EN中文

Journal of Geo-information Science >

2018 , Vol. 20 >Issue 2: 217 - 227

DOI: https://doi.org/10.12082/dqxxkx.2018.170102

Orginal Article

Spatiotemporal Distribution and Variation Trend of Evapotranspiration in Ili River Valley

  • ADILAI Wufu ,
  • YUSUFUJIANG Rusuli , 1,2, * ,
  • REYILAI Kadeer 1,2 ,
  • JIANG Hong 1,2
Expand
  • 1. Institute of Geographical Science and Tourism, Laboratory of Information Integration and Eco-Security, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China
  • 2. Xinjiang Key Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Zone, Urumqi 830054, China
*Corresponding author: YUSUFUJIANG Rusuli, E-mail:

Received date: 2017-03-15

  Request revised date: 2017-07-19

  Online published: 2018-03-02

Supported by

National Natural Science Foundation of China, No.U1703341, 41764003, 41461006

Copyright

《地球信息科学学报》编辑部 所有
Fold

Abstract

Evapotranspiration (ET) plays an important role in the hydrological processes as it can substantially influence the amount and spatial distribution of water resources at regional scale. Quantitative estimation of spatiotemporal distribution and variation of surface ET is essential for understanding the hydrological cycle and water resources management. In this paper, the spatiotemporal characteristics and variation trend of ET and PET(Potential Evapotranspiration) are studied using MOD16 data during 2000-2014 in the"Wet Island of Tianshan Mountain"—Ili River valley, Xinjiang, China. The results showed that: (1) the accuracy of the MOD16-ET in Ili River valley can meet the requirements, and can be used to study the spatiotemporal distribution of surface ET; (2) the mean annual ET and PET were 392.35 and 1331.19 mm respectively, and ET/PET ratio fluctuates between 0.26 and 0.33. The low ratio of ET/PET indicates that the study area was affected by water deficit. The seasonal variation of ET and PET were a unimodal pattern in the growing season. ET/PET ratio was 0.29 in autumn, and the study area suffered drought in this period. Temperature was the main factor influencing the spatiotemporal distribution of ET and PET; (3) the spatial distribution of ET and PET are opposite. The upstream area of Kashgar river and Künes river in the south had sufficient water supply, while the Yining city, the area of Khorgos river, Qapqal County and the downstream area of Tekkas river suffered from drought and water shortage;(4) During 2000-2014, ET decreased, and PET increased, which showed that the drought in Ili River valley was aggravated in the past 15 years.

Key words： MOD16; ET; PET; spatiotemporal distribution; variation trend; Ili River valley

Cite this article

ADILAI Wufu , YUSUFUJIANG Rusuli , REYILAI Kadeer , JIANG Hong . Spatiotemporal Distribution and Variation Trend of Evapotranspiration in Ili River Valley[J]. Journal of Geo-information Science, 2018 , 20(2) : 217 -227 . DOI: 10.12082/dqxxkx.2018.170102

1 引言

蒸散作为地球水圈、大气圈和生物圈之间水分交换的重要环节,在水循环和能量平衡中具有重要的研究意义。蒸散的研究包括实际蒸散（Actual Evapotranspiration, AET）和潜在蒸散（Potential Evapotranspiration, PET）。AET是发生在土壤表面的蒸发和发生在植物叶片表面的蒸腾,是水文循环和地表能量平衡的重要环节,也是植被生存必须的生理过程和地表物质循环的重要载体[1,2]。PET是一定气象条件下,水分供应不受限制时,某一固定下垫面能达到的最大蒸发蒸腾量,是ET的理论上限,研究干旱区气候演变和水资源的决定性参考指标。在干旱半干旱内陆湖泊流域为单位的水循环中,蒸散是水量消耗的主要途径[3],它与降水共同决定着流域的气候干旱程度,同时在合理调配水土资源、区域生态平衡研究等方面发挥着关键作用。充分认识研究区ET时空格局变化过程有利于加深气候演变、环境问题的认识,了解气候变化对水资源的影响、区域生态需水规律,同时对于合理开发水土资源、科学评价气候干旱状况等研究具有十分重要的参考意义。
遥感技术在近些年内得到迅猛发展,使大尺度非均匀陆面的ET研究取得突破性进展[4]。20世纪70年代以来国内外陆续出现基于遥感数据的ET估算方法,其中较典型的模型有基于Penman-Monteith公式的VITT模型[5]、基于Priestley-Taylor公式的三角形模型[6]、SEBAL模型[7]、SEBS模型[8]、TSEB模型[9]等。刘园等[10]利用Penman-Monteith方法计算华北平原参考作物ET变化特征,并研究主次气候影响因子。李宝福等[11]基于SEBAL模型估算塔里木河干流区ET,并对各土地利用/覆被类型的ET进行了统计分析。吴雪娇等[12]使用SEBS模型估算黑河中游地区日尺度的AET,并进行地面验证和时空变化分析。2011年,美国NASA研究队员正式发布具有较高时间分辨率和免费获取特点的全球陆地蒸散数据（MOD16）[13,14]。该数据通过了全球通量塔站台的检验,模拟精度达到86%,能够提供ET的各种特征参数。国内一些研究人员利用MOD16产品对不同区域地表ET时空分布和变化特征进行了评估,如鄱阳湖流域[15]、陕西省[16]、渭河流域[17]、淮河流域[18]。贺添等[19]分别在站点和区域尺度上检验了MOD16产品在我国的应用精度,并深入讨论中国2001-2010年的ET时空分布格局和驱动因素,此研究结果表明,在干旱程度不断加剧的西北地区因广布荒漠草原与沙地,ET的空间分布比中国其他区域显著小并有逐年显著减少的趋势。
伊犁河谷位于新疆西北部,是新疆最大的绿洲,被誉为中国西北干旱区“天山湿岛”。近年来,随着河谷地区经济水平的快速发展、城市化进程的加快,水土资源大规模开发利用,导致水土资源结构不断发生改变、地表径流量减少、植被退化、土地利用变化明显。ET作为地表能量和水资源平衡的决定性变量,其变化与区域气候、生态环境及其水资源的变化息息相关,而有关伊犁河谷的研究多集中在气候[20]、生态服务价值[21]、土地利用变化[22]等方面,单独针对伊犁河谷ET时空变化格局的研究则很少。基于此,本文以2000-2014年1 km空间分辨率的MOD16产品为主要数据源,对伊犁河谷在年、月时间尺度下地表ET、PET的时空分布及其变化特征进行深入分析,揭示研究区地表ET、PET的变化规律,为改善环境,水资源管理,以及生态保护与恢复提供参考依据。

2 研究区概况

伊犁河谷地区位于欧亚大陆中心,新疆天山北坡西北部,地理位置为79.91°~85.03° E,42.21°~45.02° N,面积为5.53万km2（图1）。该地区地形复杂,天山西部多支脉和纵横交错的河流将其分割为伊犁谷地、巩乃斯谷地、特克斯谷地、喀什河谷丘陵和昭苏盆地5个地域单元。整个区域地形上东、南、北三面高山环绕,地势东高西低、东窄西宽,呈喇叭型向西敞开,可以大量接受陆地西风带来的湿润水汽。其独特的地形地貌和山体走向,使原本属于大陆性中温带干旱气候的伊犁河谷成为天山（中国境内）及亚洲中部的降水中心,孕育了干旱区的一块“湿岛”和气候资源宝库[23]。该区是新疆生态环境最好的地区之一,年平均气温10.4 ℃,年降水量417.6 mm,年平均日照系数2898.4 h,水、热、土、气、生等自然条件组合搭配优越,素有“塞外江南”之称[21]。
Fig. 1 The spatial distribution of land use/cover and meteorological station of the study area

图1 研究区土地利用/覆被和气象观测站分布图

3 数据源与研究方法

3.1 数据源及处理

（1）遥感数据。蒸散量数据为2000-2014年的年、月合成的,卫星轨道号为h23v04 /h24v04的MOD16-ET、PET数据产品。产品是通过Mu等[14,24]在Penman-Monteith公式基础上改进计算的,其计算过程是将地表分为裸土和冠层组分,将冠层又分为湿润和干燥两类,根据不同下垫面生物物理过程计算各自的空气动力学阻抗和冠层阻抗,结合从MOD15产品获取的叶面积指数（LAI）和植被光合有效辐射分量（FPAR）,从MOD12Q1产品获取的土地利用/覆盖数据,以及相关水文气象数据估算该产品。原始的MODIS产品是以分级数据格式（Hierarchical Data Format, HDF）存储的,投影是正弦曲线投影,利用MRT软件,将MOD16产品的HDF格式文件转换为WGS-1984经纬度坐标系统下的GeoTiff格式文件,并进行投影转换、轨道镶嵌等操作。基于伊犁河谷的水系特点,获取了研究区的矢量边界图,然后利用ArcGIS软件对经过投影转换的MODIS数据进行裁剪,从而得到不同时间和空间尺度下研究区的地表ET、PET数据,最后借助于IDL编程语言分别获取ET、PET的最大值、最小值和平均值,根据网站提供的数据使用说明,剔除数据中的无效值并还原真实值,再利用ArcGIS软件制作伊犁河谷2000-2014年的年、月平均地表ET、PET分布图。
（2）地面观测数据：采用研究区内的伊宁、尼勒克、昭苏3个代表性气象观测站的2000-2011年月时间序列的小型蒸发皿ET数据（表1）。
Tab. 1 The Basic information of meteorological observation station

表1 气象观测站基本信息

站点 覆被类型 经度/E 纬度/N 海拔高度/m
伊宁 旱地,草原 81°20′ 43°57′ 662.5
尼勒克 旱地,草原 82°34′ 43°48′ 1105.1
昭苏 旱地,草甸草原 81°08′ 43°09′ 1851.0
根据各个气象站的实际地理环境,剔除少量蒸发皿实测异常值。另外,3个气象站部分实测数据存在缺测现象,气象自动观测定时数据在各仪器设备上都没有记录,数据处于空白状态,对于这些缺测蒸发皿ET值,将E-601型蒸发器的ET值折算为20 cm口径蒸发皿ET值来间接推算,估算精度达到98%,处理后得到各站年、月蒸发皿实测数据,再与MOD16-PET数据集进行对比验证。
（3）NDVI数据。NDVI数据是由地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/sources）下载的2001-2014年的MODND1M中国NDVI月合成产品,其空间分辨率为500 m。

3.2 研究方法

（1）数据精度评价
为了检验MOD16产品在该研究区反演地表ET的适用性,选取研究区内的3个气象站2000-2011年月时间序列的实测蒸发皿ET数据与MOD16-PET数据在“点”尺度上进行验证。采用复相关系数（R2）,均方根误差（RMSE）,估算精度（EA）等精度评价指标对实测蒸发皿ET数据与MOD16-PET数据进行进一步对比验证。
RMSE = ∑ i = 1 n E T pan , i - E T pet , i 2 n （1）
EA = 1 - RMSE MEAN × 100 （2）
式中：n为观测个数;i为具体计算年份;ETpan,i和ETpet,i分别为实测蒸发皿ET值和MOD16-PET。
（2）折算系数计算方法[24,25]
E-601型蒸发器ET与20 cm口径蒸发皿ET的折算系数计算公式为：
Κ = Ε 601 / Ε 20 （3）
式中：K为蒸发折算系数;E601为E-601型蒸发器的蒸发量/mm;E20为20 cm口径蒸发皿的蒸发量/mm。
（3）ET、PET年际变化的评估指标[26,27]
在IDL语言环境中逐像元计算2000-2014年期间年及季节ET和PET的线性倾向率（S）。
S = n ∑ i = 1 n i × ET - ∑ i = 1 n i ∑ i = 1 n E T i n × ∑ i n i 2 - ∑ i = 1 n i 2 （4）
式中：S为线性倾向值;n为年序列总长度（n=15）; i为具体计算年份;ETi为第i年的MOD16-ET。当S为负时,随时间i的增加,ET变化处于减少趋势;当S为正时,随时间i的增加,ET变化处于增加趋势。
（4）干旱程度评估指标
ET与PET的比例（ET/PET）越高,即接近1,表明区域水分越充足;比例越低,表明区域水分越不足[28]。

4 结果与分析

4.1 MOD16数据精度检验

为了验证MOD16蒸散产品在伊犁河谷地区反演地表ET时空变化的准确性,选取研究区内的伊宁、尼勒克、昭苏3个代表性气象观测站2000-2011年的年、月时间序列的小型蒸发皿ET数据在“点”尺度上进行精度验证。蒸发皿ET是水分充足的条件下,蒸发皿所在区域自由水体的最大蒸发状况[29];在干旱半干旱区,实际ET主要是由水分和能量所决定,而蒸发皿ET不受水分的影响,决定其大小的主要因子是能量,因此蒸发皿ET与实际ET具有相反关系[30]。PET表示充分供水情况下的某一固定下垫面最大蒸散量[31,32]。由于蒸发皿ET与MOD16-PET相比蒸发皿ET与MOD16-ET更接近,故可通过蒸发皿ET与MOD16-PET的相关性来检验MOD16蒸散产品在伊犁河谷地区的适用性。
图2和表2给出了伊犁河谷的伊宁、尼勒克、昭苏3个气象站年、月实测蒸发皿ET与MOD16-PET数据精度验证结果。可以看出,实测蒸发皿ET与MOD16-PET之间具有较高的相关性,月实测蒸发皿ET与MOD16-PET数据相关系数都大于0.91,年实测蒸发皿ET与MOD16-PET数据相关系数分别达到伊宁R2=0.84、尼勒克R2=0.72、昭苏R2=0.67。各站点平均RMSE为260 m,平均EA为80%。其中,伊宁站点精度验证结果最佳,相关系数分别为 0.95和0.84,EA达到84%,与观测数据比较接近。
Fig. 2 Relationship between MOD16 PET product and annual-monthly ET from meteorological station

图2 气象站年,月实测ET和MOD16-PET的关系

Tab. 2 The accuracy validation results of MOD16 PET product and annual-monthly ET from meteorological station

表2 气象站年月实测ET和MOD16-PET数据精度验证结果

站点 相关系数(月) 相关系数(年) RMSE/mm EA/%
伊宁 0.95 0.84 275 84
尼勒克 0.91 0.72 277 78
昭苏 0.91 0.67 233 79
总体上,MOD16蒸散产品在该地区验证精度良好。MOD16蒸散产品中的PET精度验证满足要求,说明MOD16产品在伊犁河谷具有适用性,可以用于该研究区地表ET的时空分布特征研究。

4.2 平均ET、PET的时间分布特征及影响因子

2000-2014年伊犁河谷地表ET、PET年际波动不大,ET波动范围为354.68~418.27 mm之间,多年平均ET为392.35 mm;PET波动范围为1258.15~1450.13 mm,多年平均PET为1331.19 mm。年ET波动最为突出的年份是2002年和2014年,相对变化率分别为6.20%和-10.62%。年PET波动最为突出的年份是2008年和2003年,相对变化率分别为8.20%和-5.81%（图3（a））。ET为地表实际蒸散量,PET为一定气象条件下水分供应不受限制时的最大蒸发蒸腾量,ET与PET的比例在年尺度上可代表研究区水分分配状况,在季节、月尺度上则可代表研究区水分盈缺状况。从图3（a）可看出,伊犁河谷年际地表ET与PET的相对值在0.26-0.33之间波动,说明在年尺度上整个研究区水分不足。
Fig. 3 Annual and monthly variation of ET and PET in Ili River valley from 2000 to 2014

图3 2000-2014年伊犁河谷ET、PET不同年月变化

伊犁河谷地表ET、PET年内分布处于先增大后减少的单峰型变化趋势,峰值位于7月（图3（b））。月平均 ET 约为22.90 mm 左右,PET约为53.62 mm左右,ET、PET都比较集中在5-9月,5-7月处于快速增长趋势,7月达到最高值,分别为88.14 mm和195.10 mm,8月开始迅速下降,1月处于最小值,分别为20.59 mm和39.33 mm,从10月直到次年2月ET、PET波动比较平缓。4、5、9和10月ET与PET的比例较小（<0.32）,此时研究区处于最干旱状态。按季节来看,春季（3-5月）ET与PET处于增加趋势,3月开始气温慢慢升高、降水量逐渐增多、植被返青,因此ET、PET也随之升高,ET与PET的比例为0.35;夏季（6-8月）气温达到最高值、受西风气流的影响,水汽来源充沛,使降雨量大、太阳辐射强烈、不同地貌类型的ET、PET达到最大值,因此在夏季ET、PET比其他季节最大。ET与PET的比例也比较大,为0.42;秋季（9-11月）气温逐渐下降,雨量减少、植被开始枯竭,ET、PET随之急剧减少,ET与PET的比例为0.29;冬天（12-2月）气温低、降水量少、太阳辐射较弱,ET、PET保持最低值,无明显的变化,ET与PET的比例为0.52。秋季ET与PET的比例为0.29,比其他季节明显小,说明此时研究区最干旱缺水。自然界中的蒸散发过程十分复杂,受制于不同因素的影响。根据ET、PET的产生机制与相关影响因素数据的可获得性,选取研究区内的伊宁和昭苏2个代表性气象站2000-2014年月时间序列的气温、相对湿度和降水量等实测数据,在“点”尺度上进行相关性分析。
实际ET是真实的气候背景和现实的水分、能量条件下,土壤蒸发和植被蒸腾的过程。在干旱半干旱区,地表所能获得的太阳辐射较多,实际ET主要是由水分决定,而气象站实测ET是水分充足的条件下,蒸发皿所在区域自由水体的最大蒸发状况,其测量过程中水分是充足的,因此决定其大小的主要因子是太阳能量,据此可以说明气象站实测ET与实际ET具有相反关系。PET表示的是充分供水情况下的某一固定下垫面最大蒸散量[31,32],可知气象站实测ET与MOD16-PET更接近。因此,本文通过MOD16-PET数据与气象站实测数据进行相关性分析。
从图4可看出,气温与PET呈正相关关系,相关系数为0.89,说明二者高度相关,即气温是伊犁河谷蒸散量变化的主要驱动因素之一。相对湿度与PET呈明显的负相关关系,相关系数达到0.80。降水量与PET呈较弱的正相关关系,相关系数为0.15,说明从某种程度上降水量是伊犁河谷蒸散量变化的制约因素之一,但作用不明显。
Fig. 4 The relationship between meteorological factors and MOD16-PET

图4 主要气象因子与PET的关系

为了进一步分析研究区植被覆盖状况与蒸散量的关系,选取2001-2014年NDVI数据分别与MOD16-ET、PET逐像元进行相关性分析。由散点图可以看出（图5）,NDVI与ET处于明显的正相关关系,与PET处于负相关关系。相关关系比较显著的区域为河流两岸冲积平原的农牧区和大面积草甸草原区,此区域ET、PET较集中,河谷南部和东北部的少部分植被覆盖率较低的区域相关关系不明显。ET与PET跟NDVI有着相反的关系,原因是如上述内容所表达,根据蒸散发互补相关理论[29,30],由于ET与PET具有相反关系,二者与NDVI的关系也呈现出相反关系。
Fig. 5 The relationship between NDVI and ET, and between NDVI and PET, respectively

图5 ET、PET与NVDI的关系

4.3 平均ET、PET空间分布特征

根据图6（a）、（b）所示,伊犁河谷2000-2014年平均ET与PET具有明显的空间分布差异,且二者的空间分布状况正好相反。多年平均 ET波动范围为128.8~751.6 mm之间,PET波动范围为709.9~1994.9 mm之间。东部喀什河及巩乃斯河上游地区以及南部大面积草甸覆盖区域ET值比其他区域显著高,在345.3~751.6 mm之间,PET值比较低,在709.9~1240 mm之间。伊宁市及霍尔果斯河周边地区、察布查尔县、特克斯河下游等区域ET值均比较低,在128.8~345.3 mm之间,PET值较高,在1240~1994.9 mm之间。由于MOD16产品覆盖范围为有植被区域,所以在图中南部和东北部少部分荒漠及冰雪覆盖区等无植被区域为空白,没有数据。
Fig. 6 The spatial distribution of annual and seasonal ET, PET in Ili River valley

图6 伊犁河谷年与季节平均ET、PET空间分布

根据ET与PET的相反关系可以看出,东部喀什河及巩乃斯河上游地区以及南部大面积草甸覆盖区域水分比较充足,而伊宁市及霍尔果斯河周边地区、察布查尔县、特克斯河下游等区域干旱缺水。
从图6（c）、（d）伊犁河谷不同季节ET、PET空间分布图可以看出,除了冬季ET空间分布情况与多年格局相反,春、夏、秋3个季与多年ET、PET空间分布格局大致相同。ET在夏季最高,其次为春季、秋季,冬季最少。春季ET值为22.4~188.9 mm之间,平均值为99.6 mm,东部喀什河及巩乃斯河上游地区以及南部大面积草甸覆盖区域 ET值比其他区域显著高;到了夏季因植被覆盖度高,加上高山融雪而引起的径流增加,蒸腾和蒸发作用旺盛,为蒸散提供了充分条件,所以ET明显增加,达到9.8~451.8 mm之间,平均值为185 mm,夏季 ET 空间分布格局与年际情况基本相似;在秋季,气温开始下降、降水量变少,ET也随着降低,达到29.1~133 mm之间,平均值为77 mm,尤其在伊宁县北部、尼勒克县等区域明显减少;到了冬季,气温低、太阳辐射较弱、植被覆盖度低,没有良好的蒸散条件,因此 ET 比其他季节最小,而且跟其他季节正好相反,约33.5~94.7 mm之间,平均值为61.5 mm。
春季PET值在152.9~599 mm之间,平均值为369.4 mm,伊宁市及霍尔果斯河周边地区PET值显著高;到了夏季,尼勒克县和霍城县PET值明显增加,约343~792.7 mm之间,平均值为563.1 mm;秋季PET值在145.3~437.2 mm之间,平均值为289 mm。夏、秋两季PET空间分布与年际情况基本相似;冬季PET值为37.2~212.7 mm之间,平均值为120.4 mm,在特克斯河下游明显增加,尼勒克县及霍城县北部PET明显减少。

4.4 伊犁河谷地表ET、PET变化趋势分布

通过线性倾向趋势法分析近15年来伊犁河谷地表ET、PET变化趋势（图7）,根据S值范围定义严重减少（ET: S<-10,PET:S<-15）,轻微减少（ET:-10≤S<-3,PET:-15≤S<-8）,基本不变（ET:-3≤S<3,PET:-8≤S<8）,轻微增加（ET:3≤S<15,PET:8≤S<19）,明显增加（ET:S≥15,PET:S≥19）等变化区间。
Fig. 7 The variation trend of annual and seasonal ET, PET in Ili River valley from 2000 to 2014

图7 2000-2014年伊犁河谷多年与不同季节ET、PET变化趋势

图7（a）、（b）表示近15年来伊犁河谷地表ET、PET变化趋势空间分布情况。从图中可以看出,ET在霍尔果斯河周边和察布查尔县等区域处于明显增加趋势,面积约占总面积的3%;霍城县、伊宁县、尼勒克县、新源县一带,特克斯河下游,昭苏县等区域处于减少趋势,轻微减少和严重减少区域面积分别占总面积的28%和10%;其他区域处于基本不变趋势,约占总面积的42%。PET主要在研究区东部的喀什河及巩乃斯河上游地区处于明显增加趋势,面积约占总面积的14%;霍尔果斯河和伊宁市少部分区域处于严重减少趋势,面积约占总面积的3%;霍城县、察布查尔和伊宁市,以及昭苏县西段部分区域处于轻微减少趋势,约占总面积的19%;剩下的大部分区域处于基本不变或者轻微增加趋势,分别占总面积的33%和31%。伊犁河谷多年ET、PET总体上处于基本不变趋势,分别占总面积的42%和33%。按增加或减少趋势的区域面积所占的比例来看,ET处于增加趋势的区域面积小于处于减少趋势的区域面积,PET处于增加趋势的区域面积明显大于减少趋势的区域面积,区域ET减少趋势和PET增加趋势表明该区域干旱加重。
从伊犁河谷不同季节地表ET、PET变化趋势空间分布情况可得出（图7（c）、（d））,ET在春季只有占总面积4%的区域有明显增加趋势,基本不变的区域面积最大,占总面积的45%。夏季,ET变化趋势跟年际ET变化趋势基本上一致,霍尔果斯河周边和察布查尔县等区域处于明显增加趋势,面积约占总面积的2%,霍城县、伊宁县、尼勒克县、新源县一带,特克斯河下游,昭苏县等区域处于减少趋势,轻微减少和严重减少区域面积分别占总面积的28%和10%;秋季,处于减少趋势的区域面积比较大,霍城县、伊宁县、尼勒克县、昭苏县以及特克斯河下游大面积区域处于轻微减少或者严重减少趋势,分别占总面积的51%和18%;冬季,东部喀什河及巩乃斯河上游地区处于明显增加趋势,约占总面积的11%,霍尔果斯西北段处于严重减少趋势,约占总面积的8%。PET在春季以基本不变趋势为主,约占总面积的33%,霍城县约占总面积的10%的区域处于严重减少趋势;夏季,基本不变和轻微增加趋势的区域面积比较大,分别占总面积的39%和33%,特克斯县和尼勒克县部分区域处于明显增加趋势,约占总面积的8%,霍尔果斯河少部分区域处于严重减少趋势,约占总面积的3%;秋季,明显增加的区域面积比其他季节相比显著大,约占总面积的18%,只有霍城县约占总面积的1.5%的区域处于严重减少趋势,剩下的大部分区域处于轻微增加或基本不变趋势,分别占总面积的36%和34%。冬季PET变化趋势与其他季节有较大差异,新源县中间的圆形区域处于明显增加趋势,约占总面积的6%,霍城县和察布查尔县的大部分区域以及巩留县部分区域处于严重减少和轻微减少趋势,约占总面积的19%和27%,剩下的部分区域处于基本不变趋势,约占总面积的30%。

5 结论

本文利用MOD16蒸散量数据产品,对伊犁河谷2000-2014年地表ET、PET时空变化格局及其变化趋势进行了分析,并揭示二者之间的时空差异性。主要结论如下：
（1）MOD16-PET与3个气象站年、月实测ET具有较高的相关性,各站点平均RMSE为260 mm,平均EA为80%,MOD16-PET与实测ET呈较高的一致性,说明MOD16产品在研究区总体上符合要求,可用于地表ET时空分布特征研究。
（2）2000-2014年伊犁河谷地表ET、PET年际波动不大,ET波动范围为354.68~418.27 mm 之间,多年平均ET为392.35 mm;PET波动范围为1258.15~ 1450.13 mm,多年平均PET为1331.19 mm。伊犁河谷地表ET与PET的比例在0.26~0.33之间波动,在年尺度上整个研究区水分不足。ET、PET年内分布处于先增大后减少的单峰型变化趋势,主要集中在5-9月,峰值位于7月,ET 、PET分别为88.14和195.10 mm,1月处于最小值,分别为20.59 mm和39.33 mm。春、夏、秋、冬4个季节ET与PET的比例分别为0.35、0.42、0.29、0.52,秋季ET与PET的比例比其他季节明显小,说明此时研究区最干旱缺水。气温是伊犁河谷蒸散量变化的主要驱动因素之一。
（3）伊犁河谷2000-2014年平均ET、PET具有明显的空间分布特征,且两者的空间分布状况正好相反。东部喀什河及巩乃斯河上游地区以及南部大面积草甸覆盖区域ET值较高,PET值较低;伊宁市及霍尔果斯河周边地区、察布查尔县、特克斯河下游等区域ET值均较低,PET值较高。根据ET与PET的相反关系可看出,东部喀什河及巩乃斯河上游地区以及南部大面积草甸覆盖区域水分比较充足,而伊宁市及霍尔果斯河周边地区、察布查尔县、特克斯河下游等区域干旱缺水。春、夏、秋3个季节的ET、PET空间分布与多年情况大致相同,冬季则相反。
（4）从2000-2014年伊犁河谷地表ET、PET变化趋势来看,多年ET、PET总体上处于基本不变趋势,分别占总面积的42%和33%。按增加或减少趋势的区域面积所占的比例来看,ET处于增加趋势的区域面积小于处于减少趋势的区域面积,PET处于增加趋势的区域面积明显大于减少趋势的区域面积,区域ET减少趋势和PET增加趋势表明该区域干旱加重。

The authors have declared that no competing interests exist.

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
[1]
丛振涛,杨大文,倪广恒.蒸发原理与应用[M].北京:科学出版社,2013.

[ Cong Z T, Yang D W, Ni G H.Principle and application of evaporation[M]. Beijing: Beijing Science Press, 2013. ]

[2]
Chahine M T.The hydrological cycle and its influence on climate[J]. Nature, 1996,359(6349):373-380.The uncertainties in assessing the effects of global-scale perturbations to the climate system are due primarily to an inadequate understanding of the hydrological cycle—the cycling of water in the oceans, atmosphere and biosphere. Overcoming this problem necessitates new ways of regarding a field traditionally divided amongst several disciplines, as well as new instrumentation and methods of data collection.

DOI

[3]
周彦昭,周剑,李妍,等.利用SEBAL和改进的SEBAL模型估算黑河中游戈壁、绿洲的蒸散发[J].冰川冻土, 2014,36(6):1526-1537. 蒸散发是干旱、半干旱地区内陆河流域水分消耗的主要途径, 利用遥感估算流域尺度上的蒸散发对内陆河流域水循环和水资源的合理利用具有重要的指导意义. 基于2012年开展的黑河流域生态-水文过程综合遥感观测联合试验(HiWATER)的观测资料和高分辨率的ASTER影像, 分别利用 SEBAL 模型和改进的SEBAL(M-SEBAL)模型估算黑河中游不同时期戈壁、绿洲等不同下垫面的蒸散发, 通过涡动观测数据对比分析了SEBAL模型和M-SEBAL模型估算戈壁、绿洲蒸散发的精度. 结果表明: SEBAL模型在绿洲低估感热通量, 高估潜热通量; 在戈壁高估感热通量, 低估潜热通量. M-SEBAL 模型充分考虑不同下垫面地表辐射温度与植被覆盖度之间的关系, 能很好地反映不同植被覆盖区域的湍流通量的异质性, 估算黑河中游戈壁、绿洲蒸散发的精度高于SEBAL模型.

DOI

[ Zhou Y Z ,Zhou J, Li Y.et al.Simulating the evapotranspiration with SEBAL and Modified SEBAL (M-SEBAL) models over the desert and oasis of the middle reaches of the Heihe river[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2014,36(6):1526-1537. ]

[4]
宋鑫博. 基于MODIS 数据的湖西区地表蒸散发遥感估算[D].南京:南京师范大学,2013:407-426.

[ Song X B.Study on estimation of evapotranspiration in Western Taihu area based on MODIS data[D]. Nanjing: Nanjing Normal University, 2013:407-426. ]

[5]
Moran M S, Rahman A F, Washburne J C, et al.Combining the Penman-Monteith equation with measurements of surface temperature and reflectance to estimate evaporation rates of semiarid grassland[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 1996,80(2-4):87-109.The Penman-Monteith equation is useful for computing evaporation rates of uniform surfaces, such as dense vegetation or bare soil. This equation becomes less useful for evaluation of evaporation rates at the regional scale, where surfaces are generally characterized by a patchy combination of vegetation and soil. This is particularly true in the arid and semi-arid regions of the world. The approach proposed here is an attempt to use remotely-sensed measurements of surface reflectance and temperature to allow application of the Penman-Monteith theory to partially-vegetated fields without a-priori knowledge of the percent vegetation cover and canopy resistance. The approach was first tested using ground-based measurements of surface reflectance and temperature at a rangeland site; the results compared well with on-site measurements of surface evaporation rate (RMSE=29 W m-2). Then, the approach was tested based on a set of four Landsat Thematic Mapper (TM) images acquired in southeast Arizona during 1992, along with ground-based measurements of evaporation rates and near-surface meteorological conditions. Maps of surface air temperature and wind speed were combined with maps of surface temperature and spectral vegetation index to produce regional estimates of vegetation water status for the grassland biome. Results showed that there was potential for application at a regional scale.

DOI

[6]
Jiang L, Islam S.A methodology for estimation of surface Evapotranspiration over large areas using remote sensing observations[J]. Geophysical Research Letters, 1999,26(17):2773-2776.We propose a simple scheme to estimate surface evaporation over large heterogeneous areas using remote sensing observations. Our approach is based on a relationship between easily measured surface parameters (e.g. radiometric surface temperature) and a surrogate for effective surface resistance. Preliminary results, using remotely sensed data sets from AVHRR NOAA-14 over the Southern Great Plains, show good agreement. The proposed approach appears to be more reliable and easily applicable for operational estimation of evaporation over large areas.

DOI

[7]
Bastiaanssen W, Pelgrum H, Wang J, et al. A remote sensing surface energy balance algorithm for land[J]. Journal of hydrology, 1998,212-213(1-4):198-212.

[8]
Su Z, Schmugge T, Kustas W P, et al.Two models for estimation of the roughness height for heat transfer between the land surface and the atmosphere[J]. Journal of Applied Meteorology, 2001,40(11):1933-1951.Roughness height for heat transfer is a crucial parameter in estimation of heat transfer between the land surface and the atmosphere. Although many empirical formulations have been proposed over the past few decades, the uncertainties associated with these formulations are shown to be large, especially over sparse canopies. In this contribution, a simple physically based model is derived for the estimation of the roughness height for heat transfer. This model is derived from a complex physical model based on the “localized near-field” Lagrangian theory. This model (called Massman's model) and another recently proposed model derived by fitting simulation results of a simple multisource bulk transfer model (termed Blümel's model) are evaluated using three experimental datasets. The results of the model performances are judged by using the derived roughness values to compute sensible heat fluxes with the bulk transfer formulation and comparing these computed fluxes to the observed sensible heat fluxes. It is concluded, on the basis of comparison of calculated versus observed sensible heat fluxes, that both the current model and Blümel's model provide reliable estimates of the roughness heights for heat transfer. The current model is further shown to be able to explain the diurnal variation in the roughness height for heat transfer. On the basis of a sensitivity analysis, it is suggested that, although demanding, most of the information needed for both models is amendable by satellite remote sensing such that their global incorporation into large-scale atmospheric models for both numerical weather prediction and climate research merits further investigation.

DOI

[9]
Kustas W P, Norman J M.Evaluation of soil and vegetation heat flux predictions using a simple two-source model with radiometric temperatures for partial canopy cover[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 1999,94(1):13-29.A two-source model developed to use radiometric temperature observations for predicting component surface energy fluxes from soil and vegetation was evaluated with data from a row crop (cotton). The total or combined heat fluxes from the soil and vegetation agreed to within 20% of the observed values, on average. Component heat flux predictions from the soil and vegetation indicated that soil evaporation was generally higher than canopy transpiration. This result contradicts an earlier study which showed that soil evaporation was 651/3 of canopy transpiration rates with a significant source of sensible heat from the soil being advected to the canopy ( Kustas, 1990 ). Moreover, the modeled derived canopy temperatures were 65602K higher and soil temperatures were 65402K lower than the radiometric temperature observations. In order to obtain more physically realistic soil and vegetation component heat fluxes and better agreement between the predicted and observed soil and canopy temperatures, two model parameterizations required modification. One adjustment was to the magnitude of the Priestley–Taylor coefficient α PT used in estimating canopy transpiration. The magnitude of α PT was increased by ≈50% from its `universal constant' α PT 0265021.3 to α PT 0265022. The other modification was to the free convective velocity, U CV , defined as constant in the original formulation for estimating soil resistance to sensible heat flux transfer, R S . The new formulation is based on the recent experimental results from Kondo and Ishida (1997) who found that U CV 02∝02Δ T 1/3 where Δ T is the surface–air temperature difference. Both of these modifications are shown to be supported by observations from the literature and therefore are not considered merely model `tuning'. Furthermore, component heat fluxes predicted by the model using canopy and soil radiometric temperature observations support the higher α PT value and new free convective formulation for estimating R S . Two other changes to model algorithms are described which are relevant to all dual-source modeling schemes. One is replacing the commonly used Beer's law type expression for estimating the divergence of net radiation in partial canopy covered surfaces with a more physically-based algorithm. The other is a simple method to address the effects of clumped vegetation (common in row crops and sparse canopies) on radiation divergence and wind speed inside the canopy layer.

DOI

[10]
刘园,王颖,杨晓光.华北平原参考作物蒸散量变化特征及气候影响因素[J].生态学报,2010,30(4):923-932.参考作物蒸散量是估算作物需水量的关键因子，对指导农田灌溉是有十分重要的现实意义。在气候变化的背景下，利用Penman-Monteith方法，计算华北平原典型站点1961-2007年逐日参考作物蒸散量，并从能量平衡和动力学角度对其分解，分析年际变化和季节变化特征；结合数理统计方法，研究影响参考作物蒸散量及其构成项变化的主次气候因子，为该区农田水分管理提供更有效的科学指导。研究结果表明：在华北平原全区温度显著上升、日照时数，相对湿度，平均风速呈显著下降的背景下，绝大部分站点参考作物蒸散量及构成项呈显著下降趋势。夏季的参考作物蒸散量和辐射项值相对最高，冬季值最低；春季的空气动力学项值相对比例最高。辐射项与空气动力学项年际间呈负相关关系，春夏两季之间呈不显著正相关趋势，秋冬两季呈不显著负相关趋势。辐射项的变化主要受日照时数、风速及温度的影响，其中风速的贡献是负效应；空气动力学项的变化主要受风速、相对湿度及平均温度的影响，相对湿度的贡献是负效应。参考作物蒸散量的变化主要受日照时数、相对湿度、温度日较差和风速的综合影响。此外，降水与其呈显著负相关关系，下降幅度略高于参考作物蒸散量的变化幅度。

[ Liu Y, Wang Y, Yang X G.Trends in reference crop evapotranspiration and possible climatic factors in the North China Plain[J]. Acta Ecologica Sinica, 2010,30(4):923-932. ]

[11]
李宝富,陈亚宁,李卫红,等.基于遥感和SEBAL模型的塔里木河干流区蒸散发估算[J].地理学报,2011,66(9):1230-1238.运用1985年、2000年和2010年遥感资料与SEBAL模 型估算了塔里木河干流区蒸散发.结果表明:该区蒸散发量较大,介于0～5.11 mm/d之间；靠近河道区蒸散发明显大于远离河道区；各土地利用/覆被类型蒸散发大小依次为:水体＞耕地＞林地＞草地＞未利用地＞居工地,主要与其植被覆 盖度和水分供给条件有关；而日总蒸散发大小顺序为:草地＞未利用地＞耕地＞林地＞水体＞居工地,这与各土地利用/覆被类型面积密切相关.在 1985-2010年间,塔里木河干流区日总蒸散发量先减小后增大；上游平均日总蒸散发量为中游和下游的1.27倍和1.42倍.2000年塔里木河干流 区日总蒸散发比1985年减少了6.80×104m3,原因是中游和下游日总蒸散发减小,而上游日总蒸散发量却增加了3.02×105m3.2010年干 流区日总蒸散发比2000年高6.78×105m3,其中上游和中游日总蒸散发量增加了1.19×106m3,而下游却降低了5.16×105m3,主要 受中上游地区绿洲耕地面积扩张,水资源开发量过大,下游来水量减少的影响.

DOI

[ Li B F, Chen Y N, Li W H, et al.Estimation of evapotranspiration in the Tarim River based on remote sensing and the SEBAL model[J]. Acta Geographica Sinica, 2011,66(9):1230-1238. ]

[12]
吴雪娇,周剑,李妍,等.基于涡动相关仪验证的SEBS模型对黑河中游地表蒸散发的估算研究[J].冰川冻土,2014,36(6):1538-1547.在我国西北干旱和半干旱地区, 农业收获主要依靠灌溉保证, 灌溉绿洲的蒸散发(ET)是当地水资源的主要消耗. 通过遥感估算区域灌溉绿洲的ET对于地区合理利用水资源极其重要, 利用MODIS/Terra 影像, 基于物理过程的地表能量平衡模型(SEBS), 结合WRF模式输出的气候驱动数据和地面观测数据来估算黑河中游地区的地表通量和日蒸散发(ET<sub>daily</sub>). 估算的ET用不同下垫面的涡动相关仪观测数据进行验证, 结果显示: SEBS模型估算的不同下垫面的ET<sub>daily</sub>具有很好的拟合效果(<i>R</i><sup>2</sup>=0.96, <i>P</i><0.001), 在灌溉绿洲估算的ET<sub>daily</sub>比实测值偏高, 说明干旱、半干旱地区灌溉绿洲土壤水分胁迫是影响ET的主要因素. 模型估算绿洲作物生长期间的ET<sub>daily</sub>和实测的ET<sub>daily</sub>平均相对误差为12.5%, 精度在观测的能量不闭合误差以内且精度比戈壁和沙漠地区高.

DOI

[ Wu X J, Zhou J, Li Y, et al .Estimating the evapotranspiration in the middle reaches of the Heihe River by SEBS model based on the eddy covariance system[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2014,36(6):1538-1547. ]

[13]
Mu Q Z, Zhao M S, Running S W.Improvements to a MODIS global terrestrial evapotranspiration algorithm[J]. Remote Sensing of Environment, 2011,115(8):1781-1800.78 Improving the MODIS ET algorithm (Mu et al., 2007a, old algorithm). 78 Global terrestrial annual total ET (62.8 × 10 3 km 3) agrees with reported 65.5 × 10 3 km 3. 78 MAE of 24.6% and 24.1% are in the 10–30% range of the accuracy of ET measurements.

DOI

[14]
Mu Q Z, Heinsch F A, Zhao M S, et al.Development of a global evapotranspiration algorithm based on MODIS and global meteorology data[J]. Remote Sensing of Environment, 2007,111(4):519-536.The objective of this research is to develop a global remote sensing evapotranspiration (ET) algorithm based on Cleugh et al.'s [Cleugh, H.A., R. Leuning, Q. Mu, S.W. Running (2007) Regional evaporation estimates from flux tower and MODIS satellite data. Remote Sensing of Environment 106, page 285–304- 2007 (doi: 10.1016/j.rse.2006.07.007).] Penman–Monteith based ET (RS-PM). Our algorithm considers both the surface energy partitioning process and environmental constraints on ET. We use ground-based meteorological observations and remote sensing data from the MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) to estimate global ET by (1) adding vapor pressure deficit and minimum air temperature constraints on stomatal conductance; (2) using leaf area index as a scalar for estimating canopy conductance; (3) replacing the Normalized Difference Vegetation Index with the Enhanced Vegetation Index thereby also changing the equation for calculation of the vegetation cover fraction ( F C); and (4) adding a calculation of soil evaporation to the previously proposed RS-PM method. We evaluate our algorithm using ET observations at 19 AmeriFlux eddy covariance flux towers. We calculated ET with both our Revised RS-PM algorithm and the RS-PM algorithm using Global Modeling and Assimilation Office (GMAO v. 4.0.0) meteorological data and compared the resulting ET estimates with observations. Results indicate that our Revised RS-PM algorithm substantially reduces the root mean square error (RMSE) of the 8-day latent heat flux (LE) averaged over the 19 towers from 64.602W/m 2 (RS-PM algorithm) to 27.302W/m 2 (Revised RS-PM) with tower meteorological data, and from 71.902W/m 2 to 29.502W/m 2 with GMAO meteorological data. The average LE bias of the tower-driven LE estimates to the LE observations changed from 39.902W/m 2 to 61 5.802W/m 2 and from 48.202W/m 2 to 61 1.302W/m 2 driven by GMAO data. The correlation coefficients increased slightly from 0.70 to 0.76 with the use of tower meteorological data. We then apply our Revised RS-PM algorithm to the globe using 0.05° MODIS remote sensing data and reanalysis meteorological data to obtain the annual global ET (MODIS ET) for 2001. As expected, the spatial pattern of the MODIS ET agrees well with that of the MODIS global terrestrial gross and net primary production (MOD17 GPP/NPP), with the highest ET over tropical forests and the lowest ET values in dry areas with short growing seasons. This MODIS ET product provides critical information on the regional and global water cycle and resulting environment changes.

DOI

[15]
吴桂平,刘元波,赵晓松,等.MOD16产品的鄱阳湖流域蒸散量时空分布特征[J].地理研究, 2013,32(4):617-627.

[ Wu G P, Liu Y B, Zhao X S, et al.Spatio-temporal variations of evapotranspiration in Poyang Lake basin using MOD16 products[J].Geographical Research, 2013,32(4):617-627. ]

[16]
范建忠,李登科,高茂盛.基于MOD16的陕西省蒸散量时空分布特征[J].生态环境学报,2014,23(9):1536-1543.基于MOD16 遥感数据集,在ERDAS IMAGINE 2013 遥感图像处理系统的支持下,通过空间建模,计算蒸散多年年平均值和月平均值,并生成图像;结合陕西省矢量边界图、土地利用矢量图,统计不同时间尺度统计行政区域和不同土地利用类型的蒸散值.在ARCGIS 10 系统中,制作陕西省2000-2013 年年、月平均蒸散分布图.利用线性回归进行蒸散时间趋势分析,采用相关系数的统计检验方法进行显著性趋势检验.进而研究了陕西省2000-2013 年蒸散量的空间分布特征和时间变化规律,分析了不同类型下蒸散量的差异性变化特征.结果表明：（1）全省年蒸散量在波动中缓慢上升,波动范围为448.0～533.3 mm·a^-1,年平均值493.3 mm·a^-1.各月蒸散量的年际变化具有季节分异特征,秋末至仲春的月蒸散具有减少的趋势,春末至仲秋的蒸散具有增加的趋势.年内蒸散量呈单峰型分布,季节性变化特征明显,蒸散主要集中在5-9 月份,最高、最低值分别出现在8 月和11 月.（2）多年平均蒸散空间格局呈现北低南高的分布规律,高植被覆盖区蒸散量较大.蒸散变化趋势不明显的面积占77.2%,蒸散显著、极显著增加的像元主要分布在陕北地区、关中地区西部和陕南丘陵浅山区,蒸散显著和极显著减少的像元主要分布在关中城市群.（3）土地利用特点影响着陕西省蒸散量的分布状况,蒸散强度大小按类型排序依次为森林〉草地〉农田〉荒漠.研究结果对于陕西有限水资源的合理利用以及水资源短缺问题的解决、旱涝监测和预警等研究具有重要意义.

DOI

[ Fan J Z, Li D K, Gao M S.Spatio-temporal variations of evapotranspiration in Shaanxi Province using MOD16 product[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014,23(9):1536-1543. ]

[17]
位贺杰,张艳芳,朱妮,等.基于MOD16数据的渭河流域地表ET时空特征[J].中国沙漠,2015,35(2):414-422.lt;p>基于流域水量平衡法,利用水文数据和气象数据对渭河流域MOD16-ET(实际蒸散发)数据进行精度验证; 利用2000-2012年MOD16-ET数据和GIS技术定量分析了渭河流域(分为干流、泾河、北洛河3个子流域)地表实际蒸散发年际和年内的时空变化特征。结果表明:(1) 3个子流域的实测降水空间插值结果与MOD16-ET估算结果比较,相对误差平均值为8.36%,渭河干流误差较小,其他2个子流域误差相对较大; (2) 3个子流域上游至下游的ET剖面线变化不同,明显受地表覆盖类型影响; (3) ET值年内分布大致呈单峰型格局,季节变化特征为夏季(177.14 mm)&gt; 秋季(105.22 mm)&gt; 春季(92.97 mm)&gt; 冬季(77.50 mm); (4) 基于栅格尺度的ET值年际变化特征空间分布,各子流域下游以降低趋势为主,渭河中游和上游以升高趋势为主,北洛河、泾河中游和上游以基本不变趋势为主,具体影响因素的定量分析仍需MODIS资料的时间累积。</p>

DOI

[ Wei H J, Zhang Y F, Zhu N, et al.Spatial and temporal characteristics of ET in the Weihe River basin based on MOD16 data[J]. Journal of Desert Research, 2015,35(2):414-422. ]

[18]
杨秀芹,王磊,王凯.基于MOD16产品的淮河流域实际蒸散发时空分布[J].冰川冻土,2015,37(5):1343-1352.蒸散发是陆面过程中的重要环节,联系着陆面水循环和地表能量平衡.淮河流域地处中国南北气候过渡带,对淮河流域实际蒸散量时空变化的研究,有助于深入理解中国气候过渡带水循环对全球气候变化的响应.应用遥感技术对淮河流域MOD16_<i>ET</i>数据进行精度验证,并分析2000-2014年淮河流域蒸散发时空分布特征.结果表明:MOD16_<i>ET</i>产品在淮河流域内的精度总体上符合要求;淮河流域多年平均蒸散发的空间分布整体上呈南高北低,季节蒸散量的空间分布与年蒸散量的空间分布大体一致;近15 a淮河流域平均的实际蒸散量变化范围为531.7~634.0 mm,且存在不显著的下降趋势,实际蒸散量的季节变化大致呈单峰型分布,且季节变化较为明显,夏季(257.2 mm) >春季(143.7 mm) >秋季(120.7 mm) >冬季(66.6 mm);淮河流域西北部,夏、秋、冬三季的季节蒸散量变化速率对年蒸散量变化速率的贡献较大;淮河流域东部,春季的蒸散量变化速率占年蒸散量变化速率的比重较大.研究结果对于淮河流域内水资源短缺问题的解决、有限水资源的合理利用以及旱涝灾害的监测和预警有着重要的意义.

DOI

[ Yang X Q, Wang L, Wang K.Spatio-temporal distribution of terrestrial evapotranspiration in Huaihe River basin based on MOD16 ET data[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2015,37(5):1343-1352. ]

[19]
贺添,邵全琴.基于MOD16产品的我国2001-2010年蒸散发时空格局变化分析[J].地球信息科学学报,2014,16(6):979-988.lt;p>蒸散发的时空格局分析对理解气候变化与水资源之间的相互影响具有重要的作用。本文基于MODIS全球蒸散发产品(MOD16), 分析了2001-2010 年我国陆面蒸散发的时空格局变化, 得出以下结论:(1)站点尺度和流域尺度的精度验证结果表明, MOD16 产品对于我国森林、农田生态系统类型, 以及辽河、海河、黄河和淮河流域的模拟精度较高; (2)2001-2010 年, 我国年均蒸散发为532&plusmn;10 mm, 年内蒸散值变化最大的是东北区, 月均蒸散变异系数为0.87, 而西北区变化幅度最小, 变异系数为0.19; (3)2001-2010 年, 我国陆面蒸散发年际变化总的趋势不明显, 占陆地面积11.2%区域的蒸散发呈显著减少趋势(<em>p</em>&lt;0.05), 主要分布在青藏高原中部, 内蒙古中东部地区及新疆北部, 只有2.3%的区域的蒸散发增加趋势显著, (<em>p</em>&lt;0.05), 主要分布在黄土高原地区、黄淮海平原及东北平原; (4)通过对比干旱指数变化趋势、植被指数变化趋势图可以看出, 蒸散发显著减少的区域主要分布于干旱加剧的半干旱地区, 而蒸散发显著增加的区域主要位于植被变好的地区。</p>

DOI

[ He T, Shao Q Q.Spatial-temporal variation of terrestrial evapotranspiration in China from 2001 to 2010 using MOD16 products[J]. Journal of Geo-information Science, 2014,16(6):979-988. ]

[20]
姜修洋,李志忠,陈秀玲,等.新疆伊犁河谷风沙沉积晚全新世孢粉记录及气候变化[J].中国沙漠,2011,31(4):855-861.lt;FONT face=Verdana>通过地处亚洲中部干旱区的新疆伊犁河谷塔克尔莫乎尔沙漠沉积剖面(TKP)73块孢粉样品的鉴定分析,结合光释光(OSL)测年数据,获取了TKP沉积剖面晚全新世(约3.78~0 ka BP)植被变化特征与古气候历史。TKP剖面孢粉资料揭示出该研究区3.7 ka BP以来经历了多次的气候干湿波动,大致以2.2 ka BP为界,分为前后两个时期,前期孢粉总浓度较低,平均仅有5粒·g-1,主体表现为沙漠,气候整体干旱; 后期孢粉总浓度明显增加,平均为85粒·g-1,为荒漠植被,并存在4个相对干湿的变化阶段; 最近0.3 ka BP以来,孢粉总浓度并不十分丰富(33粒·g-1),整体表现变干的趋势。TKP剖面孢粉资料反映的晚全新世干湿波动与其他相邻区域具有较好的可比性,具有区域一致性特征。在小冰期时TKP剖面表现为冷湿的气候特征,有可能是受到中高纬度北大西洋气候变化的影响。</FONT>

[ Jiang X Y, Li Z Z, Chen X L, et al.Late Holocene climate and environment changes inferred from pollen record of Takelmukul Desert in Yili Valley of Xinjiang ,China[J]. Journal of Desert Research, 2011,31(4):855-861. ]

[21]
陈忠升,陈亚宁,李卫红,等.基于生态服务价值的伊犁河谷土地利用变化环境影响评价[J].中国沙漠,2010,30(4):870-877.lt;FONT face=Verdana>运用遥感技术、GIS和实地调查方法，对新疆伊犁河谷1985—2005年间的土地利用变化进行了分析，同时借助土地利用变化驱动下的生态服务价值变化量，探讨了研究区土地利用变化对生态环境的影响及效应。结果表明，1985—2005年，研究区耕地、水域和建设用地面积增加，林地、草地和未利用地面积减少，其中耕地和草地面积变化最大，分别为31.53万 hm2和-29.02万hm2。土地利用变化引起了研究区生态环境的变化，对生态服务价值亦产生了一定的影响，伊犁河谷生态服务功能整体提高了4.43%，其中正向变化最大的特克斯县，其生态服务功能增加了7.57%，负向变化最大的是伊宁市，其生态服务功能下降了27.33%；各单项服务功能价值中，生态系统所提供的气体调节、土壤形成与保护、生物多样性保护和原材料等4项生态服务功能有所下降，其余8项生态服务功能均有不同程度的提高。敏感度分析表明，赋予生态服务功能价值指数的大小对研究区总的生态服务价值变化影响不明显，研究结果可信。</FONT>

[ Chen Z S, Chen Y N, Li W H, et al.Evaluating effects of land use changes of environment in Ili Valley based on analysis of values of ecosystem service[J]. Journal of Desert Research, 2010,30(4):870-877. ]

[22]
包桂荣,白长寿,高清竹,等.新疆伊犁河流域土地利用变化及其对生态系统服务价值的影响[J].中国农业气象,2008,29(2):208-212.在利用Landsat-TM影像数据得到伊犁河流域土地利用变化数据的基础上,采用景观生态学优势度和Costanza等人对全球生态系统服务价值的测算方法,评估了伊犁河流域土地利用变化引起的生态环境质量变化。研究结果表明:伊犁河流域内分布最多的是草地,草地是景观基质,广泛分布于流域内各种地貌类型;与1990年相比,2000年研究区水体、未利用地和林地面积减少,而城镇用地、耕地和草地面积增加,对生态环境有负面影响的耕地、未利用地和城镇用地的总优势度从33.4%增长至38.3%,负面影响有加重的趋势;总体上看,土地利用变化损害了伊犁河流域生态系统的生态服务功能,生态系统服务价值损失了4.4%,说明伊犁河流域的生态环境质量低,而且有恶化的趋势。

[ Bao G R, Bai C S, Gao Q Z, et al.Land use changes and its impacts on ecosystem service values in Yilihe Watershed of Xinjiang Autonomous Region[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2008,29(2):208-212. ]

[23]
魏文寿,袁玉江,喻树龙,等.中国天山山区235 a气候变化及降水趋势预测[J].中国沙漠,2008,28(5):803-808.lt;FONT face=Verdana><P>利用4个降水重建序列与天山山区10个气象站降水变化的响应关系,重建了天山山区近235 a来气候变化的年降水序列,重建序列的方差解释量达到47.7%。对过去235 a天山山区气候变化中降水变化的特征分析发现：降水大致经历了7干7湿的变化阶段,其中偏湿年份为124 a,多于偏干年份;天山山区的降水量以2.1 a、3.0 a、5.8 a、6.0 a的高频变化和24~25 a的低频变化周期最为显著。研究表明,近百年天山山区气候变化中的降水变化分为两个阶段,20世纪初到80年代,降水量逐渐减少,导致冰川退缩、河流径流量减少、湖泊萎缩、沙漠面积增大、植被覆盖率减少;80年代后期至今,降水量迅速增加,导致河川径流量增加、湖泊面积增大和沙尘暴日数减少,生态环境趋于好转,但同时造成洪水和地质灾害频繁。采用基于方差分析的周期叠加方法对天山山区未来23 a气候变化中降水的演变趋势进行预测,结果表明：未来23 a气候变化中天山山区以湿润为主,期间有部分年份可能较常年干旱。</FONT></P>

[ Wei W S, Yuan Y J,Yu S L, et al.Climate changes in recent 235 years and its trend prediction in Tianshan Mountainous Area[J]. Journal of Desert Research, 2008,28(5):803-808. ]

[24]
胡顺军,田长彦,宋郁东,等.塔里木河流域水面蒸发折算系数分析[J].中国沙漠,2005,25(5):649-651.根据阿克苏上游水库1982-1987年,塔门镇2000-2002年同步观测的20m<sup>2</sup>水面蒸发池和直径20cm小型蒸发器水面蒸发资料,估算了直径20cm小型蒸发器对20m<sup>2</sup>水面蒸发池的水面蒸发折算系数,分析了其变化特征,并与北疆哈地坡及我国新蒙区年水面蒸发折算系数进行了对比。结果表明,塔里木盆地冻结期(4~10月)的水面蒸发虽然微弱,但不能忽略,水面蒸发折算系数在非冻结期逐月增大,年际变化较小,但呈现逐年下降的趋势。该结果可供塔里木河流域水量平衡研究、水资源评价、生态需水计算时参考。

[ Hu S J, Tian C Y, Song Y D, et al.Analysis of conversion coefficient of water surface evaporation in Tarim River Basin[J]. Journal of Desert Research, 2005,25(5):649-651. ]

[25]
段春锋,缪启龙,曹雯,等.西北地区小型蒸发皿资料估算参考作物蒸散[J].农业工程学报,2012,28(4):94-99.参考作物蒸散是水文循环的重要参量，它的准确估算对于农业水资源的合理规划和利用尤为关键。本文利用西北干旱半干旱地区123个气象台站1971－2000年的逐日气象观测资料，以FAO推荐的Penman-Monteith公式确定的参考作物蒸散为标准，建立了基于相对湿度与10 m高度处风速的由20 cm小型蒸发皿换算参考作物蒸散的Kp模型。结果表明：西北地区参考作物蒸散ETref与蒸发皿蒸发Epan的相关系数达到0.967，两者之间存在明显的线性相关关系。与单站模型和全区模型相比，分区域Kp模型的精度介于两者之间，同时具有一定的推广价值，建议使用。

[ Duan C F, Miao Q L, Cao W, et al.Estimation of reference crop evapotranspiration by Chinese pan evaporation in Northwest China[J]. Transaction of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012,28(4): 94-99. ]

[26]
杨秀芹,王国杰,叶金印,等.基于GLEAM模型的淮河流域地表蒸散量时空变化特征[J].农业工程学报,2015,31(9):133-139.蒸散发是连接地表水循环和能量循环的纽带，淮河流域地表蒸散量的时空变化分析对深入理解中国气候过渡带水循环对全球变化的响应具有重要价值。该文基于流域水量平衡原理，利用流域水文数据对淮河流域GLEAM产品进行精度验证；并利用GLEAM（global land-surface evaporation：the Amsterdam methodology）产品分析1980－2011年淮河流域地表蒸散发年际和年内的时空变化。结果表明：1）淮河流域及其水资源二级分区的降水实测值与GLEAM产品估算结果比较，平均相对偏差为8.0%，相关系数高达0.94，GLEAM产品对于淮河流域的模拟精度较高；2）淮河流域1980－2011年多年平均年地表蒸散量为673 mm；3）淮河流域多年平均年地表蒸散量空间变化范围为528～848 mm，空间差异显著，呈从西南向东北逐渐减少，淮河以南地表蒸散量大于淮河以北地表蒸散量，四个季节地表蒸散发具有类似的空间分布特征；4）近32 a淮河流域平均的年地表蒸散量变化范围为588.6～767.8 mm，且存在显著的上升趋势；地表蒸散量的季节变化大致呈单峰型分布，峰值出现在8月，最小值出现在12月；且季节变化较为明显，夏季（272.0 mm）＞春季（191.4 mm）＞秋季（144.3 mm）＞冬季（65.0 mm）；5）基于栅格尺度年地表蒸散量的变化速率主要受春季主导，依次为夏季、秋季，冬季的影响最小，淮河流域大部分区域地表蒸散发量呈增加趋势。该研究可为淮河流域洪涝、干旱等极端水文气象事件的监测与预警提供科学依据，同时为该流域水资源管理提供参考及决策依据。

DOI

[ Yang X Q, Wang G J, Ye J Y, et al.Spatial and temporal variation characteristics of terrestrial evapotranspiration in Huai River basin based on GLEAM data[J]. Transaction of the Chinese society of Agricultural Engineering, 2015,31(9):133-139. ]

[27]
魏凤英. 现代气候统计诊断与预测技术[M].北京:气象出版社,1999:43-45.

[ Wei F Y.Statistics, diagnosis and prediction technology for modern climate[M]. Beijing: China Meteorological Press, 1999:43-45. ]

[28]
Chen L D, Wang J P, Wei W, et al.Effects of landscape restoration on soil water storage and water use in the Loess Plateau Region, China[J]. Forest Ecology & Management, 2010,259(7):1291-1298.Large-scale vegetation restoration in China's Loess Plateau has been initiated by the central government for controlling soil and water losses in the past three decades. However, there is virtually no guidance for plant species selection for the restoration purpose. We investigated the effects of planting trees and shrubs, land-use conversions from croplands to pastures and native grasslands on soil water dynamics and water stresses by using long-term field measurements from 1986 to 1999 in the semi-arid loess hilly area. Our research has led to the following three major findings. Firstly, the amount of soil water storage within a 100 cm depth decreased as measured at both the beginning and the ending point of growing seasons regardless land cover types. The soil water replenishment by rainfall during rainy seasons was not sufficient to fully recharge the soil water storage. Landscape restoration through shrub planting may help retain more soil water than other land cover types. Secondly, the ratio of actual evapotranspiration ( ET) and pan evaporation ( PET) generally declined for all land cover types during the study period. Shrub lands had the largest ET/ PET ratio, followed by native grassland, cropland/alfalfa, and pine woodland. The ET/ PET ratio of native grasslands declined fastest, followed by pine woodlands, shrub lands, alfalfa, and croplands. Pine woodland's low ET/ PET ratios were mainly caused by its higher runoff due to soil compaction resulted from soil desiccation. Lastly, we found that the soil water storage at the beginning of growing season was important in determining the ET/ PET ratios. This study suggested that pine plantations may not be appropriate for landscape restoration in such a semi-arid loess hilly area while shrubs may be highly recommended.

DOI

[29]
Allan R G, Pereira L S, Raes D, et al.Crop evapotranspiration guidelines for computing crop water requirements[M]. FAO Irrigation and Drainage paper 56. Food and Agricultural Organization of the united nations, Rome, Italy,1998.

[30]
刘波,肖子牛,马柱国,等.中国不同干湿区蒸发皿蒸发和实际蒸发之间关系的研究[J].高原气象,2010,29(3):629-636.lt;FONT face=Verdana>利用降水量将中国划分为干旱、 半干旱、 湿润和半湿润4个区域， 开展不同区域中蒸发皿蒸发和多个模式模拟的实际蒸发的集成结果对比研究， 探讨和分析在不同干湿背景下蒸发皿蒸发和利用观测的气象数据驱动的陆面过程模型模拟的实际蒸发之间的关系， 并对导致这种关系的原因进行了分析， 表明结果： （1）实际蒸发在中国整体上表现为下降趋势， 这与湿润和半湿润区的变化趋势一致， 而在干旱和半干旱区， 实际蒸发表现为上升的变化趋势； （2）对比不同干湿区域的结果发现， 在干旱和半干旱区， 蒸发皿蒸发和实际蒸发表现为相反的变化趋势， 在半湿润和湿润区， 蒸发皿蒸发和实际蒸发表现为相同的变化趋势， 在中国整体上蒸发皿蒸发和实际蒸发在总体上也具有一致的变化趋势； （3）单站分析的结果表明, 中国东南大部分站点蒸发皿蒸发和实际蒸发表现为相同的变化趋势， 而在西北地区大部分站点两者之间是相反的关系， 这与区域平均的结果是一致的； （4）蒸发皿蒸发和实际蒸发之间在各个地区存在不同的关系主要是由于不同的干湿背景下实际蒸发变化的主要制约因子不同造成的。</FONT>

[ Liu B, Xiao Z N, Ma Z G, et al.Relationship between pan-evaporation and actual evaporation in different humid and arid regions of China[J]. Plateau Meteorology, 2010,29(3):629-636. ]

[31]
Cheng Y F, Wang G X, Xi H Y, et al.Variations of land evapotranspiration in the plain of the middle reaches of Heihe River in the recent 35 years[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2007,29(3):406-412.In this article,the FAO Penman-Monteith formula is used to calculate the real evapotranspiration for different underlying surfaces in the middle reaches of Heihe River,and the evapotranspiration change and its seasonal variation are analyzed for the recently 35 a (1967-2000 year).The remote sensing images (TM) of 1967,1986 and 2000 in Ganzhou,Linze,Gaotai and Minle Counties are used to analyze the land use change.Finally,the total evapotranspiration of the three underlying surfaces was calculated through real evapotranspiration and different areas of land.The result indicated that land surface evapotranspiration overall presents a decreasing tendency.The annual mean evapotranspirations of the farmland,grassland and desert are 762 mm,340 mm and 229 mm,respectively,in the recent 35 a.The evapotranspiration varies seasonally.The seasonal variations of real evapotranspiration for the three underlying surfaces follow that in the summer>in spring>in autumn>in winter.Real evapotranspiration is influenced by the seasonal variation.Simultaneously,in the four counties land is degenerating seriously.As a whole,the grassland degeneration is more obvious,the desert area increases in evidence,and the farmland area increases a little;For the four counties and for the three underlying surfaces,the total evapotranspiration was 37脳10min 1967,38脳10min 1986 and 39脳10min 2000.

DOI

[32]
Yin Y H, Wu S H, Zheng D, et al.The regional differences of dry-wet change in China in recent 30 years[J]. Chinese Science Bulletin, 2005,50(15):1636-1642.

Options
Outlines

/

〈 〉