1955-2015年陕西省潜在蒸散量时空变化特征及成因

安 彬, 肖薇薇

(1.安康学院 旅游与资源环境学院, 陕西 安康 725000; 2.安康市汉江水资源保护与利用工程技术研究中心, 陕西 安康 725000)

潜在蒸散量(Potential Evapotranspiration，ET0)，它表示在一定气象条件下水分供应不受限制时，某固定下垫面可能达到的最大蒸发蒸腾量，是实际蒸散量的理论上限[1]。ET0作为地表热量平衡和水分循环的重要组成部分，是评价气候干湿程度、农业水资源利用和计算作物生产潜力的关键指标[2-4]，对区域内水资源配置、水循环模拟等具有重要意义。目前，计算潜在蒸散量的公式比较多，如谢良尼诺夫法、桑斯威特法、丘克法、彭曼综合法、布德柯综合法、Thronthwaite、Hargreaves公式、高桥浩一郎陆面蒸发经验模型等[5]；其中应用最为广泛的是联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith(P-M)方程，该模型是目前公认的计算潜在蒸散量精度较高的方法之一[6]。不少学者依据此方法对不同区域的ET0时空分布特征进行了探索。众多研究表明，潜在蒸散量的空间变化具有异质性，包括印度[7]、美国[8]、伊朗[9]、中国[10]等全球大部分国家的ET0整体均呈下降趋势。还有众多学者对中国不同流域[4,11-12]、行政区[13-14]、地理分区[15-16]等尺度的ET0时空分布特征进行了研究。陕西省从南至北分别是秦巴山地、关中平原和黄土高原，跨越3个气候带，作为生态环境脆弱区及气候变化敏感区之一，自20世纪中期以来该地区年降水波动下降、增温显著，呈现暖干化趋势[17]。基于这种大背景下，涉及全省范围ET0时空变化规律的研究相对较少。本文采用P-M模型、Mann-Kendall突变检测、最优分割等方法系统分析1955—2015年陕西省ET0的时空变化特征，并采用偏相关、多元回归模型对影响潜在蒸散量的主导气象要素进行定量研究，旨在为评价陕西省水资源的开发与利用状况，同时为促进区域社会经济可持续发展提供科学决策依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

陕西省地处中国西北内陆地区，位于105°29′—111°15′E，31°42′—39°35′N，从南至北分别是秦巴山地落叶阔叶和常绿阔叶混交林生态区、渭河谷地农业生态区、黄土高原农牧生态区和长城沿线风沙草原生态区，是全球气候变化响应敏感地区之一。全省气候差异大，由南向北依次为北亚热带、暖温带和温带，整体属大陆季风性气候。由于南北延伸很长，到800 km以上，跨纬度多，而引起境内南北间气候的明显差异，温度和降水基本上是由南向北逐渐降低，年均温在7～16℃，多年平均降水量656.7 mm，多年平均潜在蒸散量914.93 mm，水资源总量为444.99亿m3。陕南地区是我国重要的水源涵养与生物多样性保育生态区，陕北则是全国水土流失最严重的区域之一。

1.2 数据来源

本文所选择的数据源是分布较均匀、气象资料时间序列连续性强的榆林、西安、石泉等20个国家基准站1955—2015年的逐日平均气温、最高温度、最低气温、相对湿度、平均风速和日照时数资料，资料均来源于中国气象科学数据共享服务平台(http:∥www.data.cma.cn)，气象站点的分布见图1。利用反距离权重插值法(IDW)对个别站点缺测的气象资料进行处理[18]，使得20个站点的资料具有完整性。年统计按照自然年，季节统计的标准：3—5月为春季，6—8月夏季，9—11月为秋季，12月—次年2月为冬季。

图1陕西省气象站点空间分布

1.3 研究方法

1.3.1 潜在蒸散量(ET0)计算 本文采用FAO推荐修正的标准Penman-Monteith(P-M)方程计算逐日潜在蒸散量ET0[6]，其公式为：

(1)

式中：ET0为参考作物蒸散量(mm/d)；Δ为饱和水汽压曲线斜率(kPa/℃)；Rn是作物表面的净辐射量(MJ/m2)；G是土壤热通量[MJ/(m2·d)]；γ为湿度计常数(kPa/℃)；t为平均气温(℃)；U2为2 m高的风速(m/s)；ea是饱和水汽压(kPa)；ed是实测水汽压(kPa)。

1.3.2 分析方法 将各站点逐日气象数据分别代入模型式中，计算出逐日ET0，采用数理统计方法，分析研究区的气候ET0的季节、年变化；气候倾斜率和气候变率均采用韩玮等[19]所用方法；突变检测选择应用最广泛的非参数统计检验方法Mann-Kendall法[16]；应用Fisher法最优分割法[20]对有序的ET0样本进行聚类分级；采用ET0数据与各气象要素进行偏相关、多元回归模型[21]分析影响ET0的主要气象要素。以上计算与统计工作采用ArcGIS 10.0以及IBM SPSS Statistics 22中完成，图件全部用OriginPro 8.5绘制。

2 结果与分析

2.1 潜在蒸散量的时间变化特征

根据公式(1)计算得到陕西省1955—2015年潜在蒸散量的变化。陕西省ET0多年平均值为914.93 mm，年际变化率约为1.03 mm/10 a，表明在陕西省呈现暖干化的趋势背景下，ET0呈现微弱上升趋势，但变化趋势不明显。从图2A可以看出，由于日照、相对湿度等气候因素的不同，陕西省潜在蒸散量呈现波动变化，1964年为历年最低值(800.31 mm)，1997年为极大值(1 004.54 mm)，两者之间的差值为204.23 mm。从图2B蒸散量的累积距平可以看出，1964年、1979年、1993年为陕西省潜在蒸散量的转折点。1955—1964年ET0呈微弱下降趋势，主要以负距平为主；1965—1979年是ET0偏多阶段，以正距平为主，呈增加趋势；1979年达到最大值而后下降，到1993年达到最低，期间以负距平为主，且比多年平均值低41.65 mm；1993—2015年呈现略微增加趋势，主要以正距平为主。

利用Fisher最优分割法将1955—2015年陕西省潜在蒸散量进行划分，同时计算各时段的平均值、相对变率和绝对变率(表1)。可以看出，各时段的平均ET0呈“倒S”型变化，与图2B累积距平曲线趋势相近；1994—2008年时段平均ET0最高，为944.39 mm；1980—1993年最低，仅为873.27 mm，与最高值差71.12 mm。除了1994—2008年时段的变化率最低外，其他时段的相对变率和绝对变率维持在28 mm，0.03的水平上。图2C为陕西省年均潜在蒸散量Mann-Kendall法检验结果曲线，UF线在1972年和1993年超出a=0.05(y=±1.96)信度水平，说明原系列存在显著变化趋势。综合累积距平曲线和M-K检验结果表明，1979年是陕西省潜在蒸散量突变下降的开始，1993年则是突变上升的开始。

为了更进一步分析陕西省60 a潜在蒸散量的年内变化情况，绘制出研究期间内季节潜在蒸散量变化曲线(图3)，同时基于Fisher最优分割法计算分时段季节平均潜在蒸散量及其贡献率(表2)。从图3可以看出，春、秋、冬季ET0年际变化率均为正值，分别为3.72，0.12，0.36 mm/10 a，与年ET0变化一致，但变化趋势都不显著；夏季ET0年际变化率为-2.95 mm/10 a，呈减少趋势。表2显示出陕西省春、夏、秋、冬季平均ET0依次为278.42，385.24，164.62，87.2 mm，分别占年均ET0的30.41%，42.08%，17.95%，9.23%，季节贡献率由高到低为夏季>春季>秋季>冬季。这说明春夏两季ET0占全年最多，达到72.49%。其原因可能是春末至秋初气温偏高，有利于蒸散；秋末至次年春季，气温降低，蒸散量也随之降低；同时，7—8月正值研究区汛期，气温升至最高，日照充足，致使ET0达到年内最高值。从4个分时段来看，春季贡献率略微上升，夏季略微下降，秋冬季变化不大，这与图3四季ET0年际变化率线性趋势相同。

图2 陕西省年潜在蒸散量及其累积距平、M-K曲线

图3 1955-2015年陕西省季节潜在蒸散量变化曲线

2.2 潜在蒸散量的空间分布特征

由于受纬度因素的影响，陕西省气温、降水、日照等气象要素分布不均匀，致使研究区内年平均ET0的空间分布存在明显差异(图4)。从图4A可以看出，陕西省1955—2015年年均ET0由南向北递增(826.26～1 094.42 mm)，陕南<关中<陕北，表现出较为明显的纬度地带性特征，与多年平均蒸发皿蒸发量的空间分布一致[22]。从分地区来看，陕南地区的年平均ET0为877.29 mm，关中和陕北分别为900.59，964.58 mm，极差达到87.29 mm。ET0在陕南地区由东向西递减，关中地区均匀分布；而陕北则以定边、绥德站点为高值中心，北高南低空间分布特征。根据各站点研究期间ET0计算期年际变化率(图4B)，陕北地区年均ET0主要呈增加趋势，关中和陕南地区则为下降趋势；其中以陕北西北部上升幅度最大，达到18.336 mm/10 a；关中中部地区下降幅度高达-18.265 mm/10 a。这可能进一步加剧未来陕北地区暖干化与陕南地区暖湿化的发展态势[17]。

陕西省季节平均ET0分布也具有明显的空间分异特征(图5)。总体上看，春、夏季与年均ET0空间分布具有高度一致性，存在较为显著的纬度地带性特征；而冬季则与年均ET0空间分布具有较大反差。

图41955-2015年陕西省年均潜在蒸散量空间分布及其年际变化率

这也间接说明了春夏季平均ET0对年均ET0的空间分布起决定性作用。春季平均ET0高值中心主要集中在陕北的定边、绥德站，陕南汉中地区则形成低值中心；且极差为四季最大，达到249.18 mm，这深刻地影响着陕西地区春播土壤墒情。夏季平均ET0与全年分布最为相似，高值、低值中心分布也与春季相同，极差为146.5 mm。这与夏季陕西地区处于高温阶段，且接受的太阳辐射和日照南北差异不大，但由于陕北地区空气相对湿度较小，易形成全省年内ET0极大值。秋季的高值中心主要分布在陕北西部、关中东部，低值区主要有陕南山地地区，极差为56.38 mm。冬季平均ET0与全年分布差异性最大，呈现出南多北少的空间分布态势，高值中心分布在关中和陕南的东部地区，低值中心出现在陕北榆林等地区；同时由于冬季平均ET0贡献率为四季最低(9.23%)，进而导致极差也为四季最小，只有49.96 mm。陕西省季节平均ET0空间分布的变化趋势对于未来研究区合理利用年内水资源提供了科学依据。

图51955-2015年陕西省季节潜在蒸散量空间分布

2.3 潜在蒸散量的时空变化原因

由于潜在蒸散量受到诸如气温、日照等多种气象因素的影响，且不同因素之间也相互影响，致使ET0变化的成因相当复杂。如表3所示，不同气候因素对年及季节ET0的影响程度不同：对年ET0影响较大的因素包括风速、日照等7个气象因素；对春、夏、冬季ET0影响显著的是风速、相对湿度等6个气象因素；对秋季影响较大的因素与年ET0影响因素相同。从正负相关性来看，风速、日照、平均气温与全年及四季ET0呈正相关，最高温、最低温、相对湿度、降水等多与ET0呈负相关。另外，通过多元回归模型计算出气象因素对ET0的相对贡献率，可以看出不同气象因素对ET0变化的影响程度具有差异性。全年平均温度对陕西省年ET0有最高的相对贡献率，最高气温有较高的相对贡献率。对夏季ET0最高贡献率的为日照，较高的为平均气温；春、秋、冬季ET0与年ET0的高相对贡献率因素相同。总体上看，平均气温是全年及春、秋、冬季ET0变化的主导因素，日照是夏季ET0变化的主导因素。

表3 年及季节ET0与气象因素的偏相关系数及相对贡献率

注：*，**，***分别表示通过0.1，0.05，0.01的双尾置信度检验。

3 结 论

(1) 1955—2015年，陕西省年潜在蒸散量介于800.31～1 004.54 mm，呈微弱上升趋势，变化率为1.03 mm/10 a；其中，1955—1979年、1994—2008年为ET0相对高值期，而1980—1993年、2009—2015年则为相对低值期；1979年陕西省潜在蒸散量发生突变下降，1993年则突变上升。

(2) 研究期间，春、夏、秋、冬季平均ET0依次为278.42，385.24，164.62，87.2 mm，分别占年均ET0的30.41%，42.08%，17.95%，9.23%；春、秋、冬季ET0年际变化率均与年ET0变化一致，分别为3.72，0.12，0.36 mm/10 a；而夏季ET0年际变化率为-2.95 mm/10 a，呈减少趋势。

(3) 研究区内年及季节平均ET0的空间分布存在明显地带性规律特征，年均ET0及其变化率与春、夏季ET0呈自南向北递增的空间分布，冬季则南多北少，说明春、夏季平均ET0对年均ET0的空间分布起决定性作用。

(4) 平均气温是全年及春、秋、冬季ET0变化的主导因素，日照是夏季ET0变化的主导因素，其他因素则不同程度对ET0的变化起增强或减弱作用。

参考文献：

[1] 尹云鹤,吴绍洪,戴尔阜.1971—2008年我国潜在蒸散时空演变的归因[J].科学通报,2010,61(22):2226-2234.

[2] 邸苏闯,吴文勇,刘洪禄,等.基于遥感技术的绿地耗水估算与蒸散发反演[J].农业工程学报,2012,28(10):98-104.

[3] 董煜,海米提·依米提.1961—2013年新疆潜在蒸散量变化特征及趋势[J].农业工程学报,2015,31(1):153-161.

[4] 秦鹏,刘强.艾比湖流域潜在蒸散量时空变化特征[J].中国农村水利水电,2017,59(6):111-117,121.

[5] 杨志刚,唐小萍,路红亚,等.近50年雅鲁藏布江流域潜在蒸散量的变化特征[J].地理学报,2013,68(9):1263-1268.

[6] Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop Evapotranspiration: Guidelines for Computing Crop Water Requirements[R]. Rome: FAO, 1998.

[7] Chattopadhyay N, Hulme M. Evaporation and potential evapotranspiration in India under conditions of recent and future climate change[J]. Agricultural and Forest Meteorology,1997,85(7):55-73.

[8] Golubev V, Lawrimore J, Groisman P, et al. Evaporation changes over the contiguous United States and the former USSR: A reassessment[J]. Geophysical Research Letters,2001,28(13):2665-2668.

[9] Dinpashoh Y, Jhajharia D, Fakheri-Fard A, et al. Trends in reference crop evapotranspiration over Iran[J]. Journal of Hydrology, 2011,399(3):422-433.

[10] 黄会平,曹明明,宋进喜,等.1957—2012年中国参考作物蒸散量时空变化及其影响因子分析[J].自然资源学报,2015,30(2):315-326.

[11] 王琼,张明军,潘淑坤,等.长江流域潜在蒸散量时空变化特征[J].生态学杂志,2013,32(5):1292-1302.

[12] 童瑞,杨肖丽,任立良,等.黄河流域1961—2012年蒸散发时空变化特征及影响因素分析[J].水资源保护,2015,31(3):16-21.

[13] 凯丽比努尔·克热木,海米提·依米提,麦麦提吐尔逊·艾则孜.喀什地区1957—2013年潜在蒸散量变化及其影响因子[J].水土保持研究,2017,24(5):247-251,258.

[14] 谢平,龙怀玉,张杨珠,等.云南省四季潜在蒸散量时空演变的主导气象因子分析[J].水土保持研究,2017,24(2):184-193.

[15] 刘宪锋,潘耀忠,张锦水,等.1960—2011年西北五省潜在蒸散的时空变化[J].应用生态学报,2013,24(9):2564-2570.

[16] 蒋冲,王飞,穆兴民,等.秦岭南北潜在蒸散量时空变化及突变特征分析[J].长江流域资源与环境,2013,22(5):573-581.

[17] 安彬,孙虎,刘宇峰,等.陕西省气候及其生产潜力时空变化特征[J].陕西师范大学学报:自然科学版,2014,42(3):103-108.

[18] 彭锐,黄河清,郑林.鄱阳湖区1959至2005年降水过程的持续性特征与减灾对策[J].资源科学,2009,31(5):731-742.

[19] 韩玮,韩永红,杨沈斌.1961—2011年山东气候资源及气候生产力时空变化特征[J].地理科学进展,2013,32(3):425-434.

[20] 魏娜,巩远发,孙娴,等.西北地区近50 a降水变化及水汽输送特征[J].中国沙漠,2010,30(6):1450-1457.

[21] 张守红,刘苏峡,莫兴国,等.阿克苏河流域气候变化对潜在蒸散量影响分析[J].地理学报,2010,65(11):1363-1370.

[22] 高蓓.基于GIS的陕西省气候要素时空分布特征研究[D].西安:陕西师范大学,2014.