艾比湖流域潛在蒸散量時(shí)空變化特征

秦 鵬，劉 強(qiáng)

(新疆頭屯河流域管理局水利管理中心，新疆 昌吉 831100)

潛在蒸散量(Evapotranspiration，ET0)在地表水循環(huán)和全球能量平衡中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其時(shí)空演變特征是表征水文資源和生態(tài)環(huán)境對(duì)全球變化的響應(yīng)的重要指標(biāo)[1]。在我國(guó)干旱半干旱區(qū)，水資源極為短缺，由此而引起的干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們生活有很大影響[2,3]。潛在蒸散量的評(píng)估對(duì)于提高水資源的規(guī)劃、管理水平和水分利用效率至關(guān)重要[4]。由于對(duì)于蒸散量的實(shí)測(cè)較為困難，目前學(xué)者們基于聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith(P-M)對(duì)潛在蒸散量及其對(duì)生態(tài)環(huán)境演變的影響等開(kāi)展了大量的研究[5,6]。

過(guò)去百年全球氣溫顯著增加，這將可能引起全球潛在蒸散量的增加[7]。然而，前人研究中卻表明全球變暖趨勢(shì)下潛在蒸散量的變化具有空間異質(zhì)性，既有增加趨勢(shì)也有減少趨勢(shì)，從而引發(fā)了廣泛討論[8,9]。由于潛在蒸散量的復(fù)雜性和不確定性，以及與氣候因子極為復(fù)雜的非線性關(guān)系，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于敏感分析、相關(guān)分析等對(duì)潛在蒸散量與氣候因子的關(guān)系也開(kāi)展了大量研究[10,11]。作為對(duì)氣候變化極為敏感的我國(guó)西北地區(qū)，暖濕化趨勢(shì)下潛在蒸散量整體呈顯著的減少趨勢(shì)[10,12]。然而，自然地理環(huán)境具有空間異質(zhì)性，在全球變化背景下艾比湖流域氣溫和降水呈增加趨勢(shì)、平均風(fēng)速呈減少趨勢(shì)[13-15]，氣象要素的改變會(huì)引起潛在蒸散量的變化進(jìn)而引起區(qū)域水熱資源的分配和需求等的改變[16,17]。

艾比湖流域位于我國(guó)西北內(nèi)陸，總面積為5.06 萬(wàn)km2。由于深居內(nèi)陸，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，以及不合理的水資源利用方式，導(dǎo)致流域荒漠化程度加劇，成為中國(guó)西部沙塵暴主要策源地之一，直接威脅到天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的可持續(xù)發(fā)展和新亞歐大陸橋的安全運(yùn)行。而潛在蒸散量的演變對(duì)于流域干濕演變尤其是對(duì)生態(tài)環(huán)境的演變有重要的影響，探究氣候變化下艾比湖流域潛在蒸散量的變化及其與氣象因子的關(guān)系有重要意義。而目前對(duì)于艾比湖流域潛在蒸散量的研究較少，且都是在大尺度基礎(chǔ)上的研究且不深入，尤其是對(duì)其氣候要素的成因分析報(bào)道較少[10,12, 20]；另外，艾比湖流域?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)具有獨(dú)特性。因此，有必要探究氣候變化下艾比湖流域潛在蒸散量的變化特征。本文基于艾比湖流域10個(gè)氣象站1961-2012年的氣象資料，探究潛在蒸散量的時(shí)空演變特征及其與氣象因子的相關(guān)性，從而為氣候變化下干旱半干旱區(qū)干濕演變特征及區(qū)域水資源管理提供理論參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

利用1961-2012年的艾比湖流域內(nèi)博樂(lè)、溫泉、精河、阿拉山口、烏蘇等10個(gè)氣象站點(diǎn)平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速等氣候資料以及各站的海拔高度、經(jīng)度和緯度等地理信息，進(jìn)行參考作物蒸散量的計(jì)算及其時(shí)空變化特征的研究。研究區(qū)域和所選站點(diǎn)分布情況見(jiàn)圖1。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)。行政區(qū)劃和DEM高程數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。

圖1 艾比湖流域氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of meteorological stations over the Ebinur Lake Basin

1.2 研究方法

1.2.1 潛在蒸散量的計(jì)算

利用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith 公式[18]計(jì)算流域潛在蒸散量:

(1)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/d；Rn為冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；Δ為飽和水氣壓曲線在氣溫為T時(shí)的斜率，kPa/℃；T為日平均氣溫，℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃；U2為距地面2 m 處的風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa。

Penman-Monteith 公式由兩項(xiàng)組成：一是由輻射平衡引起的輻射項(xiàng)；二是由氣溫、風(fēng)速和水汽壓等引起的空氣動(dòng)力項(xiàng)[9-11,17,18]。利用公式(1)計(jì)算逐日、逐月、季節(jié)和全年的參考作物蒸散量ET0。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析方法

基于趨勢(shì)分析法和Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法[10,17]對(duì)年和四季的潛在蒸散量的變化趨勢(shì)進(jìn)行探究；運(yùn)用貢獻(xiàn)分析[10]和Person相關(guān)分析探究潛在蒸散量與氣象因子的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 潛在蒸散量年和四季變化特征

過(guò)去52 a年潛在蒸散量均值為895.53 mm，其中四季潛在蒸散量均值分別255.78、435.88、174.01和29.87 mm，這表明夏季潛在蒸散量對(duì)全年潛在蒸散量貢獻(xiàn)最大。變化趨勢(shì)上，年[見(jiàn)圖2(a)]、春季[見(jiàn)圖2(b)]、夏季[見(jiàn)圖2(c)]和秋季[見(jiàn)圖2(d)]的潛在蒸散量呈明顯的增加趨勢(shì)，其中年潛在蒸散量增勢(shì)為0.93 mm/a；四季中春季和夏季的潛在蒸散量年際變化特征與年潛在蒸散量較相似，都在20世紀(jì)60年代呈波動(dòng)減少的變化特征，在20世紀(jì)70-90年代波動(dòng)較大，在2001-2012年呈明顯的增加趨勢(shì)。秋季潛在蒸散量在研究時(shí)段波動(dòng)較小，其變幅為147.60～196.03 mm。春季增勢(shì)最為明顯(0.53 mm/a)，其次為夏季和秋季(0.37和0.11 mm/a)。冬季潛在蒸散量[見(jiàn)圖2(e)]則呈輕微減少趨勢(shì)，其變率為-0.08 mm/a。

2.2 潛在蒸散量年代變化特征

年代ET0距平值可以看出，自20世紀(jì)60-90年代ET0逐漸減少，在90年代達(dá)到年代最?。?0年代及其以后ET0又逐漸增大，在2000-2012年ET0最大。空間變化上，20世紀(jì)60年代ET0整體相對(duì)較小，20世紀(jì)70年代北部的裕民和托里以及南部的新源ET0有所增加，中部的溫泉-博樂(lè)-精河一帶ET0明顯減少；20世紀(jì)80年代全流域ET0都明顯減少，其中阿拉山口減少最為明顯；20世紀(jì)90年代ET0比80年代ET0有所增加，南部ET0增加明顯，北部則ET0有所減少；2000-2013年，流域ET0增加明顯，且增幅較大，中西部和西部的增幅大于南部和北部(見(jiàn)圖3)。

圖2 艾比湖流域1961-2012年和四季ET0時(shí)間變化特征Fig.2 Variation of annual and seasonal ET0 from 1961 to 2012 in Ebinur Lake Basin

2.3 潛在蒸散量空間變化特征

過(guò)去52 a，艾比湖流域年均ET0空間分布[見(jiàn)圖4(a)]總體表現(xiàn)為北部大于南部，流域ET0平均值為895.54 mm。北部的托里和中西部的博樂(lè)年均ET0較大；在中南部，ET0自北向南逐漸減少。流域年ET0的在空間上都呈增加趨勢(shì)[見(jiàn)圖4(b)]，其中在溫泉-博樂(lè)-精河-烏蘇一線增勢(shì)最為明顯，在流域的南部和北部變率較小，但在新源、裕民和托里的增勢(shì)達(dá)到顯著水平；其中，鞏留和新源ET0最小且增勢(shì)最弱，總體而言，該流域ET0較大的地區(qū)增勢(shì)較為明顯，ET0較小的地區(qū)略有增勢(shì)。春季[見(jiàn)圖4(c)和圖4(d)]、夏季[見(jiàn)圖4(e)和圖4(f)]和秋季[見(jiàn)圖4(g)和圖4(h)]的ET0的空間分布和變化趨勢(shì)與年ET0大致相似，且北部和西南部增勢(shì)都達(dá)到顯著水平，這表明春季、夏季和秋季的ET0空間分布和變化趨勢(shì)對(duì)年ET0的空間分布和變化趨勢(shì)有較大的貢獻(xiàn)和一致性。冬季ET0的空間分布[見(jiàn)圖4(i)]和變化趨勢(shì)[見(jiàn)圖4(j)]有明顯的東西差異性，大致呈現(xiàn)自西向東逐漸減少的趨勢(shì)；其中溫泉和博樂(lè)冬季的ET0較大，東部的烏蘇和東北部的托里的ET0較小。變化趨勢(shì)上，冬季ET0在空間上都呈減少趨勢(shì)，北部的裕民和托里以及南部的鞏留形成最弱減勢(shì)中心，東部的烏蘇和西部的溫泉形成最強(qiáng)減勢(shì)中心；裕民、托里、博樂(lè)、鞏留和新源的ET0減勢(shì)達(dá)到顯著水平。

圖3 20世紀(jì)60-90年代和2001-2012年變化特征Fig.3 Variation of the departures of ET0 during the 1960s, 1970s, 1980s, 1990s and years from 2000 to 2012

2.4 潛在蒸散量的突變分析和小波分析

注：三角形表示變化趨勢(shì)達(dá)到0.05顯著水平，圓點(diǎn)則表示變化趨勢(shì)未達(dá)到顯著水平。圖4 艾比湖流域1961-2012年和四季ET0空間變化特征Fig.4 Spatial distribution of annual and seasonal ET0 from 1961 to 2012 in Ebinur Lake Basin

為進(jìn)一步探究潛在蒸散量的時(shí)間變化特征，對(duì)其進(jìn)行突變分析和周期分析。圖5(a)中UF為蒸散量的Mann-Kendall 順序統(tǒng)計(jì)曲線，UB為逆序統(tǒng)計(jì)曲線。UF和UB在1987年交叉并在2000年穩(wěn)定突破1.96顯著水平線，且其Z值為2.09，這表明年ET0在1987年發(fā)生增加突變，在2000年達(dá)到顯著水平。Morlet小波分析可以看出年ET0存在16 a左右的周期；在16 a周期變化中經(jīng)歷了偏大-偏小-再偏大的變化過(guò)程。突變分析和小波分析表明年ET0在周期波動(dòng)中呈現(xiàn)先減少后顯著增加的變化特點(diǎn)。

圖5 年ET0的突變分析和小波分析Fig.5 Abrupt and wavelet analysis of annual ET0

3 潛在蒸散量的變化與氣象因子的關(guān)系

表1為過(guò)去52 a艾比湖流域氣象因子的變化趨勢(shì)及其在不同時(shí)段與ET0的關(guān)系。全時(shí)段上，日照時(shí)數(shù)、極端最高氣溫呈減少趨勢(shì)，極端最低氣溫、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速和平均氣溫呈增加趨勢(shì)，其中，極端最低氣溫增勢(shì)達(dá)到顯著水平；日照時(shí)數(shù)和平均氣溫與年ET0呈顯著的正相關(guān)，平均相對(duì)濕度與年ET0呈顯著的負(fù)相關(guān)；平均氣溫對(duì)ET0的增加貢獻(xiàn)最大，其次是平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)，極端最高氣溫和極端最低氣溫對(duì)ET0的貢獻(xiàn)較小。突變前后，極端最高氣溫和平均氣溫都呈增加趨勢(shì)，平均相對(duì)濕度和平均風(fēng)速都呈減少趨勢(shì)；極端最高氣溫從增加趨勢(shì)變?yōu)闇p少趨勢(shì)，而日照時(shí)數(shù)從減少趨勢(shì)變?yōu)樵黾于厔?shì)。平均氣溫突變前后的變化趨勢(shì)與全時(shí)段變化趨勢(shì)具有一致性，都呈增加趨勢(shì)，這表明艾比湖流域明顯的增溫趨勢(shì)；在全時(shí)段和突變前氣溫對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率都最大，分別為41.26%和32.39%，在突變后的貢獻(xiàn)率達(dá)到了15.21%，且在全時(shí)段和突變前后平均氣溫與ET0的相關(guān)性達(dá)到了極顯著水平，這表明艾比湖流域增溫對(duì)ET0增加趨勢(shì)貢獻(xiàn)最大。突變前，極端最低氣溫、平均相對(duì)濕度和平均氣溫與ET0相關(guān)性達(dá)到顯著水平，而在突變后，除極端最低氣溫與ET0呈不顯著的負(fù)相關(guān)，其他氣象因子與ET0的相關(guān)性都達(dá)到了顯著水平，這表明氣候變化下氣象因子與ET0關(guān)系更為密切，氣象因子的變化對(duì)區(qū)域干濕演變影響更明顯。

4 討 論

已有研究表明，新疆ET0整體呈減少趨勢(shì)，但局部地區(qū)仍呈增加趨勢(shì)[19,20]。本研究表明艾比湖流域ET0整體呈增加趨勢(shì)，僅僅在冬季存在減少趨勢(shì)，這是由于區(qū)域?qū)θ蜃兓捻憫?yīng)具有復(fù)雜性和差異性[21]。另外，艾比湖流域在1987年之前減少趨勢(shì)為主，在1987年后以增勢(shì)為主，且后期的增幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前期的減幅，導(dǎo)致整個(gè)研究時(shí)段ET0以增勢(shì)為主，這與曹雯[22]和王小靜[23]研究結(jié)果是一致的。

表1 氣象因子變化趨勢(shì)及其與ET0的關(guān)系Tab.1 Change trend of meteorological factors and its correlation with ET0

ET0對(duì)氣候變化的響應(yīng)主要體現(xiàn)在全球變化下氣候因子的變化進(jìn)而引起ET0的改變[10]。氣溫與區(qū)域ET0尤其是干濕變化密切相關(guān)[24,25]，艾比湖流域氣溫增勢(shì)明顯且對(duì)ET0的貢獻(xiàn)最大，氣溫在突變后增勢(shì)更明顯，這表明艾比湖流域ET0可能會(huì)繼續(xù)維持增加的趨勢(shì)。另外，平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和極端最低氣溫與氣象因子也有顯著相關(guān)性，這是因?yàn)镋T0的變化是氣候因子共同作用的結(jié)果。

在干旱半干旱區(qū)，由于降水量較少，ET0對(duì)于干旱狀況有很大的決定作用，ET0的變化會(huì)引起區(qū)域水熱資源的變化[1,2]。艾比湖流域湖濱地區(qū)荒漠化程度正逐漸加劇，春季、夏季和秋季ET0的增加一方面會(huì)增加流域農(nóng)業(yè)需水量，促使農(nóng)墾區(qū)增加灌溉，進(jìn)而造成艾比湖徑流減少，加速湖泊面積萎縮[26]；另一方面會(huì)進(jìn)一步加劇流域的干旱和荒漠化程度，使原本脆弱的生態(tài)環(huán)境更加惡化[27,28]。因此，有必要開(kāi)展保護(hù)生態(tài)環(huán)境，加強(qiáng)生態(tài)管理，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于FAO56 Penman-Monteith公式和10個(gè)氣象站的觀測(cè)資料對(duì)艾比湖流域ET0的時(shí)空演變特征及其與氣象因子的關(guān)系進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

(1) 艾比湖流域年、春季、夏季和秋季的ET0都呈增加趨勢(shì)，年ET0增勢(shì)為0.93 mm/a；四季中，夏季ET0最大，春季ET0增勢(shì)最明顯，冬季ET0呈減少趨勢(shì)。

(2) 艾比湖流域春季、夏季、秋季和年ET0空間分布總體都表現(xiàn)為北部大于南部，而冬季ET0在空間上自西向東逐漸減少。變化趨勢(shì)上，春季、夏季、秋季和年ET0都呈增加趨勢(shì)，且中部增勢(shì)強(qiáng)于南部和北部；冬季ET0呈減少趨勢(shì)，且中部減勢(shì)強(qiáng)于流域南部和北部。

(3) 年代變化上，20世紀(jì)60-80年代ET0空間上都呈減少趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代-21世紀(jì)初呈增加趨勢(shì)。其中80年代ET0最小， 2001-2012年ET0最大。年ET0在1987年發(fā)生增加突變并存在15 a左右的變化周期。

(4) 氣候因子與ET0的變化密切相關(guān)，但在突變前后存在差異；其中氣溫對(duì)ET0的影響最大。

基于氣象數(shù)據(jù)和Penman-Monteith 公式探究了艾比湖流域潛在蒸散量時(shí)空演變特征及其與氣候因子的關(guān)系。本研究?jī)H僅探究了潛在蒸散量的時(shí)空演變特征，氣候變化下區(qū)域水熱資源的變化不僅僅體現(xiàn)在蒸散量的改變，需要從流域多個(gè)要素綜合研究，明細(xì)流域水熱演變的機(jī)理。另外，在蒸散量成因分析上，本文僅僅進(jìn)行了初步分析，結(jié)合下墊面要素等進(jìn)一步開(kāi)展?jié)撛谡羯l(fā)的機(jī)理研究，這還有待進(jìn)一步研究。

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