气候变化条件下参考作物腾发量演变特性及影响因素分析

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

参考作物腾发量(ET0)是评价气候干湿程度、植物耗水量、生产潜力以及水资源供需平衡的重要指标之一[1]。近年来，随着全球气温的升高，气象参数降雨、云量和蒸发量也具有很强的全球性和区域性的变化趋势[2]。在气候变暖背景下，农业气象灾害、水资源短缺、农业病虫害都呈加剧趋势，造成粮食生产能力降低、减产幅度增加[3]。同时，气候变化增加了土壤水分、有机质和氮的流失，加速了土壤退化、侵蚀，削弱了农业生态系统抵御自然灾害的能力[4]。准确地估算ET0，不仅是制定区域植被生态需水定额和水资源优化配置决策的重要依据，也是监测农业旱情、提高区域水资源利用效率的关键环节。近年来，ET0长期变化趋势研究受到越来越多的关注，研究表明，过去数十年中国的参考作物腾发量总体呈下降趋势，但各地的变化及其成因具有区域性差异，如甘肃石羊河流域[5]、宁夏引黄灌区[6]及北京地区[7]的ET0呈现上升趋势，而长江流域呈现显著下降趋势[8]。干旱地区、半干旱地区和半湿润地区的ET0呈现减少趋势，湿润地区则相对稳定[1]。临汾是山西省主要的粮食产区，也是全国最严重的缺水区之一，其气候四季分明，雨热同期，灾害性天气频繁，灾种多且分布广，成灾比率高，是气象灾害频发区之一，对当地的农业生产造成了较大的影响。因此，研究临汾地区基于长序列气象资料的ET0变化趋势及其影响因素，对于克服气候变化带来的负面影响，提升农业生产效率、确保粮食安全具有重要意义，同时可为评价该地区气候干湿状况及农业旱情提供科学依据。

1 研究资料与方法

临汾市位于山西南部，该地所属气候为温带大陆性半干旱气候类型，多年平均气温12.81℃，降雨量486.7mm，蒸发量1568mm。本文采用Penman-Monteith模型计算了临汾站1955—2014年共60年的逐日ET0值，利用Mann-Kendall法进行趋势检验及突变检验，采用相关系数、多元线性回归和偏相关分析方法确定影响参考作物腾发量的气候因素，对临汾参考作物腾发量的年内分配、年际变化特征、变化趋势进行分析，并对其影响因素进行了评判。临汾气象站的基本情况见表1。

表1 临汾气象站基本情况

2 结果分析

2.1 参考作物腾发量变化规律

临汾地区1955—2014年多年平均ET0为865.7 mm/a，最大值为1033.0mm/a(1957年)，最小值为746.1mm/a(1996年)。ET0年际变化在波峰—波谷起伏状态中逐渐下降，见图1，平均每10年减少23.24mm，经Mann-Kendall趋势检验，临汾站ET0值呈显著减少趋势，通过了0.01的显著性检验。通过分析不同年代的ET0变化趋势发现，临汾站20世纪50年代ET0呈上升趋势，为91.8mm/10a，但从60年代开始呈现逐年下降趋势，其中80年代下降最明显，为-59.0mm/10a，但未达到显著水平，进入21世纪后ET0值虽有所减小，但减少趋势已趋于平缓。

图1 参考作物腾发量变化趋势

研究区四季分明，ET0月际变化比较大，最大值一般发生在6月，最低值出现在12月和1月，春季ET0上升速度较快，到秋季ET0迅速衰减，见图2。连续最大4个月ET0值出现在5—8月，约占全年比例的55.77%。通过分析历年ET0四季变化趋势，发现四季均呈减少趋势，其中夏季减少比例小，为-10.9mm/10a，秋季减少最为显著，为-50.4mm/10a，除春季下降趋势未通过显著性检验外，其他季节均通过了显著性检验，减少非常显著，见表2。

表2 参考作物腾发量气候倾向率

注*、**分别表示通过了0.05和0.01的显著性检验(下表同)。

图2 研究区多年平均ET0年内分布

图3 临汾参考作物腾发量突变检验曲线图

从图3的年参考作物腾发量Mann-Kendall突变检验可以看出，年腾发量在1957—1964年为增加趋势，但趋势不显著，之后趋势开始逆转，从1965年开始到21世纪初参考作物腾发量均表现为减少的趋势，在1974年通过了0.01显著性检验(U0.01=2.58)，表明临汾市参考作物腾发量下降趋势十分显著。图3中UF(k)和UB(k)曲线1971年在临界线之间有一个交点，并且在1974年后超出了临界线，因此临汾地区参考作物腾发量在1974年后显著下降，在1971年发生了突变。

2.2 气象要素变化趋势

通过Mann-Kendall法趋势检验，临汾站1956—2014年间，ET0、平均风速、平均相对湿度、日照时数均呈下降趋势，见表3，平均每10年分别减少23.24mm、0.13m/s、0.61%和106.41h(见表4)，均通过了显著性检验，下降趋势非常显著；平均气温和平均水汽压呈上升趋势，其中平均气温上升趋势达到了显著水平，而平均水汽压上升水平未达到显著水平。临汾站年平均气温12.81℃，自1955年以来，临汾气温总体呈上升趋势，通过了α=0.01的显著性检验，其增加速率为0.37℃/10a，略高于全省增温速率0.35℃/10a[9]，进入90年代中期以来，气温迅速上升，尤其是1996年以后持续升高，且气温变幅增大，2013年年平均气温14.63℃，达到有数据记录以来的历史最高值。

表3 气候因素趋势检验

注↗表示上升， ↘表示下降。

表4 气候倾向率

2.3 参考作物腾发量影响因子分析

通过相关分析，参考作物腾发量与平均风速和日照时数呈正相关，与平均气温、平均水汽压和平均相对湿度呈负相关,见表5。然而，由于影响参考作物腾发量的因子很多，各因子之间相互影响、关系复杂，单纯用相关系数并不能真实地反映这些气象要素与参考作物腾发量之间的实际情况，例如：温度和日照、水汽压和相对湿度之间可能存在共线性的问题，这时相关系数的好坏并不能表示实际情况[10]。为解决共线性问题，本文采用多元线性回归分析和偏相关分析，在剔除其他相关因素影响的条件下计算ET0与某一个影响因素间的相关性，见表6。计算结果表明：参考作物腾发量与平均风速、日照时数、平均气温和平均相对湿度呈正相关，与平均水汽压呈负相关，且上述两种计算方法的计算结果具有很好的一致性。因此，影响参考作物腾发量的气象要素从强到弱的排列顺序为：平均风速、日照时数、平均水汽压、平均气温和平均相对湿度，其中ET0与风速、日照、温度呈显著正相关，与水汽压呈显著负相关，与相对湿度呈正相关，但未达到显著水平。

临汾站1964年、1983年、1984年、1996年和2003年ET0显著减小，且各年ET0减少的成因基本相同，即年平均风速均较低、日照时数少、降水量大、平均湿度高，在多重因素影响下最终导致了ET0的显著下降。

表5 ET0与各因素的相关系数

表6 偏回归分析与偏相关分析结果

3 结 论

参考作物腾发量与气象要素、自然地理因素有密切联系，其机理十分复杂。本文以临汾为研究区域，采用1955—2014年气象观测资料，利用多种方法对参考作物腾发量及其影响因素进行了研究，并得出如下结论：临汾地区1955—2014年多年平均ET0总体呈现逐年下降的趋势，年ET0在1957—1964年为明显上升趋势，但趋势不显著，在1965—2014年转为明显的下降趋势，并在1971年左右发生突变。在年代际时间尺度上，临汾地区全年ET0在80年代是减少最明显的阶段，秋季的ET0降低对区域ET0的下降起到了较大的贡献。区域风速和日照时数与ET0具有较高的完全相关系数，风速的降低和日照时数的减少是全区范围ET0减少的主要原因。