近30年石羊河流域潛在蒸散量變化特征及時空格局變化研究

趙　崢, 潘競虎,王迎晨

(1.中鐵西北科學研究院有限公司,甘肅蘭州　730030;2.西北師范大學地理與環(huán)境科學學院,甘肅蘭州　730070)

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近30年石羊河流域潛在蒸散量變化特征及時空格局變化研究

趙崢1, 潘競虎2,王迎晨1

(1.中鐵西北科學研究院有限公司,甘肅蘭州730030;2.西北師范大學地理與環(huán)境科學學院,甘肅蘭州730070)

根據(jù)石羊河流域10個氣象站點1980—2010年近30年的逐日氣象資料，應(yīng)用彭曼-孟蒂斯公式計算潛在蒸散量，并在此基礎(chǔ)上使用ArcGIS 克里格插值分析生成石羊河流域潛在蒸散量的空間分布圖.結(jié)果表明，石羊河流域近30年平均潛在蒸散量空間分布格局受氣候、地形等各種因素的影響，自西南至東北方向逐漸遞增，具有明顯的差異.從時序變化上來看，1980—2010年，石羊河流域潛在蒸散量總體上趨勢較為平穩(wěn),四季變化為夏季>春季>秋季>冬季.

石羊河流域；潛在蒸散量；彭曼-孟蒂斯公式；克里格；時空格局

潛在蒸散量，又可稱作參考作物蒸散量，是實際蒸散量理論值的上限，也是計算實際蒸散量的基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于水資源利用、評價，農(nóng)業(yè)作物需水量研究以及生產(chǎn)管理中.潛在蒸散量的計算方法主要為推薦的彭曼-孟蒂斯公式(Penman-Monteith equation)[1].該公式擁有比較完整充分的理論依據(jù)，是目前計算潛在蒸散量(E0)較為可靠的方法之一[2].石羊河流域水資源利用問題是目前西北地區(qū)水資源利用研究的熱點[3-7]，文中以石羊河流域為具體研究對象，利用彭曼-孟蒂斯公式計算潛在蒸散量，生成近似均勻區(qū)域的E0分布圖.并在此基礎(chǔ)上，分析E0的時空分布規(guī)律，旨在探討在各種相關(guān)因子變化的背景下石羊河流域潛在蒸散量時間、空間的變化特征，為石羊河流域水資源的合理開發(fā)利用提供科學依據(jù).

1　研究區(qū)概況

石羊河流域位于東經(jīng)101°40′～104°20′、北緯36°30′～39°30′，地處祁連山北麓，甘肅省河西走廊東部，東側(cè)緊鄰黃土高原，西側(cè)為烏稍嶺，總面積約4.16萬km2，西南高東北低，是河西走廊地區(qū)三大內(nèi)陸河之一(圖1).石羊河流域大致劃分為3個氣候區(qū)：① 南部祁連山高寒半干旱半濕潤區(qū)，區(qū)內(nèi)海拔在2 000～5 000 m之間，年降水量約300～600 mm，年蒸發(fā)量700～1 200 mm，區(qū)域干旱指數(shù)為1～4；② 中部走廊平原溫涼干旱區(qū)，區(qū)內(nèi)海拔在1 500～2 000 m，年降水量150～300 mm，年蒸發(fā)量1 300～2 000 mm，區(qū)域干旱指數(shù)4～15；③ 北部溫暖干旱區(qū)，區(qū)內(nèi)海拔在1 300～1 500 m之間，年降水量<150 mm，部分地區(qū)降水量<50 mm，蒸發(fā)量較大，2 000～2 600 mm，干旱指數(shù)15～25.

圖1　石羊河流域地理位置

2　研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1研究方法

2.1.1潛在蒸散量(E0)的計算潛在蒸散量是指某種特定矮桿綠色作物(高約0.12 m，地面反射率為0.23)將假設(shè)平坦的地面全部遮蔽，同時保持土壤的充分濕潤下的蒸散量，也可稱為可能蒸散量或參考蒸散量.國際上潛在蒸散量(E0)的計算方法有多種，我國常用的潛在蒸散量的計算方法為彭曼(Penman)模型和謝良尼諾夫(Selianinov)模型.文中應(yīng)用彭曼模型來計算石羊河流域E0.彭曼模型所運用的方法是以水汽擴散論以及能量平衡作為基礎(chǔ)，在計算中考慮作物生理特征的同時，又兼顧空氣動力學參數(shù)的變化，具有較為完整及充分的理論依據(jù)，同時具有較高的計算精度[8].

彭曼-孟蒂斯公式為[2]37

(1)

(2)

其中，E0為潛在蒸散量(mm·d-1)；Rn為參考作物的表面凈輻射(MJ·m-2·d-1);G為土壤熱通量密度(MJ·m-2·d-1);Ti+1,Ti-1為(i+1),(i-1)月的氣溫(℃);U2為2 m高處的風速(m·s-1);es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率(kPa·℃-1);γ為干濕表常數(shù)(kPa·℃-1).

輻射平衡計算中太陽總輻射Rs的計算為[2]67

(3)

其中，Ra為天文輻射；n/N為日照百分率；as,bs為線性參數(shù)，文中未采用FAO推薦的as=0.25,bs=0.5，根據(jù)祝昌漢等的研究[9]，對西北干旱區(qū)as=0.23，bs=0.53，該取值更加符合研究區(qū)域的實際情況.

2.1.2空間分析插值方法克里格(Kriging)插值的基礎(chǔ)為結(jié)構(gòu)分析和變異函數(shù)理論，是指在某一特定區(qū)域內(nèi)，對變量進行的一種無偏最優(yōu)的估計方法，是地統(tǒng)計學研究中的主要內(nèi)容.它是根據(jù)測試樣點在有限鄰域內(nèi)的已測定的其他樣點數(shù)據(jù)，并加以考慮各個樣點的大小以及空間位置關(guān)系，以及變異函數(shù)所提供的結(jié)構(gòu)信息之后，對該測試樣點進行線性的無偏最優(yōu)的估計[10].克里格方法對于待測試樣點的估值較其他方法相比，是較為優(yōu)越的，由于其估值精度較高，避免了系統(tǒng)誤差的出現(xiàn).通過運用該方法的制圖，成為從圖像上對區(qū)域內(nèi)描述土地物理性質(zhì)及氣象要素等空間分布特征的一個有效工具被廣泛使用[11-12].其計算公式為[12]65

(4)

其中，Z為待測試樣點的值；Zi為待測試樣點周圍的已知樣點的值；N為已知的樣點個數(shù)；wi為第i個樣點權(quán)重值,通過半方差圖分析來確定，根據(jù)無偏和最優(yōu)要求，利用拉格朗日極小化原理，推導(dǎo)權(quán)重值和半方差之間的公式.

2.2資料來源與處理

文中利用資料序列較長的1980—2010年石羊河流域10個氣象站點(表1)的經(jīng)緯度及各類氣象要素，如氣溫、2m高處風速、日照時數(shù)、相對濕度等.在數(shù)據(jù)的處理上，首先按照各氣象站點對逐日數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到各月、各季節(jié)和各年份的數(shù)據(jù)，其中季節(jié)的劃分為：春季3—5月、夏季6—8月、秋季9—11、冬季12月至翌年2月.然后對上述各項數(shù)據(jù)作處理，分別得到逐月、各季節(jié)和各年份的平均值，并進行進一步的分析.文中采用Excel2007進行數(shù)據(jù)的基本處理工作，運用SPSS18.0軟件進行相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，并采用ArcGis9.3軟件進行空間插值分析.

表1　石羊河流域氣象臺站方位

3　結(jié)果與討論

3.1石羊河流域蒸散量的空間變化格局

石羊河流域北部區(qū)域為干旱氣候，中部區(qū)域?qū)侔敫珊禋夂?，南部區(qū)域?qū)侔霛駶櫚敫珊禋夂?石羊河流域多年平均潛在蒸散量為1 085.29 mm.整個區(qū)域內(nèi)潛在蒸散量的分布受氣候、地形等地理環(huán)境的影響，存在較為明顯的地區(qū)性差異.從空間格局上看，區(qū)域內(nèi)海拔高度越高，潛在蒸散量越低(圖2).潛在蒸散量空間分布的總趨勢是北部高南部低，東部高西部低，自東北側(cè)向西南側(cè)逐級遞減.全流域多年平均潛在蒸散量在759～1 351 mm.流域南部地區(qū)小于1 000 mm，尤其在肅南裕固族自治縣北部北灘、東灘等地及天祝藏族自治縣北部毛藏、哈溪、安遠鎮(zhèn)，古浪縣西南部黃羊川、十八里鋪等局部地區(qū)在900 mm以下；潛在蒸散量較高的地區(qū)大部分集中于民勤縣境內(nèi)，一般在1 200 mm以上，其中民勤縣北部的花兒園等地部分地區(qū)最高潛在蒸散量達到1 350 mm以上.潛在蒸散量分布不均，最高與最低之比大于1.778，空間分布如圖3所示.

圖2　石羊河流域潛在蒸散量與海拔關(guān)系

圖3　石羊河流域各站點多年平均潛在蒸散量

3.2石羊河流域潛在蒸散量的時序變化

3.2.1年際變化石羊河流域潛在蒸散量的年際變化基本處于一個相對穩(wěn)定的趨勢(圖4).1980—1990年前后各站點多年平均潛在蒸散量在915.9～1 092.2 mm，平均為1 025.9 mm； 1991—2000年各站點多年平均潛在蒸散量在897.3～994.9 mm，平均為950.3 mm；2000—2010年各氣象站點平均潛在蒸散量在937.1～1 018.2 mm，平均為979.5 mm.

圖4　石羊河流域潛在蒸散量年際變化

從石羊河流域各氣象站點1980—2010年多年平均潛在蒸散量的變化情況來看，不同區(qū)域之間也存在著差異.石羊河流域各氣象站點多年平均潛在蒸散量的變化也較為懸殊(圖5)，年潛在蒸散量的變異系數(shù)為3.86%～7.09%.

圖5　石羊河流域各站點多年平均潛在蒸散量及變異系數(shù)

3.2.2季節(jié)變化石羊河流域從1—12月各月的潛在蒸散量基本呈正態(tài)分布趨勢，按季節(jié)劃分，為夏季>春季>秋季>冬季.由于石羊河流域的潛在蒸散量主要受氣象、地形等因素造成蒸散量的不均勻分布，表現(xiàn)出夏季蒸散量較高，冬季蒸散量相對較小的特征.在一年之中，石羊河流域潛在蒸散量高度集中在 3—9月，即春夏季， 10月至翌年2月的秋冬季潛在蒸散量較低.潛在蒸散量逐月及按季節(jié)分布情況(圖6).

圖6　石羊河流域多年平均潛在蒸散量逐月變化分布

春季(3—5月)石羊河流域內(nèi)風大、升溫快，隨著氣溫的回升，氣候干燥，潛在蒸散大，變化范圍在248～399 mm.從多年平均來看，春季潛在蒸散量約占全年的22.86%～36.77%.石羊河流域遠離海洋，位于中國西部地區(qū)，夏季(6—8月)較為炎熱，潛在蒸散量隨著氣溫的逐漸升高而增大，總體趨勢為北部區(qū)域高于南部區(qū)域.多年平均潛在蒸散量為303.9～589.9 mm，約占全年潛在蒸散量的28.0%～54.4%.秋季(9—11月)由于氣溫下降，日照時間逐漸減少，潛在蒸散量的趨勢為東北部區(qū)域高于西南部區(qū)域，多年平均潛在蒸散量在142.8～251.8 mm，約占全年潛在蒸散量的13.2%～23.2%.冬季(12月至翌年2月)晴冷少雪，因此降水量較少[13]，而且該地區(qū)氣候較為干燥，相對濕度較低，從而導(dǎo)致潛在蒸散低下，多年平均潛在蒸散量為73.2～102.7 mm，冬季潛在蒸散量約占全年潛在蒸散量的6.7%～9.5%.

石羊河流域氣候干旱指數(shù)較高，流域處于干旱程度較重狀態(tài).流域內(nèi)潛在蒸散量的變化及未來趨勢存在這一定的復(fù)雜性，不同天氣影響或局部地理差異等均會造成潛在蒸散量的不同，此外，土地利用條件的改變也會通過影響大氣溫度、濕度、城市熱島環(huán)流效應(yīng)等因素導(dǎo)致潛在蒸散量發(fā)生變化.

4　結(jié)論

1)石羊河流域多年平均潛在蒸散量在759～1 351 mm之間.年潛在蒸散量空間分布的總趨勢是：東部、北部高，西部、南部低，潛在蒸散量由西南向東北部逐級遞增，具有明顯的地域差異.

2)流域南部地區(qū)小于1 000 mm；潛在蒸散量較高的地區(qū)大部分集中于民勤縣境內(nèi)，一般在1 200 mm以上，部分地區(qū)潛在蒸散量最高可達到1 350 mm以上.潛在蒸散量分布不均，最高最低比大于1.778.

3)石羊河流域潛在蒸散量的年際變化基本處于一個相對穩(wěn)定的趨勢.1980—1990年前后各站點多年平均潛在蒸散量為1 025.9 mm；1991—2000年各站點多年平均潛在蒸散量為950.3 mm；2000—2010年各氣象站點平均潛在蒸散量為979.5 mm.從石羊河流域主要氣象站點各年代潛在蒸散量的時序變化情況來看，差異較大，年際變化的變異系數(shù)為3.86%～7.09%.

4)潛在蒸散量的月際變化為：以7月份最多，向兩側(cè)遞減，1月及12月最低.偏高主要是因為對應(yīng)時段日照時間較長、溫度較高，延長了白天的蒸散時間并提高蒸散的效率，從而導(dǎo)致潛在蒸散量偏高.

5)潛在蒸散量的季節(jié)變化為春夏季(3—9月)比重大，秋冬季(10月—翌年2月)比重較小.

`[1]顧世祥,王士武,袁宏源.參考作物騰發(fā)量預(yù)測的徑向基函數(shù)法[J].水科學進展,1999,10(2):123.

[2]ALLEN R G,PEREIRAL L S,RAES D,et al.Crop evapotranspiration guidelines for computing crop water requirements[C]//FAOIrrigationandDrainagePaper56,Rome:FAO,1998,11.

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(責任編輯惠松騏)

Study on spatiotemporal change of potential evapotranspiratio in Shiyang River Basin for 30 years

ZHAO Zheng1，PAN Jing-hu2，WANG Ying-chen1

(1.Northwest Research Institute Limited Company of CREC,Lanzhou 730000,Gansu,China; 2.College of Geography and Environmental Science,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,Gansu,China)

Based on the meteorological data from 10 meteorological stations in Shiyang River Basin 1980—2010,using Penman-Monteith equation to calculate potential evapotranspiration,Shiyang River potential evapotranspiration distribution map is given by using Kriging spatial interpolation method in ArcGIS.The results show that the average spatial distribution pattern of potential evapotranspiration are influenced by climate,topography and other factors in Shiyang River Basin in recent 30 years,potential evapotranspiration are gradually increasing from the southwest to the northeast,it has obvious difference.On timing variation of annual potential evapotranspiration in Shiyang River Basin from 1980—2010,the overall trend is relatively stable,the seasonal changes are spring >summer>autumn>winter.

Shiyang River Basin;potential evapotranspiration;Penman-Monteith equation;Kriging;spatial-temporal pattern

10.16783/j.cnki.nwnuz.2016.05.026

2015-06-25;修改稿收到日期:2016-02-04

甘肅省自然科學基金資助項目(1208RJZA159)

趙崢(1985—)，男，甘肅蘭州人，工程師，碩士.主要研究方向為環(huán)境影響評價.

E-mail:andriy2003@126.com

P 332.2

A

1001-988Ⅹ(2016)05-0125-05