54年来和田地区潜在蒸散量的变化特征及影响因素

胡雪瑛，武胜利，刘强吉，房 靓

（1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院，乌鲁木齐830054；2.新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室/新疆师范大学，乌鲁木齐830054）

54年来和田地区潜在蒸散量的变化特征及影响因素

胡雪瑛1，2，武胜利1，2，刘强吉1，2，房 靓1，2

（1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院，乌鲁木齐830054；2.新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室/新疆师范大学，乌鲁木齐830054）

为了在全球气候变暖的背景下，探讨和田地区干湿状况的变化，为该区水资源的合理利用及保护脆弱的生态环境提供科学依据。应用Penman-Monteith模型计算潜在蒸散量，采用Mann-Kendall突变检验、小波分析等方法分析了潜在蒸散量的变化特征，结合相关性分析探讨了气候因子对其影响强度。结果表明：1960—2013年和田地区潜在蒸散量呈“增加—减小—增加”的变化趋势，年际变化倾向率为-2.74 mm/a，总体上呈减小趋势；四季潜在蒸散量表现出夏季＞春季＞秋季＞冬季，均呈减小趋势，其中春季的减小趋势最显著；潜在蒸散量最大值出现在6月，最小值出现在12月；潜在蒸散量在1980年发生一次减少突变，并存在21年的第一主周期和12年的第二主周期；平均风速的减小和降水量的增加是导致潜在蒸散量减小的主要原因。

和田地区；潜在蒸散量；Penman-Monteith模型；气候因子

气候变暖已成为不争的事实，随着气温上升，全球及区域干湿状况也将发生变化，进而对各地社会、经济、农牧业产生深刻影响[1]。同时在干旱、半干旱区，水资源短缺、水库和灌溉的潜在蒸发损失极大、洪涝或干旱灾害也时有发生，严重威胁着作物的生长[2]。因此，气候的干湿变化已经得到了越来越多的关注，尤其是西北地区的干湿状况成为研究热点。蒸散是水文循环过程中十分重要的环节，是影响一个地区水热平衡的重要气候因子和参数，在很大程度上影响气候的干湿状况[3]。潜在蒸散量，又称参考作物蒸散量或最大可能蒸散量，是表征大气蒸发能力的一个量度，它标志大气中存在着一种控制充分湿润下垫面蒸发过程的能力，通常是利用气象要素计算得出[4]。Penman-Monteith法是联合国粮食及农业组织（FAO）推荐计算潜在蒸散量的唯一标准方法，该方法有较充分的理论依据，所计算的潜在蒸散量仅受制于当地气候条件，与作物种类、土壤类型等无关，是目前公认的无论在干旱还是湿润地区计算潜在蒸散量精度都较高的方法之一[5-6]。

近年来，利用Penman-Monteith模型作为研究气候干湿状况的工具得到了广泛的应用。黄会平等[7]研究表明1957—2012年中国各分区潜在蒸散量均呈减小趋势，西北诸河区减小趋势最显著；王琼等[8]研究发现1961—2011年长江流域潜在蒸散量呈减小趋势，年际变化倾向率为-0.34 mm/a，且夏季的减小趋势最显著；王允等[9]研究得到近50 a中国西南地区有变干趋势，且各年代变干幅度大于变湿幅度；而黄小燕等[10]研究得到近50 a中国西北地区有变湿趋势，潜在蒸散量明显减小；普宗朝等[11]研究表明新疆乌昌地区1961—2009年潜在蒸散量呈减小趋势、干湿指数呈增大趋势，气候总体上有较明显的变湿特征；谢姆斯叶·艾尼瓦尔等[12]研究认为塔里木盆地有暖湿化的趋势，其南、北缘潜在蒸散量均在波动中减小，南缘递减速度比北缘快。应用Penman-Monteith模型来分析区域干湿状况的变化规律，对评价气候干旱程度，估算农作物需水量，提高水资源利用效率，保护生态环境等具有十分重要的现实意义[13-14]。

和田地区深居内陆，远离海洋、气候干旱、沙漠广布、自然条件十分恶劣、生态环境极为脆弱、水资源非常短缺、是典型的少、边、穷地区[15]。目前对和田地区气候变化的研究比较多，但针对潜在蒸散量的研究很少，因此本文探讨气候变化背景下潜在蒸散量的变化特征及影响因素，既可以揭示中高纬度西风带控制下干旱区潜在蒸散量的变化规律，也可以为该区水资源合理开发与利用以及生态环境保护提供科学依据。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

和田地区位于新疆维吾尔自治区南端，东部与巴音郭楞蒙古自治州毗连，西部连喀什地区，南越昆仑山抵藏北高原，北部深入塔克拉玛干腹地，与阿克苏地区相邻。西部、北部的帕米尔高原、天山阻挡了西伯利亚的冷空气，南部的昆仑山、喀喇昆仑山阻隔了来自印度洋的暖湿气流，形成夏季炎热、冬季寒冷、降水稀少、蒸发强烈的极端干旱荒漠气候。农业用地基本集中在仅有的一些绿洲区域，发源于昆仑山、喀喇昆仑山的各大小河流纵穿绿洲是灌溉农田的唯一水源[16]。

1.2 数据基础与方法

本文数据来自国家气象地面基准站，选取和田地区5个气象站1960—2013年逐日气象数据（平均气温、最高气温、最低气温、降水量、日照时数、平均风速、相对湿度），其中安德河站的气象数据是从1960—1988年。计算出各站点的日潜在蒸散量，然后进行月、季、年潜在蒸散量的统计。其中，季节的划分采用气象季节，即3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至翌年2月为冬季。

1.3 研究方法

本文采用世界粮农组织（FAO）1998年修正的Penman-Monteith模型来计算潜在蒸散量，见计算公式（1）—（2）[17-18]。

式中：ET0为潜在蒸散量（mm/d）；Rn为净辐射[MJ/（m2·d）]；G为土壤热通量[MJ/（m2·d）]；γ为干湿常数（k Pa/℃）；Δ为饱和水汽压曲线斜率（k Pa/℃）；U2为2 m高处的风速（m/s）；es为平均饱和水汽压（kPa）；ea为实际水汽压（k Pa）；T为平均气温（℃）。

式中：Ra为大气顶层的太阳辐射[MJ/（m2·d）]；a为地表反射度，取值0.23；Q为波尔兹曼常数4.903×10-9MJ/（K4·m2·d）；N为最大日照时数（h）；n为实际日照时数（h）；Tmax为最高绝对气温（K）；Tmin为最低绝对气温（K）；as为云全部遮盖下（n=0）大气外界辐射到达地面的分量；bs为晴天（n=N）大气外界辐射到达地面的分量。as，bs采用祝昌汉[19]推荐的适合于西北干旱区的系数，分别取值0.225，0.525。

运用一元线性回归法对年、季潜在蒸散量进行趋势分析；采用Mann-Kendall突变检验法和Morlet小波分析法对年潜在蒸散量进行突变检验和周期分析；结合SPSS相关分析探讨影响潜在蒸散量的气候因子。

2 结果与分析

2.1 潜在蒸散量的年代际、年际变化

由表1可知，和田地区潜在蒸散量年代际变化趋势明显，20世纪70年代潜在蒸散量最高，达到912.8 mm，90年代最低，为671.4 mm。60，70年代及2000—2013年潜在蒸散量为正距平，分别比多年均值高54.4，86.1，0.6 mm；80，90年代为负距平，分别比多年均值低33，155.3 mm。季节潜在蒸散量变化与年潜在蒸散量变化基本一致，均表现为60，70年代和2000年以后偏高，80，90年代偏低，呈“多—少—多”的变化特点。其中，60年代春季的增加趋势最明显，70—80年代夏季的减小趋势最明显，90年代之后夏季又转为明显的增加趋势。

由图1可知，1960—2013年和田地区平均年潜在蒸散量为817.8 mm，1970年达到最高值，为996.3 mm，1996年达到最低值，为627.6 mm，极差为368.7 mm。年潜在蒸散量以-2.74 mm/a的速率呈明显的减小趋势，减小速率低于塔里木盆地（-2.9 mm/a）[20]；但高于西北地区（-1.2 mm/a）[7]。5 a滑动曲线显示，和田地区年潜在蒸散量1960—1969年呈上升趋势，1970—1992呈持续明显下降趋势，1993—2013年又呈明显上升趋势。分析发现，各站点潜在蒸散量有较明显的空间分异，年潜在蒸散量表现出安德河＞和田＞民丰＞皮山＞于田，分别为1 008.4 mm，911.1 mm，819.4 mm，755.2 mm，731.9 mm。

表1 和田地区年及季节潜在蒸散量的年代际变化 mm

图1 和田地区潜在蒸散量年际变化趋势

2.2 潜在蒸散量的季节变化

由图2可知，1960—2013年，和田地区春、夏、秋、冬四季平均潜在蒸散量分别为283.4 mm，351.3 mm，136.9 mm和46.0 mm，是夏季＞春季＞秋季＞冬季。且四季均呈减小趋势，变化速率分别为-1.05 mm/a，-0.81 mm/a，-0.71 mm/a，-0.17 mm/a，春季减小幅度最大，冬季最小。可见，对年潜在蒸散量的减小来说，春季的贡献最大，冬季最小。5 a滑动曲线显示，四季潜在蒸散量在1970年左右达到高值，在1995年左右达到低值，均呈“增加—减小—增加”的变化趋势。

2.3 潜在蒸散量的月变化

由图3A可知，全区平均月潜在蒸散量为11.0～129.8 mm，呈现单峰型，最大值出现在6月，为129.8 mm，最小值出现在12月，为11.0 mm，1—6月潜在蒸散量持续上升，7月以后不断下降，在12月达到最小。各月潜在蒸散量均呈减小趋势，减小速率为0.04～0.43 mm/a，4月的减小速率最大，12月最小。各气象站的逐月变化趋势与全区平均基本一致（图3B），安德河略有差异，在5月、7月均为较大，呈双峰型，月最高潜在蒸散量表现为安德河＞和田＞民丰＞皮山＞于田。

2.4 潜在蒸散量的突变分析

图4A中UF代表年潜在蒸散量的顺序统计曲线，UB为年潜在蒸散量的逆序列统计曲线，并给定显著性水平，当α=0.05，即临界值为±1.96。由图4A可以看出，曲线UF和UB在1980年相交，且交点在两条临界线之间，同时图4B显示，对应的累积距平曲线也在1980年存在明显的拐点，且从1980年开始表现为明显的下降趋势。说明潜在蒸散量时序数据在1980年发生了一次减少突变，即潜在蒸散量由偏高时期进入偏低时期，此次突变具体表现为：全区1960—1980年的年均潜在蒸散量为897.27 mm，1981—2013年的年均潜在蒸散量为767.15 mm，后者比前者减少了130.12 mm。分析发现，春季潜在蒸散量在1981年发生突变，夏季为1977年，秋季为1982年，冬季为1980年。

2.5 潜在蒸散量的周期分析

通过对年潜在蒸散量进行Morlet小波变换，得到小波系数实部等值线图（图5A），图中实线表示取正值的小波系数等值线，代表潜在蒸散偏高的时期，虚线表示小波系数取负值的等值线，代表潜在蒸散量偏低的时期，黑粗实线表示小波系数取零值的等值线，代表潜在蒸散量发生急剧变化的时期。从图5A可以看出，潜在蒸散量存在7 a、12 a左右的周期变化外，还存在着21 a左右的长周期变化。其中，12 a和21 a左右的周期变化贯穿于54 a当中，而7 a左右的周期变化只存在于60年代至80年代。小波系数符号表现为正负交替震荡过程，表明潜在蒸散量在1960—2013年经历了偏低、偏高的循环交替过程，特别是80，90年代以偏低期为主，与潜在蒸散量的年代际变化结果相符。

为了确定一个对潜在蒸散量变化规律最有影响力的时间尺度，需要通过小波方差来鉴定，根据小波方差曲线图（图5B），在32 a以内时间尺度上，潜在蒸散量表现出两个明显的波峰，分别是在12 a和21 a的时间尺度上，小波方差在时间尺度为21 a的时候取得了最大值，表明潜在蒸散量在21 a的振荡周期最强烈，为时序变化的第一主周期，第二主周期为12 a。

图2 和田地区四季潜在蒸散量变化趋势

图3 全区及各站点潜在蒸散量月变化

图4 潜在蒸散量的Mann-Kendall突变检验及累积距平

2.6 潜在蒸散量变化的成因

潜在蒸散量受多种气候因子的综合影响，如气温、降水、风速、日照时数、相对湿度等。由于影响因素众多，且气候因子的变化趋势各不相同，所以潜在蒸散量的变化成因十分复杂。为了探讨和田地区潜在蒸散量变化的成因，选取平均风速代表动力因子，平均气温、日照时数代表热力因子，相对湿度、降水量代表湿度因子，探讨潜在蒸散量与以上5个气候因子的关系，以探究影响其变化的主导因素。从表2看出，季节潜在蒸散量、年潜在蒸散量与各气候因子的相关性基本一致，即平均风速、平均气温、日照时数与潜在蒸散量呈正相关，这些气候因子的增加会导致潜在蒸散量的增加，而相对湿度、降水量与潜在蒸散量呈负相关，这些气候因子的增加会导致潜在蒸散量的减少。

图5 和田地区1960-2013年潜在蒸散量的Morlet小波系数实部等值线及方差变化

表2 和田地区年及季节潜在蒸散量与气候因子相关性分析

从气候因子变化趋势来看（图6），1960—2013年平均风速以-2.74 m/（s·a）的速率呈下降趋势，且与潜在蒸散量的年际变化基本一致，都表现为60年代呈上升趋势，70年代至90年代中期呈下降趋势，之后又呈上升趋势，且二者在α=0.01水平上呈显著正相关，相关系数为0.96，说明平均风速的减小是影响潜在蒸散量减小的重要原因。众多研究表明[21-22]，风速是影响潜在蒸散量变化的主导因素；近54 a来气温以0.04℃/a的速率呈明显的上升趋势，尤其是90年代中期以后呈加速上升之势，气温与潜在蒸散量无显著相关；近54 a来日照时数以0.01 h/a的速率呈上升趋势，也在90年代中期以后呈加速上升之势，日照时数与潜在蒸散量无显著相关；1960—2013年平均相对湿度呈下降趋势，但变化趋势不明显，相对湿度与潜在蒸散量在α=0.01水平上显著负相关，相关系数为-0.47；近54 a来降水量以0.27 mm/a的速率呈明显上升趋势，且80年代中期至2013年间的降水量明显高于80年代中期以前，降水量与潜在蒸散量在α=0.05的水平上显著负相关，相关系数为-0.34。

图6 潜在蒸散量与各气候因子之间的关系

综上所述，虽然近54 a和田地区平均气温和日照时数呈上升趋势，但由于平均风速的减小，降水量的增加，受其综合影响54 a来潜在蒸散量总体呈减小趋势。自20世纪90年代中期以后虽然降水量呈上升趋势，但平均风速、平均气温和日照时数也都呈明显的上升趋势，这是导致和田地区潜在蒸散量于90年代中期后由持续减少转为增多的根本原因。

3 结论与讨论

（1）和田地区潜在蒸散量在20世纪60，70年代偏高，80年代以来偏低，90年代达到最低，2000年以后明显回升。年潜在蒸散量在1960—2013年总体呈减小趋势，减小速率为2.74 mm/a，最大值出现在1970年，比多年均值高178.5 mm，最小值出现在1996年，比多年均值低190.2 mm。

（2）四季潜在蒸散量春夏较大、秋冬较小，均呈减小趋势，减小速率分别为-1.05 mm/a，-0.81 mm/a，-0.71 mm/a，-0.17 mm/a。年内潜在蒸散量最大值出现在6月，最小值出现在12月，各月潜在蒸散量均呈减小趋势，4月变化速率最大，12月最小。

（3）年潜在蒸散量在1980年发生了一次减少突变，春季潜在蒸散量在1981年发生突变，夏季为1977年，秋季为1982年，冬季为1980年。潜在蒸散量在21 a的振荡周期最强烈，为时序变化的第一主周期，第二主周期为12 a。

（4）潜在蒸散量的变化是风速、气温、日照时数、降水量等综合作用的结果，平均风速的减小和降水量的增加是造成和田地区潜在蒸散量减小的主要原因，90年代中期以后，平均风速、平均气温和日照时数的增加，使和田地区潜在蒸散量由持续减少转为增多。

（5）近54 a在潜在蒸散量下降的同时，温度以0.04℃/a的速率上升，降水量以0.27 mm/a的速率增加，可以认定1960—2013年和田地区气候有暖湿化的特征，气候暖湿化对改善和田地区脆弱的生态环境、增加植被覆盖度、促进农业生产及经济发展都将产生积极的作用。

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Variation Characteristics and Influence Factors of Potential Evapotranspiration in Hotan Region in Recent 54 Years

HU Xueying1，2，WU Shengli1，2，LIU Qiangji1，2，FANG Liang1，2
（1.College of Geographical Science and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi830054，China；2.Xinjiang Key Laboratory of Lake Environment and Resources，Xinjiang Normal University，Urumqi830054，China）

The paper aims to explore the change of dry-wet conditions in Hotan region under the background of the global warming，so as to provide the scientific reference for the effective use of water resources and protect the fragile ecological environment.Based on the daily meteorological data from 1960 to 2013 provided by 5 meteorological stations in Hotan region，the Penman-Monteith model was used to calculate potential evapotranspiration，and the variations of potential evapotranspiration were analyzed by the methods of Mann-Kendall abrupt test，Morlet wavelet function and so on，and the correlation analysis was used to discuss the dominant factor affecting the potential evapotranspiration.The results indicated that the variation trends of annual potential evapotranspiration was‘increase—decrease—increase’from 1960s，there was a decreasing trend in general because the changing rate varied at-2.74 mm/year.Seasonal potential evapotranspiration decreased in the order：summer＞spring＞autumn＞winter，and decreased in each seasons especially in spring.The maximum value of potential evapotranspiration was observed in June，the minimum value was found in December.Change of potential evapotranspiration had the 12-year and 21-year periods，and the abrupt change happened in 1980.The decrease of wind speeds and a significant increase of precipitation in Hotan region in recent 54 years were the dominating factors leading to the decrease of potential evapotranspiration.

Hotan region；potential evapotranspiration；Penman-Monteith model；climatic factors

S161.4

A

1005-3409（2017）01-0145-06

2016-05-06

2016-06-17

国家自然科学基金项目“艾比湖流域抛物线沙丘形成与演变研究”（41161004）；国家自然科学基金委员会—新疆维吾尔自治区人民政府联合基金重点项目“新疆博斯腾湖环境演变及对气候变化的响应”（U1138302）；新疆干旱区湖泊与资源重点实验室基金项目“500年来博斯腾湖流域怪柳沙堆年层沉积及其环境记录”（XJDX0909-2012-03）

胡雪瑛（1992—），女，新疆吉木萨尔县人，硕士研究生，研究方向为干旱区环境演变与灾害防治。E-mail：519288698＠qq.com

武胜利（1977—），男，河南西平县人，教授，博士，主要从事干旱区环境演变与灾害防治研究。E-mail：wushengli77＠126.com