闫宇会，薛宝林,2，张路方，李占杰,2

(1.北京师范大学水科学研究院，北京 100875；2.城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京 100875)

蒸散发作为水文循环过程中不可获取的一部分，与能量平衡有着密不可分的关系，同时是研究气候变化、水热平衡的关键环节。在水资源调配、农业管理、植被分析等方面，估算蒸散发都非常重要[1]。分析研究干旱地区的蒸散发是具有重要意义的，Rosenberg等曾表示，在干旱地区，地表储水量的相当大一部分会通过蒸散发重新进入水文循环[2-4]。蒸散发分为实际蒸散发(AET，Actual Evapotranspiration)和潜在蒸散发(PET，Potential Evapotranspiration)。实际蒸散发(AET)主要由气候因素驱动，由植被和土壤特征介导，并受可用水量的限制，被认为是水文循环中最复杂的组成部分。潜在蒸散发(PET)表示能够从土壤中蒸发并从特定表面的植被中蒸发出来的最大水量，在干旱地区，PET是评估气候变化和水资源空间分布的重要指标[5]。

蒸散发的定量分析会受到气象条件、辐射条件、下垫面条件等多种因素的影响，因此观测较为困难。传统的蒸散发观测方法主要有蒸发皿、涡度相关法和土壤水平衡法等，这些方法通常是在“点”尺度上进行研究; 由于受多方面因素的影响，这些仪器或方法很难在较大的区域进行蒸散发观测和计算[6]。近年来遥感技术开始在多个领域、多个行业应用，蒸散发研究也不再仅仅局限于气象站点，而是向大流域和大尺度的研究转变，通过遥感技术来进行蒸散发研究也成为了水文研究中较为常见的一种手段[7]，同时国内外也出现了大批学者通过遥感数据来进行蒸散发研究[8]。2011年美国NASA团队基于Penman-Monteith遥感模型和MODIS数据研发发布了全球陆地蒸散发数据集产品( MOD16)，该产品由全球通量塔台数据验证，模拟精度达到86%[9-13]，在全球范围得到了广泛应用。国内研究人员基于MOD16产品，在不同的尺度上对我国的塔里木河流域、汉江流域、澴河流域等地区检验了该产品的应用精度，深入讨论了我国近年来的区域蒸散发时空分布特征，都取得了比较好的效果。

黑河流域远离海洋，气候干燥，降水稀少，尤其是下游区域，大部分地区为沙漠戈壁所覆盖，植被状况极差，缺水问题严重限制了当地经济的发展。同时，黑河流域的河西走廊地区也是“一带一路”政策的重要战略通道。因此，研究黑河流域的蒸散发时空分布规律，科学预测黑河流域的蒸散发变化趋势，对水资源评价和合理开发利用有重大意义[14]。本文以黑河流域为研究区，以2001-2017年500 m分辨率的MOD16产品为数据源，针对黑河流域AET、PET在时间和空间尺度上的分布情况，分别研究了年际、年内月和年内季尺度下的分布特征，目的是探寻其内在变化规律，为保证该地区水资源的合理利用提供一定的参考。

1 研究区概况

黑河流域大致介于98°～101°30′E，38°～42°N之间，为甘蒙西部最大的内陆河流，是我国西北地区第二大内陆河流域，流域面积约13 万km2。黑河发源于祁连山区，流入东居延海，跨越了青海省、甘肃省、内蒙古自治区3个省份，对河西走廊地区的经济发展有着重要贡献[15]。

黑河上游为莺落峡以上，河道长303 km，上游面积达1 万km2，此区间内山高谷深，为祁连山区，河床比降较大，气候阴冷，多年平均气温不足2 ℃，年降水量可达350 mm，是黑河的产流区域。中游为莺落峡至正义峡之间的区域，河道长185 km，面积为2.56 万km2，此区域地势平坦，光热资源充足，但干旱严重，年降水量为140 mm，年蒸发能力达1 410 mm，为流域内的主要耗水区域。下游区域为正义峡以下，河道长333 km，面积为8 万km2，除河流两岸附近及居延海三角洲外，大部分地区为沙漠戈壁所覆盖，年降水量只有47 mm，年蒸发能力高达2 250 mm，属于极端干旱区域，是沙尘暴的主要源区之一[16]，如图1所示。

图1 黑河流域主要气象站点及土地覆盖类型

2 数据来源与方法

2.1 数据来源和处理

MOD16数据集产品包括实际蒸散发(AET)、潜在蒸散发(PET)、潜热通量(LE)、潜在潜热通量(PLE)，空间分辨率有1 km、500 m和250 m，时间分辨率有8 d合成、月合成和年合成。MOD16蒸散发产品的下载地址为http:∥www.ntsg.umt.edu。根据MOD16产品数据在中国区域的行列号排列情况，选择研究区的行列号为h25v04和h25v05，时间分辨率为8 d合成，空间分辨率为500 m，其中涵盖了黑河流域2001-2017年共18 a的数据。

在处理数据时，首先借助了相关的软件，将原始数据由HDF格式转换成栅格格式，随后利用ENVI和Arcgis软件进行了坐标系转换、拼接、裁剪，接着把没有用的数值都删除，留下了有用的数值，最终得到了研究区域月尺度下的AET和PET值。

土地利用数据来源于资源环境数据云平台的1 km土地覆盖图，利用ENVI与ArcGIS平台，将研究区土地利用类型归并为林地、草地、耕地、水体、城镇用地和未利用土地6个一级地类。

气象数据包括2001-2017年黑河流域12个气象站点实测的蒸发皿数据，来源于中国气象数据网http:∥data.cma.cn/。蒸发皿数据主要用于检验黑河流域的MOD16蒸散量数据的准确性，本研究选取了黑河流域的额济纳旗、马鬃山、玉门、鼎新、金塔、酒泉等12个气象观测站的2001-2017年月时间序列的蒸发皿数据，使用MOD16-PET数据进行了验证。

2.2 研究方法

2.2.1 MOD16精度检验方法

通常情况下，使用气象站点或者涡动站的实测数据对遥感数据进行验证，验证的尺度有所不同，精度也会有所不同。因为气象站和涡动站都是“点”尺度的，所以大多数情况下都是基于“点”尺度来进行验证[17]。如果是基于“面”尺度来进行验证，对各方面要求都比较多[18]。本文是将气象站点的蒸发皿数据与MOD16-PET数据进行比较分析，验证MOD16数据的精确性。因为要研究长时间序列的数据，为保证测量数据的精确性，本文选择了12个气象观测站的2001-2017年月时间序列的蒸发皿数据，剔除了无效值和不连续值，通过插值延补获得了缺失值。然后获得了站点所在栅格区域的MOD16蒸散发数据的数值，对站点的实测蒸发量与MOD16-PET的逐年月平均值进行了相关性分析。

从图2可以看出，蒸发皿实测蒸散发和MOD16-PET的拟合效果非常好，12个站点都表现出较好的相关性，相关系数均在0.8以上。表明MOD16-PET产品与气象站实测蒸散发相关性较大，因此该可以用于分析和探讨黑河流域蒸散发的时空变化研究。

图2 MOD16 潜在蒸散发(PET)与各气象站点实测值逐年每月相关性分析图

2.2.2 蒸散发年际变化分析方法

进行年际变化评估本文采用线性趋势法[19,20]，利用以下公式计算每个像元2001-2017年的蒸散发线性倾向率(K)：

(1)

式中：K为线性倾向值；n为需要计算年份的数量(n=17)；i为具体计算的年份；ETi为第i年的MOD16数据的AET/PET值；K为正表示ET随时间i的增加而增加；K为负表示ET随时间i的增加而减少[19]。

3 结果与分析

3.1 流域AET和PET的空间分布特征

黑河流域2001-2017年平均AET和PET的空间分布特征如图3和图4所示，表现出鲜明的东西差异和南北差异。黑河流域多年平均AET值的空间取值范围为79.88～509.22 mm，表现出由南向北递减的趋势，多年平均PET值的空间取值范围为338.55～1 876.75 mm，表现出由南向北递增的趋势，两者的增减分布趋势刚好相反。南部祁连山区，夏季降水充沛，温差变化大，蒸发强烈，故AET值明显高于流域其他区域，区域均值为372.68 mm，但因祁连山区海拔较高，平均气温相对不高，故PET值相比流域其他区域较低，区域均值为1 002.08 mm。中部的河西走廊地区相比南部地区气候较为干旱，降水量由东向西逐渐减少，干燥度增加，但因其适宜的温度条件，再加上有祁连山区的融雪做水源补充，产生了大面积的绿洲，故该区域的AET和PET水平都保持在一定的范围，AET区域均值为149.73 mm，PET区域均值为1 196.31 mm。北部大部分区域属于内蒙古自治区额济纳旗，这里降水少、蒸发强烈，除黑河沿岸和居延海周围存在少量绿洲外，所有区域均被沙漠戈壁所覆盖。由于MOD16产品覆盖范围为有植被区域，所以在图3中黑河下游大范围的荒漠戈壁区域为空白，没有数据，而额济纳绿洲区域因深处大漠腹地，AET值相对较低，区域均值只有89.56 mm，PET值相对较高，区域均值为1 678.03 mm。

图3 黑河流域实际蒸散发(AET)多年平均值空间分布特征

图4 黑河流域潜在蒸散发(PET)多年平均值空间分布特征

流域内不同土地利用类型影响着水文循环情况，不同土地利用类型下的PET和AET也存在明显的差异，为了进一步探究不同土地利用类型对流域蒸散发的影响，本文根据已下载的土地利用数据进一步将黑河流域分为了耕地、林地、草地、城镇用地和未利用土地，所占流域面积分别为3.91%、4.16%、23.21%、0.36%、68.36%。多年平均AET由大到小依次为林地(321 mm)>草地(301 mm)>耕地(267 mm)>城镇用地(261 mm)>未利用土地(248 mm)，林地的AET值相比其他几种土地类型较大；不同土地利用类型下的多年平均PET没有明显差异，由大到小依次为未利用土地(1 193 mm)>城镇用地(1 180 mm)>耕地(1 177 mm)>草地(1 150 mm)>林地(1 134 mm)。通过对AET和PET数值的对比分析，有植被覆盖区域的AET值要明显高于无植被覆盖区域的AET值，PET值则要低一些，说明植被对区域的蒸散发情况有明显的影响。

3.2 流域AET和PET的时间分布特征

黑河下游区域除河流沿岸和额济纳三角洲以外，大部分为沙漠戈壁，植被稀少，年蒸发能力极大，属于极端干旱区，因植被较少，下游区域的MOD16蒸散发数据大部分处于空缺状态，只有额济纳三角洲和河流沿岸存在少量数据，故本文的AET、PET时空变化特征分析更针对于黑河上中游流域。

3.2.1 流域AET和PET的年际变化时空特征

通过对MOD16数据的分析，如图5所示，可以看出2001-2017年黑河流域的AET、PET年际波动情况并不是十分明显。AET波动范围为222.08～352.11 mm，多年平均AET值为292.01 mm，最大值在2017年约为352.11 mm，最小值在2001年约为222.08 mm。AET空间年变化率介于-60.9～55.9 mm/a，年AET变化最为突出的年份是2002年和2008年，相对变化率分别为25.17%和-19.96%。PET波动范围为1 084.61～1 206.69 mm，多年平均PET值为1 146.56 mm，最大值在2004年约为1 206.69 mm，最小值在2017年约为1 084.61 mm。PET空间年变化率介于-68.34～79.62 mm/a，年PET变化最为突出的是2004年和2014年，相对变化率分别为7.06%和-5.72%。如图6所示，2001年以来，黑河流域(主要为上中游)的AET变化较小，中游河西走廊东部地区有轻微的增加趋势，其他地区的变化范围都比较小，表明2001年以来黑河流域的植被覆盖状况无太明显的变化。如图7所示，黑河流域PET变化趋势不明显，除上游少部分地区的PET有轻微增加，其他地区均无显著变化。总体来说，PET与AET的差值表现为减少趋势，表明黑河流域的干旱情况在2001年以后有好转的倾向。

图5 2001-2017年黑河流域实际蒸散发(AET)、潜在蒸散发(PET)年际变化图

图6 2001-2017年黑河流域年际实际蒸散发(AET)变化趋势图

图7 2001-2017年黑河流域年际潜在蒸散发(PET)变化趋势图

3.2.2 流域AET和PET的年内月变化时空特征

本文在月尺度上对黑河流域AET、PET变化进行了分析，处于先增大后减小的单峰型变化趋势，如图8所示，一年中AET最大值出现在7月约为161.34 mm，最小值出现在10月约为65.09 mm，4-7月处于快速增长期，7月开始下降，10月到次年3月间变化不明显，期间AET平均值约为77.62 mm，这种变化规律符合当地的水文气象规律。一年中PET最大值出现在7月份约为643.34 mm，最小值出现在12月份约为143.34 mm，2-7月处于快速增长期，7月开始下降，10月到次年1月波动比较平缓，期间PET平均值约为173.95 mm，这与一年内的气温变化有明显的关联，有文献证实温度在很大程度上会影响PET变化[17]。

图8 多年平均黑河流域实际蒸散发(AET)、潜在蒸散发(PET)年内变化图

同时，如图8所示，PET与AET之间的差值也呈现出先增加再减少的单峰型趋势，尤其在3月以后，PET与AET之间的差值明显增大，随后在6月份两者之间的差值达到最大值约为492.56 mm，最小差值在12月份约为73.26 mm。每年的11月到次年的1月份属于黑河上中游流域的植被水资源储存期，这个时期降水量很少，植被需水量极少，植被蒸散发量也并不多，故而此间PET与AET之间的差值也相对较小。每年的2-4月，属于黑河流域的天然植被萌发期，2月起温度升高，此期间植被开始抽芽，需水量开始逐渐增加，故而PET与AET之间的差值有了明显的增大。每年的4-9月是黑河流域的植被生理需水期，从河西走廊的骆驼刺到额济纳旗绿洲美丽的胡杨，这些植物的关键需水期都集中在4-9月，因此期间的差值也比较大，同时也是黑河流域整体上最为缺水、干旱的时期。

3.2.3 流域AET和PET的年内季变化时空特征

除了在年内月尺度上对流域的AET和PET进行了分析，本文还在年内季尺度上对流域的AET和PET进行了分析，把一年划分为春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)和冬季(12-次年2月)4个季节。其中，AET的各季节多年均值分别为249.54、436.18、248.05、234.35 mm，春、秋、冬三季AET无明显差值，季节相对变化率大小分别是夏季>秋季>春季>冬季，因为黑河流域属于干旱半干旱地区，四季少雨，蒸发剧烈，一年中仅有的降雨也集中夏季，故而夏季相对其他三季有较为明显的均值变化。同时，PET的各季节多年均值分别为1 329.03、1 805.10、926.82、525.28 mm，从季节相对变化率来看，相对变化率大小分别是春季>秋季>冬季>夏季，PET较大的季节主要为春季和夏季，因为此间刚好属于流域的植被抽芽和生长繁茂期，故而春夏两季的PET较大。

同时，AET与PET之间的差值各个季节分别为1 079.49、1 368.98、678.77和290.93 mm，差值由大到小依次是夏季>春季>秋季>冬季，夏季春季差值相对秋冬两季有明显的增加，这符合黑河流域四季分明、具有春旱、夏季最为干旱缺水的气候特点。从变化趋势来看，春季AET和PET都处于急剧增加趋势，但差值也比较大，证明春季是该流域的第一个需水高峰期，植被抽芽生长急需用水，但因降水不足导致了春旱现象；夏季该流域的地表温度和太阳辐射强度都达到了峰值，降水较为充沛，同时植物的蒸腾作用和土壤蒸发作用较为剧烈，故而AET和PET都达到了最大值；秋季降水减少，气温下降，植物的蒸腾作用和土壤蒸发作用较弱，故两者处于减少趋势；而冬季植被凋零，蒸腾作用几乎没有，降水量也极小，故AET和PET在冬季达到了最低值。

从多年的季节变化趋势来看，如图9和图10所示，对于AET变化，黑河中游的河西走廊的大部分地区夏季有增加趋势，对于PET变化，除黑河中游部分区域夏季有增加趋势外，其他区域和季节无显著变化。这证明2001年以来，黑河流域尤其是黑河中游地区植被覆盖情况明显好转，植被数量在增加，导致了AET和PET产生了不同情况的增加趋势。

图9 2001-2017年黑河流域季实际蒸散发(AET)变化趋势图

图10 2001-2017年黑河流域季潜在蒸散发(PET)变化趋势图

4 结 论

本文利用MOD16产品，通过数据分析，在时间和空间尺度上探究了黑河流域2001-2017年期间的AET、PET的变化情况。主要结论如下：

(1)黑河流域2001-2017年平均AET、PET具有明显的空间分布特征，两者的空间分布格局表现出鲜明的南北差异和东西差异，且AET、PET值的增减分布趋势刚好相反。南部祁连山区，水分充沛，故AET值明显高于流域其他区域，区域均值为372.68 mm，而PET值比较低，均值为1 002.08 mm。中部的河西走廊地区水分相对充足，存在成面积的绿洲，AET和PET水平都保持在一定的范围，AET均值为149.73 mm，PET均值为1 196.31 mm。北部区域除黑河边和居延海周围存在少量绿洲外，所有区域均被沙漠戈壁所覆盖，AET值比较低，区域均值只有89.56 mm，PET值相对较高，均值为1 678.03 mm，表明水分条件较差，存在干旱缺水现象。

(2)本文对不同土地利用类型进行了分析，对于多年平均AET值，林地最大，其次为草地、耕地、城镇用地，未利用土地最小；对于多年平均PET值，未利用土地最大，其次为城镇用地、耕地、草地，林地最小。总体来说，植被覆盖对AET值的影响要明显高于对PET值的影响，说明植被对区域的蒸散发情况有明显的影响。

(3)2001-2017年黑河流域AET、PET年际波动变化不大，AET波动范围为222.08～352.11mm，多年平均AET值为292.01 mm，PET波动范围为1 084.61～1 206.69 mm，多年平均PET值为1 146.56 mm。黑河流域多年平均AET与PET之差较大，证明流域大部分区域还是处于干旱的状态。在年内月尺度上，黑河流域AET、PET分布都为单峰型变化趋势，先增大再减小，峰值均处于7月，11至次年2月变化都较为平缓，5-7月都是AET与PET差值较大的月份，证明黑河流域在这三个月份处于比较干旱的状态。黑河流域AET、PET的季节变化也处于先增后减的趋势，夏季是AET与PET差值最大的季节，春季其次，证明流域夏季最为干旱缺水，具有春旱的气候特点。