1976～2015年邯鄲市潛在蒸散變化特征與影響因子分析

杜亮亮,高 晶,薛 敏,宋曉輝

(河北省邯鄲市氣象局，河北 邯鄲 056001)

1976～2015年邯鄲市潛在蒸散變化特征與影響因子分析

杜亮亮,高 晶,薛 敏,宋曉輝

(河北省邯鄲市氣象局，河北 邯鄲 056001)

為了揭示復(fù)雜自然地理?xiàng)l件下邯鄲市潛在蒸散變化的特征，利用1976～2015年邯鄲市16個(gè)觀測站逐日氣象資料，采用Penman-Monteith模型計(jì)算各氣象臺(tái)站的逐日潛在蒸散量，利用線性趨勢、相關(guān)系數(shù)、多項(xiàng)式擬合和Mann-Kendall等方法，分析了邯鄲市潛在蒸散變化特征，并運(yùn)用偏相關(guān)分析法，探討了影響潛在蒸散的主要?dú)庀笠?。結(jié)果表明：邯鄲市潛在蒸散呈北多南少分布；夏季潛在蒸散最多，其次為春季，冬季最少。近40年來，邯鄲市16個(gè)站點(diǎn)中除武安站外，潛在蒸散均呈減少趨勢，尤以東部平原地區(qū)突出，減少趨勢基本維持在30 mm/10 年；西部山區(qū)減少趨勢相對(duì)較弱。區(qū)域平均潛在蒸散在21世紀(jì)10年代初期有所增加，并維持在平均水平。年潛在蒸散突變年份為1985年，夏秋季潛在蒸散突變年份為1992年。影響年和夏秋季潛在蒸散的主要?dú)庀笠蜃訛槿照諘r(shí)數(shù)，影響春冬季潛在蒸散的氣象因子在西部山區(qū)主要為風(fēng)速，東部平原則主要為相對(duì)濕度。

潛在蒸散；氣候變化；Penman-Monteith方程；邯鄲市

0 引言

潛在蒸散是生態(tài)系統(tǒng)水分平衡及陸面水分平衡的主要組成部分，同時(shí)是評(píng)價(jià)氣候干濕程度、水庫設(shè)計(jì)、作物耗水和計(jì)算作物生產(chǎn)潛力的重要指標(biāo)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，潛在蒸散為制定作物灌溉制度和區(qū)域灌溉需水量計(jì)劃提供了基本依據(jù)，并起到指導(dǎo)合理灌溉和合理區(qū)劃水資源等重要作用[1-5]。

在全球氣候變暖及水資源供需矛盾日益突出的背景影響下，眾多學(xué)者采用Penman-Monteith模型對(duì)不同區(qū)域的潛在蒸散進(jìn)行了研究。黃會(huì)平等[5]研究發(fā)現(xiàn)近50年來中國各分區(qū)潛在蒸散均呈減少趨勢。劉圓等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在華北平原全區(qū)溫度顯著上升,日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速呈顯著下降的背景下，絕大部分站點(diǎn)參考作物蒸散量及構(gòu)成項(xiàng)呈顯著下降趨勢。李鵬飛等[7]研究發(fā)現(xiàn)京津冀地區(qū)近50年來潛在蒸散量都在減少，東南部減少得更快。李春強(qiáng)等[8-9]對(duì)河北省1965～1999年潛在蒸散進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)河北省春、夏、秋、冬四季和年的參考蒸散量序列變化呈顯著下降趨勢，影響河北省參考作物蒸散變化的主要因子是風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)。以上研究均從較大地區(qū)著手對(duì)潛在蒸散進(jìn)行了研究，能夠在一定程度上對(duì)小區(qū)域潛在蒸散提供參考依據(jù)，但是對(duì)小區(qū)域和特殊地理環(huán)境下的潛在蒸散變化規(guī)律研究較少。

邯鄲市地處河北省南部，西依太行，北望京津，位于晉冀魯豫4省區(qū)域中心和環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)腹心；地勢自西向東呈階梯狀下降，西部為中、低山丘陵地貌，東部為華北平原，地貌類型復(fù)雜多樣；主要栽培作物資源有小麥、玉米、稻谷、棉花、花生等，是中國主要的糧棉生產(chǎn)基地，素有“北方糧倉”、“冀南棉海”之稱[10]。近年來，由于黑龍港流域地下水超采、水位下降等嚴(yán)重情況，使得邯鄲市水資源緊缺。有關(guān)資料顯示，邯鄲市水資源總量約為16.7億m3，人均占有量191 m3，僅占全國人均水平的9%、全省人均水平的62%，是極度資源型缺水地區(qū)。為了揭示復(fù)雜自然地理?xiàng)l件下邯鄲市潛在蒸散變化的特征，本文在分析邯鄲市潛在蒸散變化特征的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討了全球氣候變暖背景下，潛在蒸散與主要?dú)庀笠蛩氐年P(guān)系。本研究內(nèi)容能夠?yàn)榭焖賹?shí)現(xiàn)分析旱澇演變趨勢提供一定參考依據(jù)，為當(dāng)?shù)睾侠韰^(qū)劃水資源、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展決策提供科學(xué)建議。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文選取來源于河北省氣象局整編的邯鄲市魏縣、館陶、雞澤、曲周等16個(gè)氣象站的1976～2015年逐日風(fēng)速、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度等觀測資料。這些臺(tái)站的具體位置如圖1所示。其中文中所指西部山區(qū)主要包括涉縣、武安、峰峰及磁縣西部等地；其它地區(qū)為東部平原地區(qū)。

1.2 方法介紹

首先，利用逐日氣象要素，采用FAO[11-12]推薦的Penman-Monteith模型計(jì)算各氣象臺(tái)站的逐日潛在蒸散量(ET0)，各系數(shù)均采用FAO-56中的推薦值。其次，計(jì)算了潛在蒸散的線性趨勢、相關(guān)系數(shù)、多項(xiàng)式擬合和Mann-Kendall(簡稱M-K)突變點(diǎn)等[13-17]，并對(duì)線性趨勢的回歸系數(shù)采用F分布函數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)相關(guān)系數(shù)的檢驗(yàn)采用t分布函數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。第三，采用具有只體現(xiàn)數(shù)據(jù)空間變化特點(diǎn)的普通克里金法，分析了潛在蒸散的空間分布特征；采用具有離插值點(diǎn)越近的樣本賦予的權(quán)重越大特點(diǎn)的反距離權(quán)重插值法[15-17]，分析了潛在蒸散的線性趨勢分布等；采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件提供的偏相關(guān)分析方法計(jì)算了潛在蒸散和各氣象要素的偏相關(guān)系數(shù)，分析了潛在蒸散的主要?dú)庀笥绊懸蜃覽1,18-19]。

2 結(jié)果與分析

2.1潛在蒸散變化趨勢與突變分析

2.1.1 潛在蒸散空間分布特征 從1976～2015年邯鄲市16個(gè)測站多年平均潛在蒸散的空間分布(圖2)中可看出，近40年年潛在蒸散主要呈北多南少分布。其中高值區(qū)位于邯鄲站(1106.7 mm)，其次為邱縣站(1080.5 mm)；低值區(qū)則主要位于西部山區(qū)及南部區(qū)域，最低值位于涉縣站(997.8 mm)，其次為磁縣站(1003.1 mm)。春季潛在蒸散的空間分布特征(圖2b)與全年潛在蒸散相似，邯鄲站潛在蒸散最多(357.0 mm)，其次為武安站(352.0 mm)；最小值中心則分布在南部的磁縣(314.0 mm)、臨漳(323.7 mm)、魏縣(318.4 mm)一帶。夏季潛在蒸散的空間分布整體呈西南少東北多特征(圖2c)；高值區(qū)仍位于邯鄲站(435.0 mm)，其次為肥鄉(xiāng)站(431.0 mm)、邱縣站(430.0 mm)；最低值位于涉縣站(391.7 mm)。秋季潛在蒸散的空間分布(圖2d)以邯鄲(209.5 mm)為中心向四周遞減，另一大值區(qū)則位于大名站(203.5 mm)；最小值位于涉縣站(185.2 mm)。冬季潛在蒸散的空間分布(圖2e)與秋季較為相似，以邯鄲站(105.2 mm)、武安站(105.1 mm)為中心向四周遞減；最小值則位于磁縣站及曲周站，均為89.7 mm。

通過分析全年及各季節(jié)潛在蒸散的空間分布特征可知，近40年夏季潛在蒸散最多，平均為417.3 mm,占全年的40.0%；其次為春季(333.2 mm)，占全年的31.9%；秋季(197.0 mm)占全年的18.9%；冬季最少(95.9 mm)，僅占全年的9.2%。16個(gè)站點(diǎn)中邯鄲站為高值中心，涉縣站及磁縣站則為相對(duì)低值區(qū)，呈現(xiàn)出以邯鄲站為中心向四周遞減的分布特征。

2.1.2 潛在蒸散量年際變化的空間分布 從1976～2015年邯鄲市16個(gè)測站潛在蒸散年際變化趨勢的空間分布(圖3)中發(fā)現(xiàn)，近40年邯鄲市的潛在蒸散除春季之外，基本都呈減少趨勢。

全年潛在蒸散減少趨勢呈東多西少分布，16個(gè)站中僅武安站全年潛在蒸散呈增加趨勢，且回歸系數(shù)通過了0.05的F檢驗(yàn)，其它站均呈減少趨勢，減少趨勢基本維持在30 mm/10年，減少的15個(gè)站中有9個(gè)站的回歸系數(shù)通過了0.01的F檢驗(yàn)，基本都分布在東部平原地區(qū)。

春季潛在蒸散呈東部減少、西部增加的趨勢，以東部平原邱縣、館陶、大名一帶減少趨勢最大，且均通過了0.01的F檢驗(yàn)；武安的增加趨勢最為明顯，呈17 mm/10年，同樣通過了0.01的F檢驗(yàn)；邯鄲市中部地區(qū)則變化趨勢不明顯。

夏季潛在蒸散16個(gè)站全部呈減少趨勢，以東部地區(qū)減少趨勢最為顯著，有9站通過了0.01的F檢驗(yàn)，其中仍以邱縣、館陶、大名一帶減少趨勢最明顯。

秋季潛在蒸散與全年潛在蒸散變化趨勢空間分布一致，減少趨勢呈東多西少分布，16個(gè)站中僅武安站全年潛在蒸散是增加的，其它站均呈減少趨勢，減少的15個(gè)站中有7個(gè)站的回歸系數(shù)通過了0.01的F檢驗(yàn)，2個(gè)站的回歸系數(shù)通過了0.05的F檢驗(yàn)。

冬季潛在蒸散與全年、秋季潛在蒸散變化趨勢空間分布一致，減少趨勢仍呈東多西少分布，不同的是變化幅度均不大，僅有館陶站的回歸系數(shù)通過了0.01的F檢驗(yàn)，另有5個(gè)站的回歸系數(shù)通過了0.05的F檢驗(yàn)，均分布在東部平原地區(qū)。

綜上分析可知，近40年邯鄲市潛在蒸散除武安站外，均呈減少趨勢，且尤以東部平原地區(qū)突出，而西部山區(qū)減少趨勢相對(duì)較弱；武安站呈增加趨勢，主要由于春季潛在蒸散的增加所帶來的貢獻(xiàn)。

a：全年、b：春季、c：夏季、d：秋季、e：冬季；黑色三角(黑色方框)表示回歸系數(shù)通過0.05(0.01)顯著性水平的F檢驗(yàn)。

2.1.3 潛在蒸散年代際變化特征 潛在蒸散的變化同時(shí)具有線性趨勢與年代際變化特征。為了描述不同季節(jié)潛在蒸散的年代際變化趨勢，采用次數(shù)為6次的多項(xiàng)式擬合方法對(duì)16個(gè)站區(qū)域平均后的潛在蒸散序列進(jìn)行擬合(圖4)，并進(jìn)行線性趨勢分析。近40年來，全年及各季節(jié)潛在蒸散均呈減少趨勢，線性變率分別為-21.9、-1.8、-11.2、-5.8、-3.1 mm/10年,其中以年及夏秋季的線性變率減少趨勢顯著，均通過了0.01的F檢驗(yàn)。其中年潛在蒸散在20世紀(jì)70～80年代有短暫上升趨勢，于1981年到達(dá)最高值(1170.7 mm)，隨后隨時(shí)間逐漸減少，于2003年達(dá)到最低值(913.9 mm)，進(jìn)入21世紀(jì)10年代初期有所增加，并維持在平均水平。春季及夏季潛在蒸散變化趨勢與年潛在蒸散相似，整體呈短暫上升后下降再上升的態(tài)勢。其中春季潛在蒸散，大值出現(xiàn)在1981年(408.1 mm)，最低值出現(xiàn)在1991年(274.9 mm)。夏季潛在蒸散于1996年出現(xiàn)最低值(362.2 mm)后，隨后于1997年出現(xiàn)最高值(480.3 mm)。秋季潛在蒸散基本呈減少趨勢，最低值出現(xiàn)在2011年(158.6 mm)。冬季潛在蒸散則呈波動(dòng)變化趨勢，最高值出現(xiàn)在1976年(117.9 mm)，最低值出現(xiàn)在1989年(66.0 mm)。

2.1.4 潛在蒸散量Mann-Kendall突變點(diǎn)分析 從1976～2015年邯鄲市潛在蒸散年際變化和M-K突變檢測曲線圖(圖5)可發(fā)現(xiàn)，近40年期間，年潛在蒸散在20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)UF值超越臨界值，UF、UB于1985年附近出現(xiàn)交點(diǎn)，且該時(shí)段的年潛在蒸散出現(xiàn)了較為明顯的波動(dòng)，所以該時(shí)段的年潛在蒸散的減少是顯著的，1985年為突變年份。近40年期間春季及冬季潛在蒸散的M-K突變檢驗(yàn)曲線(圖略)，表現(xiàn)為一種周期性的波動(dòng)，均無明顯的突變。夏季(圖5)及秋季(圖略)潛在蒸散在21世紀(jì)初UF值超越臨界值，UF、UB均于1992年附近出現(xiàn)交點(diǎn)，且該時(shí)段的潛在蒸散出現(xiàn)了較為明顯的波動(dòng)，所以該時(shí)段的潛在蒸散的減少是顯著的，1992年為突變年份。

圖4 1976～2015年邯鄲市潛在蒸散年代際變化

圖5 1976～2015年邯鄲市潛在蒸散M-K突變檢測曲線

3 潛在蒸散與主要?dú)庀笠氐年P(guān)系

利用每日潛在蒸散數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的每日氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析(表1)可知，潛在蒸散除與相對(duì)濕度呈完全負(fù)相關(guān)外，與風(fēng)速、平均氣溫、最高溫度、最低溫度、日照時(shí)數(shù)則呈正相關(guān)，但夏季最低氣溫則與潛在蒸散呈輕微負(fù)相關(guān)。所有數(shù)據(jù)基本通過了99%以上顯著性檢驗(yàn)，說明潛在蒸散與上述氣象要素存在較為密切的聯(lián)系。

表1 1976～2015年邯鄲市潛在蒸散與氣象要素間相關(guān)系數(shù)

注：*表示未能通過α=0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。

為了確定影響潛在蒸散變化的主要?dú)庀笠?，?jì)算了各站點(diǎn)主要?dú)庀笠?風(fēng)速、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)及相對(duì)濕度)與潛在蒸散的偏相關(guān)系數(shù)。經(jīng)計(jì)算表明，除夏季平均氣溫與潛在蒸散的偏相關(guān)系數(shù)較低外，其余均通過99.9%顯著性水平檢驗(yàn)。采用比較系數(shù)絕對(duì)值大小的方法，對(duì)相關(guān)氣象要素的影響重要性進(jìn)行了排序(表2)。

從表2中可發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)是影響邯鄲市年潛在蒸散變化的主導(dǎo)氣象要素。影響年及不同季節(jié)潛在蒸散的主要?dú)庀笠芈杂胁煌?。影響春季潛在蒸散變化的主要因子在西部山區(qū)為風(fēng)速，東部平原則為相對(duì)濕度，影響最小的為平均氣溫；影響夏季及秋季潛在蒸散的主要因子均為日照時(shí)數(shù)；不同的是夏季的影響因子中相對(duì)濕度次之，秋季則為風(fēng)速次之；影響冬季潛在蒸散的主要因子與影響年潛在蒸散的氣象因子一致，不同的是年潛在蒸散影響最差的因子為平均氣溫，冬季潛在蒸散影響最差的則為日照時(shí)數(shù)。

綜上所述，影響年和夏秋季潛在蒸散的主要因子為日照時(shí)數(shù)，影響春冬季潛在蒸散的主要因子在西部山區(qū)為風(fēng)速，在東部平原則為相對(duì)濕度。邯鄲市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，且地勢自西向東呈階梯狀下降，地形及氣候因素在很大程度上導(dǎo)致了邯鄲市潛在蒸散的差異。

表2 1976～2015年影響邯鄲市潛在蒸散的氣象要素的主次排序

注：T表示氣溫；W表示風(fēng)速；RH表示相對(duì)濕度；S表示日照時(shí)數(shù)。

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)近40年來邯鄲市潛在蒸散特征進(jìn)行分析，以及對(duì)潛在蒸散與主要?dú)庀笠蛩氐南嚓P(guān)分析研究，結(jié)果表明：

(1)年潛在蒸散主要呈北多南少分布，邯鄲市16個(gè)站點(diǎn)中邯鄲站潛在蒸散為高值中心，涉縣站及磁縣站則為相對(duì)低值區(qū)。夏季潛在蒸散最多，其次為春季，冬季最少。

(2)近40年來，邯鄲市16個(gè)站點(diǎn)中除武安站外，潛在蒸散均呈減少趨勢，且尤以東部平原地區(qū)突出，減少趨勢基本維持在30 mm/10年；西部山區(qū)減少趨勢相對(duì)較弱；武安站潛在蒸散呈增加趨勢，主要來源于春季潛在蒸散的增加所帶來的貢獻(xiàn)。

(3)近40年來，邯鄲市年及各季節(jié)平均潛在蒸散線性變率分別為-21.9，-1.8，-11.2，-5.8,3.1 mm/10年，其中以年及夏秋季的線性變率減少趨勢顯著；潛在蒸散變化趨勢呈短暫上升后再下降后上升的態(tài)勢，進(jìn)入21世紀(jì)10年代初期有所增加，并維持在平均水平。年潛在蒸散突變年份為1985年，夏秋季潛在蒸散突變年份為1992年。

(4)影響年和夏秋季潛在蒸散的主要?dú)庀笠蜃訛槿照諘r(shí)數(shù)，影響春冬季潛在蒸散的氣象因子在西部山區(qū)為風(fēng)速，東部平原則主要為相對(duì)濕度。

在全球氣候變暖背景下，近50年京津冀地區(qū)所有站點(diǎn)潛在蒸散量都在減少，東南部減少得更快[7]，與邯鄲市潛在蒸散呈減少趨勢相一致。而邯鄲市潛在蒸散尤以東部平原地區(qū)減少更為突出，在西部山區(qū)減少則相對(duì)較弱。李春強(qiáng)等[8]曾指出風(fēng)速下降及日照時(shí)數(shù)減少是引起河北省年參考作物蒸散量減少的主要原因，而溫度的升高則作用有限；在氣溫升高的背景下，由于邯鄲市復(fù)雜地形，山區(qū)及平原風(fēng)速及日照時(shí)數(shù)等氣象要素的變化存在差異，導(dǎo)致潛在蒸散變化不均，具體差異有待進(jìn)一步研究揭示。近40年邯鄲市潛在蒸散量的減少，在一定程度上緩解了干旱化的趨勢，使農(nóng)業(yè)需水有效性發(fā)生改變。因此，應(yīng)充分結(jié)合潛在蒸散變化趨勢及作物生長階段對(duì)水分的需求程度，有針對(duì)性地合理區(qū)劃水資源，進(jìn)行有效灌溉，提高水資源利用效率。

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(責(zé)任編輯:許晶晶)

Variation Characteristics and Influencing Factors of PotentialEvapotranspiration in Handan from 1976 to 2015

DU Liang-liang, GAO Jing, XUE Min, SONG Xiao-hui

(Handan Meteorological Bureau of Hebei Province, Handan 056001, China)

Based on the daily meteorological data of 16 meteorological stations in Handan from 1976 to 2015, the daily potential evapotranspiration was calculated by Penman-Monteith model. The linear trend, correlation coefficient, polynomical fitting, and Mann-Kendall test were used to analyze the variation characteristics of potential evapotranspiration in Handan under natural geographical conditions, and the main meteorological factors affecting the potential evapotranspiration were also explored through partial correlation analysis. The results indicated that the potential evapotranspiration decreased from the north to the south of Handan. Summer had the highest potential evapotranspiration, followed by spring, and winter had the lowest one. In the past 40 years in 15 stations of Handan (except Wu’an), the potential evapotranspiration all showed a decreasing trend, especially in the eastern plain region (decrease at the rate of 30 mm/10 a). The regional mean potential evapotranspiration increased slightly in the early 2010s, and kept at the average level. The abrupt change in annual potential evapotranspiration in Handan occurred in 1985, and that in summer and autumn potential evapotranspiration occurred in 1992. The main meteorological factor affecting annual, summer and autumn potential evapotranspiration was sunshine duration, and that affecting the potential evapotranspiration in spring and winter was wind speed in western mountainous region and relative humidity in eastern plain region.

Potential evapotranspiration; Climatic change; Penman-Monteith equation; Handan

2016-12-01

邯鄲市科技局應(yīng)用技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目(1222101036G)。

杜亮亮(1986─)，男，河北邯鄲人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)閼?yīng)用氣象學(xué)。

S161.4

A

1001-8581(2017)04-0094-07