石河子地區(qū)參考作物蒸散量變化特征及氣候因子的定量分析

羅那那,巴特爾·巴克,吳燕鋒

(新疆農業(yè)大學 草業(yè)與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830052)

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石河子地區(qū)參考作物蒸散量變化特征及氣候因子的定量分析

羅那那,巴特爾·巴克,吳燕鋒

(新疆農業(yè)大學 草業(yè)與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830052)

基于石河子地區(qū)1961—2012年4個氣象站數(shù)據(jù)，采用FAO推薦的Penman-Monteith模型計算了參考作物蒸散量(ET0)，分析了ET0時間變化特征及其對氣象因子的敏感性，并結合各氣象要素的多年相對變化定量分析了氣象因子對ET0的貢獻。結果表明：近52年來，石河子地區(qū)平均ET0以1.19 mm/a的趨勢增加，2004年為突變年，并存在27 a左右的周期。ET0變化對各氣象要素的敏感性以及氣象因子對ET0變化的貢獻有所不同，其中，平均氣溫的貢獻率較小，但其敏感系數(shù)最高，對ET0變化的貢獻是最大，使平均氣溫成為ET0變化貢獻最大的氣象因素。突變后最高氣溫和最低氣溫的貢獻率較大，但其敏感系數(shù)較低，平均氣溫為主導因子明顯上升。

參考作物蒸散量; Penman-Monteith; 敏感分析; 貢獻分析

在全球和中國氣候變暖背景條件下，風速、氣溫、太陽輻射、降水等氣象要素都有不同程度的變化[1-3]，而這些要素與潛在蒸散的變化密切相關。潛在蒸散表示在一定氣象條件下水分供應不受限制時，某一固定下墊面可能達到的最大蒸散量[1]。而參考作物蒸散量是表征大氣蒸散能力，評價氣候干旱程度、植被耗水量的重要指標。其在估算作物需水量、評價農業(yè)水分資源、制定合理的灌溉制度和預報作物產量中發(fā)揮著不可或缺的作用，F(xiàn)AO推薦的基于氣象要素的Penman-Monteith公式，具有充分的理論基礎，結果僅受當?shù)貧夂蛞氐挠绊懀c下墊面、土壤類型等無關[4]，在國內外不同氣候區(qū)域的應用效果都比較理想[5]。近年來，許多學者利用敏感性分析方法研究ET0變化的原因，取得了一些有意義的成果。劉昌明等[6]認為ET0不同時空分布的敏感因子不一致；劉小莽等[7]發(fā)現(xiàn)海河流域ET0對水汽壓最敏感；Gong等[8]研究表明長江流域ET0對相對濕度最敏感；曾麗紅等[9]發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)生長季氣溫對ET0的影響最明顯；曹雯等[10]研究了西北地區(qū)生長季的ET0對氣象要素的敏感性，表明太陽輻射對ET0的變化最敏感；吳文玉等[11]認為安徽省相對濕度對氣候傾向率及相關性等分析方法可以從定性角度得出ET0的變化與不同氣象要素變化的關聯(lián)性，但并不能客觀定量地衡量氣象要素變化導致的ET0的變化，即氣象要素變化對ET0的變化貢獻。因此，將敏感性分析和氣象要素的相對變化結合起來，從而探討氣象要素對ET0變化的貢獻和響應，可以更好解釋ET0變化與各氣象要素的相關性。

石河子市是新疆生產建設兵團農八師師部所在地。位于新疆維吾爾自治區(qū)北部，石河子墾區(qū)中部，天山北麓，準噶爾盆地南緣。東以瑪納斯河為界，與瑪納斯縣為鄰；南、西、北三面與沙灣縣環(huán)接市區(qū)。市區(qū)東距自治區(qū)首府烏魯木齊150 km，西距霍爾果斯口岸500 km。有漢、回、維吾爾、哈薩克等27個民族。地勢平坦，平均海拔高度450.8 m，自東南向西北傾斜。主要河流有瑪納斯河、寧家河、金溝河、大南溝等。屬典型的大陸性氣候，冬季嚴寒，夏季酷熱，干燥少雨，蒸發(fā)量大，春季升溫快，秋季降溫迅速，晝夜溫差大。在氣候變暖的背景下，石河子地區(qū)各氣象要素均有不同程度的變化，尤其是近年來變化趨勢更為顯著，其中氣溫呈上升趨勢，風速、日照時數(shù)、降水呈減小的變化趨勢[12-13]，由于最高最低氣溫、風速、日照時數(shù)、相對濕度等氣像素與ET0的變化密切相關，各氣象要素的變化必將導致ET0的改變，因此，定量研究各氣象要素對ET0變化的貢獻，可為深入理解ET0對氣候變化的響應提供科學依據(jù)。本文利用石河子地區(qū)1961—2012年4個氣象站的氣象觀測數(shù)據(jù)和Penman-Monteith模型定量研究各氣象要素對ET0變化的敏感性和貢獻率，以期為區(qū)域農業(yè)資源開發(fā)和利用、水資源優(yōu)化配置研究提供參考。

1　數(shù)據(jù)和研究方法

1.1數(shù) 據(jù)

本研究使用的資料主要為石河子地區(qū)4個氣象站點(石河子市、炮臺、烏拉烏蘇和莫索灣)觀測數(shù)據(jù)較完整的1961—2012年時段，數(shù)據(jù)經過嚴格的質量檢驗。氣象因子包括逐日最高氣溫(Tmax)、最低氣溫(Tmin)、相對濕度(RH)、日照時數(shù)(SH)、風速(WS)、平均氣溫(Tmean)等。

1.2研究方法

1.2.1Penman-Monteith模型利用FAO在1998年推薦的Penman-Monteith公式[5]計算ET0，它以能量平衡和水汽擴散理論為基礎，較全面地考慮了影響潛在蒸散的各種因素，有較好的物理依據(jù)，應用較廣泛。

1.2.2敏感性分析ET0的敏感性分析是從定量角度分析一個或幾個相關氣象因子發(fā)生變化時，對ET0變化影響的定量參數(shù)。通過假定其他參數(shù)不變，分析單個參數(shù)的變化對模型的作用，確定模型的敏感系數(shù)，是常用的敏感性分析方法[14]。敏感系數(shù)定義為ET0變化率與氣象因子變化率的比值：

(1)

式中：SVi為敏感系數(shù)；ΔET0無量綱，為參考作物蒸散量的變化量；Vi和ΔVi分別為氣象因子及其變化量。

1.2.3貢獻分析氣象因子對ET0的貢獻將單個氣象因子的敏感系數(shù)與該要素的多年相對變化相乘，得到由該要素引起的ET0的變化，即該要素對ET0變化的貢獻[14]。導致ET0增加為正貢獻，導致ET0減小為負貢獻。表達式如下：

ConVi=SVi·RCVi

(2)

(3)

式中：ConVi是氣象因子Vi對ET0變化的貢獻；RCVi是Vi的多年相對變化，利用1961—2010年50年Vi的平均值av和逐年變化率Trend計算得到；逐年變化率Trend可由趨勢分析法計算得到；ET0多年相對變化RCET0稱為ET0的實際變化，亦可依照RCVi的計算得到。

1.2.4其他研究方法采用Mann-Kendall 非參數(shù)檢驗方法[15]進行突變分析。氣象要素的長期變化趨勢采用線性回歸分析[16]?；貧w系數(shù)表示氣候變量的趨勢傾向，回歸系數(shù)為正時，說明隨時間的增加氣候變量呈上升趨勢；反之亦然，回歸系數(shù)的大小反映了上升或下降的速率。氣候趨勢系數(shù)表示某氣候要素的長期趨勢變化的方向和程度，即時間和氣候要素的相關系數(shù)。此外，基于小波分析探究年潛在蒸散量的周期特征。

2　結果與分析

2.1參考作物蒸散量和各氣候影響因子的年際變化

近52年來，石河子地區(qū)ET0和降水量均呈明顯增加趨勢，氣候傾向率分別為1.194，2.073 mm/a(圖1A，1E)。日照時數(shù)(0.007 h/a)、相對濕度(-0.042%/a)以及平均氣溫(0.019℃/a)、最高氣溫(0.028℃/a)、最低氣溫(0.035℃/a)略有增勢，而相對風速(圖1B)無明顯變化趨勢。

各氣象要素突變前后變化趨勢和全時段變化趨勢有所差異(表1)。ET0發(fā)生突變后都呈顯著的增加趨勢。其他各氣象要素在ET0突變前后變化趨勢差異明顯，相對風速在ET0突變前減少趨勢達-0.034 m/(s·a)，突變后增加到0.064 m/(s·a)，相對濕度在突變后減小趨勢達-0.185%/a，減少趨勢極顯著，日照時數(shù)突變后增加趨勢極顯著，為0.069 h/a，平均氣溫呈減少趨勢明顯，為-0.151℃/a，最高最低氣溫在突變后呈減少趨勢，分別達到-0.173℃/a，-0.165℃/a，綜合來看，石河子地區(qū)ET0發(fā)生突變前，相對風速減少趨勢最顯著，其他各相關要素變化趨勢均不顯著，突變后相對風速減少趨勢變小，其他各相關要素變化趨勢極顯著。

圖1　1961-2012年石河子地區(qū)ET0和氣象要素年際變化趨勢

時段ET0/(mm·a-1)WS/(m·s-1·a-1)RH/(%·a-1)SH/(h·a-1)Tmin/(℃·a-1)Tmax/(℃·a-1)Tmean/(℃·a-1)1961—2012年1.194-0.004-0.0370.0070.0350.0190.0281961—2004年-0.233-0.0110.004-0.0030.0270.0130.0242005—2012年0.2490.064-0.1850.069-0.165-0.173-0.151

2.2參考作物蒸散量的突變分析

由突變檢驗曲線可見(圖2)，M-K突變檢驗圖UF(實線)和UB(虛線)兩條曲線在2004年相交，且交點在臨界區(qū)域內，2011年以后曲線超過了0.05信度線增加趨勢顯著。綜合M-K突變檢驗結果，可確定石河子地區(qū)ET0在2004年發(fā)生突變，2011年達到顯著性水平。突變分析可以看出(圖3)，年潛在蒸散量存在27 a左右的第一主周期。第一主周期小波譜可以看出，年潛在蒸散量在1960s和1970s前期以及1990s以后相對偏小，在1970s中期和1980s相對較大。其中，在1970—2000年還存在17 a左右的小周期。

圖2　1961-2012年石河子地區(qū)ET0M-K突變檢驗

2.3參考作物蒸散量敏感系數(shù)及引起參考作物蒸散量變化的主導氣象因子

各氣象要素的敏感系數(shù)反映了氣象要素對ET0年內變化的靈敏程度，其絕對值越大表示ET0對相應氣象要素的變化越敏感，相關系數(shù)則表示了各氣象要素與ET0的年際變化的一致性，相關系數(shù)絕對值大小表示ET0與相應氣象要素年際變化同步程度，結合敏感系數(shù)和相關系數(shù)分析結果，可得到各氣象要素對ET0變化的影響程度和主要影響區(qū)域。

圖3　石河子年ET0小波分析

不同時段各氣象要素的敏感系數(shù)(SVi)、相對變化(RCVi)、貢獻率(ConVi)都對ET0的發(fā)展有所不同。突變前后和全時段，ET0對最低氣溫最敏感，而在突變前，ET0對日照時數(shù)最敏感，突變后，ET0對年平均氣溫也較為敏感。

不同時段相對濕度的敏感系數(shù)均為負值(表2)，其他各要素在整個時段內，從敏感系數(shù)絕對值大小可看出，ET0對最低氣溫變化最敏感，其他各要素表現(xiàn)不同。日照時數(shù)次之，再其次為最高氣溫、平均氣溫、相對風速。雖然全時段平均氣溫的敏感系數(shù)較小，但其多年相對變化達較大，導致了ET0達到0.185%的變化貢獻，成為1961—2012年ET0增大的最大貢獻要素，其次是相對濕度，雖然日照時數(shù)的敏感系數(shù)絕對值最大，但其多年相對變化僅為-0.048%，僅對ET0產生了-0.118%的負貢獻，突變增大趨勢不明顯。從ET0突變后各氣象要素貢獻對比來看，最高氣溫的敏感系數(shù)相比其他因素小，多年相對變化也較小，但其對ET0的貢獻最大呈正貢獻，達到突變增加趨勢。其次是相對濕度。

表2　1961-2012年石河子地區(qū)氣象要素敏感系數(shù)、相對變化率和貢獻率

由于ET0突變后相對風速增加趨勢變小引起對ET0的負貢獻明顯減小，而相對濕度的顯著增加、最高最低氣溫的顯著升高引起對ET0的正貢獻明顯增加，雖然日照時數(shù)的極顯著減少在一定程度上削弱了由其他要素引起ET0的正貢獻，但ET0突變后仍呈增加的變化趨勢。

通過比較各氣象要素對ET0變化貢獻的絕對值，可判斷出引起ET0變化的主導因子。

石河子地區(qū)大多數(shù)站相對風速的減小和所有站日照時數(shù)減少對ET0的變化為負貢獻，平均分別為-0.005，-0.118；幾乎所有站的最高最低氣溫的減小對ET0變化為負貢獻，平均分別為-0.084，-3.051；相對濕度的貢獻則區(qū)域差異明顯且正貢獻，達到0.025 mm/a。相對風速和日照時數(shù)的增加是導致ET0增加的主導因子，而其他要素的變化則引起ET0的減小，但增加貢獻遠大于減少貢獻，整體表現(xiàn)為ET0增加的變化趨勢，導致ET0增加的首要因子是平均氣溫。

3　討論與結論

3.1討 論

隨著全球氣候的變化，許多學者開始探討ET0變化的原因，如吳文玉等[11]認為安徽省相對濕度對氣候傾向率及相關性等分析方法可以從定性角度得出ET0的變化與不同氣象要素變化的關聯(lián)性，但并不能客觀定量地衡量氣象要素變化導致的ET0的變化，即氣象要素變化對ET0的變化貢獻。本文將敏感性分析和氣象要素的相對變化結合起來，從而得到氣象要素變化對ET0變化的定量結果，可以全面地理解氣象要素對ET0變化的貢獻和響應。結合研究得出，從敏感系數(shù)絕對值大小可看出，ET0對最低氣溫變化最敏感，其他各要素表現(xiàn)不同。日照時數(shù)次之。在整個年段內，平均氣溫的貢獻率最大，其次是日照時數(shù)。參考作物蒸散量是表征大氣蒸散能力，評價氣候干旱程度，植被耗水量的重要指標。能否有效真實反映某地區(qū)氣候干旱程度還有待進一步研究。因為氣候條件受各種氣象因素之間復雜的相互影響作用。在本研究中，石河子地區(qū)與新疆的參考作物蒸散量相比增加趨勢明顯[17]，并于2011年發(fā)生突變達到顯著性水平。并對增加作物需水量和降低農田以及自然植被蒸散量，降低地表干燥度，改善石河子地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境都具有重要意義。

張山清[17]、普宗朝[18]等研究表明新疆潛在蒸散量以增勢為主，但天山和阿勒泰山中高山帶的局部區(qū)域年參考作物蒸散量以0.5～3 mm/a的傾向率略有增大，這與本文的研究結果是一致的。ET0增加會引起區(qū)域水分匱缺的加大，可能導致區(qū)域干旱加劇，但吳燕鋒等[19-20]研究表明石河子干旱在有所緩解。這是因為，石河子降水量增勢強于潛在蒸散量的增勢(圖2)，降蒸差在逐漸縮小。

3.2結 論

(1)近52年來，石河子地區(qū)ET0平均以1.194 mm/a的趨勢增加，1991年之后增加趨勢最顯著，在2004年前后ET0發(fā)生突變，突變后有明顯的增加趨勢。

(2)日照時數(shù)對ET0的變化敏感性最高，但其多年相對變化不大，使其成為負貢獻。其次是最低氣溫、最高氣溫、平均氣溫、相對濕度、相對風速。但相對風速和相對濕度多年相對變化分別達-0.141%，-0.031%的減小幅度，使得相對濕度成為石河子地區(qū)ET0變化貢獻最大的氣象要素，平均氣溫次之，最高氣溫貢獻最低。

(3)石河子地區(qū)，相對濕度和平均氣溫對ET0變化為正貢獻，且平均氣溫的正貢獻最大，達到0.185 mm/a；最高氣溫、最低氣溫對ET0變化為負貢獻，對ET0的影響貢獻相對不大，相對風速和日照時數(shù)都表現(xiàn)為負貢獻。

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Correlation Analysis of Potential Evapotranspiration and Key Climatic Factors in Shihezi City

LUO Nana,Batur·Bake,WU Yanfeng

(College of Grassland and Environmental Science,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China)

Based on data obtained from four meteorological stations during the period from 1961 to 2012 in Shihezi City,the reference evapotranspiration (ET0)was calculated using Penman-Monteith model recommended by FAO.Then,the contribution of meteorological factors to ET0was investigated by sensitive analysis and contribution analysis.The results showed that average of ET0presented increasing trend (1.19 mm/a)during the past 52 years and mutated in 2004 in Shihezi City.The meteorological factors have different sensitivity coefficients and contribution rates to variability of ET0.Among which,the contribution rate of average temperature is low,but sensitivity coefficients are the highest.Change in the average temperature becomes the largest contribution to ET0.The sensitivity coefficients and contribution rate presented some differences before and after the mutation of meteorological factors.Contributions of the maximum temperature and the minimum temperature are relatively great after mutations,but the sensitivity coefficients are low,the average temperature as the leading factor increased significantly.The average temperature is the driving force of the variability of ET0,especially more significant after mutation.

reference crop evapotranspiration; Penman-Monteith; sensitivity analysis; contribution analysis

2015-11-03

2015-11-16

國家國際科技合作計劃項目(2010DFA92720-13);2014年度新疆研究生科研創(chuàng)新項目(XJGRI2014079);新疆維吾爾自治區(qū)土壤學重點學科

羅那那(1989—),女,甘肅天水人,碩士研究生,研究方向為干旱區(qū)生態(tài)與環(huán)境。E-mail:luonan27@163.com

巴特爾·巴克(1973—),男(維吾爾族),新疆莎車縣人,博士,教授,主要從事干旱區(qū)生態(tài)與環(huán)境研究。E-mail:bateerbake@163.com

S161.4; S311

A

1005-3409(2016)05-0251-05