漢江上游流域潛在蒸散量敏感性分析

安 彬, 肖薇薇

(1.安康學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 安康 725000; 2.安康市漢江水資源保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心,陜西 安康 725000; 3.秦巴國土資源利用與環(huán)境保護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 陜西 安康 725000;4. 陜南生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究中心, 陜西 安康 725000)

潛在蒸散量ET0作為區(qū)域?qū)嶋H蒸散量的理論上限，是地表水循環(huán)和熱量平衡的重要組成部分，對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源利用、氣候干濕度等具有重要意義[1-3]。由于實(shí)際的蒸散量獲取較為困難，往往采用模型法進(jìn)行近似計(jì)算。目前，應(yīng)用最為廣泛的是聯(lián)合國糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO)推薦的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith，P-M)方程，也是學(xué)界公認(rèn)的高精度模型計(jì)算法[4]?；诖?，諸多學(xué)者針對(duì)行政區(qū)[5-7]、流域[8-10]、地理分區(qū)[11-12]等不同空間尺度的ET0時(shí)序變化特征進(jìn)行了大量研究，研究均表明ET0的變化具有復(fù)雜性、高度異質(zhì)性[13]。此外，結(jié)合敏感性分析、偏相關(guān)分析等方法，國內(nèi)外學(xué)者開展了ET0的變化成因研究[14-15]。發(fā)源于秦嶺南麓的漢江是長(zhǎng)江最長(zhǎng)支流，是南水北調(diào)中線工程的重要水源地，尤其是位于漢江上游的陜南地區(qū)，也是我國重要的生物多樣性保護(hù)生態(tài)區(qū)。在全球氣候變化的背景下，漢江上游流域呈現(xiàn)年降水減少、年均氣溫上升的趨勢(shì)[16-17]。為了解漢江上游ET0變化趨勢(shì)和原因，利用漢江上游典型氣象站逐日氣象數(shù)據(jù)，采用彭曼-蒙蒂斯方程計(jì)算逐日ET0，運(yùn)用敏感分析法計(jì)算ET0對(duì)不同氣象因子的敏感系數(shù)，探討敏感系數(shù)與ET0的關(guān)系及ET0發(fā)生變化的原因，以期為合理調(diào)配南水北調(diào)中線工程水資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選擇漢江上游流域的漢中、石泉和安康3個(gè)氣象站，從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)http:∥data.cma.cn/獲取各站點(diǎn)1960—2015年逐日平均風(fēng)速、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)資料，各站點(diǎn)的位置、海拔等信息見表1。依據(jù)3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—次年2月為冬季的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行季節(jié)劃分。

1.2 研究方法

1.2.1ET0的計(jì)算

采用FAO推薦的彭曼-蒙蒂斯方程計(jì)算逐日ET0，此公式基于能量平衡和空氣動(dòng)力學(xué)原理，在不同的環(huán)境和氣候背景下具有較強(qiáng)的廣泛適用性，可避免根據(jù)氣候條件進(jìn)行參數(shù)校正[4]，公式為

(1)

式中：Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；Rn為作物表面的凈輻射量，MJ/m2；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；t為平均氣溫，℃；U2為2 m高處的風(fēng)速，m/s；ea為飽和水汽壓，kPa；ed為實(shí)測(cè)水汽壓，kPa。

1.2.2 敏感性分析

研究ET0對(duì)氣象因子的敏感分析是通過設(shè)置不同氣候變化情景，假定其他氣象因子不變，分析單個(gè)氣象因子變化引起ET0的變化，進(jìn)而量化ET0變率對(duì)氣象因子變率響應(yīng)程度的方法[4,9,18]。利用Mccuen[19]提出的無量綱相對(duì)敏感系數(shù)，以表征ET0對(duì)氣候因素變化的敏感性，且便于不同量綱的氣象因子變量進(jìn)行排序、評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式為

(2)

式中：SX為ET0對(duì)氣候要素X的敏感系數(shù)；ΔX為氣候要素的變化；ΔET0為ΔX導(dǎo)致的ET0變化。

研究最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)5個(gè)氣象因子變量分別變化±10%的情況下，依次計(jì)算ET0對(duì)各氣象因子的敏感系數(shù)。SX為正值表明ET0與氣象因子X變化一致，負(fù)值則變化相反。|SX|越大表明氣象因子變量對(duì)ET0的影響越大，如SX=-0.1，代表氣象因子X減少(增加)10%，在其他氣象因子不變的情況下，ET0將增加(減少)1%。同時(shí)參照Lenhart等[20]將敏感系數(shù)分為4個(gè)等級(jí)，記為Sd：當(dāng)|SX|<0.05時(shí)，Sd為忽略等級(jí)；當(dāng)0.05≤|SX|<0.20時(shí)，Sd為中等；當(dāng)0.20≤|SX|<1.00時(shí)，Sd為高；當(dāng)|SX|≥1時(shí)，Sd為非常高。

1.2.3 氣象因子對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率

根據(jù)尹云鶴等[21]提出的氣象因子對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率計(jì)算方法，將敏感系數(shù)與氣象因子的多年相對(duì)變化相乘，由此得到氣象因子引起氣候要素的變化程度，計(jì)算公式為

CX=SXRX

其中

(3)

ET0變化趨勢(shì)采用線性回歸模型法進(jìn)行計(jì)算、檢驗(yàn)[22]，以上計(jì)算、統(tǒng)計(jì)工作均在SPSS 22 中完成，圖件采用OriginPro 8.5 繪制。

表1 漢江上游流域典型氣象站點(diǎn)位置及氣象因子年均值

2 結(jié)果分析

2.1 ET0及氣象因子的變化特征

圖1為1960—2015年3個(gè)氣象站(漢中、石泉和安康)5個(gè)氣象因子(最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、風(fēng)速)及ET0的均值年內(nèi)逐日變化。由圖1可見，漢江上游不同氣象因子及ET0的年內(nèi)變化趨勢(shì)不一致，這是受太陽周年運(yùn)動(dòng)及地形等地理要素的共同影響。從圖1(a)(b)可以看出，3站點(diǎn)的最高氣溫和最低氣溫年內(nèi)變化呈單峰型，其峰值均出現(xiàn)在7月下旬至8月上旬，谷值則出現(xiàn)在1月。日照時(shí)數(shù)年內(nèi)波動(dòng)變化明顯，呈雙峰型分布，秋冬季日照處于較小幅度變化的低谷區(qū)，最大峰值出現(xiàn)在夏季7—8月，次峰值在春末夏初(圖1(c))，兩次峰值之間的谷值與漢江上游此時(shí)正處于梅雨季節(jié)有關(guān)。從相對(duì)濕度的年內(nèi)逐日變化(圖1(d))可看出，3站均呈余弦函數(shù)形狀，最大值出現(xiàn)在9月、最小值出現(xiàn)在冬末春初；漢中站相對(duì)濕度最小值大于安康、石泉站。風(fēng)速年內(nèi)變化呈現(xiàn)不顯著的正弦函數(shù)形狀，3月為最大值，9月為最小值(圖1(e))。ET0年內(nèi)逐日變化與日照時(shí)數(shù)相似，呈現(xiàn)雙峰型、最大峰值出現(xiàn)在8月，次峰值出現(xiàn)在6月，最小值則出現(xiàn)在12月(圖1(f))。

圖2為1960—2015年3個(gè)氣象站ET0的逐年變化，表2為1960—2015年3個(gè)氣象站氣象因子變化率。由圖2可見，漢江上游多年平均ET0為826.23～909.82 mm，其空間上自東向西遞減。各站點(diǎn)ET0的年際變化均呈下降趨勢(shì)，其中石泉年ET0呈顯著減小趨勢(shì)，達(dá)到-1.436 mm/a，漢中和安康年ET0呈不顯著減小趨勢(shì)，變化率分別為-0.289 mm/a、-0.715 mm/a。各站年代際ET0均值呈波動(dòng)變化，1960 s的ET0最大，1980s的ET0最小，1990 s后有所增加，至2000年后又開始下降。由表2可見，3站點(diǎn)的最高氣溫和最低氣溫均呈顯著上升趨勢(shì)，漢中站平均氣溫亦呈顯著上升趨勢(shì)；日照時(shí)數(shù)方面，漢中和石泉站呈顯著下降趨勢(shì)，安康站呈不顯著下降趨勢(shì)；相對(duì)濕度除漢中站呈顯著下降趨勢(shì)外，石泉和安康站均為顯著上升趨勢(shì)；石泉站風(fēng)速表現(xiàn)為顯著下降趨勢(shì)。

(a)最高氣溫

(b)最低氣溫

(c)日照時(shí)數(shù)

(d)相對(duì)濕度

(e)風(fēng)速

(f)ET0

圖1 1960—2015年3個(gè)氣象站5個(gè)氣象因子及ET0的均值年內(nèi)逐日變化

(a)漢中

(b)石泉

(c)安康

2.2 ET0對(duì)氣象因子的敏感性

2.2.1敏感系數(shù)的年際變化

表3為ET0對(duì)氣象因子敏感系數(shù)多年均值及敏感程度。從表3可以看出，ET0對(duì)相對(duì)濕度的敏感程度最高，對(duì)風(fēng)速的敏感程度最低，各站敏感程度排序基本一致。ET0對(duì)最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度的年均敏感系數(shù)均為負(fù)值，表明ET0隨著這3個(gè)氣象因子的增加而下降。對(duì)最低氣溫敏感程度除漢中為“中”外，其他均達(dá)到了“高”。ET0對(duì)日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速的年均敏感系數(shù)均為正值，對(duì)日照時(shí)數(shù)敏感程度除安康達(dá)到“高”外，其他均為“中”。

圖3為ET0對(duì)3個(gè)氣象站5個(gè)氣象因子敏感系數(shù)的年際變化。由圖3可見，3個(gè)氣象站的ET0對(duì)5個(gè)氣象因子的敏感程度均為“中”以上等級(jí)，敏感程度從小到大依次為風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、最低氣溫、最高氣溫、相對(duì)濕度。ET0對(duì)各氣象因子敏感系數(shù)的年際變化趨勢(shì)不同，可能與各站點(diǎn)的植被類型、海拔和下墊面綜合情況有關(guān)。漢江上游ET0對(duì)相對(duì)濕度最為敏感，這與長(zhǎng)江流域[23]、瀾滄江流域[24]、關(guān)中渭惠渠[14]、甘肅[25]、黃土地區(qū)[26]等區(qū)域最為敏感的氣象因子相同。

2.2.2 敏感系數(shù)的年內(nèi)變化

圖4為ET0對(duì)3個(gè)氣象站5個(gè)氣象因子敏感系數(shù)的年內(nèi)變化。由圖4可見，除風(fēng)速外的3站各氣象因子敏感系數(shù)年內(nèi)分布相近。最高氣溫、最低氣溫和相對(duì)濕度的敏感系數(shù)均為負(fù)值，變化分別介于-0.419～-0.112、-0.449～ -0.048、-0.924～ -0.157，表明ET0隨著這3個(gè)氣象因素的增大而減少。日照和風(fēng)速敏感系數(shù)則為正值，為0.034～0.428和0.000～0.242。最高氣溫、最低氣溫和風(fēng)速的年內(nèi)敏感系數(shù)均呈開口向上拋物線分布，其中最高氣溫和最低氣溫敏感系數(shù)峰值發(fā)生在9月、谷值發(fā)生在1月，而風(fēng)速敏感系數(shù)峰值發(fā)生在1月、谷值發(fā)生在9月。ET0對(duì)日照時(shí)數(shù)敏感系數(shù)9月份達(dá)到最大，12月份為最小，呈單峰型變化。就相對(duì)濕度敏感系數(shù)而言，其變化幅度大，最大值出現(xiàn)在8月、最小值均出現(xiàn)在12月，年內(nèi)呈雙峰型分布。

表2 1960—2015年3個(gè)氣象站氣象因子年變化水平

注：*、**表示線性趨勢(shì)分別通過0.05、0.01置信水平檢驗(yàn)。

表3 ET0對(duì)氣象因子敏感系數(shù)多年均值及敏感程度

注：A、B、a、b依次表示敏感系數(shù)的變化趨勢(shì)呈顯著上升、顯著下降、上升、下降。

(a)漢中

(b)石泉

(c)安康

2.3 氣象因子對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率

為了定量探究漢江上游ET0對(duì)氣候變化的響應(yīng)，計(jì)算漢中、石泉、安康站5個(gè)氣象因子的多年相對(duì)變化及其對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率(表4)，進(jìn)而確定引起各站ET0變化的成因。由表4可知，1960—2015年最高氣溫、最低氣溫相對(duì)變化率均為正值，因其敏感系數(shù)為負(fù)值，導(dǎo)致兩個(gè)氣象因子對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率小于0。日照時(shí)數(shù)相對(duì)變化率呈負(fù)值，相對(duì)濕度、風(fēng)速相對(duì)變化率各站正負(fù)表現(xiàn)不一，這是因?yàn)镋T0與溫度、濕度、風(fēng)速、日照等氣象因子以及地形、植被、實(shí)際蒸散發(fā)之間呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性關(guān)系[21,27-28]。漢中日照時(shí)數(shù)相對(duì)變化率最大，高達(dá)-31.461%，石泉和安康風(fēng)速相對(duì)變化率最大，分別為-16.845%和-8.330%。從各項(xiàng)氣象因子對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率來看，漢中站日照時(shí)數(shù)貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到-6.219%，即日照時(shí)數(shù)是引起該站ET0變化的主導(dǎo)氣象因子，這與其日照時(shí)數(shù)的相對(duì)變化率較大有關(guān)。相對(duì)濕度是石泉和安康ET0變化的主導(dǎo)氣象因子，其貢獻(xiàn)率分別為-3.783%和-1.752%。

(a)漢中

(b)石泉

(c)安康

表4 3個(gè)氣象站氣象因子的多年相對(duì)變化及其對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率 %

注：a表示ET0變化的主導(dǎo)氣象因子。

3 結(jié) 論

a. 1960—2015年漢江上游流域多年平均ET0為826.23～909.82mm，呈下降趨勢(shì)，空間上自東向西遞減。最高氣溫和最低氣溫年內(nèi)變化呈單峰型、ET0和日照時(shí)數(shù)呈雙峰型、相對(duì)濕度呈余弦函數(shù)形、風(fēng)速呈正弦函數(shù)形分布。

b. 1960—2015年漢江上游流域ET0對(duì)氣象因子的敏感系數(shù)多數(shù)呈顯著下降趨勢(shì)，敏感程度均達(dá)到“中”以上等級(jí)。其中，ET0對(duì)相對(duì)濕度最為敏感。最高氣溫、最低氣溫和風(fēng)速的年內(nèi)敏感系數(shù)均呈拋物線分布，日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度則分別為單峰型、雙峰型分布。

c. 日照時(shí)數(shù)是漢中站ET0變化的主導(dǎo)氣象因子，石泉和安康站主導(dǎo)氣象因子是相對(duì)濕度。