蒸散(Evapotranspiration)是地表和植被向大气输送的水汽总通量，是水循环中受土地利用和气候变化影响最直接的关键因素，在水循环和能量平衡中具有重要意义。蒸散分为实际蒸散(E_a, actual evapotranspiration)和潜在蒸散(E_p, potential evapotranspiration)。E_a是地表水分蒸发和植物蒸腾之和，是水文循环和地表能量平衡中极其重要的分量^[1]。E_p是水分充足的条件下的蒸散，在研究干旱区气候演变和水资源的决定性参考指标。艾比湖流域生态环境极其脆弱，水资源短缺，流域供需水矛盾突出。近些年来，由于受气候变化和人类活动的较强影响，流域自然生态环境和水量平衡发生了重大变化^[2]。充分认识流域蒸散量时空格局变化过程有利于加深气候演变、环境问题的认识，对于合理开发流域水土资源、科学评价气候干旱状况等研究具有重要的参考意义。

遥感技术在近些年来得到迅猛发展，使得大尺度非均匀陆面的蒸散量研究取得突破性进展^[3]。20世纪70年代以来国内外陆续出现基于遥感数据的蒸散量估算方法，其中较典型的模型主要有基于Penman-Monteith公式的VITT模型^[4]、基于Priestley-Taylor公式的三角形模型^[5]、SEBAL模型^[6]、SEBS模型^[7]、TSEB模型^[8]等。刘园等^[9]利用Penman-Monteith方法分析华北平原E_p变化特征，并研究主次气候影响因子。李宝福等^[10]基于SEBAL模型估算塔里木河干流区E_a，并对各土地利用/覆被类型的E_a进行了统计分析。2011年，美国NASA研究队员发布了全球陆地蒸散数据(MOD16)^[11]，该数据模拟精度达到86%。国内一些研究人员利用MOD16产品对不同区域地表E_a时空分布和变化特征进行了评估，如鄱阳湖流域^[12]、陕西省^[13]、渭河流域^[14]、淮河流域^[15]。贺添等^[16]检验了MOD16产品在我国的应用精度，并深入讨论我国2001—2010年的E_a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MOD16蒸散产品验证精度良好，说明MOD16产品在西北地区具有适用性，可以用于艾比湖流域地表蒸散量时空分布特征研究。

近年来，一些学者对艾比湖流域气候变化、水资源的合理调配等方面进行了一些研究，但研究重点多在景观格局变化，以及绿洲、荒漠化演变等方面^[17-18]；而主要针对艾比湖流域地表蒸散量的研究较少：因此，本文基于2000—2014年MOD16蒸散产品，分析艾比湖流域地表E_a、E_p时空分布格局，进一步探讨两者之间的关系，以期为干旱内陆湖泊流域水资源调配，干湿状况监测以及生态环境保护与改善提供科学依据。

艾比湖流域深居亚欧大陆腹地的中纬度地区，位于新疆维吾尔自治区北天山西段，是准噶尔盆地西段的最低洼地和水盐汇集地。地理位置在E 79°53′~85°02′，N 43°38′~45°52′之间，远离海洋，地势为西高东低、中心洼地，东西长约407.21 km，南北宽约230.13 km，总面积为5.06万km²。流域属于典型的温带干旱性大陆气候，干燥少雨、日照充足、热量丰富。年降水量116.0~169.2 mm，年平均气温6.6~7.8 ℃，无霜期160 d。流域因特殊的地貌特征和气候条件，形成多种植被类型，主要有梭梭(Haloxylon ammodendron)、胡杨(Populus euphratica)、柽柳(Tamarix ramosissima)和芦苇(Phragmites australis)等^[19]。土地利用类型主要是以草原、耕地、稀疏灌木林、盐碱地、水体、裸地和冰川为主(图 1)。

图 1(Figure 1)

图 1 研究区示意图 Figure 1 Sketch map of study area

蒸散量数据：笔者所使用的蒸散量数据为2000—2014年月、年合成，卫星轨道号为h23v04/ h24v04的MOD16-E_a、E_p数据产品，空间分辨率为1 km。借助于MRT投影转换工具将数据格式转换为GeoTiff格式，将SIN投影转换为WGS-1984/Geographic经纬坐标系，并进行图像拼接与裁剪。数据使用说明，应剔除数据中的无效值并还原真实值。地表温度：2001—2014年各月份MOD11A2数据集中提取的白天和夜间地表温度8 d合成产品。海拔数据：SRTM(Shuttle Rader Topography Mission)采集的分辨率为90 m的DEM数据。地面观测数据：阿拉山口、托里、温泉、精河等代表性气象站2000—2014年月实测气温、风速、相对湿度等数据。

1) E_a、E_p年际变化评估指标。

在IDL语言环境中逐像元计算2000—2014年E_a、E_p线性倾向率

式中：S为线性倾向值；n为年序列总长度；i为年份；E_i为第i年的E_a、E_p。当S为负，E_a、E_p变化处于减少趋势，S为正，E_a、E_p变化处于增加趋势。

2) 相对变化率

式中：r为相对变化率；E_i为第i年的E_a、E_p，E_i为多年平均E_a、E_p值。

2000—2014年艾比湖流域地表E_a、E_p年际波动不大，波动范围分别为289.83~339.72和1 472.09~1 701.68 mm，多年平均E_a为315.76 mm，E_p为1 555.27 mm。E_a波动最为突出的年份是2002和2008年，相对变化率分别为7.05%和-8.5%。E_p波动最为突出的年份是2008和2003年，相对变化率分别为8.60%和-5.65% (图 2a)。E_a为地表实际蒸散量，E_p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，E_a与E_p的差距可以说明地表的缺水情况，也就是干旱程度。从图 2可见，艾比湖流域地表E_a与E_p有较大的差距，说明流域整体上缺水，干旱。

图 2(Figure 2)

Ea: Actual evapotranspiration. Ep: Potential evapotranspiration. The same below. 图 2 2000—2014年艾比湖流域平均Ea、Ep不同年月变化 Figure 2 Annual and monthly variation of Ea and Ep in Ebinur Lake Basin during 2000-2014

年内E_a与E_p分布处于先增大后减少的单峰型变化趋势，峰值位于7月。E_a与E_p比较集中在5—9月，10—翌年2月变化波动比较平缓，6月E_a与E_p之间的差距最大，说明流域在6月处于最干旱状态。到了7月气温达到最高值、降雨量最大、太阳辐射强烈，有良好的蒸腾和蒸发条件，E_a与E_p处于最高值；10—翌年2月气温较低，降水量减少，植被覆盖度变低，E_a、E_p处于最低值。

按季节来看，春季即3—5月E_a与E_p处于增加趋势，夏季气温达到最高值；因此6月开始E_a与E_p迅速增长，秋季即9—11月降水量减少、气温下降，二者随之处于急剧减少趋势，到冬天处于最低值，12—翌年2月保持最低水平，无明显变化。夏季二者之间的差距最大，此时研究区最干旱、缺水。

如图 3所示，艾比湖流域2000—2014年平均E_a与E_p具有明显的空间分布差异，且两者的空间分布状况正好相反。西北山区和温泉县、精河—博乐绿洲、北天山的西段支脉以及托里县等区域E_a值比其他区域显著高，在301.5~596.1 mm之间，E_p值比较低，在906.5~1 487.3 mm之间。流域东部大范围地区、精河—博乐绿洲周围E_a值均比较低，为110~ 233.9 mm，E_p值较高，为1 620~2 142.4 mm。由于MOD16产品覆盖范围为有植被区域，所以在图中艾比湖、赛里木湖、艾比湖周边裸地及永久冰雪覆盖区等无植被区域为空白，没有数据。

图 3(Figure 3)

图 3 艾比湖流域年平均Ea与Ep空间分布 Figure 3 Spatial distribution of mean annual Ea and Ep of Ebinur Lake Basin

E_a与E_p空间分布的相反状况，可通过蒸散发互补相关理论来解释^{[20, 21]}。当下垫面充分湿润条件下，E_a与E_p相等；当水分不足时，E_a变少，陆面和大气的相互作用导致E_p增大。西北山区和温泉县、精河—博乐绿洲、南部北天山的西段支脉以及玛依力山脉等区域风速大，且通过阿拉山口进入的气流在山区抬升形成较多降水，加上绿洲的灌溉引水使此区域E_a值较大，E_p值小，说明此区域水分比较充足；流域东部大范围地区、环精河—博乐绿洲的周围地区降水量少^[22]、植被覆盖不良、下垫面供水不足，因此E_a值小，E_p值大，此区域干旱缺水。

根据E_a与E_p的产生机制与相关数据的可获得性，选取阿拉山口、托里、温泉、精河等气象站2000—2014年月时间序列的气温、风速、相对湿度等实测数据，在“点”尺度上进行相关性分析。

在干旱半干旱区，E_a主要是由水分决定，而气象站实测E_a不受水分的影响，决定其大小的主要因子是能量，说明气象站实测E_a与MOD16-E_a具有相反关系。E_p表示的是充分供水情况下的最大蒸散量^[23-24]，可知气象站实测E_a与MOD16-E_p更接近。因此本文通过MOD16-E_p数据与气象站实测数据进行相关性分析。

如图 4所示，气温与E_p处于显著正相关关系，R²=0.92，相对湿度与E_p处于明显的负相关关系，R²=0.80，风速与E_p处于正相关关系，但其影响强度较弱，R²=0.24。

图 4(Figure 4)

图 4 主要气象因子与Ep的关系 Figure 4 Relationship between major meteorological factors and Ep

为了进一步佐证不同因素对蒸散发的影响，选取地表温度(Land surface temperature)和海拔等因子分别与E_a、E_p逐像元进行相关性分析。由散点图(图 5)可以看出：地表温度分别与E_a呈负相关、与E_p呈正相关关系，尤其在温度高于5 ℃的绿洲及其周围区域相关关系较明显；海拔高于1 000 m的高山区海拔与E_a的关系呈明显的正相关关系，这可能由于受人类活动的影响少、植被覆盖度高的原因；而在海拔＜1 000 m的平原区，即绿洲及其周围区域相关关系不明显。海拔与E_p呈弱负相关关系。图 4和图 5中气温和地表温度与E_a、E_p有着不同的相关关系。因为实测E_a与MOD16-E_p更接近，气象站其他实测数据同样与MOD16-E_p数据有较好的相关关系。根据E_a与E_p的互补相关理论^[20-21]，由于E_a与E_p是相反关系，地表温度与E_a呈负相关关系，这与前人研究结果^[25]一致。

图 5(Figure 5)

图 5 Ea、Ep与地表温度、海拔的关系 Figure 5 Relationship between land surface temperature, elevation and Ea, Ep

图 6表示，近15年来艾比湖流域地表E_a与E_p变化趋势空间分布情况。可以看出，E_a在博乐—精河绿洲以及流域东部奎屯、乌苏等区域有增加或基本不变趋势，北天山的西段支脉和西北山区有严重减少趋势，流域东北部、西部环博乐—精河绿洲的大范围区域有轻微减少趋势，其中处于严重减少趋势的区域面积最大，约占总面积的25.75%。E_p在流域南部的奎屯、乌苏南部和北天山的西段支脉部分区域有明显增加趋势，东北部、博乐—精河绿洲南部和两侧有轻微增加趋势，温泉县、博乐—精河绿洲和东部绿洲的部分区域有基本不变趋势，博乐—精河绿洲和奎屯、乌苏等区域基本上有减少趋势，其中处于轻微增加趋势的区域面积最大，约占总面积的27.44%。综上所述，流域多年E_a严重减少和轻微减少的区域面积约占总面积的50%，E_p明显增加和轻微增加的区域面积约占总面积的48.39%，可知E_a总体上处于减少趋势，E_p处于增加趋势，这说明流域近15年内干旱加重。

图 6(Figure 6)

图 6 艾比湖流域2000—2014年Ea、Ep变化趋势 Figure 6 Change trend of Ea and Ep in Ebinur Lake Basin during 2000-2014

本文利用MOD16数据产品，对艾比湖流域2000—2014年地表E_a与E_p时空变化格局及其变化趋势进行了分析，并揭示两者之间的时空差异性。主要结论如下。

1) 2000—2014年艾比湖流域地表E_a与E_p年际波动不大，多年平均E_a与E_p为315.76、1 555.27 mm。E_a与E_p有较大的差距，说明流域整体上缺水，干旱。年内分布处于先增大后减少的单峰型变化趋势，夏季二者之间的差距最大，此时研究区最干旱、缺水。

2) 艾比湖流域平均E_a与E_p空间分布状况正好相反。西北山区和温泉县、精河—博乐绿洲、北天山的西段支脉以及流域北部玛依力山脉等区域E_a值较高，E_p值较低，此区域水分比较充足；流域东部大范围地区、精河—博乐绿洲周围E_a值均较低，E_p值较高，此区域干旱缺水。

3) 气温为影响流域E_a与E_p变化的最主要因素，相对湿度有明显的负作用，风速作用不大。地表温度分别与E_a呈负相关、与E_p呈正相关关系。海拔与E_a呈明显的正相关关系，与E_p呈弱负相关关系。

4) 流域多年E_a总体上处于减少趋势，减少趋势的区域面积约占总面积的50%；E_p处于增加趋势，约占总面积的48.39%。区域E_a减少和E_p增加趋势表明研究区近15年内干旱加重。