1982—2019年河北省宽城县潜在蒸散量变化特征

唐丽彬 刘胜尧 韩翔洋 董泽亮 朱自平

摘    要：以河北省宽城县1982—2019年日气象数据为基础，利用Penman-Monteinl方程对该区域近38年来潜在蒸散量的变化规律进行计算并分析。结果表明，宽城县潜在蒸散量的年变化和各季变化均呈增加趋势，除夏季外，年和其他各季的潜在蒸散量增加趋势明显;潜在蒸散量的年、季变化均发生了时间序列变化上的突变，除夏季外，年际和其他季节的突变显著;潜在蒸散量的年变化存在8～12 a的周期性变化规律，夏季潜在蒸散量的变化存在8～10 a的周期性变化规律，其他季节潜在蒸散量的周期性变化不明显。河北省宽城县潜在蒸散量的增加将进一步增加作物对灌溉量的需求，这需要引起河北省宽城县农业管理人员对合理灌溉的进一步重视。

关键词：潜在蒸散量;趋势变化;Mann-Kendall突变检验;Morlet小波分析

中图分类号：S161       文献标识码：A      DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.02.017

Variation Characteristics of Potential Evapotranspiration in Kuancheng County， Hebei Province from 1982 to 2019

TANG Libin1， LIU Shengyao2， HAN Xiangyang3， DONG Zeliang3， ZHU Ziping4

（1.Kuancheng Manchu Autonomous County Meteorological Bureau， Chengde， Hebei 067600， China;2. Agricultural Information and Economic Research Institute， Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Shijiazhuang， Hebei 050051， China;3.Xinji Meteorological Bureau， Xinji， Hebei 052360， China;4. Langfang Academy of Agricultural and Forestry Sciences， Langfang， Hebei 065000， China）

Abstract： According to the daily meteorological data from 1982 to 2019 in Kuancheng County， Hebei Province， the variation of potential evapotranspiration in the region in recent 38 years were calculated and analyzed through Penman-Monteinl equation. The results showed that the annual and seasonal variations of potential evapotranspiration in Kuancheng County had an increasing trend， the variations were obvious except summer. The annual and seasonal variations of potential evapotranspiration had abrupt changes in time series， and the abrupt changes were significant except for summer. The annual variation of potential evapotranspiration showed a periodic variation pattern of 8-12 years， and that of potential evapotranspiration in summer showed a periodic variation pattern of 8-10 years， while the periodic variation pattern of potential evapotranspiration in other seasons was not obvious. The increase of potential evapotranspiration in Kuancheng County of Hebei Province will further increase the demand of crop irrigation amount， which requires the agricultural management personnel to pay more attention to rational irrigation.

Key words： potential evapotranspiration;trend change;Mann-Kendalltest;Morlet wavelet analysis

潛在蒸散量是指在供水条件充足下的区域蒸散能力[1]。目前，该项指标已被广泛应用于农田灌溉、作物需水量等水资源管理的研究[2-3]中，对农业生产的管理具有重要的指导意义。在潜在蒸散量模型的研究中，毛飞等[4]利用3种潜在蒸散模型在泰安和西峰两地做了对比分析，认为世界粮农组织（FAO）推荐的彭曼-蒙蒂斯（Penman- Monteith）模型具有很好的适用性。高歌等[5]采用世界粮农组织推荐的彭曼-蒙蒂斯公式，对中国十大流域近45年的潜在蒸散量变化趋势进行了分析，认为近45年中除松花江流域外，全国绝大多数流域的年和四季的潜在蒸散量均呈现减少趋势。李鹏飞等[6]利用京津冀地区22个气象站1960—2010年逐日的气象要素观测资料，采用彭曼-蒙蒂斯公式计算该地区近50年逐日的潜在蒸散量，认为京津冀地区潜在蒸散量的减少，缓解了一部分干旱化的趋势。

河北省宽城满族自治县（以下简称宽城县）位于河北省东北部，承德市东南部，地理位置在北纬40°17′至40°45′和东经118°10′至119°10′之间，属于暖温带半干旱半湿润大陆性季风型燕山山地气候。该地四季分明、雨热同季，独特的地质地貌和气候特征促生了高品质苹果和高品质板栗，是优质苹果和板栗生产地。针对该县农业生产对灌溉的需求，同时结合当前不同作物需水量的研究进展，本文以潜在蒸散量作为研究对象，分析讨论了1982—2019年宽城县潜在蒸散量的变化规律，以期为该地农业灌溉提供定量的理论指导。

1 材料和方法

1.1 资料来源

本文采用宽城县气象局气象观测站（东经：118°29′，北纬：40°36′，海拔高度：304.7 m）1982—2019年的日气温（含最高、最低）、降水、日照、风速、相对湿度等气象观测数据进行模型的统计计算，按照3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至次年2月为冬季的划分方式进行季节的划分。

1.2 研究方法

1.2.1 模型公式的选取 采用世界粮农组织推荐的作物需水量计算指南（FAO-56）中建议的彭曼-蒙蒂斯（Penman-Monteinl）潜在蒸散量公式[8]作为模型计算公式：

ETo=■（1）

式中，ETo是潜在蒸散量;Rn是冠层净辐射;G是土壤热通量，其数值在本文忽略不计[9];T是日平均气温;es是饱和水汽压;ea是实际水汽压;△是饱和水汽压-气温关系曲线在T处的切线斜率;γ是湿度计常数;U2是2 m高处的日平均风速。所有的参数依据作物需水量计算指南（FAO-56）[8]中关于潜在蒸散量各参数的介绍公式进行数据程序编写，程序計算软件采用Microsoft Excel2003的宏编程。

1.2.2 分析方法 利用趋势方程进行趋势变化分析，方程式：

Y=ax+b（2）

式中，y为样本数为x的变量;a为趋势系数;b为趋势常数。趋势倾向由趋势系数a的正负反映，a的数值为正，表明变量y呈上升趋势，a为负，表明变量y呈下降趋势。a值的大小反映了变量y变化趋势的速率[10-11]。

利用Mann-Kendall突变检验（以下简称M-K突变检验）进行时间序列的突变分析。M-K法是一种非参数统计检验方法，是将具有n个样本量的时间序列构造一个秩序列，通过正算和反算的形式得到UB和UF两个时间序列，UB或者UF的正负表示了上升或下降趋势，如它们超过了由显著性检验确定的临界值（本文设定0.05的显著性检验，值为

±1.96），表明趋势明显，如果两者在临界值范围内存在交点，则其对应的时间即为突变开始的时间[10-11]。

用Morlet小波进行季节、年际的周期变化分析。小波分析的思想和公式源于傅立叶分析，是对傅立叶分析方法的突破性发展[10-11]，通过对计算图像的正负闭合曲线的分析，确定周期变化特征。

利用Microsoft Excel 2003进行趋势变化分析，利用SPSS软件进行数据的相关性分析，利用Fortran软件进行M-K突变检验分析和Morlet小波分析。

2 结果与分析

2.1 潜在蒸散量的趋势变化

1982—2019年宽城县潜在蒸散量多年平均值为860.6 mm，最高出现2017年，值为1 033.8 mm，最低出现在2006年，值为755.9 mm，该县多年年潜在蒸散量随时间序列的变化呈增加趋势，趋势变化量为3.238 7 mm·a-1，近38年来趋势增加量增加了123.1 mm，趋势变化通过了0.01的显著性检验（图1-A），趋势增加明显。

在潜在蒸散量的季节变化中，1982—2019年宽城县春季潜在蒸散量的多年平均值为286.6 mm，最高出现2017年，值为374.2 mm，最低出现在2007年，值为250.2 mm，多年春季潜在蒸散量随时间序列的变化呈增加趋势，趋势变化量为1.351 1 mm·a-1，近38年来趋势增加量增加了51.3 mm，趋势变化通过了0.01的显著性检验（图1-B），增加趋势明显;夏季潜在蒸散量的多年平均值为360.4 mm，最高出现2016年，值为394.5 mm，最低出现在2006年，值为320.9 mm，多年夏季潜在蒸散量随时间序列的变化呈增加趋势，趋势变化量为0.331 5 mm·a-1，近38年来趋势增加量增加了12.6 mm，趋势变化没有通过0.05的显著性检验（图1-C），增加趋势不明显;秋季潜在蒸散量的多年平均值为154.3 mm，最高出现2019年，值为207.5 mm，最低出现在2003年，值为137.7 mm，多年秋季潜在蒸散量随时间序列的变化呈增加趋势，趋势变化量为0.774 2 mm·a-1，近38年来趋势增加量增加了29.4 mm，趋势变化通过了0.01的显著性检验（图1-D），增加趋势明显;冬季潜在蒸散量的多年平均值为59.1 mm，最高出现2019年，值为91.4 mm，最低出现在1985年，值为40.4 mm，多年冬季潜在蒸散量随时间序列的变化呈增加趋势，趋势变化量为0.768 4 mm·a-1，近38年来趋势增加量增加了29.2 mm，趋势变化通过了0.01的显著性检验（图1-E），增加趋势明显。

2.2 潜在蒸散量的突变分析

对潜在蒸散量的时间序列进行M-K突变检验分析（图2）。宽城县年潜在蒸散量随时间的变化出现了一次突变，突变时间发生在2015年，2018年UF线突破0.05水平的检验线，变化趋势显著（图2-A）;春季潜在蒸散量随时间变化出现了一次突变，突变时间发生在2015年，2018年UF线突破0.05水平的检验线，变化趋势显著（图2-B）;夏季潜在蒸散量随时间变化出现了3次了突变，突变时间发生在2015年、2018年和2019年，但UF线未突破0.05水平的检验线，变化趋势不显著（图2-C）;秋季潜在蒸散量的随时间变化发生了突变，突变时间发生在2016年，2016年UF线突破0.05水平的检验线，变化趋势显著（图2-D）;冬季潜在蒸散量随时间的变化发生了突变，突变时间发生在2014年，2013年UF线突破0.05水平的检验线，变化趋势显著（图2-E）。2.3 潜在蒸散量的周期变化分析

通过对宽城县1982—2019年潜在蒸散量变化Morlet小波分析可知，宽城县潜在蒸散量的年变化存在8～12 a的周期性变化规律（图3-A）;春季潜在蒸散量的周期性变化不明显（图3-B）;夏季潜在蒸散量的3 结论与讨论

本研究利用宽城县1982—2019年的日气象数据计算并分析了该县近38年来潜在蒸散量的变化规律，通过分析得出结论：宽城县潜在蒸散量的年变化、各季变化均呈增加趋势，除夏季外，年潜在蒸散量和其他季节潜在蒸散量的增加趋势明显; 宽城县潜在蒸散量的年变化趋势和各季变化趋势均发生了突变，除夏季外，年和其他各季变化趋势显著; 宽城县潜在蒸散量的年变化存在8～12 a的周期性规律;夏季存在8～10 a的周期性规律;春季、秋季、冬季的周期性规律不明显。

通过计算发现，宽城县的潜在蒸散量整体呈增长的趋势，这与赵玲玲等[12]的认为“北京1951—2009年年均潜在蒸散量呈显著上升趋势”的结论相近。潜在蒸散量的增加会在一定程度上增加地表的干燥程度，从而加重作物对灌溉量的需求，此外，宽城县潜在蒸散量主要的增幅出现在2018年以后，这需要引起宽城县农业管理人员对合理灌溉的进一步重视。

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