第四节　地表蒸散的遥感反演

一、研究数据

1.遥感数据

本研究过程中使用的遥感数据主要为2002年7月～2009年12月期间的EOS/AQUA MODIS数据（V005版本），包括土地覆盖产品、植被指数产品、地表温度产品和反照率产品。所有的MODIS产品均由美国地质调查局USGS的LP DAAC（Land Process Distributed Active Archive Center）提供。有关MODIS数据的基本情况见表1-10。

注：LP DAAC尚未提供2009年的土地覆盖产品（MCD12Q1）。

2.DEM数据

DEM数据来源于美国的航天飞机雷达地形测绘计划（Shuttle Radar Topography Mission， SRTM）。该计划由美国航空航天局NASA、美国图像测绘局NIMA、德国及意大利航天局共同开展，通过“奋进号”航天飞机获取北纬60°～南纬56°之间陆地地区的数字高程模型。

本研究使用的SRTM数据由马里兰大学的GLCF免费发布（网址：glcf.umiacs.umd. edu），空间分辨率为1km。该数据已经对SRTM原始数据中存在的大量缺失值进行了插值处理，提高了数据的可用性。

3.气象数据

气象资料为博斯腾湖流域范围内9个气象站点2002年7月～2009年12月的逐日最高气温、平均风速、降水资料，此外还有1个站点（博斯腾湖站）2005～2009年的蒸发资料。9个站点的详细情况见表1-11，空间分布见图1-49。

二、蒸散的空间分布特征

1.年平均蒸散的空间分布特征

博斯腾湖流域2003～2009年的多年平均地表蒸散量空间分布见图1-50。

从整体上看，研究区蒸散量体现出西北低、东南高的特点。西北部主要是草地，蒸散年均值一般在250～400mm之间。东南部的博斯腾湖及湖体西南部湿地具有最高的蒸散值，普遍在700mm以上，博斯腾湖西部的农耕区也具有较高的蒸散值，一般在300～400mm之间。湖区周围的荒漠地带年平均地表蒸散量多在150mm以下，显著低于其他地区。另外有一点需要注意的是高海拔山区其蒸散量总体上高于平原地区，这可能是由于高海拔地区净辐射较高，因而具有较高的潜热。

对研究区年平均蒸散量进行直方图统计（见图1-51），可以看出研究区的多年平均蒸散量主要分布在0～600mm之间，呈现出双峰现象，峰值分别出现在50mm和370mm处左右，这2个峰分别对应于基本无植被覆盖的荒漠以及有植被覆盖的草地和农田区域。此外，在800～1000mm还有一个不明显的小峰值，这主要是博斯腾湖水体及湿地的蒸散值。

不同土地覆盖类型由于土壤湿度、植被覆盖度、反照率、地表粗糙度等生理和物理特征存在差异，地表蒸散过程体现出较大的差别。本研究基于土地覆盖图对各种主要土地覆盖类型蒸散年均值的均值和标准差进行了统计分析。

首先在MODIS提供的土地覆盖分类图基础上进行类别的归并简化，将原先的17种IGBP土地覆盖类型归并为8种类型（详情见表1-12）。

按照归并后的8种地物类型对年蒸散进行统计，结果见表1-13。

从表中可以看出，水体具有最高的年蒸散量（864.63mm），其次是含水量很高的湿地（647.62mm）。在林地、草地和农田这3种植被覆盖类型中，以灌丛为主的林地蒸散量最高（455.18mm），农田次之（382.09mm），而草地的蒸散量最低（348.74mm）。城镇和裸地这2种低植被覆盖类型的蒸散值普遍比较低，分别为128.82mm和132.53mm。冰雪覆盖区的年蒸散量平均值在353.63mm，与植被覆盖区比较相近。

2.季节平均蒸散的空间分布特征

将研究区的蒸散数据分为春夏秋冬4个季节进行分析：春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）和冬季（1月、2月和12月）。春夏秋冬4个季节的蒸散分布见图1-52。春季研究区的地表蒸散一般在0～120mm之间，而博斯腾湖的蒸散仍然比较高，一般在300mm以上，湖区西南部湿地的蒸散也比较高，在200～250mm之间。夏季蒸散值明显高于春季，西北部草地及湖区西部的农田蒸散值在180～300mm之间，东南部荒漠的蒸散与春季相比变化很小，都在30mm以下。秋季蒸散的空间分布特征以及数值均与春季基本一致，除了博斯腾湖及湖区西南部湿地的蒸散有一定程度的降低（湖区在180～220mm之间，湖边湿地在140m左右）。冬季研究区的蒸散普遍非常低，基本都在30mm以下，博斯腾湖及湖滨湿地的蒸散也仅有30～600mm。不过山区的阴坡体现了较高的蒸散量（120～180mm）。

博斯腾湖流域春夏秋冬4个季节平均蒸散量的直方图见图1-53。春季蒸散主要分布在0～150mm区间，并且在该区间表现出3个明显的峰值，分别对应裸地、农田以及草地。此外，在300mm处有一个较小的峰值，对应博斯腾湖水体。夏季蒸散主要分布在0～300mm区间，并且表现出2个明显的峰值，分别对应裸地以及植被覆盖区。秋季蒸散的直方图与夏季类似，有裸地和植被覆盖区对应的双峰现象以及水体的小峰值，不过在数值上不仅比夏季要低很多，还低于春季。冬季蒸散主要分布在0～60mm之间，呈现出单峰现象。

三、蒸散的时间变化规律

1.流域蒸散的年际变化特征

由于2002年只有半年数据，所以仅统计了2003～2009年的博斯腾湖流域平均年总蒸散年际变化（见图1-54）。

7年期间流域平均年蒸散在293.56～315.75mm范围内波动，平均值为306.19mm。2004年流域年蒸散最低，为293.56mm，低于平均值12.63mm；2008年达到最高值315.75mm，超过平均值9.56mm。从整体上看，流域年蒸散体现出逐年升高的趋势。

除了从整体上分析蒸散的年际变化之外，还运用线性回归方法逐像元的分析年蒸散的变化趋势。以年份为自变量，年蒸散为因变量进行最小二乘法计算，得到各个像元的斜率（见图1-55）。从图上可以看出，虽然在整体上流域的年蒸散体现出增加的趋势，但是在不同区域却体现出空间分布的差异性。西北部的地表蒸散呈现出明显的增加趋势，年均变化可达10～18mm/a，中北部地区体现出降低的特征，降幅一般在8～12mm/a，少数地区可达15mm/a以上。西南部的荒漠地区基本上都呈现出降低的特征，降幅一般在5～15mm/a，博斯腾湖环湖一带蒸散降低较多，年降幅可达30mm/a，由于水体蒸散量远高于其他地物，因此与其他区域比较，虽然其数值下降较多，但是相对降幅并不是很大。博斯腾湖西部的农耕区外围体现出一定的升高趋势，增幅在10～20mm之间。博斯腾湖南部及北部有几处区域增幅明显，超过30mm/a，这些地区原来为荒漠，后来开发为农田，因此蒸散量大幅度升高。

2.流域蒸散的年内变化特征

统计博斯腾湖流域2002年7月～2009年12月期间各个月的平均蒸散，绘制其年内变化趋势（见图1-56）。

从图上可以看出，蒸散的年内变化呈现单峰特征。1～4月蒸散缓慢上升，4～7月蒸散急剧升高，在7月达到最高值（54.23mm）。然后7～11月期间迅速下降，11～12月缓慢下降，12月份的蒸散量为全年最低（8.56mm）。

图1-57给出了研究区8种土地覆盖类型的多年平均月蒸散变化曲线。

从图中可见，在1月、2月、11月各种地物的蒸散量均比较低，而在6、7、8月蒸散值普遍较高。除了1月之外，水体的蒸散要明显高于其他地物，并且其蒸散峰值出现较早，5～7这3个月的蒸散值量比较接近，在春季其蒸散量的增幅明显超过最高。湿地的年内变化特征与水体相近，不过蒸散的数值要低一些。林地、农田、草地和这3类植被覆盖类型体现了相似的年内变化特征，林地在各个月份均比草地要高一些，而农田在1～4月的蒸散量低于草地，从5月开始蒸散量迅速升高，7～10月其蒸散量与林地接近。这可能是因为冬季和初春农田未种植作物，植被覆盖度非常低，而从5月开始在当地农作物的物候期内由于农作物植被覆盖度高，加上人为灌溉的缘故，其蒸散量要大于同期的草地。冰雪覆盖的月蒸散变化规律与3种植被类型比较接近，其在1～4月以及10～12月期间蒸散量与林地接近，在5～9月期间蒸散量比同期的植被覆盖度要低一些。城镇和裸地这2种土地覆盖类型的月蒸散比较低，其中裸地蒸散量的年内波动较小，而城镇蒸散量的年内波动要大一些。

3.蒸散时相变化与气温、降水的关系

降水和温度是影响地表蒸散的关键气象要素，降水提供土壤水分，温度影响植物冠层气孔导度的大小和土壤表面蒸发等过程。将2002年9月～2009年9月的博斯腾湖流域平均月蒸散与9个气象站点的月平均降水、气温进行比较（见图1-58），从图中可见，月蒸散与降水、气温的时相变化趋势非常相近。

将2002年9月～2009年11月的博斯腾湖流域平均月蒸散与9个气象站点的月平均降水、气温数据进行相关分析，并将这87个月的数据按照春夏秋冬4个季节归类分别进行相关分析，结果见表1-14。

从表中可见，流域月平均蒸散与月平均降水、气温之间具有良好的正相关关系，这说明蒸散的变化受到降水和气温的影响，降水越多，气温越高，地表蒸散量也越高。从季节上看，春季蒸散与降水的相关系数要远高于蒸散与气温的相关系数，说明该季节流域的土壤含水量一般都处于不饱和状态，制约蒸散的主要因素是水而不是热。夏季蒸散与降水、气温的相关系数都很高，说明该季节降水和气温都是地表蒸散的重要影响因素。秋季蒸散与气温的相关系数要远高于蒸散与降水的相关系数，说明该季节土壤水分相对充足，地表蒸散的影响因素主要是气温。冬季蒸散与降水的相关系数为负值，且显著度不高，说明该地区冬季蒸散受降水影响很小，而在一定程度上取决于气温。

四、焉耆盆地人类活动对地表蒸散及开都河径流量的影响

近些年来，由于人类的过度开发，研究区内焉耆盆地（见图1-59）的耕地面积迅速扩大，土地覆盖状况的变化导致了地表蒸散、反照率等物理特性的改变，并对水环境造成了一定的影响，产生了土壤盐渍化、水体矿化、生态系统退化等一系列严重的环境问题。为了定量分析人类活动对水资源水环境的影响，本研究分析了焉耆盆地土地覆盖变化对地表蒸散的影响。

1.土地覆盖变化

对2002～2008年土地覆盖状况（见表1-15）进行分析，给出了几种地物在2002～2008各个年份的面积。

农田面积在这几年期间有较大幅度的增加，从2002年的1253km2增加到2008年的1866km2。林地也表现出增加的趋势，水体、草地以及裸地均有不同程度的减少，而湿地和城镇变化很小。

2.土地覆盖变化对蒸散的影响

裸地经过人工开发转变成农田之后，由于土壤湿度、叶面积指数等特征的改变，其地表蒸散量大大增加。以博斯腾湖南部某个典型像元为例（东经86.79°，北纬41.76°），该像元原先为裸地，后来经过开发转换为农田。该像元的年蒸散以及8月份蒸散的年际变化见图1-60。

由于2002年和2010年均仅有半年数据，所以年蒸散仅仅统计了2003～2009年的结果，而8月份蒸散则统计了2002～2009年的结果。无论是年蒸散还是8月份蒸散，均体现出逐年增加的趋势，这是由于该像元不断开发，农田面积比重越来越大的结果。8月份生长季期间蒸散量的增幅要比年蒸散的增幅更加明显。

将焉耆盆地2002年为裸地而2008年为农田的像元提取出来，统计了这些变化区域年蒸散以及8月份蒸散的年际变化特征，见图1-61。从图上可以看出，年蒸散和8月份蒸散均体现出逐年增加的趋势。与图1-60相比，图1-61的年际波动大很多，而增幅却要小，这一方面是由于这些提取出的像元有很多并非纯像元，而是一定比例的裸地和农田的混合。另一方面，焉耆盆地中由很多农田会在一定时期内休耕，这也会对统计结果产生一定的影响。

3.焉耆盆地蒸散变化对开都河径流量的影响

开都河流汇入博斯腾湖之前，在宝浪苏木分水枢纽处分为东、西两支，东支进入博斯腾湖大湖区，西支进入博斯腾湖小湖区。东支水文站流量加上西支水文站流量可看作开都河的入湖总流量。从理论上来讲，由于河流沿途不断有支流汇入，下游流量一般要大于中上游。但是，开都河入湖总流量与大山口水文站流量相比，明显小很多（见图1-62）。开都河流量的减小应该是由于流经焉耆盆地期间引水灌溉、地下渗透、河面蒸发等因素导致的。

图1-63给出了1995年3月～2009年11月期间开都河大山口水文站流量减去入湖流量的季节变化曲线。

从图中可以看出，随着时间推移，开都河流量在焉耆盆地的损耗呈增加趋势。在影响开都河流量在焉耆盆地损耗的几个因素中，地下渗透的年际变化应该相对比较小，而河面蒸发占流量的比重较小，说明引水灌溉量在这些年中发生了很大变化。此外，从图中还可以看出，开都河损耗流量在不同季节存在很大的差异：冬季损耗非常低，一般都在50m3/s以下，甚至还低于零，说明有时宝浪苏木的流量还要大于大山口的流量；春秋季开都河损耗流量较高，一般在100～200m3/s之间，而夏季的损耗流量最高，基本都在200～300m3/s之间。从开都河大山口水文站流量减去入湖流量的年际变化曲线（见图1-64）也可以看出开都河流量在焉耆盆地的损耗呈增加趋势。

为了更详细的分析开都河流量在焉耆盆地的损耗的变化规律，绘制了开都河大山口水文站流量减去入湖流量的多年平均年内变化曲线（图1-65）。从图中可以看出，在不同月份，开都河流量在焉耆盆地的损耗存在显著差异。1～3月份开都河的入湖流量与大山口水文站流量的差异很小，4～10月份，开都河的入湖流量与大山口水文站流量之差非常大，基本上在70m3/s上下波动，11～12月份入湖流量与大山口水文站流量之差又下降到了一个较低的水平。4～10月一般是作物的生长季，而这段时期开都河流量损耗很高，可见跟农作物生长灌溉密切相关。

对2003～2009年大山口水文站与宝浪苏木分水枢纽之间耕地的平均蒸散量进行统计，得到蒸散的年变化和月变化曲线（见图1-66和图1-67）。从图1-67中可以看出，2003～2009年期间该区域耕地的蒸散呈现出逐渐增加的趋势，并且与开都河流量损耗量具有类似的季节变化规律。

对2003～2009年期间开都河月流量在焉耆盆地损耗量与流经区域耕地月蒸散量进行相关分析（见图1-68），相关系数为0.7927（n=84，P<0.001）。两者之间存在非常明显的相关性，耕地蒸散量的增加导致了开都河水量的损耗。人类的农业开发活动使得耕地需水量增加，从开都河抽取了更多的水用于农田灌溉，导致开都河从大山口流至宝浪苏木分水枢纽期间流量明显减少。

五、小结

利用遥感数据结合气象观测资料反演了博斯腾湖流域2002～2009年期间的地表蒸散，根据遥感反演结果分析了该地区蒸散的时空分布特征，并分析了蒸散变化与气候因子、农业开发活动的关系及其对开都河流量的影响，得出如下结论。

（1）对遥感反演地表蒸散结果进行统计分析，结果表明地表蒸散的空间分布呈现出明显的地域特征，受土地覆盖类型的影响很大。年蒸散直方图体现为双峰特征，分别对应于无植被覆盖和有植被覆盖区域。从整体上看，整个博斯腾湖流域的年蒸散体现出增加的趋势，并且不同区域的年际变化趋势各不相同。流域西北部地区以及博斯腾湖周边的新开发农田表现出显著地增加趋势，而博斯腾湖水体边界一带及焉耆盆地荒漠地区的蒸散则体现出下降的趋势。蒸散的年内变化呈现单峰特征，季节性变化特征很明显。

（2）流域月平均蒸散与月平均降水、气温之间具有良好的正相关关系，说明蒸散的变化受到降水和气温的影响，降水越多，气温越高，地表蒸散量也越高。从季节上看，春季蒸散与降水的相关系数要远高于蒸散与气温的相关系数，该季节制约蒸散的主要因素是水而不是热；夏季蒸散与降水、气温的相关系数都很高；秋季蒸散与气温的相关系数要远高于蒸散与降水的相关系数，该季节地表蒸散的影响因素主要是气温；冬季蒸散与降水的相关系数为负值，且显著度不高，说明该地区冬季蒸散受降水影响很小，而在一定程度上取决于气温。

（3）对焉耆盆地内农田开发活动引起的土地覆盖变化及其与地表蒸散的关系进行了分析，由裸地转换为农田的区域其地表蒸散体现出非常显著的递增趋势，而整个焉耆盆地农业区的地表蒸散也体现出了一定程度的增幅。可见人类活动导致的农田扩展改变了地表的水热交换过程，增加了蒸散量。

（4）开都河月流量在焉耆盆地损耗量与流经区域耕地蒸散量之间的相关分析表明，两者之间存在显著的正相关关系（相关系数0.79），可见耕地蒸散量的增加导致了开都河水量在焉耆盆地农业区的损耗。人类的农业开发活动使得耕地需水量增加，从开都河抽取了更多的水用于农田灌溉，导致开都河从大山口流至博斯腾湖期间流量明显减少，影响了开都河汇入博斯腾湖的水量。