基于敏感系數(shù)的貢獻值法對參考作物騰發(fā)量變化的成因分析

金 冶

(遼寧省東港市水利勘測設計院， 遼寧 東港 118300)

基于敏感系數(shù)的貢獻值法對參考作物騰發(fā)量變化的成因分析

金 冶

(遼寧省東港市水利勘測設計院， 遼寧 東港 118300)

本文采用FAO Penman-Monteith公式對大連地區(qū)1970—2006年間的參考作物騰發(fā)量進行計算，分析了該地區(qū)近37年來ET0的變化成因及各氣象要素對ET0變化的貢獻值。結果表明：37年來，大連地區(qū)生長季ET0逐漸減少，年際ET0呈不明顯增加趨勢，從生長季來看，ET0對相對濕度的變化最敏感，太陽輻射是對ET0變化貢獻最大的因素，也是引起ET0變化的主要因素；而從年際來看，ET0對相對濕度的變化最敏感，盡管太陽輻射對ET0變化的貢獻值最大，但對ET0變化成因起主導作用的卻是相對濕度和平均溫度。

作物；騰發(fā)量；Penman-Monteith公式；貢獻值

在全球氣候變化的研究中，對于作為作物需水量關鍵因子的參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)研究的重要性日益增加[1]。探討ET0的變化規(guī)律及影響機制，對估測區(qū)域作物需水量、了解區(qū)域能量與水量平衡具有重要作用，同時也對灌區(qū)水資源的優(yōu)化管理、農田科學灌溉、農業(yè)旱情預警意義重大[2]。國際糧農組織(FAO)對ET0定義為：高度為0.12m，冠層阻力為70s/m，反射率為0.23的參考作物冠層的蒸散量，即參考作物生長旺盛，長勢一致，完全覆蓋地面且水分供應充足的開闊綠色草地的蒸散量，并且推薦Penman-Monteith公式作為計算ET0的標準公式[3]。

在全球氣候變化背景下，對ET0新變化趨勢及新成因變化的研究越來越受到廣大研究學者的注意。Peterson[4]和Chattopadhyay[5]等認為美國和印度等地區(qū)ET0下降的主要原因是北半球相對濕度的增加和輻射的減少。尹云鶴[6]等對我國ET0的研究表明：太陽輻射和風速減少時導致了ET0下降。曾麗紅等[7]發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)ET0受氣溫變化影響最大。以上研究為解釋ET0的變化成因奠定了理論基礎，由于影響因素較多，單一因素或者不同因素耦合情況對ET0的影響也不盡相同，而且當今變化的氣候、不同的區(qū)域位置也影響了對ET0成因的研究，因此，就年際和空間而言，對ET0變化成因進行分析仍是亟待研究的問題。本文基于大連地區(qū)7個氣象站1970—2006年逐日氣象觀測資料，分析了該地區(qū)ET0的變化成因及各氣象要素對ET0變化的貢獻值，以期為ET0變化成因的探討提供新的思路。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大連市位于中國遼寧省的最南端，瀕臨渤海和黃海，介于東經120°58′～123°31′、北緯38°43′～40°10′之間，全市面積達12574km2。大連市位于北半球的暖溫帶地區(qū)，具有海洋性特點的暖溫帶大陸性季風氣候，是東北最溫暖的地區(qū)，冬無嚴寒，夏無酷暑，四季分明。年平均氣溫10.5℃，極端氣溫最高37.8℃，最低-19.13℃。 年降水量550～950mm，60%～70%的降水集中于夏季，多暴雨，且夜雨多于日雨。研究區(qū)氣象站基本情況見表1。

表1 氣象站基本情況

1.2 Penman-Monteith公式

大連地區(qū)有7個國家標準氣象站，本文借助這些氣象站近37年(1970—2006年)的實測氣象資料，選用FAO推薦的Penman-Monteith公式計算逐日ET0，表達式如下[8]：

(1)

式中ET0——參考作物騰發(fā)量，mm/d；Δ——溫度隨飽和水汽壓變化的斜率，kPa/℃；Rn——凈輻射，MJ/(m2·d)；G——土壤熱通量密度，MJ/(m2·d)，相對于Rn取值很小，尤其是在植被覆蓋、計算步長等于或接近于1天的情況下，取值忽略為0；

γ——干濕表常數(shù)；

T——日平均氣溫，℃；

U2——2m高處風速，m/s，可由10m高處風速換算得到[9-10]；

es——飽和水汽壓，kPa；

ea——是實際水汽壓，kPa。

1.3 敏感性分析和貢獻值

敏感性分析是定量描述多變化因素對另一個因素變量影響程度的分析方法。本文基于偏導數(shù)計算大連地區(qū)ET0對各氣象要素的敏感性系數(shù)，其有關偏導數(shù)敏感性分析法的理論參見文獻[11]。

敏感系數(shù)的大小可以表明氣象要素的改變引起ET0變化的程度，而基于敏感系數(shù)的貢獻值可以表示不同時間尺度下該要素的變化對ET0變化的貢獻水平[12]。計算公式如下：

Convi=Svi·RCvi

(2)

(3)

式中 Convi——氣象因子vi對ET0變化的貢獻；S——ET0對vi的敏感系數(shù); RC——vi的多年相對變化量，可由式(3)計算得到；

Trend，av——研究時段內(本文是37年)vi的變化率和平均值，變化率Trend用趨勢分析法[13]計算得到。

將各氣象要素的貢獻值累加后就得到對ET0變化的總貢獻，公式為

ConET0=ConT+ConRh+ConUZ+ConRS

(4)

式(4)表示4個氣象因子共同作用引起的ET0變化，也稱為ET0的估計變化。分別代表溫度、相對濕度、風速和太陽輻射對ET0變化的貢獻。

2 結果與分析

2.1 ET0生長季(5—9月)變化特征及成因分析

下圖是不同氣象因子與ET0的逐年變化情況。從中不難發(fā)現(xiàn)，多因素耦合結果導致了大連地區(qū)ET0略微下降的趨勢。具體影響因子的變化情況為：大連地區(qū)近些年作物生長期內平均溫度具有上升趨勢，但是其他三個影響因子的平均值均出現(xiàn)了不同程度的下降。全球氣候變化條件下，雖然大連地區(qū)在作物生長季內出現(xiàn)了變暖的趨勢，但是綜合濕度、風速及太陽輻射下降的情況，ET0并未出現(xiàn)明顯的變化。

大連地區(qū)生長季各氣象要素及ET0的變化特征圖

表2 大連地區(qū)生長季各氣象要素的敏感系數(shù)、多年相對變化量及對ET0變化的貢獻

多位學者認為在不同地區(qū)及不同氣候背景條件下，各氣象影響因子對ET0的敏感性是不同的[10,11,14]。由表2可知，在大連地區(qū)，對ET0呈現(xiàn)正敏感性的變化因子為平均溫度、風速及太陽輻射。而對ET0呈現(xiàn)負敏感性的變化因子為相對濕度。以敏感系數(shù)的絕對值作為變化敏感性的大小依據(jù)可得，對ET0敏感性最強的變化因子為相對濕度，敏感性最弱的變化因子為風速。

分析表2可知，相對濕度是大連地區(qū)對ET0變化最敏感的要素，但是對ET0影響貢獻值是最低的，這是由于37年來該要素自身變化趨勢其實并不明顯，表現(xiàn)為相對濕度最低的-0.039%的多年相對變化量僅產生了ET0- 0.046%的變化；而風速是研究區(qū)對ET0變化最不敏感的要素，但它高達-14.071%的多年相對變化幅度引起了ET0-1.018%的變化，使其對ET0變化的貢獻僅次于太陽輻射。平均溫度以0.306℃/10年的速率顯著上升，多年相對變化量為5.508%，因此對ET0變化敏感性及對貢獻也較小。太陽輻射自身變化趨勢明顯，敏感系數(shù)較高，因而它對ET0變化的貢獻最高。

2.2 ET0年際變化特征及成因分析

表3是大連地區(qū)ET0年際變化特征?？梢园l(fā)現(xiàn)，大連地區(qū)ET0對各氣象要素變化的敏感性由大到小依次為相對濕度、太陽輻射、風速、平均溫度。各氣象要素對ET0變化的貢獻由大到小依次為太陽輻射、風速、相對濕度、平均溫度。該地區(qū)ET0呈上升趨勢，此時平均溫度和相對濕度可能對ET0的變化影響最大。盡管平均溫度敏感系數(shù)不高，但其變化趨勢顯著，而相對濕度變化趨勢雖不明顯，但敏感系數(shù)較高，由此得出，敏感性分析法在判斷ET0變化的主導因素時存在局限性，應綜合因素敏感性與變化趨勢來分析。

表3 大連地區(qū)年際各氣象要素的敏感系數(shù)、多年相對變化量及對ET0變化的貢獻

4 結 論

本文根據(jù)7個氣象站的氣象資料分析了大連地區(qū)ET0的變化成因及貢獻值，結果表明：?生長季大連地區(qū)ET0逐漸減少，太陽輻射的變化是引起ET0變化的主要氣象因素，其對ET0變化的貢獻值高達-4.020%；?從年際變化趨勢看，大連地區(qū)ET0有不明顯增加趨勢，盡管太陽輻射對ET0變化的貢獻值最高，但ET0的這種變化主要受相對濕度和平均溫度的影響。單獨的敏感性分析或貢獻值分析在判斷ET0變化的主導因素時存在一定的局限性，結合分析方法與因素變化趨勢才能更合理地解釋ET0變化趨勢的成因。

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Analysis on evapotranspiration change causes of reference crops based on contribution value method of sensitive coefficient

JIN Ye

(Liaoning Donggang Water Conservancy Survey and Design Institute, Donggang 118300, China)

FAO Penman-Monteith formula is applied to calculate evapotranspiration of reference crops in Dalian from 1970 to 2006 in the paper. ET0change causes and the contribution values of all meteorological elements on ET0changes in the region within recent 37 years are analyzed. The results showed that: growing season ET0is reduced gradually in Dalian, and interannual ET0shows insignificant increase trend within recent 37 years. ET0is most sensitive to the change of relative humidity, solar radiation is a factor with the highest contribution to ET0change, and it is also a main factor to cause ET0change from the perspective of growing season. However, ET0is most sensitive to the change of relative humidity from the interannual perspective. Relative humidity and average temperature play leading role to the cause of ET0changes through solar radiation has the highest contribution value to ET0change.

crops; evapotranspiration; Penman Monteith formula; contribution value

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.06.011

TV213.9

A

2096- 0131(2016)06- 0033- 04