1995-2015年宁夏沿黄城市带蒸散发时空变化特征

2022-05-19马小燕朱晓雯赵金涛

水资源与水工程学报 2022年2期

马小燕，朱晓雯，赵金涛，石云,2

(1.宁夏大学地理科学与规划学院，宁夏银川 750021； 2.宁夏(中阿)旱区资源评价与环境调控实验室，宁夏银川 750021)

1 研究背景

蒸散发过程由降水、日照时数、气候和下垫面等一系列因素共同作用，其影响区域囊括全球农业、生态以及人类活动。蒸散发现象复杂，受地形、温度等因素影响较大且实测蒸发资料匮乏，导致区域蒸散发量估算成为气象、生态领域研究的重点之一[1]。分析潜在蒸散发(ET0)与实际蒸散发(evapotranspiration,ET)之间的关系在水文与气候之间的相互作用，对研究地表水量平衡和水量循环具有重要意义[2]。

潜在蒸散发(ET0)作为表征大气蒸发能力的重要参数，是作物需水量估算、区域水量平衡、农田灌溉管理等研究的关键因子，能够为计算参考作物蒸散发和区域水资源优化配置[3-4]提供参考。ET0的估算模型主要有Hamon法、Hargreaves法、Rohwer法、Makkink法、Priestley-Taylor法和Penman-Monteith法[5]等方法，每种方法的形式和意义各不相同，其中Penman-Monteith法计算精度高、适用范围[6]广泛。实际蒸散发(ET)是指在水分循环中，受到下垫面和气候条件影响实际产生的蒸发量[7]，准确估算ET是水文学、生态学以及气象学研究的重要方向之一[8]。ET估算模型主要包括参考作物系数法、互补假设法和Budyko水热耦合假设等[9-10]，Budyko水热耦合假设综合考虑了蒸发、降水两方面因素对蒸散发的影响[11]，是流域蒸散发计算的有效方法之一。傅抱璞[12]根据微分方程理论，从流域水文气象的物理意义出发，给出Budyko假设的解析形式，适用于评估下垫面变化对蒸散发的影响[8]。大量研究的计算结果显示潜在蒸发量与蒸发皿观测的蒸发量均呈减小趋势[11-12]。该现象引发了“蒸发悖论”[13]并受到广泛关注，两者之间的关系与及其解析至今仍无确定性的结论。1963年，Bouchet[14]提出蒸散发互补相关理论，奠定了蒸散发研究史上的里程碑；王艳君等[15]从长江流域蒸发变化原因入手，分析了实际蒸发量与潜在蒸发量之间的关系；童瑞等[16]采用Penman-Monteith法及Budyko水分能量平衡公式，分析了蒸散发受水分能量供应条件的限制情况、蒸散发率和干燥指数的时空变化趋势、ET与ET0之间的差别与联系。

宁夏沿黄城市带位于黄河流域中上游，属温带大陆性干旱、半干旱气候，地形地貌复杂，土壤水分的限制和植被类型生长状况的差别使区域实际蒸散发量与潜在蒸散发量差异较大。近年来对宁夏沿黄城市带的蒸散发研究多以潜在蒸散发时空变化和敏感性分析为主，对实际蒸散发与潜在蒸散发之间关系的研究较少。本文在总结前人研究的基础上，采用Penman-Monteith公式计算潜在蒸散发ET0，运用Budyko水分能量平衡公式计算实际蒸散发ET，利用小波分析、气候倾向率等统计方法分析了宁夏沿黄城市带1995-2015年ET和ET0的时空分布和变化情况，可为研究区农业水资源管理、植被状况和环境变化理论提供支撑和实践依据[17]。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

宁夏沿黄城市带(36°54′30″～39°23′23″N，104°17′7″～106°58′13″E)位于蒙古高原、青藏高原和黄土高原交汇的内陆中纬度地带，包含石嘴山市和银川市全市、中卫市的沙坡头区和中宁县、吴忠市的利通区以及青铜峡市。黄河干流自宁夏中卫县南长滩翠柳沟进入研究区范围内，至石嘴山市惠农区头道坎麻黄沟流出研究区(右岸平罗县陶乐镇都思兔河)，全长397 km，流域面积约为5×104km2。宁夏沿黄城市带地处干旱半干旱区，地形南高北低，干旱少雨、温差较大、蒸发强烈[18]、气候复杂多样。流域大部分地区年均降水量在500 mm以下[19]，蒸发量远大于降雨量，水资源时空分布不均，集中了宁夏回族自治区90%以上的水资源[20]，人均水资源量仅为129 m3，不足全国人均水平的1/16；研究区用水效率低，工业用水重复利用率为60%，低于全国平均水平，资源性缺水问题较突出，是我国干旱缺水最严重的地区之一[21]。

2.2 数据来源

采用宁夏沿黄城市带1995-2015年惠农区、吴忠市、银川市、平罗县、中卫市、中宁县6个气象站点数据和2个辐射站点的逐日数据(来源于中国气象数据网http://data.cma.cn)，包括日照时间、相对湿度、平均风速、平均温度以及地表净辐射数据。为保证数据在时间序列上的完整性，采用偏最小二乘回归插值法对研究区气象观测资料中缺测数据进行插补延展[22]，研究区概况及各气象站、辐射站分布如图1所示。

2.3 研究方法

2.3.1 潜在蒸散发量 1998年世界粮农组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)推荐Penman-Monteith修正模型(P-M模型)作为计算潜在蒸散发的唯一标准方法，使得该方法得到了广泛的应用[23]，因此本文采用P-M模型计算宁夏沿黄城市带1995-2015年的日ET0和月ET0，计算公式如下：

(1)

V=0.665×10-5p

(2)

式中:ET0为潜在蒸散量，mm；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线斜率，kPa/℃；Rn为地表净辐射，MJ/m2；G为土壤热通量，MJ/m2(在逐日计算公式中，G约等于0)；T为距地面2 m高度处的平均气温，℃；U2为距地面2 m高度处的风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；V为干湿表常数，kPa/℃；p为大气压，kPa。

图1 研究区概况及各气象站、辐射站分布

2.3.2 Budyko假说地面蒸散发主要由能量平衡和水分供应控制，基于此，Budyko提出了著名的水分能量耦合模型(Budyko曲线)[16,24]，以降水量P表示流域水分供应条件，以ET0表示流域能量供应情况，指出流域的ET受P因子和ET0因子同时控制。按照Budyko流域水分能量耦合平衡方程假说，湿润区实际蒸散发主要由蒸散能力(ET0)控制，干旱区实际蒸散发主要受降水量(P)控制[24]。宁夏沿黄城市带处于农牧交错带，水生态环境脆弱，受水分供应条件影响较大，本研究基于Budyko曲线计算不同年降水量的蒸散发率，评估下垫面变化对流域蒸散发的影响[16]。计算公式为：

(3)

式中：P为降水量，mm；ω为下垫面参数，其与植被的类别、土壤水力特性及地形等有关，取值范围为(1，+∞)，本研究采用傅抱璞公式，结合研究区内的地形、土壤和植被覆盖度确定宁夏沿黄城市带下垫面参数ω。

其次，关于修身的具体方法，程颐和朱熹都非常强调“整齐严肃”。“整齐严肃”就是一种典型的用外部去规范自我内部的方法。关于“整齐严肃”程颐说过：“俨然正其衣冠，尊其瞻视，其中自有个敬处。”又说：“非礼勿视听言动，邪斯闲矣。”“动容貌，整思虑，则自然生敬。”[3]也就是说“整齐严肃”就是用符合天理的各种规范对自己的举止、形象、衣冠、表情、视听言动等各个方面加以限制，通过常年累月的严格规范，形成习惯，这样就会“天理自然明”，达到修身的目的。

2.3.3 定量化判断方法水分供应条件变化下ET与ET0之间是正相关还是负相关关系存在争论，正相关和负相关在理论概念上完全相悖，但二者之间存在一个共同点，即随着下垫面供水条件的变化，ET0与ET变化率的绝对值相等[25]，因此，本文以降水量表征下垫面供水条件，构建降水-蒸散发联合回归方程，并对回归系数进行t检验来判断ET与ET0理论从属关系，关系式如下：

|δET/δP|=|δET0/δP|

(4)

式中：若相关系数δ同号，则认为ET和ET0关系完全符合Penman正比假设理论；否则认为ET与ET0关系完全符合互补相关理论。

3 结果与分析

3.1 实际蒸散发和潜在蒸散发计算结果

计算结果表明，研究区实际蒸散发ET远低于潜在蒸散发ET0，ET多年均值为710.551 mm，最大值出现在2011年，为844.551 mm，最小值出现在2006年，为509.746 mm；ET0多年均值为831.585 mm，最大值出现年份与ET一致，最大值为1 071.024 mm，比ET的最大值大226.473 mm，占ET0多年平均值的27.23%；最小值为635.656 mm，比ET的最小值大125.91 mm，占ET0多年平均值的15.14%。根据宁夏沿黄城市带蒸散发的分布情况可知，ET值以吴忠市最大，年均达815.058 mm，其次为银川市，年均ET为808.124 mm，中卫市的ET值相对较小，仅为574.617 mm；ET0值以吴忠市和银川市2个地区最大，均超过940 mm，中卫市的ET0值较大，为861.859 mm，石嘴山市的ET0值最小，仅为684.248 mm。

3.2 实际蒸散发和潜在蒸散发关系的定量化判断

宁夏沿黄城市带1995-2015年年均降水量P与蒸散发的关系如表1所示。

由表1可以看出，在研究时段内，随着降水量的增加，吴忠市、银川市、中卫市和石嘴山市的ET值均呈现明显增大趋势，其中ET在吴忠市和银川市增加趋势最为明显，通过了0.01置信度的显著性检验；另外，中卫市ET值随降水量波动而变化的趋势不明显，两者相关系数较小。研究区潜在蒸散发ET0随降水量的增加呈现明显的上升趋势，上升幅度略小于实际蒸散发ET。其中吴忠市、中卫市和银川市的ET0随降水量的变化趋势通过了0.01置信度的显著性检验，而石嘴山市ET0随降水量变化的变化趋势不明显。

表1 1995-2015年宁夏沿黄城市带年均降水量P与ET和ET0的关系

实际蒸散发ET与潜在蒸散发ET0计算结果的差异性主要源于水分供应是否充足，ET是基于实际供水条件，而ET0是基于理想供水条件，即充分供水。在宁夏沿黄城市带的不同区域，降水量年际差异明显，由降水量引起的下垫面供水条件变化导致ET和ET0增、减幅度有所差异，从4个地区(市)的平均结果来看，随着降水量的增加，ET与ET0在0.1的置信水平下均呈现明显的增加趋势，分析可得ET与ET0在年尺度上更满足于正比假设理论。

3.3 蒸散发季节性变化

1995-2015年宁夏沿黄城市带ET在各季节的变化情况如图3所示。由图3可看出，各季节平均ET的年际整体增大速率较ET0缓慢，夏季平均ET值最大，为333.283 mm，比夏季平均ET0值小42.22 mm其次为春季、秋季和冬季，分别比相应季节的平均ET0值小43.65、18.58和16.57 mm。各季节平均ET的年际变化趋势与平均ET0基本一致，时段特征具有细微差别。各季节平均ET最大值均出现在2011年，与ET0保持一致，春、夏两季平均ET值比相应季节的平均ET0值约小55 mm，秋、冬两季平均ET值分别比相应季节的平均ET0值小19.77、25.87 mm。从1995-2015年各时段来看，1995-2002年各季节平均ET基本呈增大趋势，增大速率排序为夏季(62.4 mm/10a) >春季(56.6 mm/10a) >秋季(47.9 mm/10a)>冬季(6.0 mm/10a)；2004-2006年各季节平均ET均呈减小趋势，减小速率排序为夏季(539.1 mm/10a)>春季(148.7 mm/10a)>秋季(102.0 mm/10a)>冬季(36.2 mm/10a)； 2011-2015年各季节平均ET均呈减小趋势，与ET0一致。其中通过滑动t检验确定2006年为突变年，该年份各季节平均ET值最小。

3.4 蒸散发年际变化

利用Morlet小波分析对宁夏沿黄城市带蒸散发量进行周期性评价，结果见图4。

图4显示，1995-2015年宁夏沿黄城市带ET0和ET在多时间尺度上均存在复杂的嵌套结构现象，具有较强的周期性。ET0和ET的周期性基本一致，有2个明显的主周期，即3～10 a、10～15 a的干湿周期变化，整个研究时段内以10～15 a为周期的时间尺度变化最强，其振荡中心的时间尺度约为14 a；以5～10 a为周期的时间尺度变化次之，其振荡中心的时间尺度约为7 a。因而，宁夏沿黄城市带在整个时间尺度上存在以7和14 a左右为主的周期变化。在第1主周期中，明显的聚集中心有2段，并伴随有弱聚集存在。第1个强聚集中心在2002年附近，其时域尺度强，集中影响范围为1999-2004年；第2个为聚集分散中心，在2011年附近，较第1个强聚集中心有所减弱，其集中影响范围为2009-2013年。第2主周期实部时频图展现出与第1主周期相反的变化趋势，其第1个强聚集中心在3 a附近，集中影响范围为1995-1999年；第2个为聚集分散中心，在2006年附近，其集中影响范围为2004-2008年。

图2 1995-2015年宁夏沿黄城市带ET0季节性变化

图3 1995-2015年宁夏沿黄城市带ET季节性变化

图4 宁夏沿黄城市带蒸散发小波系数实部等值线图

3.5 蒸散发区域差异

对1995-2015年宁夏沿黄城市带各季节平均ET0及其变化倾向率空间分布特征进行分析，结果如图5所示。

图5 1995-2015年宁夏沿黄城市带各季节平均ET0及其变化倾向率空间分布

由图5可以看出，研究区各季节平均ET0具有明显的地域差异特征，由北到南呈现“低-高-中”的分布特征。春季平均ET0有增大趋势的区域约占85%，中宁县呈显著增大趋势，其趋势系数介于15.029～15.929 mm/10a(P<0.01)，金凤区ET0增大趋势不明显，趋势系数在11.458 mm/10a左右；夏季平均ET0有90%的区域呈增大趋势，趋势系数介于11.551～17.906 mm/10a之间，ET0空间分布特征与春季相似，惠农区75%地区以及平罗县51%地区的年均ET0最小，介于285.81～293.73 mm之间，趋势系数介于15.964～17.906 mm/10a之间，青铜峡东部25%区域以及灵武市南部17%区域的ET0在逐渐增大，沙坡头区与中宁县ET0的增大趋势系数介于12.025～15.963 mm/10a之间，金凤区ET0一直处于高值状态，但ET0增加具有减缓趋势；秋季宁夏沿黄城市带中部地区的ET0值仍然最大，ET0最小值出现在惠农区东北部和平罗县东部，中宁县ET0增加趋势显著，趋势系数介于13.981～14.906 mm/10a之间；与秋季相比，冬季宁夏沿黄城市带的ET0整体减弱，整个区域的ET0值介于26.58～41.22 mm之间，但有逐渐增大的变化趋势，趋势系数介于10.180～10.884 mm/10a之间。

1995-2015年宁夏沿黄城市带各季节平均ET及其变化倾向率空间分布特征如图6所示。由图6可以看出，各季节平均ET的空间分布格局与ET0基本一致，ET值由北到南整体呈现“低-高-中”的空间分布特点，但变化趋势存在空间差异。春季平均ET呈增大趋势的区域约占90%，呈显著增大的区域约占48%；夏季有88%区域的平均ET显著上升；秋季与冬季的ET空间分布特点基本一致，但冬季高ET值范围由兴庆区、利通区向西南地区扩大。

图6 1995-2015年宁夏沿黄城市带各季节平均ET及其变化倾向率空间分布

4 讨论

1995-2015年宁夏沿黄城市带实际蒸散发ET远小于潜在蒸散发ET0。ET多年均值为710.551 mm，最大值出现在2011年，为844.551 mm，最小值出现在2006年，为509.746 mm；ET0多年均值为831.585 mm，最值分布与ET一致。由于ET是在非充分供水条件下估算得到的蒸散量，而ET0是在假设降水量充足条件下的蒸散发估算值，因此ET与ET0差异较大。在宁夏沿黄城市带不同区域，降水年际差异明显，由降水量引起的下垫面供水条件变化导致ET和ET0增减幅度有所差异，ET与ET0呈现显著的正相关关系，符合正比假设理论，这与Liu等[26]分析黄河流域1961-2000年的蒸散发呈减小趋势的研究结果不符，从侧面反映出“蒸发悖论”现象在黄河流域有减弱甚至消失的趋势。

随着降水量的增加，研究区多年平均蒸散发总体呈增大趋势，由东北向西南呈现“低-高-中”相间分布的空间格局。夏季平均蒸散发值最大，冬季平均蒸散发值最小，各季节ET与ET0年际变化趋势基本一致，在研究时段内呈现“增大-减小-增大-减小”的震荡变化趋势。蒸散发最大的地区在研究区中部金凤区与利通区交界处；蒸散发最小的地区在石嘴山市以北区域。1995-2015年，宁夏沿黄城市带气候变化呈现由湿润转为逐渐干旱再至2006年之后干旱减轻的趋势。由于研究区位于黄土高原，属干旱、半干旱地区，受大陆季风性气候以及全球大气环流的影响，蒸发量远大于降水量，水资源时空分布不均。随着宁夏沿黄城市带年均气温跃升、蒸散发量增大、降水量逐渐减小，研究区有较明显的暖干化趋势。

利用Morlet小波判别1995-2015年宁夏沿黄城市带蒸散发量周期变化，按时间尺度可分为3～10 a、10～15 a的周期变化，整个研究时段内以10～15 a为周期的时间尺度变化最强，以5～10 a为周期的时间尺度变化次之。在不同的尺度周期中，研究区表现出不同程度的的干湿振荡规律，但小波分析结果存在着多时间尺度上的复杂嵌套结构问题，对分析结果准确性有一定影响[27]。

本文基于离散分布的测站资料，分析宁夏沿黄城市带蒸散发时空差异性，缺乏研究区蒸散发与环境因子之间的响应机制分析。未来需进一步深入探讨气温、风速、日照时数、相对湿度对蒸散发估算结果的精确性和空间差异性的影响。