基于EOF的淮河流域地表蒸散发时空分布研究

论文总字数：18352字

目 录

摘要……..……………………………………………………………1

Abstract…………………………………………………………….. 2

1.引言 3

2.研究区、数据与方法 3

2.1 研究区概况 3

2.2 研究方法及使用数据 3

2.2.1GLEAM 模型及数据介绍 3

2.2.2 EOF分析方法 4

3结果与原因分析 5

3.1 淮河流域1980-2011年年及四季蒸散发时空特征 5

3.1.1淮河流域1980-2011年年蒸散发时空分布特征 5

3.1.2 淮河流域1980-2011年春季蒸散发时空特征 9

3.1.3 淮河流域1980-2011年夏季蒸散发时空特征 12

3.1.4 淮河流域1980-2011年秋季蒸散发时空特征 15

3.1.5 淮河流域1980-2011年冬季蒸散发时空特征 18

3.2 Mann-Kendall非参数检验法 21

3.3 降水、气温与日照时数趋势变化 21

3.3.1 降水趋势变化 21

3.3.2 气温趋势变化 22

3.3.3 日照时数趋势变化 22

4结论与讨论 23

参考文献 24

致谢 25

基于EOF的淮河流域地表蒸散发时空分布研究

孙恒

，China

Abstract：Temporal and spatial distribution characteristics of evapotranspiration (ET) are analyzed used EOF (Empirical Orthogonal Function) method based on GLEAM products for the period of 1980 to 2011 over the Huai River basin．Trends in evapotranspiration of annual space distribution models were detected using the Mann-Kendall non-parametric test method．The influence of precipitation，temperature, and sunshine duration on evapotranspiration of annual space distribution models is analyzed. EOF analysis shows that the first four annual space distribution models can indicate the main characteristics of evapotranspiration distribution in the Huai River basin．The first space distribution models are all the types in which all regions are same and the trends of time series are steady in recent 10 years. The rest of other models are the types in which it is different between north and south，and its periods are 2-3 years．Sunshine hours, temperature and precipitation have a significant effect on the second，third and fourth annual evapotranspiration mode．

Key words： Empirical Orthogonal Function；temporal and spatial distribution；Huai River Basin；evapotranspiration

1. 引言

在以变暖为主要特征的全球变化背景下，温度和降水等要素变化会影响地表水分收支平衡，从而最终改变地表干湿状况。根据科学统计，降落到地球表面的降水中有60%是通过蒸发或蒸散的作用回到大气中^[1]，在部分干旱地区这个比例可高达90％^[2]，蒸散发过程同时也消耗了大约3/5的地表净辐射能量^[3]。陆面蒸散发可以影响降水，同时伴随的潜热具有降温作用，因此蒸散发作为地表能量平衡的重要组成部分和陆面水分平衡的重要组成部分，对地表干湿状况起到了不可忽视的作用^[4]。蒸散发被看作气候系统中的核心过程，是连接水热循环的纽带^[5]。陆面蒸散发研究对于理解地球表层的能量平衡和水分循环也非常重要，很多学者对此做出了研究，周蕾等^[6]对1991-2000年中国陆地生态系统蒸散时空分布特征进行了研究；田静等^[7]对近20年来中国内陆地表蒸散的时空变化进行了研究。贺添等^[8]基于MOD16产品对中国2001－2010年蒸散发时空格局变化分析。2010年，孙娴等^[9]采用Mann—Kendall和REOF等方法揭示了陕西省的秋季降水变化时空分布和环流特征。

淮河流域是国家重要的商品粮棉油基地,地表干湿状况及其变化对农业生产有着巨大的影响，对区域生态环境和国家经济亦有重要影响。因此研究淮河流域蒸散发时空格局对该地区乃至全国都有十分重要的意义。基于EOF对淮河流域蒸散发的时空分异进行研究，以期揭示淮河流域蒸散发的时空分布格局。

1. 研究区、数据与方法
   1. 研究区概况

淮河流域（31.125°N-36.375°N，112.125°E-121.375°E）跨河南、湖北、安徽、江苏、山东共五个省，西高东低，在黄河与长江之间，水系分布密集，可利用水资源丰富。东北部及东部为平原，西部有桐柏山、伏牛山，南部有大别山、江淮丘陵，临近长江，北部紧邻泰山和黄河。

淮河流域处于秦岭-淮河一线南北分界线处，属大陆性季风气候，全年降水充分，流域年径流量大，土壤湿度大，年平均气温11-16℃。季节特点是：冬春干旱少雨，夏秋闷热多雨。梅雨季节会带来大量降水，占全年降水的一半以上。淮河流域年内的降水分布不均匀，主要集中在夏季。淮河流域多年平均降水量约为920 mm，其分布状况大致是由南向北递减，山区多于平原，沿海大于内陆。

• 1. 研究方法及使用数据
     1. GLEAM 模型及数据介绍

GLEAM（global land-surface evaporation：the Amsterdam methodology）依据Priestley和Taylor（PT）蒸散发方程和Gash森林降雨截留分析模型构建而成（Gash，1979；Valente等，1997）。该系统由4个相互关联的部分构成：（1）截留模型，（2）土壤水模块，（3）强迫模块，（4）PT模块。该模型可以满足全球蒸发观测的要求：（1）可以在适当的时空分辨率去估算蒸散发；（2）对土壤湿度、及其与植物蒸腾作用的耦合作用进行准确观测，（3）单独处理森林冠层截留的情况^[11]。

GLEAM利用遥感观测数据，估算日尺度、0.25°空间分辨率的实际蒸发（及其不同组分）。该方法是基于物理过程的模型，其中的经验参数由具体实测数据得出。该模型的遥感蒸散发产品已经成功适用于栅格尺度的不同植被蒸散发的估算，并由FLUXNET全球网络43个站点的通量观测数据进行了验证^[12]。

GLEAM遥感蒸散发产品是由英国布立斯托大学地理科学学院水文气象系Diego G Miralles研究员发布，数据获取网址为http://geoservices.falw.vu.nl。GLEAM模型估算的全球陆地蒸散发，详细模型组成结构可参考文献^[13-14]。本文采用1980-2011年GLEAM模型数据产品提供的逐日蒸散发数据，并累加到月、年尺度蒸散发。

• • 1. EOF分析方法

EOF( Empirical Orthogonal Function) 方法亦称经验正交函数展开法，通过使用EOF分析方法，可以提取源数据矩阵的特征量和时间系数。将其特征量称为空间模态，通过分析主要的空间模态和其相对应的时间系数，对原始场作出估计和解释。可表示为：

(1)

其中，，分别称为原始场矩阵、空间函数矩阵、时间函数矩阵。

根据GLEAM蒸散发数据进行淮河流域地表蒸散发多年时空特征分析，首先提取淮河流域范围内各格点蒸散发序列；其次对组成的资料矩阵做距平处理；其次进行经验正交分解，得到特征向量，特征向量代表该地区相互独立的地表蒸散发空间分布类型；之后对特征值进行显著性检验^[10]。显著性检验可以利用特征值的误差范围进行，特征值的误差范围为：

(2)

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