基于MOD16A2的毛乌素沙地实际蒸散量时空稳定性模拟

刘 静，刘铁军，杜晓峰，吴永胜，包玉龙

(1.水利部牧区水利科学研究所，内蒙古呼和浩特010020;2.内蒙古师范大学，内蒙古呼和浩特010020)

毛乌素沙地主要覆盖鄂尔多斯高原西部和陕北长城沿线区域，是以草原和农牧交错区为主的生态脆弱过渡带。毛乌素沙地在气候(蒙古-西伯利亚反气旋中心向东南季风区)、区域(干旱向半干旱区)、景观(沙漠向黄土高原)、土壤侵蚀类型(风蚀向水蚀)等自然特征方面均表现出了明显的过渡性［1］。毛乌素沙地气候干燥、降水稀少、蒸发强烈、植被类型单一、生态环境脆弱，导致沙尘暴强度和频次不断增加，生态环境恶化。该区长期干旱少雨，降雨量远远小于地面渗透量，地表水系不发达，地下水也较贫乏，且分布不均，导致区内植被覆盖度较低。沙地内土地荒漠化发展迅速，对西部地区环境造成严重危害，因此一直以来毛乌素沙地都是中国荒漠化研究专家和学者关注并致力于长期研究的热点地区［2］。

蒸散发(Evapotranspiration，ET)是水量平衡、能量平衡、水循环的重要过程，主要包括土壤表面和植物冠层的蒸发、蒸腾。全球陆地降水约60%以蒸散形式返回大气，在降水较少的干旱地区达到90%［3］，因此在毛乌素沙地ET是水分流失的主要途径。科学量化ET并清楚地认识ET的时空动态，对于合理利用毛乌素沙地稀有的水资源、促进沙区生态环境平衡意义重大。自从1802年Dalton提出蒸散发的计算公式后，世界各地专家学者开始对蒸散发进行广泛的研究［4-8］，随着研究的不断深入，蒸散发的计算方法也在不断增多，其中以经验法和物理模型法为主。其中最具影响力的是将表面抗阻概念融入计算非饱和下垫面蒸散发公式，形成了Penman-Monteith公式，该公式作为蒸散发计算的经典算法直到现在仍然被广泛应用。我国利用遥感影像估算区域蒸散发的研究基本开始于20世纪80年代，现今也取得了很多研究成果。如马宏伟等［9］都分别利用不同尺度的遥感数据反演了生态需水。传统的蒸散发监测、计算无法准确地对土壤及植被的实际蒸散发进行监测，其监测尺度也只是局限于“点”的小尺度范围，而大尺度空间的研究能够更加宏观地反映出区域的一些变化特征及规律。大尺度界面的非均匀性，使得遥感这一先进的手段在观测或模拟的诸多方法中更具优势，同时也促进了区域ET的研究［10-13］。近年来，随着遥感数据及技术的广泛应用，遥感反演ET已经成为生态、水文等相关学科热点问题，其尺度也可以实现上推到“面”的大尺度范围。

本文运用MOD16-ET产品数据，空间分辨率1 km，统计并分析毛乌素沙地ET时空变化特征及空间稳定性模拟(数据精度通过验证)，结论为沙地生态修复及植被需水的高效利用提供参考依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区选取整个毛乌素沙地，其中包括毛乌素的内蒙古部分、陕西榆林地区的北部及宁夏回族自治区的一小部分，主要包括鄂托克旗东南部、鄂托克前旗、乌审旗以及伊金霍洛旗南部、陕西榆林地区的北部以及宁夏回族自治区盐池县的东北部。由于毛乌素沙地的北部边缘已经扩大到乌审旗北部和伊金霍洛旗西北部，并与库布齐沙漠连接，而且沙漠化面积在纬度上现已向北扩展到 39°30＇，所以研究区地理位置选择了 107°20＇～111°30＇E，37°25＇～39°30＇N，其他界线用行政界线界定，研究区面积为 39 835 km2［14］。

1.2 数据来源

蒸散产品(MOD16)从http://www.ntsg.umt.edu/project/mod16下载。蒸散数据采用MOD16蒸散产品数据。MOD16A2数据分辨1 km，扫描周期为8 d，时间尺度为天、月、年，可下载分析全球植被覆盖区域的蒸散量、潜在蒸散量、潜热通量、潜在潜热通量数据。本次下载时间为2000—2014年，时间尺度为月，单位为每月0.1 mm的蒸散量(ET)数据。

1.3 数据处理

MOD16产品是采用分级数据格式(HDF，Hierarchical Data Format)、正弦曲线投影存储的，因此首先需要利用NASA提供的MODIS Reprojection Tool(MRT)软件转换为GeoTiff格式文件，并进行投影转换、轨道镶嵌和重采样等操作。本次提取ET之后在ERDASIMAGINE 2013中进行空间建模，计算多年ET年均值和月均值后生成图像;利用毛乌素沙地的矢量边界图，切割出本次研究区范围。在ARCGIS10系统中，制作毛乌素沙地2000—2014年的年、月ET平均分布图。

利用线性倾向斜率法对毛乌素沙地ET时空变化趋势进行分析。分析估算包括波动度和趋势线斜率值的计算。计算结果用相关系数的统计检验方法进行显著性趋势检验。计算依照公式(1)～(3):

式中，t为年份序列;i、j分别代表栅格图中的行与列;ETij表示图像中第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代表图像中第i行，第j列像元的标准差值;t表示时间序列［15-18］。利用上述公式计算出波动度，用来反映区域内各像元偏离均值的波动程度，其值越大表示波动越强烈，值越小则越稳定。

式中，S为线性趋势倾向程度，ET为蒸散量，t为监测时间段年限，n=15。当S＞0时，随时间t的增加，ET呈上升趋势;当S＜0时，随时间t的增加，ET呈下降趋势。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倾向程度。Sij是该像元在15 a的均值ET用一元线性回归模拟出的一个总的变化趋势，如果回归方程的相关系数通过信度为0.05或0.01的显著性水平(P＜0.05、P＜0.01)，则蒸散减小或增加趋势分别达到显著和极显著水平［19-24］。

线性倾向值用来分析毛乌素沙地ET随长时间序列整体发生变化情况。伴随长时间序列，ET空间分布格局会整体呈现上升或下降趋势，特别应注意在某时刻转折、突变点的出现，这些特殊时刻数据，往往在结果分析中具有重要价值。

将最终计算的波动度、线性倾向斜率值采用“自然间断点”分类法对波动度模拟数据进行分类，其分类原理是能够在数据序列中差异相对较大的的位置设定边界。该分类法优点是在较真实地保留原始数据性质的同时，对相似值进行了最恰当的分组，并实现了各类之间的差异最大化。

2 结果与分析

2.1 多年ET年际月均时空变化分析

图1为根据MOD16数据产品经过数据转换、镶嵌、裁剪后得到的毛乌素沙地ET多年月均分布情况。可以看出3月是全年ET量最低月份，该月在沙地的西部边缘最早出现0～10 mm以下ET，之后低ET范围逐渐向东部延伸，直至沙地，ET几乎全部下降至10 mm以下;之后东部开始零星出现ET上升区域。随着植被生长季节的到来，高ET由东部逐渐向沙地中部及南部扩展，尤其到了雨水充足植被生长旺盛的8月，东部大部分地区及沙地南缘等沙区治理好的地区，明显出现27.5 mm以上的ET，东部及南部边缘部分有地区ET达到30 mm以上。

从图2可以看出，毛乌素沙地冬春季节，ET呈下降趋势。15 a间多年月均ET从1月份的22.5～25 mm开始以平均53.24%的速率逐月下降，4月份到达最低点，此时整个毛乌素沙地92.23%ET量在10 mm以下。夏季沙地ET逐月上升，6月沙地植被开始返青，ET量微量增加，但仍以20 mm以下为主。盛夏是沙地植被生长最旺盛的时期，此时期降水增多，日照充足，水汽充沛，有利于蒸散，ET量迅速上升，20 mm以上ET量从 32.38%上升到76.80%。入秋后，降水减少，植被凋落，外界条件不利于蒸散，沙地ET迅速下降。10月沙地已提前进入冬季，气温降低，降雪较早，故ET仍有小幅上升，但25 mm以上高ET全部消失，80.1%蒸散区间分布在15～20 mm之间。11—12月沙地ET量上升幅度较大，最高达27.5 mm，12月份沙地98.36%的ET在22.5～27.5 mm。

综上可知，毛乌素沙地由于其特殊的地理位置和气候条件，ET多年月均空间分布差异明显，规律独特。多年月均呈现先增后减的双峰型分布曲线，两次峰值出现在9月和12月，最低值出现在3—4月。空间分布规律呈现东部高于西部，南部高于北部;随季节变换，ET呈现自西向东逐渐减少，继而又由东部向西部及南部逐渐增加的趋势。整个沙地全年ET东南部显著高于其余地区。有研究者曾对2000—2013年毛乌素沙地年均气温做过相关研究，发现沙地多年四季气温均匀上升，而冬季升温速率最快。冬季气候变暖，水热循环、蒸腾作用加强，植被生长季延长、物候期推迟，地表蒸发量也随之增大［25-27］。这也合理解释了沙地12月份ET出现峰值的原因。

2.2 多年ET年际时空变化特征分析

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

图2 毛乌素沙地多年蒸散量月变化Fig.2 Monthly variation of annual ET in Mu Us sandy land

图3显示了毛乌素沙地2000—2014年ET逐年变化过程，从图中可以看出2000—2014年间毛乌素沙地地表蒸散量的主要蒸散范围在17.5～22.5 mm之间。沙地南部始终出现高蒸散范围大于27.5 mm区域，而西北低蒸散范围始终在12.5 mm以下。这就说明毛乌素沙地多年ET平均值具有较强的空间分异性，呈现东部高于西部，南部高于北部，不同空间位置ET差异较大，层次分明，这一特征与沙地地表植被覆盖的地带性变化大体一致，蒸散量高的地方植被覆盖度也相对较高。分析具体原因可能是由于沙地东部和南部治理时间较长、措施完善，植被恢复情况良好，植被覆盖度高，多年平均蒸散量也最高，均在20 mm以上，零星有30 mm以上区域呈条状分布出现，应该为人工植被区。

时间分布上，毛乌素沙地15 a的蒸散分布呈逐年线性增大的趋势并不明显，有3个蒸散量明显超出多年平均值的年份(2002、2003、2012年);有4个明显低于多年平均值的年份(2000、2005、2006、2014年)，其余年份的蒸散量几乎相当。ET年际空间分布特征表明:近15 a毛乌素沙地ET的主要蒸散范围在17.5～22.5 mm之间。年均蒸散量波动范围为448.0～533.3 mm，多年平均蒸散量为年均493.3 mm。年蒸散量明显超出多年平均值的年份包括2002、2003、2012年，明显低于多年平均值的年份包括2000、2005、2006、2014 年，其余年份的蒸散量几乎相当。有研究者就2000—2013年毛乌素沙地年均降水量进行分析后得出结论，沙地14 a的年均降水呈波动性增加趋势:2000—2013年毛乌素沙地的年均降水量为359.59 mm，其中8 a(2001年、2002年、2003年、2007年、2008年、2011年、2012年和2013年)超过平均水平，尤其在2012年出现降水峰值，年均降水量达到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年出现降水低谷值，仅为 212.44 mm［18］。这个降水规律正好验证了本文的ET结论。

2.3 多年ET空间动态变化特征模拟分析

2.3.1 多年ET空间稳定性模拟及分析 图4和表1是经过波动值栅格计算、剔除极值、自然断点分区、标准差法分析得出的毛乌素沙地2000—2014年ET的稳定性模拟结果。将整个沙地的ET波动值分成4个ET波动区间(用T表示)，即微弱波动区域(-0.02＜T＜-0.03)、轻度波动区域(-0.03＜T＜0.02)、中度波动区域(0.02＜T＜0.07)、强烈波动区域(0.07＜T＜0.2)。由图4和表1可知，毛乌素沙地ET整体呈现西南部波动强烈而东北波动较缓、中部较为稳定的经向分布规律。各波动区间蒸散量的分布中，轻、中度波动居多，微弱波动和高波动次之，呈现稳定性地域差异大的特征。波动区间面积排序为:轻度波动＞中度波动＞强烈波动＞微弱波动。其中ET呈现极低波动区域面积占毛乌素沙地整个面积的15.83%，主要集中在西部和北部;轻度波动区域面积占33.67%，主要分布在沙地的中西部;中度波动区域面积最多占32.04%，遍布除西北以外的整个毛乌素沙地;强烈波动区域面积占18.46%，主要分布在沙地南缘和中东部，呈大斑块和粗条带状分布，应多为人工植被和造林区域。

2.3.2 多年ET空间线性变化趋势分析 图5和表2是采用线性趋势计算法，去除极值，等间隔划分区间后得到的毛乌素沙地近15 a的ET变化趋势结果。本次将变化趋势Slope值(以下用S表示)定义为严重减少(-33＜S＜-11)、轻微减少(-11＜S＜-2)、基本不变(-2＜S＜5)、轻微增加(5＜S＜13)、显著增加(13＜S＜47)5个等级。结果表明:研究期整个毛乌素沙地蒸散增加面积大于减少面积，其中增加区域占34.38%，轻微(P＜0.05)、显著(P＜0.01)增加面积各占18.46%和15.92%，这些区域主要位于沙地东南部的陕西境内，尤其在沙地东缘和南缘已经形成斑块区域，这与陕西省近年实施了大面积的生态治理工程，植被覆盖及气候条件明显改善有关。蒸散减少面积占28.49%，轻微减少(P＜0.05)是严重(P＜0.01)减少的2倍，减少区域主要位于毛乌素沙地内蒙部分的乌审旗和鄂托克旗境内，这两个旗县土壤、气候等自然条件较差，长期生态治理工程效果不明显，虽已有所改善，仍有待进一步加强。沙地28.13%变化趋势不明显，主要分布在沙地北部、中东部和西部，且形成连续大斑块，说明该地区近15 a来气候稳定，植被生长变化不大。

3 讨论与结论

本文采用MOD16蒸散产品数据，运用遥感图像处理系统和地理信息系统，对毛乌素沙地2000—2014年15 a间ET时空分布特征、波动度及变化趋势进行了模拟。主要结论如下:

图3 毛乌素沙地2000—2014年多年蒸散年际变化Fig.3 Annual variation of ET in Mu Us sandy land during 2000-2014

图4 毛乌素沙地2000—2014年ET年际波动程度Fig.4 The fluctuation degree of ET during 2000-2014 in Mu Us sandy land

表1 毛乌素沙地2000—2014年ET波动程度分类Table 1 Classification of the fluctuation degree of ET during 2000-2014 in Mu Us sandy land

图5 毛乌素沙地2000—2014年ET年际变化趋势Fig.5 The change trend of ET during 2000—2014 in Mu Us sandy land

表2 毛乌素沙地2000—2014年ET变化趋势分类Table 2 Classification of the variation trend degree of ET during 2000-2014 in Mu Us sand land

(1)2000—2014年毛乌素沙地ET时空分布规律具有显著的季节分异特征，冬春季节，ET呈下降趋势;夏秋季ET变化截然相反，出现先上升后下降的变化特征。15 a间，沙地4月份ET最低最干旱，总面积的92.23%在10 mm以下。9月和12月出现ET的两次峰值，整个沙地平均蒸散范围在22.5～27.5 mm之间。这与毛乌素沙地春季气温偏低，回暖较晚，而冬季气候变暖，植被生长季延长、物候期推迟的气候特点一致。

(2)2000—2014年毛乌素沙地ET的年际波动变化不大，呈现西南部波动强烈而东北部波动较缓，中部波动较为稳定的经向分布规律。主要年波动范围在448.0～533.3 mm之间，多年平均ET为年493.3 mm。ET明显超出多年平均值的年份有2002、2003、2012年，明显低于多年平均值的年份有2000、2005、2006、2014 年，其余年份ET几乎相当。这与研究区多年的降雨资料一致。说明MOD16A2数据可以用于研究区地表ET时空分布特征。

(3)2000—2014年毛乌素沙地整体ET增加趋势比例最大，约占34.38%;减少和不变趋势基本一致，各占28.49%和28.13%。增加趋势位于生态治理措施较好的陕西府谷县、神木县和内蒙的准格尔旗境内，这些旗县的沙漠治理经验丰富，治理效果优异，多数是水土保持治理的示范旗县;各县生态、气候条件优良，栽培植被广布。不变趋势在乌审旗境内，且有大片斑块形成，说明经过多年生态治理，区内植被生长和气候都比较稳定。减少趋势位于自然气候条件相对恶劣的鄂托克前旗、鄂托克旗和杭锦旗境内，以荒漠草原和大片沙漠为主，主要植被类型是蒿属类，乔、灌木仅零星分布，生态治理难度较大。总之，沙地15 a间整体的气候改善，干旱程度减轻。

毛乌素沙地由于候条件恶劣多变、监测条件较差，以往对ET的研究多基于气象观测资料和试验研究，这些研究虽有重要价值，但在研究范围上也仅是基于“点”尺度［28-29］。若将这些研究结果进行空间尺度扩展用于整个沙地ET计算，会引起较大误差。本文利用高分辨率MOD16蒸散产品，分析整个毛乌素沙地多年ET时空分布规律及变化趋势，可以弥补以往研究的不足。研究结果与毛乌素沙地多年气象资料、生态治理范围和区域治理效果相吻合，说明将MOD16蒸散产品用于研究区是可行的。但地表ET变化过程十分复杂，受地理、环境、气候、人为等因素影响较大。因此，在今后的研究中，本结论可作为基础资料，结合研究区的实际情况，深入分析探讨其他因素对ET的影响，为今后提出更适宜毛乌素沙地生态恢复的治理措施提供依据。