近56年来新疆策勒县潜在蒸散量变化及影响因子分析

吉小芳，马 倩，杨少敏，王至美

(新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054)

【研究意义】蒸散是地表热量和水量相互间均衡的重要内容，是影响气候干湿状况的关键要素[1]，其对于了解土壤水分运动、植被水分传递、植物与大气之间的水汽交换以及植被层的热量平衡具有重要的意义[2]。目前对于蒸散量数据的直接获取尚未成熟大都通过估算获得。潜在蒸散量是衡量区域蒸发能力的重要指标，也是评价气候干湿状况及农业灌溉水分资源的关键参量[3]，在气候变化背景下开展各区域潜在蒸散量时间和空间变化机制研究，具有迫切而现实意义[4-5]。【前人研究进展】张彩霞等[6]发现，河西地区ET0表现为上升趋势，其中温度贡献率最大；曹永强等[7]研究了1965-2014年辽宁省潜在蒸散量的变化趋势及其对气象要素的敏感性，得出该区ET0呈下降趋势且对水汽压较为敏感；杨振常等[8]计算和分析了中国北方半干旱典型沙区潜在蒸散量的变化特征及驱动因素；相关研究[9-11]表明不同区域潜在蒸散量的变化趋势及主要影响因子存在明显差异。【本研究切入点】新疆ET0的研究，其区域主要为较大空间范围区域，对于较小区域ET0的研究较少。有关策勒县的研究主要集中在风沙方面相关研究[12-17]，然而对于长时间尺度的ET0变化特征研究甚少。【拟解决的关键问题】本文利用相关方法研究策勒县ET0的变化趋势及主导因素，为科学认识该区域ET0对气候变化的响应、评价其干湿演变特征及水资源的合理利用提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

策勒县位于新疆最南部，其地理坐标为35°18′ ～ 39°18′N，80°03′ ～82°10′E，东西分别与于田县和洛浦县相邻，西南与和田县接壤，其北部区域延伸至塔克拉玛干沙漠中部，是典型的绿洲荒漠过渡区。气候夏季干旱炎热，日照充足、昼夜温差较大，风沙天气多，空气极端干燥，极端最高气温达42.1 ℃，极端最低气温低至-23.9 ℃，年均降水量为35.1 mm，最大风速10 m/s，属于典型的暖温带荒漠气候。降水量少，蒸发量大，干旱是制约当地区域经济可持续发展的重要因素之一。

1.2 资料来源

选取策勒县气象站(37°01′N，80°48′E，海拔高度为1336.5 m)1960-2016年2月日最高气温、平均气温、最低气温、日照时数、降水量、平均风速、相对湿度等地面气象数据，季节的划分即春季为3-5月，夏季为6-8月，秋季为9-11月，冬季为12月至翌年1、2月。

1.3 研究方法

1.3.1 Penman-Monteith 模型 迄今，在潜在蒸散量估算方面，精确度较高且被广泛使用的方法是世界粮农组织 (FAO) 1998年修正的Penman-Monteith模型计算公式，该公式适用于不同气候类型区域[18]。本文选用此模型利用 Excel及Spss软件计算日潜在蒸散量，并进行逐月，逐年的统计，具体公式如下：

(1)

式中：ET0表示潜在蒸散量(mm/d)；△表示饱和水汽压曲线斜率，Rn表示净辐射MJ/(m2·d)；G表示土壤热通量MJ/(m2·d)；γ表示干湿常数kPa/℃；T表示平均气温℃；U2表示距地面2 m高处的风速(m/s)；ea表示实际水汽压(kPa)；es表示平均饱和水汽压(kPa)。

(2)

式中：a取值0.23，表示地表反射度；本文采用祝昌汉[19]推荐的适用于西北干旱区的系数,as、bs分别赋值0.225、0.525；n、N分别表示实际日照时数及最大日照时数(h)；Ra代表大气顶层的太阳辐射MJ/(m2·d)；Q=4.903×10-9MJ/(K4· m2· d)为波尔兹曼常数；Tmax,K与Tmin,K分别表示最高绝对温标与最低绝对温标(K)；上述值可由基本日气象要素计算得到。

1.3.2 线性回归 一般运用气候倾向率法和滑动平均法分析气候变化趋势[20]，假设公式y=at+b，式中，y表示特定时间序列下气候要素的变化趋势，t为年序，a表示一元线性方程的斜率，即为气象要素的线性变化趋势，a为正时，表示气候要素呈增加趋势，a为负时，表示气候要素呈减小趋势。

1.3.3 Mann-Kendall法 Mann-Kendall法是世界气象组织推荐运用的一种非参数统计检验方法[21-22]，它的优点是不需要样本服从一定的分布,也不会受到个别异常值的影响，计算也较为便捷，不仅能表明突变开始的时间，同时能指出相应发生突变的区域[23]，本文利用此方法检验研究区ET0是否发生突变。

1.3.4 小波分析 Morlet小波分析法不仅能在不同时间尺度上探讨过去气候的变化周期，而且是分析气象要素长期变化的主要手段[24]，本文采用此方法对新疆策勒县1960-2015年潜在蒸散量进行周期分析，计算过程详见参考文献[25]。

2 结果与分析

2.1 年潜在蒸散量变化特征

通过P-M公式，计算研究区每日潜在蒸散量，后累计转换为年潜在蒸散量，分析其变化特征(图1)，经计算，策勒县1960-2015年年均潜在蒸散量为784.23 mm，近56年来年ET0的变化表现出波动下降趋势(图1)，并通过0.05显著性检验，年ET0最大值出现在1974年，1992年出现最低值，波动范围为1048.61～510.11 mm，极差为538.5 0 mm，递减倾向率约为-4.83 mm/年，减小速率高于和田地区-2.74 mm/年[26]，从5年滑动平均来看，年潜在蒸散量在1974-1992年表现为显著下降趋势并达到谷底，1993-2001表现为回升趋势，2002年后又逐渐下降。总体上研究区1960-2015年潜在蒸散量变化为增加-减少-增加-减少趋势。

图1 策勒县潜在蒸散量年际变化Fig.1 The inter-annual variation of ET0 in Cele county

研究区ET0年代际变化上，1960s-1970s潜在蒸散量呈上升趋势并至最大值，1970s后至1990s潜在蒸散量显著减少至最低值，其中1970-1979年潜在蒸散量最大为941.87 mm，相比20世纪60年代ET0上升96.03 mm，高出56年平均值157.64 mm，1990-1999年潜在蒸散量最低为670.07 mm，较56年平均值低114.16 mm，进入2000年以后，潜在蒸散量缓慢回升至718.45 mm。

图2 策勒县平均潜在蒸散量年代际变化Fig.2 The inter-decadal variation of ET0 in Cele county

2.2 潜在蒸散量季节变化特征

由策勒县各月潜在蒸散量值，统计其1960-2015年各季节平均潜在蒸散量，由图3可知，研究区潜在蒸散量的季节变化均呈现出减小趋势，春夏秋冬四季变化倾向率依次为-1.60、-1.42、-1.29、-0.52 mm/年，均通过0.05显著性检验，其中春季ET0对年ET0的减小贡献最多。四季高低值与年的基本一致，夏季平均潜在蒸散量最大为339.24 mm，约占全年平均ET0的43 %，其次依次为春季与秋季，分别为289.19和99.44 mm，占全年潜在蒸散量的37 %和13 %，冬季平均ET0值56.29 mm为四季之中最小值，约占年平均ET0的7 %，对年潜在蒸散量的贡献最小。

图3 策勒县潜在蒸散量季节变化Fig.3 The seasonal variation of ET0 in Cele county

2.3 潜在蒸散量突变分析

运用Mann-Kendall法分析策勒县近56年潜在蒸散量的突变特征，如图4所示，UF表示年ET0的顺序统计曲线，其逆序统计曲线用UB表示，临界值为±1.96；56年中有18年UF曲线为正值，其余均为负值，其中UF曲线大体经过3个阶段变化，即1960-1974年UF曲线呈波动上升趋势，并于1971年突破信度为95 %(ɑ=0.05)的置信线1.96，UF曲线在1975-1997年呈明显下降趋势，并于1988年突破信度为95 %(ɑ=0.05)的置信线-1.96，1998-2005年UF曲线呈缓慢上升趋势，2006年后又缓慢下降。UF和UB曲线分别于1986、1998、2005年3次相交，1998和2005年明显不是突变点，只有1986年1个交点处于信度为0.05置信线±1.96之内，同时该区年累计距平曲线(图5)中1986年存在明显的拐点并开始呈下降趋势，可认为1986年是突变年。通过对1986年前后潜在蒸散量的计算，发现1986-2015年平均均潜在蒸散量(698.04 mm)比1960-1985年(883.68 mm)下降了185.64 mm。

图4 策勒县年潜在蒸散量Mann-Kendall检验Fig.4 The Mann-Kendall test of annual ET0 in Cele county

图5 策勒县潜在蒸散量累计距平Fig.5 Accumulative anomalies of the annual ET0 in Cele county

2.4 潜在蒸散量周期性变化

图6反映了研究区ET0的时间序列变化，正值区用实线表示，即为潜在蒸散量偏高期，负值区用虚线表示，即为潜在蒸散量偏低期，该区潜在蒸散量存在9、21、29年的周期变化，其中21、29年周期贯穿于1960-2015年整个时段内，9年的周期主要存在于1962-1985年，图中小波系数等值线在时间尺度18～23,26～30年较为密集，周期震荡较为明显，出现小波系数低值与高值中心循环变动的现象，表明56年中潜在蒸散量经历了偏高、偏低的交替变化。研究区潜在蒸散量小波方差图7显示，在21和29年时间尺度上存在明显波峰，29年时间尺度上波峰最高，为强显著周期。其次为次第2主周期。

2.5 潜在蒸散量变化的气象因子分析

潜在蒸散量的变化受降水量、气温、风速、湿度等综合气象因子影响，主导因子不同，其变化趋势及规律也表现出显著差异。本文选取P-M公式中用到的7个气象因子，运用主成分分析法(PCA)研究潜在蒸散量与气象因子的相关性。主成分分析是将原有数个变量，进行线性变化，在变量彼此互不相关的前提下，通过计算变量方差的大小，选取起主导作用的成分。在进行分析之前，对原有数据进行了Bartlett球度测试及KMO检验，确定分析的可行性，具体载荷矩阵见表1。

图6 策勒县1960-2015年潜在蒸散量小波分析Fig.6 The wavelet analysis of ET0 from 1960 to 2015 in Cele county

图7 策勒县1960-2015年潜在蒸散量小波方差图Fig.7 The wavelet variance of ET0 from 1960 to 2015 in Cele county

主成分1主成分2主成分3平均气温0.988-0.079-0.012最高气温0.978-0.109-0.089最低气温0.963-0.0050.103相对湿度-0.3230.728-0.143平均风速0.226-0.1790.831日照时数0.325-0.288-0.699降水量0.1450.8030.132

通过分析，第1主成分在前3个指标上载荷系数较大，依次为0.988、0.978、0.963；总体来看，它在整个主成分矩阵中方差贡献率最大(46.339 %)，其中只有相对湿度载荷系数为负值，与潜在蒸散量表现为负相关。因此该主成分在可视为影响ET0上升的重要因子，计算表明近56年策勒县年平均气温、最高气温、最低气温分别以0.37、0.23、0.64 ℃/10a的速率呈明显上升趋势。第2主成分是次关键的影响因子，占总方差贡献率的18.44 %，该成分除降水量及相对湿度贡献较大，载荷系数相对较高外，其余各值均明显偏低，反映了制约研究区ET0上升的因子为降水量与相对湿度。第3主成分在平均风速上载荷系数较大，对总方差的贡献率为16.447 %，该主成分反应了平均风速在策勒县潜在蒸散量变化中起着重要作用，计算可知研究区年平均风速以-0.12 m/s/10a的呈下降趋势，与潜在蒸散量呈明显正相关，通过对两者变化趋势分析，发现其变化保持同步，且高低值的变动基本一致(图8)，呈显著相关(ɑ=0.01)，相关系数为0.992，表明风速的减小是该区域ET0减少的关键因子。

3 结 论

(1)新疆策勒县近56年来潜在蒸散量的变化呈显著波动下降趋势，递减倾向率为-4.83 mm/年。ET0在1960s-1970s呈上升趋势，1970s-1990s呈显著下降趋势，21世纪以来又表现为缓慢上升。

图8 潜在蒸散量与平均风速趋势图Fig.8 The trend of ET0 and average wind speed in Cele county

(2)研究区四季潜在蒸散量的变化与年同步，都呈减小的变化趋势，春季、夏季、秋季、冬季四季分别占全年潜在蒸散量的37 %、43 %、13 %、7 %，变化倾向率依次为1.60、-1.42、-1.29、-0.52 mm/a，其中对年潜在蒸散量变化影响最大的为春季。

(3)Mann-Kendall突变分析表明研究区潜在蒸散量在1986年发生一次明显的减少突变，1986-2015年平均均潜在蒸散量比1960-1985年下降了185.64 mm。小波分析结果显示，研究区1960-2015年潜在蒸散量的变化存在9、21、29年的震荡周期，其中21、29年周期存在于近56年研究时段，9年的周期主要存在于1962-1985年，且29年为最强主周期。

(4)主成分分析表明，风速的明显减少是影响研究区潜在蒸散发减小的主导因子，除此之外降水的增加也是ET0减少的因素之一。

4 讨 论

董煜[27]和张山清[28]的研究表明，风速是影响新疆潜在蒸散量变化的主要原因，这与本文所得结论一致。近期“蒸发悖论”在很多地域得到了重视与验证[29]，虽然研究区3个温度指标都呈上升趋势，但潜在蒸散量的变化没有随温度的升高而增加，究其原因很大程度上是气温单方面增加的部分被风速等其他因素导致的减小所抵消，因此气温的变化与潜在蒸散量变化不同步。研究发现，策勒县年均气温及降水量均表现为增加，气候变化有暖湿化的趋势，干旱的气候条件有所缓解，这将对当地脆弱生态环境的改善产生正面影响。潜在蒸散量的变化是多种气候要素综合作用的结果，且要素具有复杂性，本文未能对站点位置、大气压、太阳辐射、云量、气温日较差等更多因素进行分析，今后还需近一步探讨其相关关系。本研究揭示了主要气候因子对策勒县潜在蒸散量变化的贡献率，为气候变化背景下该区未来水资源管理与农业发展规划提供一定的参考。