环塔里木盆地参考作物腾发量演变与周期分析

张 慧 宋 蕾 马铁成

(新疆维吾尔自治区灌溉排水发展中心，新疆 乌鲁木齐 830000)

参考作物腾发量(ET0)是研究作物需水量的重要参数，在内陆干旱、半干旱灌溉型农业区，水资源供给量将直接决定当地农牧业发展规模和水平。因此，在有限的水量条件下合理确定作物需水量显得尤为重要。

国内外学者选用不同方法对区域ET0变化展开研究，郝振纯等[1]以淮河中上游为例，采用M-K检验法对多年区域ET0变化进行分析，研究得出大部分观测点年ET0出现显著下降趋势，以淮河中上游流域西北部夏季尤为突出，其他季节下降趋势略缓的结论；陈石磊等[2]采用GIS分析了黑河流域1960—2012年气象和ET0的变化，研究得出黑河流域参考作物腾发量与风速、相对湿度、净辐射等呈减少趋势，气温为增加趋势；倪广恒等[3]和Thomas et al.[4]通过对全国百余气象站资料的分析计算，发现南方地区参考作物腾发量较大，东北、四川盆地较小，夏季分布决定了全年分布规律，并表现出干旱、半干旱、半湿润区域逐年减少而湿润区较稳定趋势；周和平等[5]等用PM方法计算出新疆1952—2008年ET0，研究得出ET0峰值在6月，历史呈现3个波动周期，并随海拔、纬度增减呈交互多样性变化趋势，风速是影响其变化的主要因素。

由于在极端干旱地区参考作物腾发量对当地农业指导意义重大，相关领域文献较少。因此，本文以环塔里木盆地ET0为研究对象，分析其周期性规律及变化趋势，以期为当地农业灌溉用水提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

我国最大的内陆盆地塔里木盆地位于西北地区天山和昆仑山间，属暖温带干旱气候，海拔800～1300m，面积约40万km2，中部为塔克拉玛干沙漠，主要有叶尔羌、克孜勒、和田、阿克苏等河流。盆地腹部干旱少雨，动植物很难生存，耕种居住区以环盆地为主。本次选取环塔里木盆地具有典型地貌气候特征的巴楚、沙雅、若羌、民丰四个县的ET0为研究对象。

1.2 数据来源与处理

本文以环塔盆地范围内有代表性的4个站点1952—2019年长系列气象观测资料为基础，选取纬度、高程、平均气温、水汽压、2m处风速、日照时数6项指标为计算因子，采用修正的彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)公式计算出ET0值并分析其变化规律，选择线性倾向估计法进行变化趋势分析，小波分析法进行时间序列变化周期分析，并对参与ET0计算的气象要素展开相关性分析。典型气象站点信息见表1。

表1 典型气象站信息要素

2 结果与分析

2.1 ET0年际变化分析

通过6项因子计算出ET0，并绘制环塔里木盆地1952—2019年参考作物腾发量趋势图形，线性倾向估计法表示ET0趋势变化时采用一元线性方程拟合，具体见图1。

由图1可见各环塔里木盆地典型气象站ET0变化趋势，除民丰县参考作物腾发量呈现出逐年增加趋势外，巴楚县、沙雅县、若羌县均呈现出递减趋势，沙雅县和若羌县为显著相关性。其中，巴楚县ET0变化线性斜率为-0.029mm/10a，均值为1.59mm/d，最大值出现在1960年，为2.06mm/d，在1992年达到最小值1.20mm/d后，呈现出阶段性上升趋势，ET0极值相差1.72倍；沙雅县ET0变化线性斜率为-0.066mm/10a，均值为1.64mm/d，最大值出现在1972年，为2.29mm/d，在1988年达到最小值1.21mm/d，之后呈现小幅振荡变化趋势，ET0极值相差1.89倍；若羌县ET0变化线性斜率为-0.076mm/10a，均值为2.50mm/d，最大值出现在1980年和1981年，均为3.02mm/d，在2008年开始出现显著下降趋势，2014年达到最小值1.73mm/d，ET0极值相差1.75倍；民丰县ET0变化线性斜率为0.046mm/10a，均值为1.78mm/d，在1995—2002年间增幅较大，最大值出现在2002年，为2.28mm/d，在1961年达到最小值1.45mm/d，ET0极值相差1.57倍。

图1 环塔里木盆地典型气象站ET0变化趋势

2.2 ET0周期变化分析

通过小波分析法研究环塔里木盆地1952—2019年不同时间尺度参考作物腾发量周期特点[6]。图2是巴楚县年ET0周期变化趋势图。由图2(a)可以看出，ET0在时间周期上主要存在8～12年、18～25年两种尺度周期规律，其中，中心时间尺度约10年的7次交替变化出现在1969—2015年间，中心时间尺度约22年的4次交替变化出现在1960—1992年间；22年时间尺度变化幅度最强、周期趋势明显，是主要周期变化规律。由图2(b)可以看出，巴楚县年ET0小波方差图存在10年和22年两个明显的周期峰值。其中，22年时间尺度对应的峰值大、振荡强，为第一主周期，10年为第二主周期。这两个周期波动控制着巴楚县参考作物腾发量68年内的变化规律。

图2 巴楚县年ET0周期变化趋势

图3是沙雅县年ET0周期变化趋势图。由图3(a)可以看出，ET0在时间周期上主要存在5～7年、9～12年、24～27年3种尺度周期规律。其中，中心6年的两次交替变化出现在1979—1983年间，中心10年的6次交替变化出现在1973—2001年间，中心26年的1次交替变化出现在2000—2005年间；26年时间尺度变化幅度最强、周期趋势明显，是主要周期变化规律。由图3(b)可以看出，沙雅县年ET0小波方差图存在3年和10年两个明显周期峰值。其中10年时间尺度所对应的峰值大、振荡强，为第一主周期；3年为第二主周期。这两个周期波动控制着沙雅县参考作物腾发量68年内的变化规律。

图3 沙雅县年ET0周期变化趋势

图4是若羌县年ET0周期变化趋势图。由图4(a)可以看出，ET0在时间周期上主要存在4～7年、10～15年两种尺度周期，其中，中心5年的两次交替变化出现在1984—1992年间，中心13年的8次交替出现在1958—2006年间，周期趋势明显，是主要周期变化规律。从周期图可以发现，中心时间尺度30年虽然趋势明显但均未完全闭合。由图4(b)可以看出，若羌县年ET0小波方差图存在3个峰值，周期分别为4年、7年和13年。其中，13年时间尺度对应的峰值大、振荡强，为第一主周期，4年和7年为第二、第三主周期。这3个周期波动控制着若羌县参考作物腾发量68年内的变化规律。

图4 若羌县年ET0周期变化趋势

图5是民丰县年ET0周期变化趋势图。由图5(a)可以看出，ET0在时间周期上主要存在5～10年、15～22年两种尺度周期。其中，中心7年的两次交替出现在1982—1989年间，中心18年的3次交替出现在1965—1992年间；18年时间尺度变化幅度最强、周期趋势明显，是主要周期变化规律。由图5(b)可以看出，民丰县年ET0小波方差图存在8年和19年两个明显周期峰值。其中，19年时间尺度对应的峰值大、振荡强，为第一主周期，8年为第二主周期。这两个周期波动控制着民丰县参考作物腾发量68年内的变化规律。

图5 民丰县年ET0周期变化趋势

2.3 ET0构成因素分析

由于参与计算ET0的变量较多，各要素间又互有影响，为了更好地研究影响ET0变化的主要因素和潜在规律，采用相关性分析法并拟合特征回归方程，选择参与ET0计算的平均气温(X1)、水汽压(X2)、2m处风速(X3)、日照时数(X4)4个气象要素为自变量进行显著性分析。方程关系式为

ET0=K+β1X1+β2X2+β3X3+β4X4

(1)

式中：K为常数；β1、β2、β3、β4为回归系数。

由表2可以看出，回归方程决定系数R和F值均在允许范围内，方程拟合度较好且存在相关性。常数K、β1、β2、β4均呈现出正负相关交替现象；通过显著性检验分析发现，平均气温和风速对ET0影响较大。

表2 相关性分析与方程拟合

3 研究结论

选择新疆环塔里木盆地4个典型区多年气象资料，用彭曼公式计算参考作物腾发量，分析其变化趋势与周期规律，拟合回归方程并分析因子相关性，得出以下结论：

a.通过线性分析发现除民丰县外均为减小趋势，各站ET0变化斜率为民丰县>巴楚县>沙雅县>若羌县，最大值多在1960—1980年间，最小值在1988—2014年间。

b.通过小波法分析发现各典型站均出现2～3种尺度周期，小尺度以10年以内为主，大尺度在13～26年之间，大尺度周期趋势显著是其主要变化规律；小波方差分析发现各站均有2～3个明显峰值，小峰值均出现在10年内，最大周期均大于10年且振荡最强为第一主周期。

c.对参与ET0计算的主要气象因子进行回归方程拟合和相关性分析，方程较好反映了ET0与各要素间的关系，平均气温、风速、日照时数均为极显著相关。