1976～2015年邯郸市潜在蒸散变化特征与影响因子分析

杜亮亮,高 晶,薛 敏,宋晓辉

(河北省邯郸市气象局，河北 邯郸 056001)

1976～2015年邯郸市潜在蒸散变化特征与影响因子分析

杜亮亮,高 晶,薛 敏,宋晓辉

(河北省邯郸市气象局，河北 邯郸 056001)

为了揭示复杂自然地理条件下邯郸市潜在蒸散变化的特征，利用1976～2015年邯郸市16个观测站逐日气象资料，采用Penman-Monteith模型计算各气象台站的逐日潜在蒸散量，利用线性趋势、相关系数、多项式拟合和Mann-Kendall等方法，分析了邯郸市潜在蒸散变化特征，并运用偏相关分析法，探讨了影响潜在蒸散的主要气象要素。结果表明：邯郸市潜在蒸散呈北多南少分布；夏季潜在蒸散最多，其次为春季，冬季最少。近40年来，邯郸市16个站点中除武安站外，潜在蒸散均呈减少趋势，尤以东部平原地区突出，减少趋势基本维持在30 mm/10 年；西部山区减少趋势相对较弱。区域平均潜在蒸散在21世纪10年代初期有所增加，并维持在平均水平。年潜在蒸散突变年份为1985年，夏秋季潜在蒸散突变年份为1992年。影响年和夏秋季潜在蒸散的主要气象因子为日照时数，影响春冬季潜在蒸散的气象因子在西部山区主要为风速，东部平原则主要为相对湿度。

潜在蒸散；气候变化；Penman-Monteith方程；邯郸市

0 引言

潜在蒸散是生态系统水分平衡及陆面水分平衡的主要组成部分，同时是评价气候干湿程度、水库设计、作物耗水和计算作物生产潜力的重要指标，在农业生产中，潜在蒸散为制定作物灌溉制度和区域灌溉需水量计划提供了基本依据，并起到指导合理灌溉和合理区划水资源等重要作用[1-5]。

在全球气候变暖及水资源供需矛盾日益突出的背景影响下，众多学者采用Penman-Monteith模型对不同区域的潜在蒸散进行了研究。黄会平等[5]研究发现近50年来中国各分区潜在蒸散均呈减少趋势。刘圆等[6]研究发现，在华北平原全区温度显著上升,日照时数、相对湿度、平均风速呈显著下降的背景下，绝大部分站点参考作物蒸散量及构成项呈显著下降趋势。李鹏飞等[7]研究发现京津冀地区近50年来潜在蒸散量都在减少，东南部减少得更快。李春强等[8-9]对河北省1965～1999年潜在蒸散进行了研究，发现河北省春、夏、秋、冬四季和年的参考蒸散量序列变化呈显著下降趋势，影响河北省参考作物蒸散变化的主要因子是风速和日照时数。以上研究均从较大地区着手对潜在蒸散进行了研究，能够在一定程度上对小区域潜在蒸散提供参考依据，但是对小区域和特殊地理环境下的潜在蒸散变化规律研究较少。

邯郸市地处河北省南部，西依太行，北望京津，位于晋冀鲁豫4省区域中心和环渤海经济区腹心；地势自西向东呈阶梯状下降，西部为中、低山丘陵地貌，东部为华北平原，地貌类型复杂多样；主要栽培作物资源有小麦、玉米、稻谷、棉花、花生等，是中国主要的粮棉生产基地，素有“北方粮仓”、“冀南棉海”之称[10]。近年来，由于黑龙港流域地下水超采、水位下降等严重情况，使得邯郸市水资源紧缺。有关资料显示，邯郸市水资源总量约为16.7亿m3，人均占有量191 m3，仅占全国人均水平的9%、全省人均水平的62%，是极度资源型缺水地区。为了揭示复杂自然地理条件下邯郸市潜在蒸散变化的特征，本文在分析邯郸市潜在蒸散变化特征的基础上，重点探讨了全球气候变暖背景下，潜在蒸散与主要气象因素的关系。本研究内容能够为快速实现分析旱涝演变趋势提供一定参考依据，为当地合理区划水资源、工农业生产和经济社会发展决策提供科学建议。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本文选取来源于河北省气象局整编的邯郸市魏县、馆陶、鸡泽、曲周等16个气象站的1976～2015年逐日风速、平均气温、最高气温、最低气温、日照时数和相对湿度等观测资料。这些台站的具体位置如图1所示。其中文中所指西部山区主要包括涉县、武安、峰峰及磁县西部等地；其它地区为东部平原地区。

1.2 方法介绍

首先，利用逐日气象要素，采用FAO[11-12]推荐的Penman-Monteith模型计算各气象台站的逐日潜在蒸散量(ET0)，各系数均采用FAO-56中的推荐值。其次，计算了潜在蒸散的线性趋势、相关系数、多项式拟合和Mann-Kendall(简称M-K)突变点等[13-17]，并对线性趋势的回归系数采用F分布函数进行检验，对相关系数的检验采用t分布函数进行检验。第三，采用具有只体现数据空间变化特点的普通克里金法，分析了潜在蒸散的空间分布特征；采用具有离插值点越近的样本赋予的权重越大特点的反距离权重插值法[15-17]，分析了潜在蒸散的线性趋势分布等；采用SPSS统计软件提供的偏相关分析方法计算了潜在蒸散和各气象要素的偏相关系数，分析了潜在蒸散的主要气象影响因子[1,18-19]。

2 结果与分析

2.1潜在蒸散变化趋势与突变分析

2.1.1 潜在蒸散空间分布特征 从1976～2015年邯郸市16个测站多年平均潜在蒸散的空间分布(图2)中可看出，近40年年潜在蒸散主要呈北多南少分布。其中高值区位于邯郸站(1106.7 mm)，其次为邱县站(1080.5 mm)；低值区则主要位于西部山区及南部区域，最低值位于涉县站(997.8 mm)，其次为磁县站(1003.1 mm)。春季潜在蒸散的空间分布特征(图2b)与全年潜在蒸散相似，邯郸站潜在蒸散最多(357.0 mm)，其次为武安站(352.0 mm)；最小值中心则分布在南部的磁县(314.0 mm)、临漳(323.7 mm)、魏县(318.4 mm)一带。夏季潜在蒸散的空间分布整体呈西南少东北多特征(图2c)；高值区仍位于邯郸站(435.0 mm)，其次为肥乡站(431.0 mm)、邱县站(430.0 mm)；最低值位于涉县站(391.7 mm)。秋季潜在蒸散的空间分布(图2d)以邯郸(209.5 mm)为中心向四周递减，另一大值区则位于大名站(203.5 mm)；最小值位于涉县站(185.2 mm)。冬季潜在蒸散的空间分布(图2e)与秋季较为相似，以邯郸站(105.2 mm)、武安站(105.1 mm)为中心向四周递减；最小值则位于磁县站及曲周站，均为89.7 mm。

通过分析全年及各季节潜在蒸散的空间分布特征可知，近40年夏季潜在蒸散最多，平均为417.3 mm,占全年的40.0%；其次为春季(333.2 mm)，占全年的31.9%；秋季(197.0 mm)占全年的18.9%；冬季最少(95.9 mm)，仅占全年的9.2%。16个站点中邯郸站为高值中心，涉县站及磁县站则为相对低值区，呈现出以邯郸站为中心向四周递减的分布特征。

2.1.2 潜在蒸散量年际变化的空间分布 从1976～2015年邯郸市16个测站潜在蒸散年际变化趋势的空间分布(图3)中发现，近40年邯郸市的潜在蒸散除春季之外，基本都呈减少趋势。

全年潜在蒸散减少趋势呈东多西少分布，16个站中仅武安站全年潜在蒸散呈增加趋势，且回归系数通过了0.05的F检验，其它站均呈减少趋势，减少趋势基本维持在30 mm/10年，减少的15个站中有9个站的回归系数通过了0.01的F检验，基本都分布在东部平原地区。

春季潜在蒸散呈东部减少、西部增加的趋势，以东部平原邱县、馆陶、大名一带减少趋势最大，且均通过了0.01的F检验；武安的增加趋势最为明显，呈17 mm/10年，同样通过了0.01的F检验；邯郸市中部地区则变化趋势不明显。

夏季潜在蒸散16个站全部呈减少趋势，以东部地区减少趋势最为显著，有9站通过了0.01的F检验，其中仍以邱县、馆陶、大名一带减少趋势最明显。

秋季潜在蒸散与全年潜在蒸散变化趋势空间分布一致，减少趋势呈东多西少分布，16个站中仅武安站全年潜在蒸散是增加的，其它站均呈减少趋势，减少的15个站中有7个站的回归系数通过了0.01的F检验，2个站的回归系数通过了0.05的F检验。

冬季潜在蒸散与全年、秋季潜在蒸散变化趋势空间分布一致，减少趋势仍呈东多西少分布，不同的是变化幅度均不大，仅有馆陶站的回归系数通过了0.01的F检验，另有5个站的回归系数通过了0.05的F检验，均分布在东部平原地区。

综上分析可知，近40年邯郸市潜在蒸散除武安站外，均呈减少趋势，且尤以东部平原地区突出，而西部山区减少趋势相对较弱；武安站呈增加趋势，主要由于春季潜在蒸散的增加所带来的贡献。

a：全年、b：春季、c：夏季、d：秋季、e：冬季；黑色三角(黑色方框)表示回归系数通过0.05(0.01)显著性水平的F检验。

2.1.3 潜在蒸散年代际变化特征 潜在蒸散的变化同时具有线性趋势与年代际变化特征。为了描述不同季节潜在蒸散的年代际变化趋势，采用次数为6次的多项式拟合方法对16个站区域平均后的潜在蒸散序列进行拟合(图4)，并进行线性趋势分析。近40年来，全年及各季节潜在蒸散均呈减少趋势，线性变率分别为-21.9、-1.8、-11.2、-5.8、-3.1 mm/10年,其中以年及夏秋季的线性变率减少趋势显著，均通过了0.01的F检验。其中年潜在蒸散在20世纪70～80年代有短暂上升趋势，于1981年到达最高值(1170.7 mm)，随后随时间逐渐减少，于2003年达到最低值(913.9 mm)，进入21世纪10年代初期有所增加，并维持在平均水平。春季及夏季潜在蒸散变化趋势与年潜在蒸散相似，整体呈短暂上升后下降再上升的态势。其中春季潜在蒸散，大值出现在1981年(408.1 mm)，最低值出现在1991年(274.9 mm)。夏季潜在蒸散于1996年出现最低值(362.2 mm)后，随后于1997年出现最高值(480.3 mm)。秋季潜在蒸散基本呈减少趋势，最低值出现在2011年(158.6 mm)。冬季潜在蒸散则呈波动变化趋势，最高值出现在1976年(117.9 mm)，最低值出现在1989年(66.0 mm)。

2.1.4 潜在蒸散量Mann-Kendall突变点分析 从1976～2015年邯郸市潜在蒸散年际变化和M-K突变检测曲线图(图5)可发现，近40年期间，年潜在蒸散在20世纪90年代初出现UF值超越临界值，UF、UB于1985年附近出现交点，且该时段的年潜在蒸散出现了较为明显的波动，所以该时段的年潜在蒸散的减少是显著的，1985年为突变年份。近40年期间春季及冬季潜在蒸散的M-K突变检验曲线(图略)，表现为一种周期性的波动，均无明显的突变。夏季(图5)及秋季(图略)潜在蒸散在21世纪初UF值超越临界值，UF、UB均于1992年附近出现交点，且该时段的潜在蒸散出现了较为明显的波动，所以该时段的潜在蒸散的减少是显著的，1992年为突变年份。

图4 1976～2015年邯郸市潜在蒸散年代际变化

图5 1976～2015年邯郸市潜在蒸散M-K突变检测曲线

3 潜在蒸散与主要气象要素的关系

利用每日潜在蒸散数据与对应的每日气象要素进行相关分析(表1)可知，潜在蒸散除与相对湿度呈完全负相关外，与风速、平均气温、最高温度、最低温度、日照时数则呈正相关，但夏季最低气温则与潜在蒸散呈轻微负相关。所有数据基本通过了99%以上显著性检验，说明潜在蒸散与上述气象要素存在较为密切的联系。

表1 1976～2015年邯郸市潜在蒸散与气象要素间相关系数

注：*表示未能通过α=0.01水平的显著性检验。

为了确定影响潜在蒸散变化的主要气象要素，计算了各站点主要气象要素(风速、平均气温、日照时数及相对湿度)与潜在蒸散的偏相关系数。经计算表明，除夏季平均气温与潜在蒸散的偏相关系数较低外，其余均通过99.9%显著性水平检验。采用比较系数绝对值大小的方法，对相关气象要素的影响重要性进行了排序(表2)。

从表2中可发现，风速和日照时数是影响邯郸市年潜在蒸散变化的主导气象要素。影响年及不同季节潜在蒸散的主要气象要素略有不同。影响春季潜在蒸散变化的主要因子在西部山区为风速，东部平原则为相对湿度，影响最小的为平均气温；影响夏季及秋季潜在蒸散的主要因子均为日照时数；不同的是夏季的影响因子中相对湿度次之，秋季则为风速次之；影响冬季潜在蒸散的主要因子与影响年潜在蒸散的气象因子一致，不同的是年潜在蒸散影响最差的因子为平均气温，冬季潜在蒸散影响最差的则为日照时数。

综上所述，影响年和夏秋季潜在蒸散的主要因子为日照时数，影响春冬季潜在蒸散的主要因子在西部山区为风速，在东部平原则为相对湿度。邯郸市属于温带大陆性季风气候区，且地势自西向东呈阶梯状下降，地形及气候因素在很大程度上导致了邯郸市潜在蒸散的差异。

表2 1976～2015年影响邯郸市潜在蒸散的气象要素的主次排序

注：T表示气温；W表示风速；RH表示相对湿度；S表示日照时数。

4 结论与讨论

通过对近40年来邯郸市潜在蒸散特征进行分析，以及对潜在蒸散与主要气象因素的相关分析研究，结果表明：

(1)年潜在蒸散主要呈北多南少分布，邯郸市16个站点中邯郸站潜在蒸散为高值中心，涉县站及磁县站则为相对低值区。夏季潜在蒸散最多，其次为春季，冬季最少。

(2)近40年来，邯郸市16个站点中除武安站外，潜在蒸散均呈减少趋势，且尤以东部平原地区突出，减少趋势基本维持在30 mm/10年；西部山区减少趋势相对较弱；武安站潜在蒸散呈增加趋势，主要来源于春季潜在蒸散的增加所带来的贡献。

(3)近40年来，邯郸市年及各季节平均潜在蒸散线性变率分别为-21.9，-1.8，-11.2，-5.8,3.1 mm/10年，其中以年及夏秋季的线性变率减少趋势显著；潜在蒸散变化趋势呈短暂上升后再下降后上升的态势，进入21世纪10年代初期有所增加，并维持在平均水平。年潜在蒸散突变年份为1985年，夏秋季潜在蒸散突变年份为1992年。

(4)影响年和夏秋季潜在蒸散的主要气象因子为日照时数，影响春冬季潜在蒸散的气象因子在西部山区为风速，东部平原则主要为相对湿度。

在全球气候变暖背景下，近50年京津冀地区所有站点潜在蒸散量都在减少，东南部减少得更快[7]，与邯郸市潜在蒸散呈减少趋势相一致。而邯郸市潜在蒸散尤以东部平原地区减少更为突出，在西部山区减少则相对较弱。李春强等[8]曾指出风速下降及日照时数减少是引起河北省年参考作物蒸散量减少的主要原因，而温度的升高则作用有限；在气温升高的背景下，由于邯郸市复杂地形，山区及平原风速及日照时数等气象要素的变化存在差异，导致潜在蒸散变化不均，具体差异有待进一步研究揭示。近40年邯郸市潜在蒸散量的减少，在一定程度上缓解了干旱化的趋势，使农业需水有效性发生改变。因此，应充分结合潜在蒸散变化趋势及作物生长阶段对水分的需求程度，有针对性地合理区划水资源，进行有效灌溉，提高水资源利用效率。

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(责任编辑:许晶晶)

Variation Characteristics and Influencing Factors of PotentialEvapotranspiration in Handan from 1976 to 2015

DU Liang-liang, GAO Jing, XUE Min, SONG Xiao-hui

(Handan Meteorological Bureau of Hebei Province, Handan 056001, China)

Based on the daily meteorological data of 16 meteorological stations in Handan from 1976 to 2015, the daily potential evapotranspiration was calculated by Penman-Monteith model. The linear trend, correlation coefficient, polynomical fitting, and Mann-Kendall test were used to analyze the variation characteristics of potential evapotranspiration in Handan under natural geographical conditions, and the main meteorological factors affecting the potential evapotranspiration were also explored through partial correlation analysis. The results indicated that the potential evapotranspiration decreased from the north to the south of Handan. Summer had the highest potential evapotranspiration, followed by spring, and winter had the lowest one. In the past 40 years in 15 stations of Handan (except Wu’an), the potential evapotranspiration all showed a decreasing trend, especially in the eastern plain region (decrease at the rate of 30 mm/10 a). The regional mean potential evapotranspiration increased slightly in the early 2010s, and kept at the average level. The abrupt change in annual potential evapotranspiration in Handan occurred in 1985, and that in summer and autumn potential evapotranspiration occurred in 1992. The main meteorological factor affecting annual, summer and autumn potential evapotranspiration was sunshine duration, and that affecting the potential evapotranspiration in spring and winter was wind speed in western mountainous region and relative humidity in eastern plain region.

Potential evapotranspiration; Climatic change; Penman-Monteith equation; Handan

2016-12-01

邯郸市科技局应用技术研发项目(1222101036G)。

杜亮亮(1986─)，男，河北邯郸人，工程师，硕士研究生，研究方向为应用气象学。

S161.4

A

1001-8581(2017)04-0094-07