瑪河灌區(qū)參考作物蒸發(fā)蒸騰量時空分布特征與成因分析

王萌萌，呂廷波，何新林，辛明亮，曹玉斌

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點實驗室，新疆 石河子 832000)

0 引 言

全球氣候變暖，地表蒸散發(fā)速率發(fā)生改變，導(dǎo)致水資源出現(xiàn)再分配，從而對全球水分和能量循環(huán)產(chǎn)生重大影響，因此研究全球變暖情景下蒸散發(fā)時空分布是非常必要的[1,2]。參考作物蒸發(fā)蒸騰量是計算實際蒸發(fā)蒸騰量的重要參數(shù)，是研究水文循環(huán)的重要組成部分，是地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展、水資源持續(xù)利用的重要依據(jù)。近幾十年來，眾多學(xué)者針對不同研究區(qū)域的蒸散進(jìn)行相關(guān)研究并得到了研究成果，李祿等人通過長系列資料分析得出太子流域近45年ET0呈緩慢下降趨勢，日照時數(shù)是其影響主要因素[3]；楊永紅等人根據(jù)資料對ET0進(jìn)行日變化、月變化及年變化的分析，得到西藏高原區(qū)ET0空間分布規(guī)律[4]；牛凱杰、岳元、馮禹、宋悅等人也進(jìn)行了不同區(qū)域ET0的時間、空間變化特征，影響因素分析的相關(guān)研究[5-10]。

西北干旱區(qū)屬于大陸性氣候，干燥少雨，綠洲面積僅占9 %，自然再生能力低，對水資源具有高度的依賴性。王小靜等人通過對西北旱區(qū)的ET0變化趨勢進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)ET0發(fā)生了重要的改變，此改變可能加劇該區(qū)的水資源短缺等狀況，影響到該西北地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展[11]?，敽庸鄥^(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)天山北麓瑪納斯河沖積平原上的大型灌區(qū)，灌區(qū)水資源的科學(xué)配置及合理利用直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。本文基于瑪河灌區(qū)內(nèi)的23個自動氣象站2011-2014逐日氣象資料和國家級氣象站石河子站1959-2014年的逐日氣象資料計算該灌區(qū)的ET0，并運用了小波分析、Krging插值法及偏相關(guān)分析法分析了該灌區(qū)ET0時空變化特征，各氣象要素對ET0的影響程度，以期為該灌區(qū)水資源的合理規(guī)劃提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 灌區(qū)概況及相關(guān)氣象資料

瑪納斯河流域中游平原灌區(qū)(簡稱瑪河灌區(qū))位于新疆天山北麓的準(zhǔn)噶爾盆地南緣，介于85°00'E～86°32'E，44°10'N～45°14'N，灌區(qū)面積約8.40×103km2，年降水量110～200 mm，年蒸發(fā)量1 500～2 000 mm，日照2 550～3 100 h，無霜期148～187 d，是典型的干旱大陸性氣候。地形南高北低，包括莫索灣灌區(qū)、新湖總場灌區(qū)、石河子灌區(qū)、金溝河灌區(qū)、安集海灌區(qū)、瑪納斯灌區(qū)及下野地灌區(qū)七個灌區(qū)。研究所用的氣象資料是瑪河灌區(qū)內(nèi)的23個自動氣象站2011-2014逐日氣象資料和國家級氣象站石河子站1959-2014年的逐日氣象資料，主要指標(biāo)包括：日最高氣溫(Tmax)、日最低氣溫(Tmin)、日平均氣溫(Tmean)、平均風(fēng)速(U)、相對濕度(RH)、日照時數(shù)(h)等。

圖1 研究區(qū)范圍及氣象站點分布圖

1.2 研究方法

1.2.1 參考作物蒸發(fā)蒸騰量的計算

采用FAO灌溉排水叢書第56分冊推薦的Penman-Monteith公式計算ET0，公式形式如下：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Rn為植被表面凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率，kPa/℃，γ為濕度計常數(shù)，kPa/℃；T為空氣平均溫度，℃；u2為在地面以上2 m高處的風(fēng)速，m/s；es為空氣飽和水汽壓，kPa；ea為空氣實際水汽壓，kPa。

1.2.2 小波分析

文中采用Morlet復(fù)值小波對ET0進(jìn)行小波變換得到關(guān)于時間序列變化的小波特征，能夠直觀的描述出ET0隨時間的變化狀況。不同時間尺度下的小波系數(shù)可以反映系統(tǒng)在該時間尺度下的演變特征和突變特征：正的小波系數(shù)對應(yīng)研究對象的偏高期，負(fù)的小波系數(shù)對應(yīng)偏低期。

1.2.3 偏相關(guān)分析

偏相關(guān)分析是在對其他變量的影響進(jìn)行控制，衡量多個變量中某兩個變量之間的內(nèi)在線性關(guān)系[12]。兩個變量之間的高度相關(guān)并一定就是變量本身內(nèi)在決定的聯(lián)系，偏相關(guān)分析能夠更合理更可靠的描述兩個變量之間的關(guān)系。偏相關(guān)系數(shù)的絕對值越大，越接近1說明兩個變量之間的相關(guān)程度愈高，反之相關(guān)程度愈低。

1.2.4 Kriging插值

Kriging插值是根據(jù)待插值點與鄰近實測空間位置，對待插值點的空間值進(jìn)行無偏最優(yōu)估計[13]。它能將預(yù)測誤差最小化，將預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)誤差與預(yù)測值之間的不確定性進(jìn)行了量化。Kriging插值法針對不同研究區(qū)域及尺度可選擇不同類型，本文采用的是經(jīng)驗貝葉斯Kriging值法。

2 結(jié)果與分析

2.1 瑪河灌區(qū)ET0時空變化分析

2.1.1 瑪河灌區(qū)ET0空間變化分析

為了揭示瑪河灌區(qū)內(nèi)ET0空間分布特征，根據(jù)灌區(qū)內(nèi)的24個氣象站2011-2014的氣象資料計算的數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.1經(jīng)驗貝葉斯Kriging法插值繪制了全灌區(qū)ET0分布圖。

從圖2可知，ET0總體特征為從西南向東北呈遞增趨勢。其中灌區(qū)內(nèi)存在一個明顯高值區(qū)域和一個低值中心，高值區(qū)位于東北方向邊界處的莫索灣灌區(qū)及新湖總場灌區(qū)，年ET0均值均達(dá)到983 mm以上；低值中心位于西南方向的下野地灌區(qū)和安集海灌區(qū)交界處，年ET0均未超過950 mm。在瑪河灌區(qū)，ET0受地形起伏影響，地形由南向北海拔逐漸降低相應(yīng)的ET0呈現(xiàn)南低北高規(guī)律。莫索灣灌區(qū)及下野地灌區(qū)平均海拔較低，靠近古爾班通古特沙漠，其平均溫度較高，在6.9～9.1 ℃之間，為蒸發(fā)蒸騰提供了良好的地理環(huán)境，是該區(qū)域ET0較大的主要原因，金溝河灌區(qū)及石河子灌區(qū)平均海拔較高，靠近天山山脈其溫度較低，在5.9～7.3 ℃之間，故其該區(qū)域年ET0較小。

2011-2014全灌區(qū)ET0的年平均值為972 mm，介于913.99(132團(tuán))～1 024.92 mm(莫索灣)之間，ET0存在一定的空間差異，最大值與最小值的比約為1.12，變異系數(shù)為0.07，屬于弱變異。就整個灌區(qū)而言，灌區(qū)大部分的ET0介于945.32～970.54 mm之間。

圖2 瑪納斯河灌區(qū)年ET0均值空間分布

2.1.2 瑪河灌區(qū)ET0時間變化特征分析

對1959-2014年的ET0進(jìn)行趨勢分析：近56年來，瑪河灌區(qū)ET0隨時變化呈增加的趨勢增加速率為0.51 mm/a，ET0年最大、最小值出現(xiàn)在1962年和1984年，分別為1 025.50 mm和813.42 mm；灌區(qū)ET0在20世紀(jì)70-90年代呈下降趨勢，在1990年以后呈上升趨勢(圖3)。

圖3 ET0距平和累計距平曲線

在年際變化上，ET0各年代距平均值先減后增。20世紀(jì)80年代負(fù)距平達(dá)到最大，說明該時段為ET0最小的10年；2010-2014年正距平達(dá)到最大，說明該時段可能是ET0最大的10年。從累計距平曲線3(b)得出灌區(qū)在20世紀(jì)80年代后期90年代初期發(fā)生一次較為明顯的突變，累計距平值達(dá)到了最小值，前期ET0相對較高，中期明顯降低，后期明顯升高，特別是90年代后上升趨勢更為明顯。

為了探究ET0隨時間的變化狀況，對其進(jìn)行Morlet小波復(fù)值分析，周期特征變化見圖4。從圖4(a)可以看出瑪河灌區(qū)不同時間尺度所對應(yīng)的ET0結(jié)構(gòu)也不同，在15～20 a時間尺度上石河子地區(qū)ET0振蕩周期非常明顯，期間經(jīng)歷了“少-多-少”的循環(huán)交替變換過程，直到2014年曲線沒有完全閉合，說明該地區(qū)ET0在2014年之后的一段時間將會是繼續(xù)增加。從圖4(b)可以看出在年ET0在16及41 a的時候取得峰值，以41 a為第一主震蕩周期預(yù)測瑪河灌區(qū)的ET0的變化，可知在2014年后瑪河灌區(qū)ET0處于偏高期。

圖4 1959-2014年ET0 Morlet小波變換及小波方差圖

2.2 ET0時空變化影響因素分析

2.2.1 ET0的空間變化影響因素分析

ET0是溫度、風(fēng)速、日照時數(shù)等各氣象要素的共同作用，且考慮到氣象資料的完整性，結(jié)合瑪河灌區(qū)地貌情況，根據(jù)氣象站點的高度、緯度等差異，從24個氣象站點中選取石河子站、烏蘭烏蘇站、炮臺站、莫索灣站、149團(tuán)站、142團(tuán)站6個代表站。利用SPSS 19.0軟件分析的偏相關(guān)分析分析瑪河灌區(qū)的6個站點逐日ET0與日最高氣溫(Tmax)、日最低氣溫(Tmin)、日平均氣溫(Tmean)、平均風(fēng)速(U)、相對濕度(RH)、日照時數(shù)(h) 6個氣象要素之間的關(guān)系。

由表1可以得出：6個氣象站點的逐日ET0與氣象因子的相關(guān)系數(shù)由高到低依次為日照時數(shù)、日最低氣溫、風(fēng)速、日最高氣溫、相對濕度、日平均氣溫；除日照時數(shù)與日最低氣溫與逐日ET0正相關(guān)，其余4個氣象要素與ET0相關(guān)關(guān)系有正有負(fù)。石河子站、莫索灣站、烏蘭烏蘇站的逐日ET0與日照時數(shù)通過了P=0.05 水平顯著性雙尾檢測；炮臺站逐日ET0與相對濕度、日照時數(shù)2個氣象要素通過了P=0.01水平顯著性雙尾檢測；149團(tuán)與142團(tuán)的逐日ET0分別與風(fēng)速和日最低氣溫達(dá)到了顯著性水平。

ET0空間分布呈現(xiàn)西南低東北高，考慮到高度及緯度原因，結(jié)合各代表站氣象要素與ET0的相關(guān)程度，可知靠近天山山脈灌區(qū)的西南方向的ET0主要是由最低氣溫及日照時數(shù)影響，而靠近沙漠灌區(qū)的東北方向ET0主要受日照時數(shù)及風(fēng)速影響。

表1 瑪河灌區(qū)6個站點逐日ET0與氣象要素的相關(guān)系數(shù)

注：**表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，*表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)(下同)。

2.2.2 ET0的時間變化影響因素分析

為了進(jìn)一步探討氣象要素對ET0時間變化的影響，基于石河子56年的長序列氣象資料，對年ET0與日最高氣溫(Tmax)、日最低氣溫(Tmin)、日平均氣溫(Tmean)、平均風(fēng)速(U)、相對濕度(RH)、日照時數(shù)(h)及降水量(P) 7個氣象要素進(jìn)行偏相關(guān)分析。

從分析表中的偏相關(guān)系數(shù)可以得出：①年ET0與氣象因子的相關(guān)系數(shù)關(guān)聯(lián)程度由高到低依次是風(fēng)速、日照時數(shù)、最低氣溫、相對濕度、平均氣溫、最高氣溫和降雨量；ET0與平均氣溫、相對濕度、降雨量呈負(fù)相關(guān)，與其他氣象因素呈正相關(guān)；ET0與最高氣溫、降雨量相關(guān)性不顯著，與其他氣象要素顯著性較高；②ET0與風(fēng)速相關(guān)性極強，與最低氣溫、日照時數(shù)、相對濕度相關(guān)性較好，與平均氣溫相關(guān)性較弱，與最高氣溫、降雨量相關(guān)性極弱。

造成近56年灌區(qū)ET0增加的原因主要是風(fēng)速，雖然最高氣溫、降雨量、平均氣溫在一定程度上影響ET0，但在該灌區(qū)影響并不顯著，這一結(jié)論與造成天山北坡ET0變化的主要原因保持了一致[14,15]。

表2 年ET0和各氣象要素偏相關(guān)分析分析表

3 結(jié)論與討論

(1)瑪河灌區(qū)ET0的年平均值為972 mm，空間分布受地形影響，ET0分布呈現(xiàn)西南較低、東北較高的分布規(guī)律。瑪河灌區(qū)位于天山北坡、毗鄰古爾班通古特沙漠南緣，地勢、地形存在差異，故溫度也存在差異，導(dǎo)致參考作物蒸發(fā)蒸騰量較低的地區(qū)分布在南部山前地區(qū)，較高的地區(qū)分布在北部沙漠邊緣。

(2)近56年ET0呈增加趨勢，增加速率為0.51 mm/a，1989年是正負(fù)距平的轉(zhuǎn)折點。該灌區(qū)年ET0在15～20 a時間尺度上振蕩周期非常明顯，經(jīng)歷了“少-多-少”的交替過程，通過第一主震蕩周期預(yù)測在2014年后該區(qū)的ET0仍處于偏高期。

(3)瑪河灌區(qū)ET0的空間存在變化原因主要與氣象要素有關(guān)，灌區(qū)西南部的ET0主要是由最低氣溫及日照時數(shù)影響，東北部的ET0主要受日照時數(shù)及風(fēng)速影響。近56年來，風(fēng)速是影響ET0變化的主要因素，最低氣溫、日照時數(shù)及相對濕度對ET0影響相對較弱。

瑪河灌區(qū)ET0下降主要是在20世紀(jì)70-90年代，其后開始增加，說明20世紀(jì)90年代前后ET0的變化存在差異，而這個時期西北干旱區(qū)的升溫正好開始停滯，因此在后續(xù)的研究中，可以從不同年代際ET0的變化特征及其影響因素進(jìn)行分析，客觀地分析該灌區(qū)ET0變化特征，為水資源的合理分配提供科學(xué)的依據(jù)，緩解未來水資源的短缺程度。

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