降水、蒸散是半干旱区陆地生态系统的主要水文过程(张新时，1994)。降水量大小是评价一个地区水资源状况的主要指标之一。蒸散(包括土壤蒸发和植被蒸腾)是陆地系统水分输出的主要途径，也是陆地表层水循环中比较难估算的要素，蒸散量的大小反映了陆面过程中地、气相互作用的强度，准确地估算区域地表蒸散量不仅对全球气候演变、环境问题以及水资源评价等有重要意义，对于科学灌溉、农业旱情的监测、预警等也具有重要意义(刘绍民等，2004；张永强等，2004)。毛乌素沙地是我国北方四大沙地之一，地处多种生态类型的过渡地带(陈仲新等，1996)，水热资源变化强烈，降水量少、气候干燥。干旱缺水是该区生态脆弱的根源和主要表现(草场退化、荒漠化面积增大和荒漠化程度加深)，同时也是制约该地区社会、经济发展的关键因子。因此合理开发与利用水资源极为重要。目前的研究主要集中在树种的水分生理生态特性和土壤水分动态监测等方面(王鸣远等，2002；张国盛，2004；姚洪林等，1995；周海燕等，1996)，对地下水的变化动态也有报道(虞毅等，1998)，但有关区域降水及蒸散的时空分布研究尚未见报道，本文以毛乌素沙地腹部的乌审旗为研究区，对降水、蒸散的时空分布及变化特征进行了系统地分析和评价。

1 研究区自然概况

乌审旗位于鄂尔多斯高原西南部，地处内蒙古高原向黄土高原过渡的低洼地带，是内蒙古自治区重要的畜牧业生产基地(37°38′54″-39°23′50″N，108°17′36″-109°40′22″ E)。东邻伊金霍洛旗，南连陕西省榆林、神木、横山、靖边等县市，西连鄂托克前旗，北接鄂托克旗和杭锦旗。总面积1.164 5万km²，旗境南北长194 km，东西宽104 km，平均海拔1 300 m，整体地势由西北向东南平缓下降。温带极端大陆性季风气候，受极地大陆冷气团控制的时间较长，受海洋热带暖气团影响时间较短，太阳能资源丰富，全年日照时数2.8~3万h，≥10 ℃积温2 800~3 000 ℃。冬春季降雪稀少，夏秋季雨水集中，年际和年内变化很大，多西北风，风沙频繁，属于半干旱地区(黄志兰，1990)。

乌审旗的土地资源比较丰富，虽然土地沙化的程度较高，但草地、林地、耕地的面积也很大。草地面积占总土地面积的一半以上，尤以天然草场比重最大；林地占总土地面积的10.48 %，但分布不均匀，缺乏抵御土地沙化的能力；耕地占土地总面积的1.38%，其中水浇地约占一半。

2 数据与方法

以乌审旗及周边共12个气象站(见表 1)的1981—2003年的月降水资料为基础，采用插值方法(刘绍民等，2004)将其扩展到区域，对乌审旗区域的降水特征进行分析，像元1 km×1 km。

降水受经、纬度和高程等因素的影响，所以在插值过程中，除了采用气象要素插值方法——克里格法(kriging)和反距离加权法(inverse distance to a power)外，还采用了梯度距离平方反比法(gradient plus inverse distance squared，简称GIDS)(林忠辉等，2002)，梯度距离平方反比法的计算公式为：

式中，S₀是一个未采样点，N为预测计算中使用的样本数量，X、Y、Z分别为预测站点的X、Y和Z轴坐标值，X_i、Y_i、U_i为相应气象站点i的X、Y、Z轴的坐标值，C_x、C_y、C_u分别为站点气象要素值与X、Y和海拔高程的回归系数。d_i为插值点到已知点i的大圆距离，2为幂指数。

对蒸散的研究主要基于遥感影像的分析。遥感资料是GIMMS(global inventory modelling and mapping studies)数据集的8 km的NDVI数据，从中截取1981—2003年每个月研究区的数据。数据预处理采用的是非线性的模型分解方法(empirical mode decomposition methods)，从遥感影像中去除了由大气和辐射定标引起的NDVI变化。初始影像的投影为等角投影，将其投影转换成等积圆锥投影后再进行分析。

遥感技术为准确估算区域蒸散量(特别是非均匀下垫面)提供了很好的方法。遥感技术可以提供区域地表能量、温度和植被结构信息，因而遥感方法比其他方法在计算非均匀下垫面区域蒸散量方面具有明显的优越性。本研究以互补相关模型(刘绍民等，2004)为基础，在模型改进的基础上，探讨气象要素的定量空间扩展方法，选择优化的模型并结合遥感信息(NOAA/AVHRR和MODIS)研究乌审旗地表蒸散量的时空分布以及不同下垫面的耗水量。

3 结果与分析 3.1 降水资源的时间变化

图 1表明了乌审旗地区1981—2003年降水的变化状况，该区各年平均降水量340.38 mm，1984、1985、2002和2003年为丰水年份，年降水量超过了400 mm；1981、1987、1993、1999和2000年为枯水年份，年降水量小于285 mm。2000年降水量仅为204.52 mm，比多年平均降水量低135.86 mm，2002年降水量高达445.41 mm，超出多年平均降水量105.03 mm，两年降水量相差240 mm，充分反映了毛乌素沙地作为生态过渡带而降水变幅强烈的特征，给这一地区的植被恢复带来了严峻考验。

图 2是乌审旗多年的月平均降水量的保证率，从中可以看出该地区8月份降水最多，保证率为12.5%时，降水量在160 mm以上，保证率为50%时，降水量在80 mm左右，保证率为87.5 %时，降水量在50 mm左右。其次为7月份，保证率为12.5%时，降水量在110 mm左右，保证率为50%时，降水量在70 mm左右，保证率为87.5%时，降水量在50 mm左右；1和12月降水最少，降水量在10 mm以下。降水相对集中(7—9月)和冬春季节风沙大但降水少的特征不利于植被的生态发育，也为风沙治理带来了很大困难。

3.2 蒸散量动态变化分析

通过对23年来乌审旗地区年蒸散量变化的统计与模拟分析表明(图 3，4)：乌审旗地区年均蒸散量为252 mm，低于年均降水量340 mm，年份间变化较大，蒸散量年变化距平大于70 mm的年份有1982、1987、1998、2002和2003年，蒸散量年变化距平为30~70 mm的年份为1983、1989、1993和1996年，其余年份蒸散量变化距平很小，在30 mm以下。蒸散量与降水量的年际变化基本一致。一般来说，湿润年份蒸散量高，干旱年份蒸散量低，但是在转折年份，有时情况相反，如1982和1991年，这是滞后现象造成的。

图 5为23年每月平均蒸散量与降水量的变化情况。7月份蒸散量最大，平均为73 mm；1月和12月最小，几乎为0。乌审旗月蒸散量呈“单峰”正态分布，与降水量的年变化趋势基本一致。

为了进一步分析蒸散量变化特征，计算了乌审旗地区23年的平均蒸散量相对变率，计算公式为：

式中：var为相对变率，ET_a为该年的年蒸散量，ET_avg为23年平均年蒸散量。结果表明:该地区蒸散相对变率为10%~24%。西北地区以及东南地区的巴图湾水库周围蒸散变率较大，为20%~24%；东部的呼吉尔特乡、黄陶乐盖乡、达布察克镇、纳林河乡和河南乡的大部分地区林地较多，河流较多，蒸散相对变率为10%~14%；其余大部分地区的蒸散变率为14%~20%。总的趋势为从西北向东南地区递减，西北地区(如乌审召镇西部和嘎鲁图苏木西部地区)以流动沙丘较多，年蒸散量较低而变率大；东南部沿无定河地区、纳林河地区以及东部河口水库附近地区的蒸散量较大且变化相对较小。

3.3 不同土地利用类型的蒸散量比较

乌审旗东北部和东南部多为林地，约占总面积的11%，西北部和中部大部分地区为沙地，约占总面积的23%，草地主要分布在中部和西南部，约占总面积的64%。

以2002年为例，乌审旗的年蒸散量为355 mm。按土地利用类型来划分，水体(包括水库、湖淖和一些内流河)的蒸散量最大，可达390 mm；沙地最小，为314 mm；蒸散量从大到小的顺序依次为水体、水浇地、草地、林地、旱地和沙地(见表 2)。

4 结论

从时间分布上看，毛乌素沙地腹部乌审旗1981—2003年降水集中在6—8月，暴雨频繁。乌审旗主要为沙壤土，土壤入渗率高，所以降雨能很快渗入土壤，或在丘间低地形成水洼。根据对同期年蒸散量遥感监测资料得出，23年平均年蒸散量为252 mm，月蒸散量以7月份最大，1月和12月最小，呈“单峰”正态分布, 与降水的年变化趋势基本一致。在不同土地利用类型中，水体(包括水库、湖淖和一些内流河)的蒸散量最大，可达到390 mm；沙地蒸散量最小，为314 mm。研究区乌审旗区域水资源总量约为32.093亿m³，区域内耗水总量为30.7亿m³。从水资源总量来看，乌审旗境内多年平均地下水位处于较稳定状态(虞毅等，1998)，本次研究也表明多年平均降水量略高于多年平均降水量，区域内水资源收支基本平衡，基本能满足现有植被的生长(植被盖度约为70%)。但是年内与年际降水量变化较大，对植被的生长发育造成了严峻考验，特别是极端干旱年份或连年干旱，以及暴雨降低了水资源的有效性，不能在植被生长期提供足够的水分，造成植被大片死亡或群落衰退，可见提高降水的资源化以及水资源的利用率是加快毛乌素沙地植被建设的关键。近年来随着地方经济发展和人口增加，水资源供给有逐渐紧张的趋势。特别是传统产业畜牧业的发展，对牧草、饲料玉米需求逐年增加，导致灌溉种植面积、灌溉草场面积大幅度增加，立足于水资源性质的客观分析，有针对性地推广与普及高效节水农业灌溉技术，提高水资源利用率对保持水资源平衡具有十分重要的意义。