昌吉地區(qū)作物生長季潛在蒸散量變化特征及影響因子

葉爾克江·霍依哈孜，阿帕爾·肉孜，黃 健

（1新疆昌吉州氣象局，新疆昌吉 831100；2中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002）

0 引言

受全球氣候變暖的影響，中國極端氣候事件頻發(fā)，區(qū)域生態(tài)環(huán)境退化[1-2]。極端氣象問題引發(fā)的氣象災(zāi)害引起全社會的廣泛關(guān)注[3-4]。受氣候變暖影響，溫度、降水等氣象要素也有不同程度的變化，導(dǎo)致水文不平衡；盡管氣候變化的響應(yīng)方式不同，但是降水、徑流、地下水流動、蒸發(fā)以及土壤濕度的變化表明水文循環(huán)隨著20 世紀(jì)全球氣溫的上升在不斷加強(qiáng)[5]，進(jìn)而對各地社會經(jīng)濟(jì)、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)深刻影響。同時，在干旱、半干旱區(qū)水資源短缺，水庫和灌溉的潛在蒸發(fā)損失極大，嚴(yán)重威脅著農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和糧食安全[6-7]。許多學(xué)者已經(jīng)針對不同氣候區(qū)的潛在蒸散量變化趨勢特點、空間分布特征及其與氣象要素間的相關(guān)性進(jìn)行了研究[8]。董煜等[9]1961—2013新疆潛在蒸散量變化特征及趨勢研究得出新疆潛在蒸散量在2000年以來逐漸上升趨勢；鐘巧等[10]通過對博斯騰湖流域潛在蒸散量的計算發(fā)現(xiàn)，該流域山區(qū)與平原年均潛在蒸散量都呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢；梁紅閃等[11]伊犁河流域地表蒸散量時空特征分析研究中蒸散量變化趨勢以減少為主。這些學(xué)者為新疆蒸散量演變研究提供了豐富的理論依據(jù)和經(jīng)驗。前人對新疆不同地區(qū)氣候變化的研究較多，但是對氣候變化極為敏感的昌吉地區(qū)，作物生長季潛在蒸散量相關(guān)理論研究級少。潛在蒸散量在作物需水量、氣候條件及水資源可持續(xù)發(fā)展等方面均得到廣泛使用[12]。潛在蒸散量是表征大氣蒸散能力，評價氣候干旱程度、植被耗水量、生產(chǎn)潛力以及水資源供需平衡的重要指標(biāo)，通常是利用氣象要素計算得出[13]。本研究采用Thornthwaite方法計算昌吉地區(qū)作物生長季的潛在蒸散量并分析研究，Thornthwaite 方法是一種國際上通用的計算潛在蒸散量的方法，被廣泛應(yīng)用于氣候分類和植被-氣候關(guān)系研究。該方法的主要特點是計算簡便，以月平均溫度為主要依據(jù)，并考慮溫度因子（日照長度）建立的經(jīng)驗公式。

昌吉回族自治州位于天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地東南緣。位于43°20′—45°00′N，85°17′—91°32′E。地勢南高北低，由東南向西北傾斜，南部是天山山地，中部為廣袤的沖積平原，北部為浩瀚的沙漠盆地，平原海拔高度為471.4～793.5 m。昌吉回族自治州（下稱昌吉地區(qū)）轄有五縣兩市，自西向東為西部的瑪納斯縣、呼圖壁縣，中部的昌吉市、阜康市，東部的吉木薩爾縣、奇臺縣、木壘縣。作物生長季如遇異常高溫干旱事件，對農(nóng)牧業(yè)影響較大，東部河灌區(qū)和山區(qū)旱地占得比例較大，整體上傳統(tǒng)種植、靠天吃飯的格局完全沒改變，存在水土資源配置不平衡，區(qū)域資源性缺水矛盾較為突出。2000年以來，在農(nóng)業(yè)大田調(diào)查發(fā)現(xiàn)東部旱地作物每年都會受旱災(zāi)的影響比較明顯，導(dǎo)致減產(chǎn)和品質(zhì)的降低。因此，開展昌吉地區(qū)潛在蒸散量的變化及趨勢研究是十分必要的，對區(qū)域水資源管理以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

昌吉地區(qū)農(nóng)作物主要在4月春播，10月開始成熟、曬收。因此，本文中基于潛在蒸散量研究昌吉地區(qū)農(nóng)作物生長季（4—10月）潛在蒸散量時空變化特征及影響因子，既揭示潛在蒸散量的變化規(guī)律。

1 研究區(qū)域氣候特征及研究方法

1.1 研究區(qū)域氣候特征

昌吉地區(qū)處在歐亞大陸腹地，四周環(huán)山的盆地中，降水少，干燥度大，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣溫變化劇烈，為典型的大陸性干旱氣候。具有冬季寒冷漫長，夏季炎熱，光照充足，熱量豐富，氣溫年較差，日較差大，春、秋季氣溫變化劇烈，春、夏季多風(fēng)的特點。農(nóng)區(qū)各地年平均氣溫在5.7～8.0℃之間，無霜期為145～172天，≥0℃的活動積溫為3131.4～4161.8℃，≥10℃的活動積溫為3011.1～3671.8℃，年降水量為153.8～343.5 mm，年蒸發(fā)量為1606.8～2163.3 mm，年日照時數(shù)為2701.8～3075.8 h，年平均大風(fēng)日數(shù)為5～18天。

1.2 研究方法

本研究采用Thornthwaite 方法[14-15]來計算潛在蒸散量(PEunadj)，Thornthwaite 模型最初基于美國中東部地區(qū)的試驗數(shù)據(jù)而提出，它主要以月平均氣溫為依據(jù)，并考慮緯度因子（日照長度）建立經(jīng)驗公式，如式(1)所示。

式中：PEunadj為Thornthwaite 模型計算的月潛在蒸散，單位：mm；Ti為月平均氣溫，單位：℃；I為年熱指數(shù)，求算公式如式(2)所示。

a為常數(shù)，由式(3)計算。

再運用趨勢分析法[16-19]探究1963—2020年昌吉地區(qū)作物生長季潛在蒸散量趨勢變化；借助Matlab R2018b和Origin2018等軟件，主要從最常見的均值突變的檢測方法之一的Mann-Kendall（簡稱M-K）檢驗[20-24]著手再考慮潛在蒸散量演變趨勢和變化情況，進(jìn)一步檢驗潛在蒸散量變化趨勢和突變特征；運用小波功率譜分析法[25-31]研究作物生長季內(nèi)潛在蒸散量周期分析；結(jié)合SPSS相關(guān)分析探討影響潛在蒸散量的氣候因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 生育期內(nèi)潛在蒸散量年際、年代變化

圖1 給出了昌吉地區(qū)1963—2020 年，作物生長期內(nèi)潛在蒸散量年際、年代變化趨勢圖，可以看出昌吉地區(qū)潛在蒸散量總體呈上升趨勢，年際傾向率達(dá)到2.5 mm/10 a，并通過0.001 顯著性檢驗，多年均值為880.32 mm，2000 年出現(xiàn)最大值為900.58 mm，1993 年出現(xiàn)最小值為863.66 mm；年代際變化來看，20 世紀(jì)60、70、80、90 年代變化平緩，均為872 mm 左右，21 世紀(jì)均為882 mm左右。5年滑動曲線顯示，昌吉地區(qū)作物生長季內(nèi)潛在蒸散量在20世紀(jì)60年代呈減少趨勢，70年代前期呈持續(xù)明顯增多趨勢，70年代后期至90年代初又平緩的減少趨勢，90 年代中期平緩的增多趨勢，21世紀(jì)增多最明顯。分析發(fā)現(xiàn)（表1），各站點潛在蒸散量有區(qū)域差異，生育期內(nèi)潛在蒸散量表現(xiàn)出中西部大于東部，相差20 mm左右。

表1 昌吉地區(qū)各站點作物生長季潛在蒸散量變化

圖1 研究區(qū)域地形圖

2.2 潛在蒸散量各月變化

昌吉地區(qū)1963—2020 年作物生長季月平均潛在蒸散量為115～140 mm（見圖2），呈現(xiàn)單峰型，最大值出現(xiàn)在7 月，為140.5 mm，最小值出現(xiàn)在4 月，為115.0 mm；4—7月潛在蒸散量持續(xù)上升，7月達(dá)到最大值，7月以后不斷下降，在10月達(dá)到最小值。4—9月潛在蒸散量均呈增加趨勢，增加速率為0.2～0.7 mm/10 a，其中，6月的增加速率最大，10月潛在蒸散量呈減少趨勢。各月各站最高潛在蒸散量基本表現(xiàn)為呼圖壁＞蔡家湖＞瑪納斯＞昌吉＞吉木薩爾＞奇臺＞木壘。昌吉地區(qū)潛在蒸散量的逐月變化趨勢（圖3）與各站的逐月變化趨勢基本一致。

圖2 昌吉地區(qū)作物生長季潛在蒸散量年際、年代變化

圖3 昌吉地區(qū)各站作物生長季潛在蒸散量逐月變化

2.3 潛在蒸散量突變分析

為分析1963—2020 年間昌吉地區(qū)作物生長期潛在蒸散量的變化規(guī)律，應(yīng)用M-K 檢驗方法，在0.05 的顯著性水平下（95%置信度檢驗線）檢驗昌吉地區(qū)潛在蒸散量的突變特征。M-K檢驗曲線圖中（圖4）可以看出昌吉各區(qū)域作物生長期潛在蒸散量UF 和UB 特征曲線變化基本一致，其中，西部(a)可見，蒸散量UF 和UB 特征曲線在臨界線內(nèi)存在2 次交點，突變交點在2009 年，特征曲線在2016 年突破0.05 顯著性臨界線，說明潛在蒸散量在2016年后增加趨勢較明顯；中部(b)蒸散量UF 和UB 曲線在臨界線內(nèi)1994 年存在1 次交點并發(fā)生突變，2005 年UF 曲線突破0.05 顯著性臨界線，這表明中部蒸散量在2005 年后增加趨勢較明顯。東部(c)蒸散量UF 和UB 特征曲線在臨界線內(nèi)存在2次交點，其中突變交點是2013年，2017年UF曲線超過0.05的信度線，蒸散量增加趨勢較明顯；昌吉地區(qū)總體來看，昌吉地區(qū)(d)蒸散量UF 和UB 曲線在臨界線內(nèi)1997 年發(fā)生突變并增加趨勢，到2014 年UF 曲線穩(wěn)定突破0.05 顯著性臨界線，說明，昌吉地區(qū)潛在蒸散在2014年后增加趨勢比較明顯。

圖4 昌吉地區(qū)作物生長季各月潛在蒸散量變化

2.4 潛在蒸散量周期分析

運用小波功率譜分析法研究昌吉地區(qū)作物生長季潛在蒸散量周期變化特征（圖5），圖中黑色粗實線所包圍的范圍通過了95%置信水平的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗，黑色細(xì)實線包絡(luò)顯示了COI（Cone of influence，倒錐形線為小波影響錐，表示連續(xù)小波變換的數(shù)據(jù)邊緣效應(yīng)影響較大的區(qū)域）區(qū)域，影響錐外的功率譜由于受到邊界效應(yīng)影響，表現(xiàn)出的周期特征存在較大不確定性。小波方差圖中實線表示小波方差；虛線表示95%置信水平的紅噪聲檢驗曲線，若實線的峰值超過虛線表示周期顯著。結(jié)果表明，中西部、東部及昌吉地區(qū)潛在蒸散量周期震蕩基本一致，主要存在一個3.7～4.2年尺度的顯著性變化周期，其中，西部有3.7～4.2 年尺度的周期震蕩并通過95%置信水平的紅噪聲檢驗，其他尺度的周期震蕩均沒通過95%置信水平的紅噪聲檢驗，均可能為虛假周期，不予采用；中部同樣有3.7～4.2年尺度的周期震蕩并通過95%置信水平的紅噪聲檢驗，其他尺度的周期震蕩均沒通過95%置信水平的紅噪聲檢驗，均可能為虛假周期，不予采用；東部有振蕩較強(qiáng)的3.7～5.2 年的主要周期和2.2～2.5年的次要周期震蕩，均通過95%置信水平的紅噪聲檢驗，其中3.7～5.2年的周期震蕩較強(qiáng)，其他尺度的周期震蕩均沒通過95%置信水平的紅噪聲檢驗，均可能為虛假周期，不予采用；昌吉地區(qū)有3.7～4.2 年尺度的周期震蕩并通過95%置信水平的紅噪聲檢驗，其他尺度的周期震蕩均沒通過95%置信水平的紅噪聲檢驗，均可能為虛假周期，不予采用。圖5(a～c)顯示了蒸散量各區(qū)域偏高波動周期信號最強(qiáng)的是東部，其次為西部，中部最小，可以看出東部蒸散量逐年增加速度最快，其次為西部，中部最慢；說明東部蒸散量的增加是昌吉地區(qū)年蒸散量增加的主要貢獻(xiàn)者。

圖5 西部、中部、東部、昌吉地區(qū)作物生長季潛在蒸散量M-K檢驗結(jié)果

根據(jù)分析累計距平曲線（圖6）可以得出，昌吉各地作物生長季潛在蒸散量距平逐年變化曲線基本一致，西部潛在蒸散量1996年之前除了個別年份其他年份都是負(fù)距平，是蒸散量相對少的時段，1997 年開始大部分是正距平，是蒸散量相對多的時段，2011 年開始，除了2013 年負(fù)距平其他年份都是正距平，說明西部蒸散量2011 年開始明顯偏多。中部潛在蒸散量同樣在1996 年之前除了個別年份正距平其他年份都是負(fù)距平，是蒸散量相對少的時段，1997 年開始大部分年份是正距平，是蒸散量相對多的時段，到2011 年開始，除了2013年和2014年是負(fù)距平其他年份都是正距平，說明中部蒸散量也是從2011 年開始偏多比較明顯。東部潛在蒸散量在1999 年之前除了個別年份正距平其他年份都是負(fù)距平，是蒸散量相對少的時段，2000年開始正距平明顯多于負(fù)距平，是蒸散量相對多的時段。昌吉地區(qū)總體來看，在1999年之前除了個別年份正距平其他年份都是負(fù)距平，是蒸散量相對少的時段，2000年開始除了個別年份負(fù)距平其他年份都是正距平，是蒸散量相對多的時段，2011 年開始，除了2013年的負(fù)距平其他年份都是正距平，說明昌吉地區(qū)蒸散量1999年開始偏多，2011年開始明顯偏多。可以得出，昌吉各地作物生長季潛在蒸散量20世紀(jì)90年代末期開始增加的比較明顯，到21世紀(jì)2011年后增加的最為明顯。

圖6 昌吉地區(qū)作物生長季潛在蒸散量周期變化

2.5 潛在蒸散量的影響因子分析

潛在蒸散量變化是一個復(fù)雜的過程，受到熱力因子、動力因素、水分因子等氣候因素的綜合影響。為進(jìn)一步探討平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、蒸發(fā)量、相對濕度、風(fēng)速和降水量等氣象因子與潛在蒸散量的關(guān)系，對昌吉地區(qū)1963—2020 年作物生長季潛在蒸散量與各氣象因子做相關(guān)性分析（表2）。相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，作物生長季潛在蒸散量與降水量、日照時數(shù)有微弱的負(fù)相關(guān)，未通過顯著性檢驗，相關(guān)性不顯著。與平均氣溫、最高氣溫及最低氣溫呈顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.820、0.757 和0.824，均通過了a=0.01 顯著性檢驗；與相對濕度和平均風(fēng)速呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.387 和0.219，并通過了a=0.05 顯著性檢驗。

表2 昌吉地區(qū)1963—2020年作物生長季潛在蒸散量與各氣象因子間的相關(guān)系數(shù)

另外，對昌吉地區(qū)1963—2020年作物生長季平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)、相對濕度、平均風(fēng)速和降水量進(jìn)行趨勢分析發(fā)現(xiàn)，近57 年來平均氣溫、最高和最低氣溫呈顯著升高趨勢，而日照時數(shù)和平均風(fēng)速呈下降趨勢，降水量和相對濕度弱增加趨勢，但增加趨勢不顯著（圖略）。

綜上所述，影響昌吉地區(qū)作物生長季潛在蒸散量主要因素是氣溫，其中最低氣溫升高導(dǎo)致潛在蒸散量增加的貢獻(xiàn)最大，其他氣候因子的變化對潛在蒸散量起著削弱作用。

3 討論

本文基于趨勢分析、小波分析和相關(guān)分析相結(jié)合，研究昌吉地區(qū)作物生長季潛在蒸散量的變化特征。結(jié)果表明，昌吉地區(qū)近57年作物生長季潛在蒸散量呈上升趨勢；這結(jié)論符合并證實普宗朝等[21]近36年天山區(qū)潛在蒸散量變化特征及其與南、北疆的比較研究中的各區(qū)域潛在蒸散量分別于20世紀(jì)90年代末前后持續(xù)減少轉(zhuǎn)為增加變化趨勢研究結(jié)論；氣溫上升是昌吉地區(qū)作物生長季潛在蒸散量增加的主要原因，這與張山清等[22-23]氣溫仍是影響新疆年、夏半年參考作物蒸散量變化，尤其是年際尺度變化的主要氣候因子研究結(jié)果一致。但是本研究僅從潛在蒸散量傳統(tǒng)公式方面分析了它的變化特征，只考慮氣象因素影響進(jìn)行初步研究，并未考慮下墊面要素、農(nóng)業(yè)活動等人為因素對潛在蒸散量的影響。后期人為因素、地形、農(nóng)事活動等對潛在蒸散量的影響需要進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

本研究采用氣溫和降水資料結(jié)合Thornthwaite方法計算昌吉地區(qū)1963—2020年潛在蒸散量，分析了潛在蒸散量變化特征，其主要影響因子。得出以下結(jié)論。

（1）1963—2020 年昌吉地區(qū)作物生長季潛在蒸散量呈上升趨勢，年際傾向率達(dá)到了2.3 mm/10 a，并通過0.001顯著性檢驗，特別是21世紀(jì)增幅尤為明顯；各站點潛在蒸散量有區(qū)域差異，生育期內(nèi)潛在蒸散量中西部大于東部；月際變化呈現(xiàn)單峰型，最大值出現(xiàn)在7月，最小值出現(xiàn)在4月；各月各站最高潛在蒸散量基本表現(xiàn)為呼圖壁＞蔡家湖＞瑪納斯＞昌吉＞吉木薩爾＞奇臺＞木壘。昌吉地區(qū)潛在蒸散量的逐月變化趨勢與各站的逐月變化趨勢基本一致。

（2）通過M-K 檢驗可知，昌吉地區(qū)潛在蒸散量整體呈先降低后升高的變化趨勢，西部潛在蒸散量在2009 年、中部在1994 年、東部在2013 年發(fā)生突變，昌吉地區(qū)突變發(fā)生在1997 年。其中中部和昌吉地區(qū)突變早于西部和東部；中部在2005年突破0.05顯著性臨界線，增加趨勢較明顯，其他區(qū)域在2015 年左右突破0.05顯著性臨界線，潛在蒸散2015年后增加明顯。

（3）昌吉地區(qū)作物生長季潛在蒸散量有3.7～4.2年尺度的周期震蕩并通過95%置信水平的紅噪聲檢驗，其他尺度的周期震蕩均沒通過95%置信水平的紅噪聲檢驗，均可能為虛假周期，不予采用；在周期震蕩中“小-大”的變化特征；蒸散量各區(qū)域偏高波動周期信號最強(qiáng)的是東部，其次為西部，中部最小，可以看出東部蒸散量逐年增加速度最快，其次為西部，中部最慢；說明東部蒸散量的增加是昌吉地區(qū)年蒸散量增加的主要貢獻(xiàn)者。

（4）氣溫是潛在蒸散量變化的主要影響因子，其中最低氣溫的逐年升高對潛在蒸散量的逐年增加貢獻(xiàn)最大，其他氣候因子的變化對潛在蒸散量起著削弱作用。