石河子地区参考作物蒸散量变化特征及气候因子的定量分析

罗那那,巴特尔·巴克,吴燕锋

(新疆农业大学 草业与环境科学学院,乌鲁木齐 830052)



石河子地区参考作物蒸散量变化特征及气候因子的定量分析

罗那那,巴特尔·巴克,吴燕锋

(新疆农业大学 草业与环境科学学院,乌鲁木齐 830052)

基于石河子地区1961—2012年4个气象站数据，采用FAO推荐的Penman-Monteith模型计算了参考作物蒸散量(ET0)，分析了ET0时间变化特征及其对气象因子的敏感性，并结合各气象要素的多年相对变化定量分析了气象因子对ET0的贡献。结果表明：近52年来，石河子地区平均ET0以1.19 mm/a的趋势增加，2004年为突变年，并存在27 a左右的周期。ET0变化对各气象要素的敏感性以及气象因子对ET0变化的贡献有所不同，其中，平均气温的贡献率较小，但其敏感系数最高，对ET0变化的贡献是最大，使平均气温成为ET0变化贡献最大的气象因素。突变后最高气温和最低气温的贡献率较大，但其敏感系数较低，平均气温为主导因子明显上升。

参考作物蒸散量; Penman-Monteith; 敏感分析; 贡献分析

在全球和中国气候变暖背景条件下，风速、气温、太阳辐射、降水等气象要素都有不同程度的变化[1-3]，而这些要素与潜在蒸散的变化密切相关。潜在蒸散表示在一定气象条件下水分供应不受限制时，某一固定下垫面可能达到的最大蒸散量[1]。而参考作物蒸散量是表征大气蒸散能力，评价气候干旱程度、植被耗水量的重要指标。其在估算作物需水量、评价农业水分资源、制定合理的灌溉制度和预报作物产量中发挥着不可或缺的作用，FAO推荐的基于气象要素的Penman-Monteith公式，具有充分的理论基础，结果仅受当地气候要素的影响，与下垫面、土壤类型等无关[4]，在国内外不同气候区域的应用效果都比较理想[5]。近年来，许多学者利用敏感性分析方法研究ET0变化的原因，取得了一些有意义的成果。刘昌明等[6]认为ET0不同时空分布的敏感因子不一致；刘小莽等[7]发现海河流域ET0对水汽压最敏感；Gong等[8]研究表明长江流域ET0对相对湿度最敏感；曾丽红等[9]发现东北地区生长季气温对ET0的影响最明显；曹雯等[10]研究了西北地区生长季的ET0对气象要素的敏感性，表明太阳辐射对ET0的变化最敏感；吴文玉等[11]认为安徽省相对湿度对气候倾向率及相关性等分析方法可以从定性角度得出ET0的变化与不同气象要素变化的关联性，但并不能客观定量地衡量气象要素变化导致的ET0的变化，即气象要素变化对ET0的变化贡献。因此，将敏感性分析和气象要素的相对变化结合起来，从而探讨气象要素对ET0变化的贡献和响应，可以更好解释ET0变化与各气象要素的相关性。

石河子市是新疆生产建设兵团农八师师部所在地。位于新疆维吾尔自治区北部，石河子垦区中部，天山北麓，准噶尔盆地南缘。东以玛纳斯河为界，与玛纳斯县为邻；南、西、北三面与沙湾县环接市区。市区东距自治区首府乌鲁木齐150 km，西距霍尔果斯口岸500 km。有汉、回、维吾尔、哈萨克等27个民族。地势平坦，平均海拔高度450.8 m，自东南向西北倾斜。主要河流有玛纳斯河、宁家河、金沟河、大南沟等。属典型的大陆性气候，冬季严寒，夏季酷热，干燥少雨，蒸发量大，春季升温快，秋季降温迅速，昼夜温差大。在气候变暖的背景下，石河子地区各气象要素均有不同程度的变化，尤其是近年来变化趋势更为显著，其中气温呈上升趋势，风速、日照时数、降水呈减小的变化趋势[12-13]，由于最高最低气温、风速、日照时数、相对湿度等气像素与ET0的变化密切相关，各气象要素的变化必将导致ET0的改变，因此，定量研究各气象要素对ET0变化的贡献，可为深入理解ET0对气候变化的响应提供科学依据。本文利用石河子地区1961—2012年4个气象站的气象观测数据和Penman-Monteith模型定量研究各气象要素对ET0变化的敏感性和贡献率，以期为区域农业资源开发和利用、水资源优化配置研究提供参考。

1　数据和研究方法

1.1数 据

本研究使用的资料主要为石河子地区4个气象站点(石河子市、炮台、乌拉乌苏和莫索湾)观测数据较完整的1961—2012年时段，数据经过严格的质量检验。气象因子包括逐日最高气温(Tmax)、最低气温(Tmin)、相对湿度(RH)、日照时数(SH)、风速(WS)、平均气温(Tmean)等。

1.2研究方法

1.2.1Penman-Monteith模型利用FAO在1998年推荐的Penman-Monteith公式[5]计算ET0，它以能量平衡和水汽扩散理论为基础，较全面地考虑了影响潜在蒸散的各种因素，有较好的物理依据，应用较广泛。

1.2.2敏感性分析ET0的敏感性分析是从定量角度分析一个或几个相关气象因子发生变化时，对ET0变化影响的定量参数。通过假定其他参数不变，分析单个参数的变化对模型的作用，确定模型的敏感系数，是常用的敏感性分析方法[14]。敏感系数定义为ET0变化率与气象因子变化率的比值：

(1)

式中：SVi为敏感系数；ΔET0无量纲，为参考作物蒸散量的变化量；Vi和ΔVi分别为气象因子及其变化量。

1.2.3贡献分析气象因子对ET0的贡献将单个气象因子的敏感系数与该要素的多年相对变化相乘，得到由该要素引起的ET0的变化，即该要素对ET0变化的贡献[14]。导致ET0增加为正贡献，导致ET0减小为负贡献。表达式如下：

ConVi=SVi·RCVi

(2)

(3)

式中：ConVi是气象因子Vi对ET0变化的贡献；RCVi是Vi的多年相对变化，利用1961—2010年50年Vi的平均值av和逐年变化率Trend计算得到；逐年变化率Trend可由趋势分析法计算得到；ET0多年相对变化RCET0称为ET0的实际变化，亦可依照RCVi的计算得到。

1.2.4其他研究方法采用Mann-Kendall 非参数检验方法[15]进行突变分析。气象要素的长期变化趋势采用线性回归分析[16]。回归系数表示气候变量的趋势倾向，回归系数为正时，说明随时间的增加气候变量呈上升趋势；反之亦然，回归系数的大小反映了上升或下降的速率。气候趋势系数表示某气候要素的长期趋势变化的方向和程度，即时间和气候要素的相关系数。此外，基于小波分析探究年潜在蒸散量的周期特征。

2　结果与分析

2.1参考作物蒸散量和各气候影响因子的年际变化

近52年来，石河子地区ET0和降水量均呈明显增加趋势，气候倾向率分别为1.194，2.073 mm/a(图1A，1E)。日照时数(0.007 h/a)、相对湿度(-0.042%/a)以及平均气温(0.019℃/a)、最高气温(0.028℃/a)、最低气温(0.035℃/a)略有增势，而相对风速(图1B)无明显变化趋势。

各气象要素突变前后变化趋势和全时段变化趋势有所差异(表1)。ET0发生突变后都呈显著的增加趋势。其他各气象要素在ET0突变前后变化趋势差异明显，相对风速在ET0突变前减少趋势达-0.034 m/(s·a)，突变后增加到0.064 m/(s·a)，相对湿度在突变后减小趋势达-0.185%/a，减少趋势极显著，日照时数突变后增加趋势极显著，为0.069 h/a，平均气温呈减少趋势明显，为-0.151℃/a，最高最低气温在突变后呈减少趋势，分别达到-0.173℃/a，-0.165℃/a，综合来看，石河子地区ET0发生突变前，相对风速减少趋势最显著，其他各相关要素变化趋势均不显著，突变后相对风速减少趋势变小，其他各相关要素变化趋势极显著。

图1　1961-2012年石河子地区ET0和气象要素年际变化趋势

时段ET0/(mm·a-1)WS/(m·s-1·a-1)RH/(%·a-1)SH/(h·a-1)Tmin/(℃·a-1)Tmax/(℃·a-1)Tmean/(℃·a-1)1961—2012年1.194-0.004-0.0370.0070.0350.0190.0281961—2004年-0.233-0.0110.004-0.0030.0270.0130.0242005—2012年0.2490.064-0.1850.069-0.165-0.173-0.151

2.2参考作物蒸散量的突变分析

由突变检验曲线可见(图2)，M-K突变检验图UF(实线)和UB(虚线)两条曲线在2004年相交，且交点在临界区域内，2011年以后曲线超过了0.05信度线增加趋势显著。综合M-K突变检验结果，可确定石河子地区ET0在2004年发生突变，2011年达到显著性水平。突变分析可以看出(图3)，年潜在蒸散量存在27 a左右的第一主周期。第一主周期小波谱可以看出，年潜在蒸散量在1960s和1970s前期以及1990s以后相对偏小，在1970s中期和1980s相对较大。其中，在1970—2000年还存在17 a左右的小周期。

图2　1961-2012年石河子地区ET0M-K突变检验

2.3参考作物蒸散量敏感系数及引起参考作物蒸散量变化的主导气象因子

各气象要素的敏感系数反映了气象要素对ET0年内变化的灵敏程度，其绝对值越大表示ET0对相应气象要素的变化越敏感，相关系数则表示了各气象要素与ET0的年际变化的一致性，相关系数绝对值大小表示ET0与相应气象要素年际变化同步程度，结合敏感系数和相关系数分析结果，可得到各气象要素对ET0变化的影响程度和主要影响区域。

图3　石河子年ET0小波分析

不同时段各气象要素的敏感系数(SVi)、相对变化(RCVi)、贡献率(ConVi)都对ET0的发展有所不同。突变前后和全时段，ET0对最低气温最敏感，而在突变前，ET0对日照时数最敏感，突变后，ET0对年平均气温也较为敏感。

不同时段相对湿度的敏感系数均为负值(表2)，其他各要素在整个时段内，从敏感系数绝对值大小可看出，ET0对最低气温变化最敏感，其他各要素表现不同。日照时数次之，再其次为最高气温、平均气温、相对风速。虽然全时段平均气温的敏感系数较小，但其多年相对变化达较大，导致了ET0达到0.185%的变化贡献，成为1961—2012年ET0增大的最大贡献要素，其次是相对湿度，虽然日照时数的敏感系数绝对值最大，但其多年相对变化仅为-0.048%，仅对ET0产生了-0.118%的负贡献，突变增大趋势不明显。从ET0突变后各气象要素贡献对比来看，最高气温的敏感系数相比其他因素小，多年相对变化也较小，但其对ET0的贡献最大呈正贡献，达到突变增加趋势。其次是相对湿度。

表2　1961-2012年石河子地区气象要素敏感系数、相对变化率和贡献率

由于ET0突变后相对风速增加趋势变小引起对ET0的负贡献明显减小，而相对湿度的显著增加、最高最低气温的显著升高引起对ET0的正贡献明显增加，虽然日照时数的极显著减少在一定程度上削弱了由其他要素引起ET0的正贡献，但ET0突变后仍呈增加的变化趋势。

通过比较各气象要素对ET0变化贡献的绝对值，可判断出引起ET0变化的主导因子。

石河子地区大多数站相对风速的减小和所有站日照时数减少对ET0的变化为负贡献，平均分别为-0.005，-0.118；几乎所有站的最高最低气温的减小对ET0变化为负贡献，平均分别为-0.084，-3.051；相对湿度的贡献则区域差异明显且正贡献，达到0.025 mm/a。相对风速和日照时数的增加是导致ET0增加的主导因子，而其他要素的变化则引起ET0的减小，但增加贡献远大于减少贡献，整体表现为ET0增加的变化趋势，导致ET0增加的首要因子是平均气温。

3　讨论与结论

3.1讨 论

随着全球气候的变化，许多学者开始探讨ET0变化的原因，如吴文玉等[11]认为安徽省相对湿度对气候倾向率及相关性等分析方法可以从定性角度得出ET0的变化与不同气象要素变化的关联性，但并不能客观定量地衡量气象要素变化导致的ET0的变化，即气象要素变化对ET0的变化贡献。本文将敏感性分析和气象要素的相对变化结合起来，从而得到气象要素变化对ET0变化的定量结果，可以全面地理解气象要素对ET0变化的贡献和响应。结合研究得出，从敏感系数绝对值大小可看出，ET0对最低气温变化最敏感，其他各要素表现不同。日照时数次之。在整个年段内，平均气温的贡献率最大，其次是日照时数。参考作物蒸散量是表征大气蒸散能力，评价气候干旱程度，植被耗水量的重要指标。能否有效真实反映某地区气候干旱程度还有待进一步研究。因为气候条件受各种气象因素之间复杂的相互影响作用。在本研究中，石河子地区与新疆的参考作物蒸散量相比增加趋势明显[17]，并于2011年发生突变达到显著性水平。并对增加作物需水量和降低农田以及自然植被蒸散量，降低地表干燥度，改善石河子地区脆弱的生态环境都具有重要意义。

张山清[17]、普宗朝[18]等研究表明新疆潜在蒸散量以增势为主，但天山和阿勒泰山中高山带的局部区域年参考作物蒸散量以0.5～3 mm/a的倾向率略有增大，这与本文的研究结果是一致的。ET0增加会引起区域水分匮缺的加大，可能导致区域干旱加剧，但吴燕锋等[19-20]研究表明石河子干旱在有所缓解。这是因为，石河子降水量增势强于潜在蒸散量的增势(图2)，降蒸差在逐渐缩小。

3.2结 论

(1)近52年来，石河子地区ET0平均以1.194 mm/a的趋势增加，1991年之后增加趋势最显著，在2004年前后ET0发生突变，突变后有明显的增加趋势。

(2)日照时数对ET0的变化敏感性最高，但其多年相对变化不大，使其成为负贡献。其次是最低气温、最高气温、平均气温、相对湿度、相对风速。但相对风速和相对湿度多年相对变化分别达-0.141%，-0.031%的减小幅度，使得相对湿度成为石河子地区ET0变化贡献最大的气象要素，平均气温次之，最高气温贡献最低。

(3)石河子地区，相对湿度和平均气温对ET0变化为正贡献，且平均气温的正贡献最大，达到0.185 mm/a；最高气温、最低气温对ET0变化为负贡献，对ET0的影响贡献相对不大，相对风速和日照时数都表现为负贡献。

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Correlation Analysis of Potential Evapotranspiration and Key Climatic Factors in Shihezi City

LUO Nana,Batur·Bake,WU Yanfeng

(College of Grassland and Environmental Science,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China)

Based on data obtained from four meteorological stations during the period from 1961 to 2012 in Shihezi City,the reference evapotranspiration (ET0)was calculated using Penman-Monteith model recommended by FAO.Then,the contribution of meteorological factors to ET0was investigated by sensitive analysis and contribution analysis.The results showed that average of ET0presented increasing trend (1.19 mm/a)during the past 52 years and mutated in 2004 in Shihezi City.The meteorological factors have different sensitivity coefficients and contribution rates to variability of ET0.Among which,the contribution rate of average temperature is low,but sensitivity coefficients are the highest.Change in the average temperature becomes the largest contribution to ET0.The sensitivity coefficients and contribution rate presented some differences before and after the mutation of meteorological factors.Contributions of the maximum temperature and the minimum temperature are relatively great after mutations,but the sensitivity coefficients are low,the average temperature as the leading factor increased significantly.The average temperature is the driving force of the variability of ET0,especially more significant after mutation.

reference crop evapotranspiration; Penman-Monteith; sensitivity analysis; contribution analysis

2015-11-03

2015-11-16

国家国际科技合作计划项目(2010DFA92720-13);2014年度新疆研究生科研创新项目(XJGRI2014079);新疆维吾尔自治区土壤学重点学科

罗那那(1989—),女,甘肃天水人,硕士研究生,研究方向为干旱区生态与环境。E-mail:luonan27@163.com

巴特尔·巴克(1973—),男(维吾尔族),新疆莎车县人,博士,教授,主要从事干旱区生态与环境研究。E-mail:bateerbake@163.com

S161.4; S311

A

1005-3409(2016)05-0251-05