玛纳斯河流域气候变化对参考蒸散量的影响

李战超，魏文寿，陈荣毅*，王 进，张 明

（1.新疆师范大学，新疆 乌鲁木齐830054；2．中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002；3．乌兰乌苏农业气象试验站，新疆 石河子832021）

随着全球气候的变化，全球平均气温在逐渐升高，但是全球许多地方蒸发皿蒸发量却存在着明显的下降趋势，Brutsaert等称这种不一致现象为蒸发悖论[1]。近50 a来新疆的气温也在呈上升趋势，20世纪90年代以后气温升高态势更为明显[2-3]。刘春蓁的研究表明干旱半干旱地区的陆地水循环与湿润半湿润地区有显著差异，蒸发系数远远大于径流系数[4]。在干旱和半干旱地区不能用蒸发皿蒸发（自由水面）来替代实际蒸发表现尤为明显[5]。在未来50 a，在中纬度地区和干旱的低纬度地区，可用水资源将减少，干旱的范围将扩大，我国干旱区面积也将不断增加[6-7]，在缺水的西北地区水资源将显得更为重要。目前对新疆绿洲气候变化的研究主要集中在塔里木河流域和玛纳斯河流域，多是气候变化对径流量影响的探讨分析，并取得了一定成果，但是涉及到玛纳斯河流气候变化对蒸散量影响方面的研究就相对较少。蒸散量是全球水循环的重要环节，是维持全球水量和能量平衡的重要组成部分[8]。玛纳斯河流域是西北干旱半干旱区重要的绿洲农业灌溉区，农业在北疆地区占有举足轻重的地位。因此分析和研究玛纳斯河流域气候变化对蒸发量响应的机制，有助于指导和帮助西北干旱半干旱地区农业经济的发展。西北干旱半干旱地区植物的蒸散量是内陆水循环的重要环节，是确定气象因子对土壤—植被—大气连续体系中水分传输与水汽扩散速率影响的指标[9]。

玛纳斯河流域蒸散量强烈，是气候变化引起生态环境变化的敏感区域，由于特殊的地理位置，学者对其研究一直在继续。本文采用20世纪90年代，联合国粮农组织（FAO）推荐的Penman-Monteith公式作为计算玛纳斯河流域参考作物蒸散量（RET）的方法[10]。利用统计学方法分析影响玛纳斯河流域RET的气象因子之间耦合机制，并定量分析研究引起玛纳斯河流域RET变化的原因。

1 资料和方法

1.1 研究区概况

玛纳斯河流域（图1）地理位置（43°27′～45°21′N，85°01′～86°32′E），东西最长约 200 km，南北最宽约260 km，总面积约2.4万km2。位于亚欧大陆腹地，地处新疆天山北麓，准噶尔盆地南缘，身居大陆内部，远离海洋，属于典型的温带大陆性干旱气候，降水稀少，蒸发旺盛。

1.2 资料来源及处理

选取玛纳斯河流域及其周围6个气象站点1964—2010年逐日平均气温、最高气温、最低气温、水汽压、相对湿度、风速、日照时数等常规数据进行统计分析。用于研究气候变化的资料不仅要有足够的序列长度，还应有足够的精确度。因此，所用资料必须满足均一性、代表性和比较性。

1.3 研究方法

（1）参考蒸发量的估算：采用1998年联合国粮农组织FAO推荐Penman-Monteith公式来计算ET0，作物参考蒸散量定义为假设表面开阔、具有充足水分、生长茂盛且均一高度为0.12 m的草地的蒸散量，其中表面阻抗为70 sm-1，反照率α=0.23[10]。ET0计算公式如下：

式中：ET0为参考作物蒸散发能力（mm·d-1），Δ为饱和水汽压—温度曲线斜率（kPa℃-1），Rn为作物表面的净辐射（MJm-2d-1），G为土壤热通量（MJm-2d1），T为2 m处的日均气温（℃），γ为干湿表常数（kPa℃-1），es为饱和水汽压（kPa），ea为实际水汽压（kPa），μ2为 2 m 处的风速（m·s-1）。以上各项数值可由基本日气象要素计算得到。按对数定律近似得到2 m高的风速计算公式[10]：

式中，U10为10～12 m高度的气象站的实测风速。

（2）变化趋势：采用Mann-Kendall检验法对玛纳斯河流域的气候因子进行趋势性分析和显著性检验[11-14]。

（3）标准化处理：采用最小——最大标准化法对原始数据进行线性变化，将同一属性的原始数据通过最小——最大标准化映射成为区间在（0，1）无量纲指标测评值，进行综合测评分析。其公式为：

（4）影响程度及贡献率的计算：

采用SPSS进行多元回归分析气候因子对RET变化的影响，对标准化后的数据序列进行多元线性回归分析，建立标准化后数据序列回归方程，计算自变量（气候因子）的变化对因变量（参考蒸散量）的变化的贡献率大小[15-16]。其公式如下：

式中 Ym为标准化后因变量值，X1m、X2m、X3m、X4m……为标准化后自变量值，a、b、c、d……为标准化后序列回归系数值，K1为相对贡献率，K2为实际贡献率。

2 结果与分析

2.1 参考作物蒸散量变化规律

根据FAO推荐的 Penman-Monteith方法计算的玛纳斯河流域6个气象站参考蒸散量，玛纳斯河流域各站参考蒸散量的月际变化很大，且具有一致性，即最高值一般发生在7月，最低值发生在1月（图2）；7月参考蒸散量由高到低排序为玛纳斯＞沙湾＞莫索湾＞炮台＞乌兰乌苏＞石河子。玛纳斯7月参考蒸散量多年平均值为7.34 mm/d，石河子为5.37 mm/d。玛纳斯河流域6—8月参考蒸散量的总和在全年中所占比例相对较大，约占50%以上，说明夏季是玛纳斯河流域蒸散量最大的季节。

玛纳斯河流域季节参考蒸散量变化趋势差异显著。从各气象站年、季变化速率来看（图3），除了莫索湾秋季和石河子春季参考蒸散量呈现微弱的增加趋势以外，其它站点年和季节变化均呈现下降趋势。夏季参考蒸散量变化最大，秋季大于春季，冬季变化最弱。以乌兰乌苏站为例，1964—2010年期间，年参考蒸散量减少速率为57.85 mm/10 a，夏季参考蒸散量减少速率为37.92 mm/10 a，占全年参考蒸散量变化的65.5%以上，秋季占12.76 mm/10 a，春季占5.45 mm/10 a，冬季变化最弱。经研究分析可知，在流域气温上升的情况下，相对湿度的增加和平均风速的减小是乌兰乌苏站夏季参考蒸散量下降的主要原因。

玛纳斯河流域各个气象站1964—2010年平均参考蒸散量差别较大，玛纳斯河流域年均蒸散量1 049.05 mm，年参考蒸散量减少趋势明显（变化速率为42.05 mm/10 a），与唐湘玲等[17]的研究蒸发量的年际变化趋势是一致的。对6个气象站年参考蒸散量的变化分析表明（表1），除石河子的年参考蒸散量呈微弱减少趋势外（变化速率1.52 mm/10 a），其他5个气象站的年参考蒸散量都呈现显著的减少趋势，减少速率最大的是玛纳斯，为83.08 mm/10 a。

2.2 气候因子对参考蒸散量的影响评价

气候的变化是玛纳斯河流域参考蒸散量变化的主要原因。在玛纳斯河流域的不同站点，影响参考蒸散量的气候因子所做的贡献也不相同。为了区分气候因子在玛纳斯河流域参考蒸散量变化中所起的作用，以玛纳斯河流域参考蒸散量为因变量，以平均气温（Ta）、气温日较差（DR）、日照时数（S）、相对湿度（RH）、平均风速（U）、水汽压（P）等影响蒸散量的气候因子为自变量，运用SPSS统计软件进行多元线性回归处理。为消除气候因子因单位和数量级的不同而产生的差异，本文将首先对气候因子进行标准化处理。

表1 玛纳斯河流域1964—2010年各气象站RET/mm的变化趋势及其显著性

从玛纳斯河流域各站点回归方程R2（表2）来看，回归模拟效果较好。从表中可以看出，所有站点影响蒸散量的气候因子全都进入了回归模型，说明了气候因子是影响玛纳斯河流域参考蒸散量的普遍因素。

表2 玛纳斯河流域参考蒸散量与气候因子（标准化后）回归系数

从玛纳斯河流域6个气象站点平均风速、水汽压、日较差、日均温、日照时数和相对湿度变化趋势的M-K检验结果（表3）可以看出：6个气象站点平均风速、水汽压和日均温呈上升趋势，并且上升趋势通过了α=0.01置信水平检验，极其显著；日较差除玛纳斯站（显著上升）和乌兰乌苏（不显著下降）外，其它4个气象站点都呈极显著下降趋势，并且通过了α=0.01置信水平检验，极其显著；日照时数除莫索湾（显著上升）外，其它5个气象站点均呈下降趋势；相对湿度变化趋势较为复杂。

表3 玛纳斯河流域1964—2010年各气象站风速等气候因子M-K趋势检验U值

通过对玛纳斯河流域6个气象站点各气候因子和参考蒸散量的回归分析及M-K趋势性对比分析可知，平均风速的变化是影响玛纳斯河流域参考蒸散量变化的主要因素。对玛纳斯河流域6个气象站点的年平均风速均值的变化趋势分析（图4）和M-K趋势检验表明，玛纳斯河流域近地面平均风速在1964—2010年间呈显著减小趋势，每年约0.012 m/s的速率下降。平均风速年变化趋势在南疆阿克苏河流域[15]和华北地区[18]也出现了类似的状况。近地面平均风速的呈显著减小的趋势，与观测场周边人类活动影响，以及由于全球气候变暖导致全球大气热力环流的变化等有很大关系[6]。亚欧大陆与太平洋之间海陆热力性质差异（气温差和气压差）的减小[19-20]，特别是冬季玛纳斯河流域距亚洲高压中心近，气温差和气压差的减小对近地面风速的影响较大。

2.3 各气候因子对参考蒸散量变化贡献率

根据各气候因子的标准化回归系数，计算得出相对贡献率（图5）。靠近沙漠腹地的莫索湾和炮台的相对湿度对参考蒸散量的相对贡献率最大，达到40%以上。其余4个气象站点平均风速对参考蒸散量的相对贡献率最大，均在39%以上。在玛纳斯河流域6个气象站点中除沙湾是以近地面风速的影响最为明显外，其余5个气象站点均是以平均风速和相对湿度两个气候因子影响为主。日均温、日照时数、日较差和水汽压对玛纳斯河流域参考蒸发量相对贡献率较小。平均风速是玛纳斯河流域绿洲南缘参考蒸散量减少的主要贡献者，而相对湿度的增加是绿洲北部参考蒸散量减少的主要贡献者。

对玛纳斯河流域的平均气温和年降水量进行M-K趋势性突变分析检验发现：年平均气温在1989年前后发生突变，年降水量在1998年前后发生突变，将玛纳斯河流域参考蒸散量及各气候因子标准化后的数据以1989年为界分为前后两个阶段，定量地分析玛纳斯河流域各气候因子对参考蒸散量的实际贡献率。玛纳斯河流域1990—2010年日均温、相对湿度和水汽压比1964—1989年均呈不同程度的增加趋势，平均风速、日照时数、日较差和参考蒸散量呈减小趋势（表4）。平均风速和日照时数的减小与相对湿度和水汽压的增加将会引起参考蒸散量的下降，对玛纳斯河流域参考蒸散量变化的实际贡献率为正，日较差的减小与日均温增加对莫索湾参考蒸散量变化的实际贡献量为负，缓解了参考蒸散量减少的速率。从表中可以看出平均风速的实际贡献率为84.9%，说明平均风速的减小在玛纳斯河流域蒸散量减少中起着决定性作用。玛纳斯河流域各气候因子对参考蒸散量的贡献率大小和所起的正负效应都是有区别的，不过平均风速的减小是参考蒸散量减小的共同因素，其次相对湿度的增加在沙漠腹地和山麓地带实际贡献率仅次于风速。

表4 玛纳斯河流域各气候因子变化对参考蒸散量减少的贡献率

3 结论

利用联合国粮农组织FAO公布的P-M公式估算了玛纳斯河流域参考蒸散量，定量地区分了各气候因子如日均温、日较差、平均风速、相对湿度、水汽压等对参考蒸散量变化的影响。揭示了近50年来玛纳斯河流域参考蒸散量时空变化规律，有利于深入研究玛纳斯流域水文状况对气候变化的响应。研究结果表明：

（1）玛纳斯河流域6个气象站，年均参考蒸散量1 049.05 mm，夏季参考蒸散量占全年蒸散量的一半以上。玛纳斯河流域年均参考蒸散量变化显著，减少速率为42.05 mm/10 a。从季节上来看，玛纳斯河流域参考蒸散量季节变化差异显著，夏季是参考蒸散量变化的主要贡献者，其次是秋季大于春季，冬季的变化最小。在流域气温上升的情况下，相对湿度的增加和平均风速的减小是玛纳斯河流域夏季参考蒸散量下降的主要原因。

（2）在影响玛纳斯河流域参考蒸散量变化的气象因素中平均风速贡献率最大，实际贡献率达到了80%以上，相对湿度和水汽压的贡献率分别在10%左右，说明平均风速的减小与相对湿度和水汽压的增加是玛纳斯河流域参考蒸散量减小的重要因素。

4 讨论

（1）玛纳斯河流域面积较大，气象站点分布稀疏，且多分布于平原地区。由于山区气象资料的缺失，本文只对绿洲地区参考蒸散量进行了分析研究，没有对整个流域的空间变化特征进行系统的研究，在以后的研究中还需进一步完善气象资料。

（2）在对玛纳斯河流域6个气象站点近50 a的的参考蒸散量分析研究中，发现除石河子站年变化速率为1.52 mm/10 a不明显以外，其它5个气象站参考蒸散量的年、季节变化都比较明显，可能与石河子站观测场周边人类活动影响有关，还有待进一步分析。

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