界,南至昆侖山—阿爾金山—祁連山,北側(cè)和西側(cè)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(qū)全境、甘肅河西走廊、祁連山區(qū)、內(nèi)蒙古阿拉善高原及黃河寧夏段以西的寧夏自治區(qū)部分,區(qū)內(nèi)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(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地等內(nèi)陸盆地和河西走廊,分布著大片沙漠和戈壁,構(gòu)成以山地-綠洲-荒漠三大生態(tài)系統(tǒng)為基本特征的特殊自然單元。根據(jù)前人的研究成果[19]和區(qū)域自然地理差異,將西北干旱區(qū)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(nèi)蒙古西部等6個(gè)亞區(qū)(圖1)。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Sketch map of arid region of Northwest China

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

MODIS ET數(shù)據(jù)集包括地表實(shí)際蒸散發(fā)量(ET)、潛熱通量(LE)、潛在蒸散發(fā)量(PET)和潛在潛熱通量(PLE)產(chǎn)品,空間分辨率為1 km×1 km,時(shí)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(chǔ)上改進(jìn)的,具體反演流程如圖2。該數(shù)據(jù)集考慮了土壤表面蒸發(fā)、冠層截流水分蒸發(fā)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(qū)地表蒸散發(fā)的研究。本文選用地表實(shí)際蒸散發(fā)數(shù)據(jù)的年合成產(chǎn)品(MOD16A3),時(shí)間序列從2000年1月至2014年12月,在美國蒙大拿大學(xué)森林學(xué)院工作組網(wǎng)站下載(http://www.ntsg.umt.edu/project/mod16),使用MRT(Modis Reprojection Tool)工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行重投影等預(yù)處理。

DEM數(shù)據(jù)為SRTM3(Shuttle Radar Topography Mission),空間分辨率為90 m×90 m,來自中國科學(xué)院數(shù)據(jù)云(http://www.csdb.cn/)。

土地覆蓋數(shù)據(jù)為2001年和2013年的MODIS MCD12Q1 產(chǎn)品(下載地址: https://lpdaac.usgs.gov/),空間分辨率為500 m,該產(chǎn)品采用國際地圈生物圈計(jì)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(nóng)用地、城市和建筑區(qū)、冰雪與稀疏植被7大類。

降水資料來自英國East Anglia大學(xué)氣候研究中心(Climatic Research Unit, CRU)發(fā)布的全球陸地表面月平均氣候數(shù)據(jù)集(http://www.uea.ac.uk/),空間分辨率0.5°×0.5°,選取的時(shí)間序列為2000年1月至2014年12月。該資料不包含衛(wèi)星觀測,不使用模式同化,僅用數(shù)學(xué)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jīng)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(shù)據(jù)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(guī)模灌溉用地的流域。同時(shí),盡量選擇資料系列較長的流域。按此標(biāo)準(zhǔn),選取研究區(qū)5個(gè)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?dāng)?shù)據(jù)為各流域內(nèi)及周邊24個(gè)氣象站的實(shí)測,所有站點(diǎn)均在圖1中標(biāo)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(yàn)證MOD16A3產(chǎn)品在西北干旱區(qū)的模擬精度[6]。

2.2.2 變異系數(shù)法

變異系數(shù)是描述隨機(jī)變量分散程度的統(tǒng)計(jì)量,用來分析蒸散發(fā)空間格局與空間分異規(guī)律[23]。

(1)

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

Theil-Sen median趨勢分析與Mann-Kendall檢驗(yàn)相結(jié)合,用以判斷長時(shí)間序列數(shù)據(jù)的趨勢[24]。其中,Theil-Sen median趨勢分析是一種穩(wěn)健的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的趨勢計(jì)算方法,計(jì)算公式為：

(2)

式中,ETi和ETj為樣本數(shù)據(jù)值(2000≤i0時(shí),反映了這一時(shí)間序列的蒸散發(fā)量呈增強(qiáng)趨勢；反之,則為衰減趨勢。

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

在用Mann-Kendall法進(jìn)行ET趨勢檢驗(yàn)時(shí),將某時(shí)序的ET值看作一組獨(dú)立分布的樣本數(shù)據(jù),以參數(shù)Zc作為像元ET衰減指標(biāo),計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中,sign為符號函數(shù)。本文在置信水平α=0.05上判斷ET變化趨勢的顯著性[24]。當(dāng)|Zc|>1.96時(shí)表示時(shí)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(shù)

Hurst指數(shù)用于定量描述時(shí)間序列數(shù)據(jù)的可持續(xù)性。在水文學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、氣候?qū)W等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[27]。考慮ET時(shí)間序列{ET(t)} (t=1,2,3,4,…,n) 對于任意正整數(shù)t≥1,定義該時(shí)間序列的均值序列：

(7)

計(jì)算累積離差為：

(8)

(9)

(10)

計(jì)算Hurst指數(shù)：

(11)

式中,c為常數(shù)。對公式(11)兩邊同時(shí)取對數(shù)即得到Hurst經(jīng)驗(yàn)公式?；跁r(shí)間序列并利用Hurst經(jīng)驗(yàn)公式得到一簇H值進(jìn)行最小二乘法擬合,得出的直線斜率即為修正后的Hurst指數(shù)(H),它揭示了時(shí)間序列的分形特征。

不同的H對應(yīng)不同的時(shí)間序列趨勢變化：當(dāng)H=0.5時(shí),表明時(shí)間序列是完全獨(dú)立的,沒有相關(guān)性或只是短程相關(guān)；00.5時(shí),意味著未來的變化狀況與過去趨勢一致,整個(gè)過程具有持續(xù)性,H越大,持續(xù)性越強(qiáng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 MOD16A3蒸散發(fā)產(chǎn)品精度評估

分析表1,水量平衡法計(jì)算的多年蒸散發(fā)量均值與MOD16A3數(shù)據(jù)的年均蒸散發(fā)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(chǎn)品的年蒸散發(fā)值總體偏高,但其精度基本滿足區(qū)域尺度的研究,可以用于研究西北干旱區(qū)蒸散發(fā)的時(shí)空動態(tài)特征。

表1 西北干旱區(qū)典型流域MOD16A3數(shù)據(jù)精度評價(jià)

3.2 蒸散發(fā)量的空間分布特征

將2000—2014年的MODIS 蒸散發(fā)量和CRU降水?dāng)?shù)據(jù)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(qū)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(jìn)行像元統(tǒng)計(jì)分析(表2)。全區(qū)低蒸散發(fā)區(qū)域(ET<200mm)占總面積的38.329%,各亞區(qū)內(nèi)低蒸散發(fā)量區(qū)面積百分比為：內(nèi)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(qū)高蒸散發(fā)區(qū)域(ET>400mm)占總面積的21.834%。

表2 西北干旱區(qū)年均ET分級

近15年西北干旱區(qū)ET值總體較小,空間分布上表現(xiàn)為自山區(qū)向兩側(cè)平原減少的特點(diǎn)。這種差異是因?yàn)楦珊祬^(qū)的實(shí)際蒸散發(fā)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(fā)量大小[28]。西北干旱區(qū)雖然海拔較高、太陽輻射多,蒸散發(fā)的能量充足,但是地處內(nèi)陸,降水量稀少、土壤濕度低,使得蒸散發(fā)量低值區(qū)面積廣大。分析近15年降水量(圖3)可以看出,區(qū)域東南部及祁連山區(qū)受西南暖濕氣流和東亞季風(fēng)影響,降水量大；西部為西風(fēng)環(huán)流的通道,帶來大西洋的濕潤氣流,在山地迎風(fēng)坡形成豐富的降水,而平原地區(qū)降水量較小。

土地覆蓋亦影響ET的空間格局。結(jié)合圖4可以看出：ET的高值區(qū)主要分布在天山、阿爾泰山和祁連山等山區(qū)的林地和草地。低值區(qū)主要在南疆塔里木盆地邊緣、北疆準(zhǔn)噶爾盆地、河西走廊的草地和稀疏植被區(qū)。同時(shí),綠洲區(qū)農(nóng)用地的ET高于綠洲邊緣植被稀疏區(qū)。為進(jìn)一步分析不同土地覆蓋類型的蒸散發(fā)量特征,統(tǒng)計(jì)研究區(qū)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(nóng)用地>草地>稀疏植被,這是因?yàn)椴煌恋馗采w的動力和熱力性質(zhì)存在差異,導(dǎo)致地氣相互作用中能量的重新分配[29]。綠洲區(qū)農(nóng)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(qū),使得蒸散發(fā)表現(xiàn)出顯著的空間異質(zhì)性。

由于MODIS ET數(shù)據(jù)集對于無植被覆蓋的裸土、沙漠、戈壁等區(qū)域的蒸散發(fā)量不進(jìn)行計(jì)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(qū)域的ET值設(shè)置為NoData,且不計(jì)入面積統(tǒng)計(jì)范圍。

圖4 2001年和2013年西北干旱區(qū)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(qū)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(fā)量的區(qū)域分異特征

運(yùn)用變異系數(shù)法分析西北干旱區(qū)ET的空間格局變異性(圖6),將研究區(qū)像元尺度的變異系數(shù)CVET分為5級(表3)。可以看出,全區(qū)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(qū)蒸散發(fā)的變異程度不明顯。各亞區(qū)內(nèi)波動較低區(qū)的面積百分比依次為：北疆(60.482%)>天山(50.667%)>祁連山(25.54%)>內(nèi)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(fā)呈高波動變化(CVET>0.20),因?yàn)樵搮^(qū)域?qū)儆诘湫偷母吆０胃珊瞪鷳B(tài)脆弱區(qū)[30],分析2000—2014年西北干旱區(qū)和昆侖山區(qū)降水量的變化(圖7)發(fā)現(xiàn),昆侖山區(qū)降水量的變化幅度明顯大于全區(qū)。年降水量變化較大,使得蒸散發(fā)表現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)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(diǎn)狀高波動變化區(qū)域,這是因?yàn)榫G洲面積擴(kuò)大、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和種植品種變化等人為因素引起綠洲NDVI的波動[31],導(dǎo)致區(qū)域蒸散發(fā)的高波動變化.

表3 西北干旱區(qū)ET值的變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖6 2000—2014年西北干旱區(qū)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(qū)和昆侖山區(qū)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(fā)量的時(shí)間變化特征

為說明西北干旱區(qū)蒸散發(fā)量隨時(shí)間變化的特點(diǎn),將2000—2014年MODIS ET的區(qū)域均值作一元線性回歸分析(圖8)。15年間,全區(qū)蒸散發(fā)量大致穩(wěn)定分布在225—285 mm之間,其中最小值出現(xiàn)在2008年(224.69 mm),最大值出現(xiàn)在2003年(282.13 mm)。各亞區(qū)中,祁連山和天山蒸散發(fā)量相對較高,最大值分別出現(xiàn)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(nèi)蒙古西部亞區(qū)蒸散發(fā)量最小,穩(wěn)定在117.71 mm(2013年)至165.90 mm(2003年)之間。

近15年全區(qū)年均蒸散發(fā)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(qū)的ET在時(shí)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(nèi)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(jié)合Theil-Sen median趨勢分析與Mann-Kendall檢驗(yàn)的結(jié)果,得到2000—2014年全區(qū)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(jù)β值的計(jì)算結(jié)果,分為增強(qiáng)趨勢(β>0)和衰減趨勢(β<0)兩類；在Mann-Kendall檢驗(yàn)中選取顯著性檢驗(yàn)的置信水平為0.05,將結(jié)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(qū)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(qū)蒸散發(fā)變化趨勢以減小為主,各亞區(qū)ET減小程度為：內(nèi)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(qū)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(qū)ET值的變化趨勢統(tǒng)計(jì)

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(fā)有顯著增加趨勢。這是因?yàn)橐陨狭饔蚓懈呙芏鹊木G洲農(nóng)業(yè)發(fā)展,土地覆蓋的變化影響地表蒸散過程的信息鏈。結(jié)合研究區(qū)代表年份的土地覆蓋類型空間分布(圖4)和轉(zhuǎn)移矩陣(表5),分析區(qū)域蒸散發(fā)量對土地覆蓋變化的響應(yīng)。結(jié)合表6可以看出,2001—2013年,綠洲邊緣的草地和稀疏植被區(qū)演變?yōu)檗r(nóng)用地,導(dǎo)致草地凈減少16569.63 km2,稀疏植被區(qū)凈減少6366.32 km2,而農(nóng)用地凈增加22935.95 km2。稀疏植被演變?yōu)檗r(nóng)用地的區(qū)域,平均蒸散發(fā)量增加了82.41 mm,草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)用地的區(qū)域,平均蒸散發(fā)量亦增加了62.77 mm。這是因?yàn)槿斯す喔鹊母仄渫寥罎穸群椭脖桓采w度都高于同氣象條件下的草地和稀疏植被區(qū),故伴隨著農(nóng)用地?cái)U(kuò)張的進(jìn)程,以上流域的蒸散發(fā)都有顯著增加趨勢。

同時(shí),天山山地和平原過渡帶的蒸散發(fā)為顯著減小趨勢。這是因?yàn)榈乇韺?shí)際蒸散發(fā)亦受植被覆蓋變化的影響,據(jù)相關(guān)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(qū)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(qū)土地覆蓋類型轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表6 2001—2013典型土地覆蓋演變區(qū)域蒸散發(fā)量的變化/mm

3.5 蒸散發(fā)量的預(yù)測

分析2000—2014年全區(qū)ET的Hurst指數(shù)空間分布圖(圖10),研究ET變化趨勢的復(fù)雜度及對未來變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。全區(qū)ET的Hurst指數(shù)均值為0.689,Hurst指數(shù)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(qū)蒸散發(fā)的正向持續(xù)性較強(qiáng),即未來的變化狀況與過去一致。

圖10 2000—2014年西北干旱區(qū)ET的Hurst指數(shù)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(xù)性,將2000—2014年ET的變化趨勢結(jié)果與Hurst指數(shù)結(jié)果進(jìn)行疊加分析,得到變化趨勢與持續(xù)性的耦合結(jié)果(圖11、表7),全區(qū)各預(yù)測類型的面積比重依次為：持續(xù)性輕微減小(37.922%)>無法確定(22.003%)>持續(xù)性輕微增加(20.783%)>持續(xù)性顯著減小(14.282%)>持續(xù)性顯著增加(5.01%),即西北干旱區(qū)未來ET變化趨勢以持續(xù)性減小為主.各亞區(qū)內(nèi)ET未來的變化趨勢減小程度為：內(nèi)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(qū)22.003%的區(qū)域未來變化趨勢無法確定,主要分布在阿爾泰山南坡、準(zhǔn)噶爾盆地北部,該區(qū)域未來蒸散發(fā)的變化狀況需要持續(xù)關(guān)注。

圖11 西北干旱區(qū)ET的預(yù)測Fig.11 The predictions for the future of evapotranspiration in arid region of Northwest China

表7 西北干旱區(qū)ET預(yù)測的類型統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)基于水量平衡法評估了MOD16A3產(chǎn)品在西北干旱區(qū)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(chǎn)品的模擬值總體偏高,但其精度基本滿足區(qū)域尺度的研究。

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

(3)區(qū)域分異特征方面,15年間西北干旱區(qū)蒸散發(fā)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(qū)內(nèi)波動較低區(qū)的比例為：北疆(60.482%)>天山(50.667%)>祁連山(25.54%)>內(nèi)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(fā)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(kuò)大、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和種植品種變化等人為因素有關(guān)。

(4)在時(shí)間序列上,近15年西北干旱區(qū)年均蒸散發(fā)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(qū)的減小趨勢程度各異：天山 (-2.9116 mm/a) >內(nèi)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(qū)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(fā)有顯著增加趨勢,與土地覆蓋演變有關(guān)。天山山地和平原過渡帶的蒸散發(fā)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(yù)測方面,西北干旱區(qū)ET的Hurst指數(shù)均值為0.689,Hurst指數(shù)大于0.5的范圍所占比例為80.033%,表明全區(qū)蒸散發(fā)未來的變化狀況與過去一致。具體來講,各預(yù)測類型的面積比重為：持續(xù)性輕微減小(37.922%)>無法確定(22.003%)>持續(xù)性輕微增加(20.783%)>持續(xù)性顯著減小(14.282%)>持續(xù)性顯著增加(5.01%),即未來全區(qū)的ET變化趨勢以持續(xù)性減小為主。其中22.003%區(qū)域的變化趨勢無法確定,主要分布在阿爾泰山南坡、準(zhǔn)噶爾盆地北部,該區(qū)域未來蒸散發(fā)的變化狀況需要持續(xù)關(guān)注。各亞區(qū)的空間異質(zhì)性分析中,減小趨勢為：內(nèi)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(shù)據(jù)集的反演算法考慮了土壤表面蒸發(fā)、冠層截流水分蒸發(fā)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(yàn)證,該產(chǎn)品的模擬值總體偏高,但其精度基本滿足區(qū)域尺度的研究。因此,高空間分辨率的MODIS ET數(shù)據(jù)集可以被用于揭示區(qū)域蒸散發(fā)的時(shí)空動態(tài)特征,尤其在觀測站點(diǎn)稀疏的西北干旱區(qū)。

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

(3)受人類活動和氣候變化的共同影響,2000—2014年全區(qū)蒸散發(fā)以相對較低的波動變化與中等波動變化為主。西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域發(fā)展了典型的綠洲農(nóng)業(yè),土地覆蓋演變、綠洲面積擴(kuò)大、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和種植品種變化均會引起蒸散發(fā)的波動；除人類活動,氣候變化對蒸散發(fā)的分異亦產(chǎn)生深刻影響,尤其是生態(tài)環(huán)境脆弱的高寒山區(qū)。氣候變化背景下的地表蒸散發(fā)響應(yīng)[15,17- 18]和中國陸地蒸散發(fā)的時(shí)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(yōu)勢：根據(jù)自然地理差異,將西北干旱區(qū)分為6個(gè)亞區(qū),分析不同尺度的蒸散發(fā)時(shí)間變化和分異特征,揭示了空間異質(zhì)性,得出蒸散發(fā)波動變化在6個(gè)亞區(qū)內(nèi)程度不一的結(jié)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(nèi)蒙古西部以中等波動變化占主導(dǎo)。西北干旱區(qū)“山地—綠洲—荒漠”系統(tǒng)自然要素的分異特征十分鮮明,在全球干旱區(qū)具有很強(qiáng)的代表性。本研究的結(jié)論,對認(rèn)識干旱區(qū)內(nèi)部不同干濕背景下蒸散發(fā)的異質(zhì)性提供了參考。

(4)2000年以來西北干旱區(qū)大部分區(qū)域蒸散發(fā)有微弱的減小趨勢,變化率為-0.9348 mm/a,這與區(qū)域降水變化有一定聯(lián)系。據(jù)陳亞寧等[36]的研究,最近10年,西北干旱區(qū)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(jì)90年代表現(xiàn)為減少趨勢。降水量降低使土壤水分減少,導(dǎo)致西北干旱區(qū)實(shí)際蒸散發(fā)量減少。本研究與Nature[3]上發(fā)表的由于水分供給不足導(dǎo)致的全球陸面蒸散發(fā)呈下降趨勢的結(jié)論是一致的。與楊秀芹等[35]利用GLEAM遙感模型計(jì)算中國1980—2011年地表蒸散發(fā),得到的西北西部地表蒸散發(fā)量存在下降趨勢有較好的一致性。本研究對西北干旱區(qū)蒸散發(fā)的變化趨勢增加了定量的分析,為認(rèn)識全球變化和人類活動共同驅(qū)動下的干旱區(qū)蒸散發(fā)變化研究提供了一定參考。

(5)未來,全區(qū)蒸散發(fā)持續(xù)減小的面積比重近一半,各亞區(qū)的減小趨勢依次為：內(nèi)蒙古西部>天山>河西走廊>北疆>祁連山>南疆。這種持續(xù)減小的變化趨勢,對綠洲、沙塵暴和湖泊等干旱區(qū)特殊的生態(tài)環(huán)境要素造成影響[10]。蒸散發(fā)量的減小,對高山草原和綠洲灌溉農(nóng)業(yè)等有有利的影響,同時(shí)也能夠緩解荒漠綠洲過渡帶的退化。隨著區(qū)域氣候系統(tǒng)的變化和人類活動干預(yù),蒸散發(fā)減小的趨勢是否會持續(xù)發(fā)展,干旱區(qū)水文循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)和地表過程將如何響應(yīng),尤其是對荒漠生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和修復(fù)將產(chǎn)生怎樣的影響,需要全面的、長序列的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)劃項(xiàng)目課題(2012BAC23B01)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201301103)；新疆維吾爾自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(XJGRI2015019)；國家國際科技合作項(xiàng)目(2010DFA92720-12)

2016- 01- 27; 網(wǎng)絡(luò)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(qiáng).中國西北干旱區(qū)蒸散發(fā)時(shí)空動態(tài)特征.生態(tài)學(xué)報(bào),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.