西北内陆河流域实际蒸散发对干旱的响应及其影响因素.pdf
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1、兰州大学学报(自然科学版),2 0 2 3,59(3)6 月Journal of Lanzhou University(Natural Sciences),2023,59(3)/June西北内陆河流域实际蒸散发对干旱的响应及其影响因素李开放,张福平,冯马起12,魏永芬”,何旭洋!1.陕西师范大学地理科学与旅游学院,西安7 10 1192.中国科学院西北生态环境资源研究院,兰州7 30 0 0 03.日本国立岐阜大学流域圈科学研究中心,日本岐阜50 1119 3摘要:通过对西北内陆河流域实际蒸散发(ET)的研究以解决研究区内水资源短缺问题以及有限水资源的合理利用.利用西北内陆河流域8 0 个气象
2、站点的气象数据和中分辨率成像光谱仪遥感产品数据,采用基于地表能量平衡理论的地表能量平衡系统(SEBS)模型,对2 0 0 0-2 0 2 0 年西北内陆河流域ET进行定量化估算,分析其时空分布特征和对干旱状况的响应,探讨不同气候因子对ET的影响.结果表明,西北内陆河流域2 0 0 0-2 0 2 0 年各年平均蒸散量先减小后增加,多年平均值为157.9 7 mm.不同季节,不同土地覆被类型条件下ET均值变化为夏季 春季 秋季 冬季,水域 耕地 林地 草地其他.西北内陆河流域干旱程度空间分布差异较为明显,ET和温度植被干旱指数有着相反的变化趋势,2 0 0 0-2 0 2 0 年流域经历了干旱先
3、增强后减弱的一个过程,ET为先减小后增加的趋势.2 1a来,西北内陆河流域平均气温、地表温度、相对湿度与蒸散发均呈正相关关系,日照时数仅在冬季与蒸散发呈负相关关系,且影响因子与蒸散发的相关性随着季节的变化而改变.通过彭曼公式和蒸发皿数据对SEBS模型模拟值进行精度验证,ET模拟值精度较高,说明模拟结果适用于本研究区.关键词:实际蒸散发;地表能量平衡系统模型;西北内陆河流域;时空变化中图分类号:Q148文献标识码:A文章编号:0 455-2 0 59(2 0 2 3)0 3-0 32 2-0 9D0l:10.13885/j.issn.0455-2059.2023.03.005Responses
4、of actual evapotranspiration to drought in Chinese northwestinland river basins and its influencing factorsLI Kai-fang,ZHANG Fu-ping,FENG Qi2,WEI Yong-fen,HE Xu-yang1.School of Geography and Tourism,Shaanxi Normal University,Xian 710119,China2.Northwest Institute of Eco-environment and Resources,Chi
5、nese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China3.River Basin Research Center,Gifu University,Gifu 5011193,JapanAbstract:This study aimed at addressing the problem of water scarcity and rational use of limited waterresources in the study areas via the actual evapotranspiration(ET)in Chinese northwest i
6、nland riverbasins.With relevant data from 80 meteorological stations and moderate resolution imaging spectroradi-ometer remote sensing product data,the surface energy balance system(SEBS)model based on the sur-收稿日期:2 0 2 2-0 4-18修回日期:2 0 2 2-0 6-18基金项目:教育部人文社会科学基金项目(2 1YJAZH110);陕西师范大学“一带一路 专项科研项目(2
7、 2 YDYLZ011);国家自然科学基金项目(52 17 9 0 2 6);国家重点研发计划项目(2 0 2 2 YFF1302600)作者简介:张福平(19 7 3-),男,山西吕梁人,博士,e-mail:Zhang_,研究方向为资源环境遥感,通信联系人.323李开放,等:西北内陆河流域实际蒸散发对二旱的响应及其影响因素face energy balance theory was used to quantify ET in the inland river basins from 2000 to 2020,analyzeits spatial and temporal distribut
8、ion characteristics and responses to drought conditions and explore theinfluence of different climatic factors on ET.The results showed that the average evapotranspiration de-creased and then increased in each year from 2000 to 2020,with a multi-year average value of 157.97mm,and the mean ET values
9、changed in different seasons and under different land cover types in the pat-tern of summerspringautumnwinter,and watershedcroplandwoodlandgrasslandother.The spatialdistribution of drought in Chinese northwest inland river basins varied significantly,and ET and tempera-ture vegetation dryness index
10、had opposite trends,with the basin experiencing a process of increasingand then decreasing drought from 2000 to 2020,and ET decreasing and then increasing.Over the past 21years,the average temperature,surface temperature,relative humidity and evapotranspiration in Chinesenorthwest inland river basin
11、s were positively correlated,and the sunshine hours were negatively corre-lated with evapotranspiration only in winter,and the correlation between the influencing factors andevapotranspiration would vary with seasonal changes.The accuracy of the simulated values of SEBSmodel was verified by Penmans
12、formula and evaporation dish data,and the accuracy of ET simulatedvalues is high,which indicates that the simulation results are applicable to this study area and can pro-vide a scientific basis for the subsequent water resources allocation.Key words:actual evapotranspiration;surface energy balance
13、system model;Chinese northwest inlandriverbasin;spatial andtemporal variation蒸散发是流域水量平衡与水循环的重要一环,既包括陆地和水域表面的蒸发,也包括植被叶片层次的蒸腾作用,是联系能量平衡和水量平衡的枢纽,在农业生产、水资源规划利用等众多方面起着举足轻重的作用.随着全球变暖趋势的加剧 2 ,水资源和生态环境面临的问题更加严峻,因此蒸散发的定量化研究十分迫切,尤其是明确干旱区流域实际蒸散发(actual evapotranspiration,ET)的时空格局变化,对于干旱区水资源合理开发与配置、优化流域农业生产以及保障
14、流域生态安全具有重要意义,传统的蒸散量测算方法有波文比-能量平衡法、蒸散仪法、涡度相关仪法等 2-3,这些方法由于在获取数据时均存在时间连续性差、范围有限等问题,不能及时有效地进行大区域、长时间范围内的数据分析,随着遥感技术以及与其配套的模型方法不断发展,为解决上述问题提供了方法,如陆面地表能量平衡算法(surfaceenergybalancealgo-rithm forland,SEBAL)、地表能量平衡系统(sur-face energy balance system,SEBS)等 4-14.SEBAL模型具有精度高、适用性广等特点,适用于长时间序列、大尺度区域的地表蒸散量计算,SEBS模
15、型是由SUS)在SEBAL模型基础上提出的遥感蒸散单层模型,具有较高的精度以及更好的实用价值,在干旱区研究中得到广泛应用(6-,且具有较高的准确性.西北内陆河流域地处欧亚大陆架,远离海洋,是一个典型的干旱区,长期遭受干旱的困扰。近年来,由于气候变化和人类活动的影响,西北内陆河流域气象水文要素明显改变,生态环境迅速恶化.由于ET的估算在区域尺度较为困难且精度较低,造成关于西北内陆河流域ET的研究较少,且主要集中在西北内陆河的子流域范围内,对于整体把控流域ET时空格局变化以及不同土地利用类型的蒸散发差异性的能力较弱,不能及时对流域水文状况进行全局分析.本研究利用西北内陆河流域2 0 0 0-2 0
16、 2 0 年8 0个气象站点,获取逐日气象观测资料,利用SEBS模型估算西北内陆河流域的ET,通过年际变化率和区域结果对ET的时间变化和空间分布特征进行分析,探讨ET与土地利用以及气象因子的相关性.1数据与方法1.1研究区概况西北内陆河流域(3448 47 6 N,7 32 0 10 6 56E)地跨内蒙古、甘肃、青海、新疆4个省和自治区,总面积约2.510 km,占全国陆地面积的2 6%左右10-,主要由准噶尔盆地、河西走廊、柴达木盆地、吐鲁番-哈密盆地、塔里木盆地组成(图1),地处欧亚大陆腹地,远离海洋,被天山、昆仑山、阿尔泰山等众多山脉截留环流水汽,形成了典型的干旱性气候.具有降水稀少、
17、蒸发强烈的气候特点,年均气温6.6 7,多年平均降雨132 mm.西北内陆河流域内土地利用类型主要为草地(面积占比2 4.1%)、未利用地(面积占比6 7.4%),生态环境脆弱,水资源严重短缺,且人口主要集中在内陆河流域的绿洲区,绿洲城市发展带来了更多的324兰州大学学报(自然科学版),2 0 2 3,59(3)人地矛盾,加上水资源长期的不合理开发利用,致使本就脆弱的生态环境和水资源状况更加恶劣,古尔班通古特辉漠区天山北苑河NoOt塔里木地源流酒吐哈盆地小河塔里木干流库木塔格沙漠济果木鑫地荒漠塔里木盆地荒漠区河西内陆河N.S昆仑山北麓小河荣送木红地古海湖水系河流西北内陆区二级区划N.00耕地草
18、地建筑用地0400km林地水域未利用地80E90E100E图1西北内陆河流域概况Fig.1Overview of the northwest inlandriver basin1.2数据来源与处理遥感数据均为西北内陆河流域2 0 0 0-2 0 2 0 年MODIS数据产品,包括地表温度数据(MOD11A2产品;31 32 波段)、地表反照率数据(MOD09A1产品;1 7 波段)、归一化植被指数(NDVI)数据(MOD13A2产品),来源于美国国家航空航天局网站(https:/ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/).其中MOD13A2时间分辨率为16
19、d,MOD09A1、MOD11A2时间分辨率均为8 d,通过MRT软件对下载的MODIS遥感数据集进行预处理(拼接、投影、剔除无效值、重采样和裁剪).土地利用覆被数据和数字高程模型(DEM)数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(https:/ 0 0 0-2 0 2 0年)来源于中国气象科学数据共享服务网(http:/ d的台站剔除,最终使用8 0 个台站进行分析,同时使用ANUSPLINE软件将气象数据插值,并将DEM数据作为协变量,得到相应气象数据栅格数据,空间分辨率为1km1km.1.3SEBS模型SEBS模型基于能量平衡理论计算日蒸散发.通过对遥感数据的分析获取地表参数(如反照率、
20、地表温度和植被指数)并结合空气动力学建立112-13.R,=G。+H+E,(1)其中,R,为地表净辐射通量(W/m);G.为土壤热通量(W/m);H 为感热通量(W/m);入E为潜热通量,入=2.49 10 J/kg,为水的汽化热,E为蒸散量(kg/(m s).R,=(1-)Rswa+Riwd=oTe,(2)其中,为地表反照率,Rswa和Riwa分别为向下的短波和长波太阳辐射,c为地表发射率,o为Stefan-Boltzmann常数(5.6 7 10 W/(mK),T。是地表温度(K).G。=R.T+(1-f)(,-),(3)其中,。和,为经验值,。为植被在完全覆盖的情况的取值(0.315)4
21、1,,为裸土条件下的值(0.0 5)15)是由遥感数据计算的冠层覆盖率NDVI-NDVIJ.=(min(4)NDVI,Imax-NDVImaxmin其中,NDVImax和NDVImin分别代表全植被覆盖(f=1)和裸地(f=O)情况下的NDVI.pCHAT,(5)Ya其中,p为空气密度(kg/m);C,为比热容(J/(kgK);r.为空气动力学阻抗(s/m);T 为温度差(K).1.4温度植被干旱指数利用简化后的特征空间提出基于NDVI-地表温度(land surface temperature,LST)三角形经验解释的温度植被干旱指数(temperaturevegetationdryness
22、 index,TVDI)l10:LST-LSTTVDImin(6)LST,x-LST,maxmin其中,LST为地表温度();LSTmax为给定的NDVI值下的最大地表温度(),即干边:LST,=a+bNDVI,maxLST为相应的最小的地表温度值(),即湿边:LSTmin=c+dxNDVI,(8)1其中,a、b、c、d 分别为干、湿边的线性拟合方程系数.TVDI=01,当TVDI=1时,表示没有蒸发或有限的湿度供应;当TVDI=O时,表示最大蒸发或无限湿度供应.根据前人在干旱和半干旱地区的干旱级别划分方法(17-19,将干旱划分为4个等级:正常(0 TVDI0.4),轻度干旱(0.4 TVD
23、0.6),中度干旱(0.6 TVDI0.8),重度干旱(0.8 TVDI0.7,表明SEBS模型模拟的ET值与P-M方法结合作物系数的计算值、蒸发皿的实测值之间具有良好的相关关系;两种方法的RMSE相对较小,蒸发计算值与反演值更为接近;两种方法的MRE表明模拟值接近实际情况,模拟结果可信.SEBS模型能够有效模拟西北内陆河流域的ET情况,2.2西北内陆河流域ET时空变化特点西北内陆河流域ET多年平均值为157.9 7 mm,109876RSME=0.71mm/d5MRE-8.3%4R=0.783579SEBS模型估算ET/mmaP-M公式109876RSME=0.66mm/d5MRE=7.1%
24、4R=0.79346810SEBS模型估算ET/mmb蒸发血图2 ET模拟结果的对比验证Fig.2Comparative verification of ET simulation results其中春、夏、秋、冬季分别为35.37、8 4.8 9、2 6.6 9、10.99 mm.从图3可见,西北内陆河流域多年平均ET空间差异显著,天山北麓、吐哈盆地、河西内陆河、青海湖水系等地较高,西北内陆河流域中部与西北部地区较低.这一分布特点是由于ET的空间分布受到降水量、气温、植被覆盖度、太阳辐射、地形和相对湿度等要素的影响.河西内陆河上游的祁连山区、青海湖水系地区、天山地区、吐哈盆地上游地区等年ET
25、400mm,是内陆河流域年ET的高值区域.蒸散发量高值区域植被覆盖度高、降雨量相对充足、相对湿度较大,且太阳辐射量大、日照时间长,因此ET较高.西北内陆河流域中部的库木塔格沙漠、河西内陆河下游地区以及塔里木盆地荒漠区的ET100mm,是内陆河流域ET的低值区域,由于这些地区的植被覆盖度低,降雨量较少且四周山脉的阻隔导致湿润的水汽难以到达,相对湿度较低.西北内陆河流域不同季节ET空间差异显著,但其空间分布特征与多年平均蒸散发量相同,整体表现为从中部向四周逐渐增加.春季ET空间差异较为明显,高值区域分布在河西内陆河上游的326兰州大学学报(自然科学版),2 0 2 3,59(3)No0tNo0tN
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