1960-2019年河南省参考作物蒸散量时空演变与成因分析

张志高，郑美洁，蔡茂堂，尹纪媛，李欢欢，王怡文

（1.安阳师范学院资源环境与旅游学院，河南安阳455000；2.沈阳大学环境学院区域污染环境生态修复教育部重点实验室，沈阳110044；3.中国地质科学院地质力学研究所，北京100081）

0 引 言

20世纪以来，全球气候显著变暖，联合国气候变化专门委员会（IPCC）在仁川发布的《全球变暖1.5 ℃的特别报告》指出自1860年代以来，人为造成的全球变暖已经达到0.87 ℃，变暖速度如果保持不变，预计2030-2052年将达到1.5 ℃[1，2]。全球变暖将会导致大气组成成分和大气环流发生变化，改变水资源的时空分布，进而深刻影响全球水循环[3]。蒸散发（Evapotranspiration，ET）是水循环最重要的基本组成部分，也是连接水分运移和能量转换的重要纽带[4]。参考作物蒸散量（即潜在蒸散量，Evapotranspiration，ET0）指水分供应不受限制时某一固定下垫面可能达到的最大蒸散量，为实际蒸散量的理论上限[5]。参考作物蒸散量是表征大气蒸散能力的重要指标，同时也是作物需水量计算和水资源供需平衡的重要参数之一，在地球的大气圈—水圈—生物圈中发挥着重要作用[6，7]。在全球气候变暖背景下，国内外学者对ET0变化及影响因素研究日益深入。研究结果表明，近几十年来，全球大多数地区参考作物蒸散量普遍呈递减趋势，包括中国[8]、美国[9]、印度[10]和澳大利亚[11]等地，中国不同地区和流域参考作物蒸散量亦呈减小趋势[12-16]。蒸散互补、太阳辐射减少和风速减小被认为是引起ET0减小的主要原因[8,17]，然而由于ET0的变化是风速、气温、湿度和太阳辐射等多种气象要素共同作用的结果，因此不同地区的ET0变化及其成因具有明显的区域差异[18-20]。

河南省位于黄河中下游，是传统农业大省和国家粮食生产核心区，被誉为“中原粮仓”，在我国农业生产中占有举足轻重的地位，2019年，河南省粮食总产量达到669.54 亿kg，为中国粮食供应和粮食安全做出了巨大贡献。然而由于河南省地处南北气候过渡带和山区到平原的过渡带，对气候变化的适应能力较弱，加之农业基础条件薄弱，受气候变化、水资源短缺以及气象灾害影响较为严重[21，22]。在气候变暖的背景下，河南省各气象要素均发生了不同程度的变化[23，24]，这必将导致河南省ET0产生变化。因此，本文基于河南省1960-2019年气象观测数据，利用Penman-Monteith 模型、Mann-Kendall检验、敏感性分析等方法分析近60年来河南省ET0时空变化特征，定量研究各气象要素对ET0变化的贡献，以期为深入理解气候变化对河南省水分循环的影响、区域农业资源开发和利用以及水资源优化配置提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

河南省17 个地面气象站（如图1所示）1960年1月至2020年2月的逐日日照时数、平均风速、相对湿度、逐日平均气温、最高和最低气温等气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网（http：//cdc.cma.gov）中国地面气候资料日值数据集。根据中国气象季节划分方法：3-5月为春季、6-8月为夏季、9-11月为秋季、12-2月为冬季。

1.2 ET0计算方法

利用联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith 公式对河南省ET0进行计算，计算公式如下：

式中：ET0代表参考作物蒸散量，mm/d；Rn代表作物表面的净辐射量，MJ/(m2·d)；G表示土壤热通量，MJ/(m2·d)；u2表示2 m 高处的日平均风速，m/s；es表示饱和水汽压，kPa；ea表示实际水汽压（kPa）；Δ表示饱和水汽压与温度关系曲线的斜率，kPa/℃；γ表示干湿表常数，kPa/℃。

1.3 敏感系数和贡献率

ET0和各气象因子之间关系极为密切，为定量描述各气象因子对ET0变化的影响，本文利用敏感系数计算河南省ET0对各气象因子变化的敏感程度，具体计算为[8]：

式中：Sx为ET0对某气象因子x的敏感系数，ΔET0和Δx分别为ET0和气象因子的变化值，Sx为正（负）表示ET0变化趋势与该气象因子变化趋势方向相同（相反），敏感系数的绝对值越大，则气象因子对ET0影响越大[25]。

ET0变化对某一气象因子的敏感系数与气象因子相对变化相乘表示该气象因子变化对ET0变化的贡献率，用来衡量近60年来该因子变化对ET0变化的影响程度。贡献率计算为[8]：

式中：Cx为气象因子对ET0变化的贡献率；Rcx为气象因子的多年变化率；Trendx为气象因子x的年气候倾斜率，由趋势分析法算出；P为气象因子的多年平均值；n为分析的年数，文中为60；由于Sx为无量纲，Rcx以百分比为单位，因此贡献率的单位为百分比。Cx为正（负）表示气象因子变化引起ET0增加（减少）。

此外，采用回归分析法分析河南省ET0和各气象因子的长期变化趋势，采用非参数统计检验方法Mann-Kendall 检验法[26]对ET0序列进行突变检验，运用Morlet 小波分析方法对河南省ET0序列进行周期分析，基于ArcGIS平台，运用克里金插值对河南省ET0等相关指标进行空间插值。

2 河南省ET0时空变化特征

2.1 河南省ET0的年际变化特征

根据Penman-Monteith 公式计算河南省17 个气象站近60年ET0，各站点取平均值可得河南省年ET0变化如图2所示。由图2可知，1960-2019年河南省ET0多年平均值为1 050.11 mm/a，最大为1966年的1 219.66 mm/a，最小为1989年的920.22 mm/a，总体呈现下降趋势，变化率为-14.81 mm/10a，这与中国[8]及华北地区[27]ET0减小趋势一致。

2.2 河南省ET0的突变分析

采用Mann-Kendall 检验法对河南省1960-2019年年平均ET0进行突变检验，结果如图3所示。河南省ET0正序列UF曲线整体呈下降趋势，1969年后，正序列UF＜0，并于1975年越过了α=0.05 的信度线，下降趋势更为明显。ET0正序列UF和反序列UB曲线相交于1971年，且交点处于±1.96临界线之间，表明1971年河南省ET0发生突变，突变后1971-2019年河南省ET0平均为1 056.23 mm，较突变前减少80.73 mm。

2.3 河南省ET0的周期特征

1960-2019年河南省ET0小波分析结果如图4所示。由小波变换系数实部等值线[图4（a）]可以看出，河南省ET0存在28 a、13 a 和5 a 左右的周期变化，且小尺度周期变化嵌套在较大尺度变化中，其中28 a左右的周期变化具有全域性，13 a左右的周期主要存在于1960-1975年，8 a 左右的周期主要存在于1967年之前。从ET0的小波方差[图4（b）]可以看出，汛期降水在28 a 左右小波方差极值表现最为显著，为第一主周期，说明河南省ET0在28年左右会经历一个由多到少的变化过程。

2.4 河南省四季ET0的时间变化特征

1960-2019年河南省四季ET0变化如图5所示，近60年来河南省春季ET0均值为312.82 mm，最低为1991年的248.49 mm，最高为2017年的402.88 mm，相差154.39 mm；夏季ET0在346.57～512.84 mm 之间，其中2003年最低，1966年最高，多年平均为413.15 mm；秋季ET0在165.05～264.70 mm 之间，其中2011年最低，1966年最高，多年平均为211.85 mm；冬季ET0均值为112.29 mm，最低为1989年的76.57 mm，最高为1962年的152.02 mm。春季、夏季、秋季和冬季ET0分别占全年的29.79%、39.34%、20.17%和10.69%。从ET0变化趋势来看，河南省各季ET0的变化不尽相同，春季ET0呈小幅上升趋势，倾向率为2.01 mm/10a，夏季、秋季和冬季ET0均呈下降趋势，倾向率分别为-11.85 mm/10a、-3.32 mm/10a 和-1.66 mm/10a。

2.5 河南省ET0的空间变化特征

河南省多年平均ET0及倾向率空间分布特征如图6所示。由图6（a）可知，河南省多年平均ET0区域差异明显，变化范围介于979.12～1 145.49 mm/a 之间，其中西北部三门峡和孟津高达1 139.14 mm/a 以上，南部桐柏最低仅为979.12 mm/a。总体上看，河南省多年平均ET0呈东南向西北递增的趋势，东南部潜在蒸散量较低，一般在979.12～1 038.21 mm/a，西北部较高在1 053.83～1 145.49 mm/a之间。从河南省多年平均ET0倾向率分布来看[图6（b）]，河南省大多数站点呈现出下降趋势，新乡和西峡两站呈小幅上升趋势，倾向率分别为0.61 mm/10a、3.95 mm/10a，其余站点均呈下降趋势，其中永城下降趋势最明显，倾向率为-32.63 mm/10a。

2.6 四季ET0空间变化特征

对河南省各季节ET0多年平均数据进行空间插值，结果如图7所示。春季ET0在287.04～348.57 mm之间，西北部三门峡、孟津和安阳形成高值中心，东南部桐柏、固始和信阳形成低值中心。夏季ET0在393.70～454.06 mm 之间，西北部三门峡和孟津形成高值中心，东南部桐柏和驻马店明显低于其他地区。秋季ET0在196.67～228.59 mm 之间，空间分布较其他季节明显不同，形成多个高值中心，开封、永城、固始、孟津和宝丰5站均超过217.17 mm，桐柏最低。冬季ET0在101.06～135.21 mm 之间，西北部为高值区，主要包括三门峡、孟津和宝丰3站，桐柏、商丘和安阳3站明显低于其他地区。整体上看，河南省四季ET0空间分布差异较大，其中春夏两季ET0空间分布情况与全省多年平均ET0的空间分布情况较为接近，说明春夏两季平均ET0对年均ET0的空间分布起决定性作用，而秋冬两季则差异较大。

3 河南省ET0影响因素分析

3.1 ET0对气象因子的敏感性分析

根据前述ET0敏感性计算方法，河南省主要气象因子（日照时数、平均风速、相对湿度、最高气温和最低气温）对ET0变化的敏感系数空间分布如图8所示。整体上看，各气象因子对ET0变化的敏感系数大小与空间分布都存在较大的差异，日照时数、平均风速、最高气温和最低气温对ET0变化表现为正敏感，相对湿度表现为负敏感。日照时数的敏感系数在0.394～0.523之间，平均为0.444，西部三门峡最高，开封最低。平均风速对ET0变化的敏感系数平均为0.172，其空间分布特征为“中部高，北部次之、南部少”，其中郑州、开封和孟津一线相对较高，敏感系数分别为0.215、0.214 和0.204，南部桐柏最低仅为0.113。最高气温的敏感系数在0.257～0.376 之间，大致呈中部相对较高，向四周递减的分布特征，其中开封、郑州为高值区，敏感系数达0.376 及0.367，南部固始、桐柏和西部三门峡较小，其敏感系数分别为0.257、0.261和0.267。最低气温对ET0变化的敏感系数在0.074～0.106 之间，平均为0.090，西南部三门峡、桐柏等地敏感系数较低，分别为0.074和0.075，东部开封、永城以及南部固始敏感系数较大，分别为0.106、0.096 和0.104。相对湿度的敏感系数平均为-0.645，由东南向西北递增，东南部固始、永城相对较低，敏感系数分别为-0.913和-0.800，西北部三门峡和孟津为高值中心，敏感系数分别为-0.322和-0.506。

综合来看，河南省ET0对各气象因子的敏感性排序为相对湿度（-0.645）＞日照时数（0.444）＞最高气温（0.323）＞平均风速（0.172）＞最低气温（0.090）。西南部地区日照时数敏感系数较高，最低气温敏感系数较低，是日照时数对ET0变化的高影响地区，最低气温对ET0变化的低影响地区。中部地区是平均风速、最高气温和最低气温对ET0变化的高影响地区。东南部地区最低气温敏感系数较高，相对湿度敏感程度较高，是最低气温和相对湿度对ET0变化的高影响地区。

3.2 各气象因子对ET0变化的贡献分析

贡献率分析有助于揭示河南省潜在蒸散量变化的主导因子[8]，各站点气象因子对ET0的贡献如表1所示。由表1可知，日照时数对ET0变化的贡献率绝对值最大，平均为-12.841%，为河南省ET0变化的主导因子，其次为平均风速，平均贡献率为-7.426%，这与前人研究结果一致[8,20]。整体上看，河南省所有17 个站点日照时数的减少和16 个站点平均风速的减小对ET0为负贡献，而15个站点相对湿度的减少和所有站点最高温度和最低温度的升高则引起河南省ET0的增加，但ET0的增加远低于日照时数和平均风速对ET0的负贡献，因此过去60年河南省ET0呈减少趋势。分站点来看，河南省15 个站点ET0呈减少趋势，其中日照时数为主导因子的站点有13 个，开封和永城ET0减少的主要原因是平均风速的减小。新乡和西峡2 站ET0呈增加趋势，主导因子分别为日照时数和相对湿度。

表1 各站点气象因子对ET0的贡献率%Tab.1 Contribution rate of climate factors to ET0 of meteorological stations in Henan

4 讨论与结论

4.1 讨 论

近60年来河南省ET0以-14.81 mm/10a 的倾向率呈波动下降趋势，这与中国[8]、华北地区[27]及山东等地[20]ET0减小趋势相一致。敏感性分析表明，河南省ET0变化对相对湿度表现为负敏感，对日照时数、平均风速、最高气温和最低气温表现为正敏感，这与山东、河北等地研究结果相一致[20，25]，但各地区ET0变化对各气象因子的敏感程度有所差异，可能跟不同地区不同的气候背景条件有关。

主导气象因子空间变化与敏感系数空间格局并不对应，安阳等14 个站点ET0的变化主导因素为日照时数，开封和永城两地主导因素为平均风速，西峡主导因素为相对湿度。研究结果有助于揭示河南省不同地区ET0变化成因及各气象因子影响程度，可为河南省各地增强农业生产应对气候变化适应能力以及充分开发利用水资源提供参考依据。

ET0变化不仅受各气象要素变化的影响，还受下垫面性质及经济社会发展等人为因素的影响，这些因素对河南省ET0变化的影响有待进一步研究。

4.2 结 论

（1）1960-2019年河南省多年平均ET0为1 050.11 mm/a，以-14.81 mm/10a 的倾向率呈下降趋势，15 个气象站点ET0呈下降趋势，仅有新乡和西峡两站呈小幅上升趋势，空间上，河南省ET0呈东南向西北递增的趋势。

（2）近60年来河南省四季ET0均值分别为312.82 mm、413.15 mm、211.85 mm 和112.29 mm，分别占全年的29.79%、39.34%、20.17%和10.69%。春季ET0呈小幅上升趋势，倾向率为2.01 mm/10a，夏季、秋季和冬季ET0均呈下降趋势，倾向率分别为-11.85 mm/10a、-3.32 mm/10a和-1.66 mm/10a。四季ET0空间分布差异较大，其中春夏两季ET0空间分布情况与全省多年平均ET0的空间分布情况较为接近，对全省年均ET0的空间分布起决定性作用。

（3）Mann-Kendall 检验表明河南省ET0于1971年发生突变，1971年后ET0较突变前减少80.73mm，小波分析结果表明，河南省ET0存在28 a、13 a 和5 a 左右的周期变化，其中28 a左右的周期变化具有全域性，为第一主周期。

（4）ET0变化对日照时数、平均风速、最高气温和最低气温变化表现为正敏感，相对湿度表现为负敏感，敏感程度依次为相对湿度（-0.645）＞日照时数（0.444）＞最高气温（0.323）＞平均风速（0.172）＞最低气温（0.090）。

（5）日照时数、平均风速、相对湿度、最高气温和最低气温与对ET0的贡献率分别为-12.841%、-7.426%、3.045%、1.321%和1.800%，日照时数和平均风速的减少对河南省ET0为负贡献，为过去60年河南省ET0呈减少趋势的主导因子，其他要素变化引起ET0的增加远低于日照时数和平均风速对ET0的负贡献。