青藏高原东北缘蒸散量时空分布特征

于永波 王云鹏

摘要 基于Penman-Moenteith模型、作物系数法及大型蒸渗仪资料（2012—2013年）计算1973—2013年青藏高原东北缘8个气象站逐日、逐月、多年年平均潜在蒸散量及实际蒸散量，利用时间趋势法、Mann-Kendall法、小波分析等方法对源区高原实际蒸散量时间变化特征进行分析，利用surfer制图软件、Kriging插值对源区实际蒸散量空间变化特征进行分析。结果表明，8站在全球逐渐变暖背景下总体呈现上升趋势，波动范围为9.94～21.93 mm/10年;逐月实际蒸散量具有明显的时间变化特征，近似正弦函数图像，其峰值出现在4—5月，低谷出现在10月，总体呈下降趋势;实际蒸散量具有明显的周期和突变变化特征;多年实际蒸散量空间分布呈现东南部相对高，西北地区较低，并且由前者到后者依次减少的趋势分布特征。

关键词 蒸散量;彭曼公式;作物系数;青藏高原东北缘;时空分析

中图分类号：P426.2 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2019）05-062-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.05.025

Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Evapotranspiration in the Northeastern Margin of the Qinghai-Tibet Plateau

YU Yong-bo   et al（Jiuquan Meteorological Bureau， Jiuquan， Gansu 735000）

Abstract Based on Penman-Moenteith model， crop coefficient method and large-scale transpirator data （2012-2013）， the daily， monthly and multi-year average potential evapotranspiration and actual evapotranspiration of eight meteorological stations in the northeastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau from 1973 to 2013 were calculated. The temporal variation characteristics of actual evapotranspiration in the source plateau was analyzed by time-trend method， Mann-Kendall method and wavelet analysis. The spatial variation characteristics of actual evapotranspiration in the source area was analyzed by using surfer mapping software and Kriging interpolation. The results showed that the actual evapotranspiration of eight meteorological stations showed an upward trend under the background of gradual global warming， and the range of fluctuation was 9.94-21.93 mm per 10 years. The monthly actual evapotranspiration had obvious time-varying characteristics. It was similar to the sinusoidal function image. Its peak value appeared in April-May， and its trough appeared in October. The overall trend was downward. The actual evapotranspiration had obvious periodic and catastrophic characteristics. The spatial distribution of actual evapotranspiration over the years was relatively high in the southeast and low in the northwest， and it decreased in turn from the southeast to the northwest.

Key words   Evapotranspiration;Penman formula;Crop coefficient;Northeast margin of Qinghai-Tibet Plateau;Spatio-temporal analysis

地處于青藏高原东北边缘的甘南高原，因为地理位置特殊是黄河径流的主要汇集区和黄河上游至源头的重要水源涵养和补给区。黄河在甘南高原由南、东、北环绕而过，形成了“U”字形的第一弯，全境流程433 km，补给水量达黄河上游总水量的45%，是黄河的天然蓄水池，在维护黄河流域水资源和生态安全方面具有不可替代的作用。

近年来，由于自然和人为因素影响，青藏高原东北缘地区很多湿地和湖泊干涸，草原的生产性能和生态功能大幅下降，草地退化、沙漠化发展速度明显加快，蒸散发作为水循环与能量平衡间的桥梁，研究其时空变化特征将进一步揭示气候变化与生态环境变化间的内在关系[1]。

目前，很多气候学者在开展农田蒸散的相关研究[2]，张强等运用Penman Monteith模型研究黄土高原地区作物参考蒸散的时空变异特征，辅助使用蒸渗仪以及涡度相关系统[3]等。从这些研究的结果可以发现，使用Penman Mon-teith模型与作物系数（Kc）能够更为准确地获得农田蒸散的相关情况。笔者对青藏高原东北缘地区近40年的实际蒸散量时间及空间变化特征进行分析，以期为青藏高原东北缘地区生态环境变化的研究提供参考依据，更好地保护黄河水源区生态，优化当地农牧业格局。

1 资料与方法

1.1 资料来源

选用青藏高原东北缘8个国家气象站点1973—2013年的逐日、逐月实时气象相关数据。一年划分出4个季度，3—5月为春季，依次类推，每3个月为1个季度。实际蒸散量数据由中国气象局兰州干旱气象研究所建立的玛曲实验基地，采用LG-1大型称重式蒸渗计测定所得，其盛土容器的尺寸为2 m×2 m×2.3 m，由计算机自动控制开关机，对其资料进行整理与计算。

1.2 研究方法

采用彭曼公式，同时也是联合国粮农组织FAO推荐的参考作物潜在蒸散量的计算方法，计算潜在蒸散量。

式中，ET0为参考作物潜在蒸散量（mm）;Rn为净辐射（MJ/m2）;G为土壤热通量（MJ/m2）;λ为干湿表常数（kPa/K）;T为空气温度（℃）;u2为风速（m/s）;es为饱和水汽压（kPa）;ea为实际水汽压（kPa）;es-ea为饱和水汽压差（kPa）;Δ为饱和水汽压曲线斜率（kPa/℃）。

利用时间趋势法、Mann-Kendall法、小波分析等方法对源区实际蒸散量时间变化特征进行分析，利用surfer制图软件、Kriging插值对源区高原实际蒸散量空间变化特征进行分析。

2 结果与分析

2.1 实际蒸散量的周期性特征

Morlat小波系数实部等值线图中，可以表示出青藏高原东北缘地区蒸散量在不同时间尺度下的周期性变化及其在时间域中的分布（图1），振荡周期表示了年实际蒸散量的时间尺度特征，源区41年实际蒸散量在不同时间的周期振荡以及突变特征的信息。信号振荡的程度由等值线的颜色指示，颜色接近蓝色时，表明该年蒸散量较常年少，颜色接近红色时，表明该年蒸散量较常年较多，接近程度与变化程度表现正相关性。另外，从图1还可以发现，实际蒸发量序列在时间尺度上有着嵌套结构现象的存在，即较小的尺度存在于较大尺度之中。其中，能量密度以模值指代，每个时间尺度的周期性变化趋势都可以在模值图中进行表示，当模值增大时，相对应的周期性就变得明显。

青藏高原东北缘地区年实际蒸散量的振荡周期大致有2个：5年和10年。其中，5年尺度的振荡周期为20世纪70年代初期至80年代初期，20世纪80年代中期至90年代中期，21世紀00年代初期至00年代中期，另外2002—2008年表现的较为明显;10年尺度的振荡周期为20世纪70年代初期至70年代末期，20世纪80年代中期至90年代中期，21世纪00年代初期至00年代中期，1970—1981年表现的比较明显。从源区年实际蒸散量最近几年的演变可以发现，未来几年的年实际蒸散量可能维持在偏多的时段。

2.2 实际蒸散量的突变特征

对青藏高原东北缘地区年实际蒸散量分别利用M-K突变分析进行处理，假定显著水平α为0.05，得到年平均实际蒸散量M-K统计量曲线。

由图2中源区年实际蒸散量UF曲线可见，自20世纪70年代开始，年实际蒸散量有上升趋势。由于UF曲线整体在置信区间内，所以这41年来源区年实际蒸散量明显增加。由该地年实际蒸散量UF和UB曲线交叉的地方，可以推断出源区实际蒸散量增加现象属于突变现象，这一突变应该是20世纪80年代开始的。

2.3 实际蒸散量空间变化特征

总的来看，在过去的41年间，该地区实际蒸散量年平均值为790.68～981.53 mm。由于该地区土地面积较大，地形种类较多，各地区间空间差别较大，从全局来看东南部相对更高，西北地区较低，并且由前者到后者呈依次减少的趋势。其中，由于高寒湿润区地理位置相对较高，植被覆盖率更大，降水较多，抑制了蒸发的进行，其值较小;而北亚热带半干燥区海拔在源区属于最低，年平均气温为13℃，气温低峰值出现在1月，平均气温1.5℃，高峰值出现在7月，平均温度23℃，气候较为干燥，日照时间长，促进了蒸散过程的进行，从而值最大。其中在青藏高原东北边缘区占地不到10%的寒温湿润区出现一个低值中心，该地区海拔较低、河谷地形较多，平均气温仅为2.0～4.2℃，且降水量较多，风速较小。该地区的气候与地形条件，非常不利于蒸散的进行。

3 小结

在全球变暖的背景下，通过对青藏高原东北缘地区实际蒸散量进行观测并计算，分析了源区实际蒸散量的逐日、逐月、逐年、年代际变化以及空间变化特征，得出如下结果。

（1）8站在全球逐渐变暖背景下实际蒸散量总体呈现上升趋势，波动范围为9.94～21.93 mm/10年;逐月实际蒸散量具有明显的时间变化特征，近似正弦函数图像，其峰值出现在4—5月，低谷出现在10月，总体呈下降趋势。

（2）实际蒸散量具有明显的周期与突变变化特征，振荡周期一个是5年，另一个周期是10年。其中，未来几年的年实际蒸散量可能维持在偏多的时段。由该地年实际蒸散量UF和UB曲线交叉的地方，可以推断出源区突变应该是从20世纪80年代开始的。

（3）从空间来看实际蒸散量东南部相对更高，西北地区较低，并且由前者到后者呈依次减少的趋势。其中，由于高寒湿润区地理位置相对较高，植被的覆盖率更大，降水较多，抑制了蒸发的进行，其值较小;而北亚热带半干燥区海拔在源区属于最低，气候较为干燥，日照时间长，促进了蒸散过程的进行，从而值最大。其中在寒温湿润区出现一个低值中心，分析其原因是因为该地区海拔较低、河谷地形较多，平均气温低，且降水量较多，风速较小。

参考文献

[1] 张强，王文玉，阳伏林.典型半干旱区干旱胁迫作用对春小麦蒸散及其作物系数的影响特征[J].科学通报，2015，60（15）：1384-1394，1.

[2] 阳伏林，张强，王润元.黄土高原半干旱区农田生态系统蒸散与作物系数特征[J].应用生态学报，2013，24（5）：1209-1214.

[3] 张强，王胜，曾剑.论干旱区非降水性陆面液态水分分量及其与土壤水分关系[J].干旱区研究，2010， 27（3）：392-400.

责任编辑：郑丹丹

基金项目 酒泉市戈壁农业主要气象灾害风险综合评价研究资助。

作者简介 于永波（1987-），男，甘肃酒泉人，助理工程师，硕士，主要从事农业气象灾害的成因及评估研究。

收稿日期 2019-07-19