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    1957—2017年河南省潛在蒸散量的時(shí)空分布特征

    2021-09-12 00:57:51沙慧敏李琪何樂(lè)孫錫鵬曹強(qiáng)胡正華喬云發(fā)
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021年14期
    關(guān)鍵詞:干旱降水量河南省

    沙慧敏 李琪 何樂(lè) 孫錫鵬 曹強(qiáng) 胡正華 喬云發(fā)

    摘要:在氣候變暖的大背景下,全球平均氣溫開(kāi)始持續(xù)上升,干旱災(zāi)害也日益嚴(yán)峻,嚴(yán)重影響了農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育。河南省是全國(guó)干旱地區(qū)小麥作物主產(chǎn)最多的省份,基于河南省17個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)氣象站1957—2017年的氣象資料,利用彭曼-蒙特斯公式計(jì)算河南省近61年的潛在蒸散量,分析河南省潛在蒸散量的時(shí)間變化特征,采用M-K法分析潛在蒸散的突變情況,利用ArcGIS分析潛在蒸散的空間分布特征。結(jié)果表明,1957—2017年河南省潛在蒸散量年際變化呈現(xiàn)下降趨勢(shì),蒸散量在904~1 252 mm,其中春季潛在蒸散量呈上升趨勢(shì),其他三季呈下降趨勢(shì)。通過(guò)突變檢驗(yàn)得知,1973年為年潛在蒸散突變年份,1969、1977、2003、1971年分別為四季突變年份,春季水分虧缺最嚴(yán)重,遠(yuǎn)高于其他季節(jié),因此河南省春旱情況嚴(yán)重。河南省大部分地區(qū)呈現(xiàn)缺水現(xiàn)象,但南部地區(qū)如信陽(yáng)市卻出現(xiàn)降水量高于全年蒸散量的情況。

    關(guān)鍵詞:潛在蒸散量;降水量;時(shí)空分布特征;季節(jié)分布;干旱;河南省

    中圖分類(lèi)號(hào):S161.4 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A ?文章編號(hào):1002-1302(2021)14-0231-06

    在全球氣候變化的大背景下,氣溫升高使地表水體的蒸發(fā)加快,降水時(shí)空分布發(fā)生變化,導(dǎo)致部分地區(qū)干旱災(zāi)害日益嚴(yán)峻,嚴(yán)重影響了農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育,氣候變化給農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。潛在蒸散量是影響陸地灌溉用水平衡與地表土壤能量平衡的重要因素,也是預(yù)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)需水、指導(dǎo)灌溉和監(jiān)測(cè)地表土壤旱情的重要參數(shù)[1]。潛在蒸散的減少印證了全球變暖會(huì)導(dǎo)致實(shí)際蒸散增加,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)潛在蒸散及其成因進(jìn)行了大量研究。Chattopadhyay等認(rèn)為,印度的潛在蒸散量增加主要是因?yàn)樽贤饩€輻射減少及相對(duì)濕度增加[2]。黃會(huì)平等對(duì)全國(guó)潛在作物的蒸散量進(jìn)行研究,通過(guò)自主成分動(dòng)力學(xué)分析法對(duì)土壤水分進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)土壤水分變化因子、熱力學(xué)變化因子、輻射因子等主要受溫度變化的影響[3]。左德鵬等利用Mann-Kendall法和Spline插值法計(jì)算潛在蒸散量,分析渭河流域較長(zhǎng)時(shí)區(qū)的蒸散量(ET0)變化趨勢(shì),并使用Pettitt法進(jìn)行突變檢驗(yàn)[4]。Hulme等認(rèn)為,全球潛在蒸散量的減少是由各種因素的綜合作用引起的[5]。Cohen等通過(guò)傳統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn),風(fēng)速的增大和大氣中水氣壓差的變化是導(dǎo)致以色列潛在蒸散量增加并最終導(dǎo)致氣溫高的主要原因[6]。謝平等通過(guò)貢獻(xiàn)率法和敏感系數(shù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)日照時(shí)數(shù)和平均氣溫對(duì)潛在蒸散有一定影響[7]。Espadafor等采用Blaney Criddle、Hargreaves、Priestley Taylor和Radiation法與傳統(tǒng)的P-M法進(jìn)行比較,確定ET0的貢獻(xiàn)率平均值和變化趨勢(shì),并發(fā)現(xiàn)PM-ET0顯著增加是由于太陽(yáng)輻射和平均氣溫的增高以及相對(duì)濕度的降低[8]。此外,韓松俊等認(rèn)為,山區(qū)和綠洲潛在蒸散量的變化差異,主要是因?yàn)槎叩娘L(fēng)速和輻射存在差異[9]。Yin等分析全國(guó)的潛在蒸散量,發(fā)現(xiàn)風(fēng)速的下降和相對(duì)濕度的高靈敏度是其下降的原因[10]。我國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國(guó)家,農(nóng)業(yè)抵御自然災(zāi)害的能力不足,生產(chǎn)力不穩(wěn)定[11]。河南省位于中國(guó)中東部,地處黃河流域與淮河流域,是目前全國(guó)小麥產(chǎn)量較大的省份之一,在全球變暖的大背景下,河南省干旱災(zāi)害頻發(fā)。本研究基于Penman-Monteith公式分析河南省近1957—2017年61年來(lái)的潛在蒸散量及時(shí)空分布特征,以期為進(jìn)一步掌握河南省干旱災(zāi)害發(fā)生規(guī)律及優(yōu)化水資源供給機(jī)制提供參考,這對(duì)于確保和推動(dòng)河南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展與農(nóng)民糧食產(chǎn)量保持平衡具有重要意義。

    1 材料與方法

    1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

    河南省17個(gè)氣象站1957—2017年的氣象數(shù)據(jù)(日值)來(lái)源于中國(guó)氣象局。由圖1可知,17個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站站點(diǎn)分布較均勻,可以代表河南省氣象要素的分布情況。為了計(jì)算潛在蒸散量,選取平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫等氣象數(shù)據(jù)以及臺(tái)站的經(jīng)緯度、海拔、干濕表常數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

    1.2 分析方法

    1.2.1 ET0的計(jì)算 彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)公式是聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of The United Nations,F(xiàn)AO)建議廣泛使用的潛在蒸散量的一種計(jì)算表達(dá)方法[12-13],經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化后的公式如下:

    ET0=900γU2(es-ea)+0.408Δ(Rn-G)(273+T)(273+T)[Δ+γ(1+0.34U2)]。

    式中:ET0表示參考作物蒸散量,mm/d;G表示土壤熱通量,MJ/(m2·d);γ表示干濕表常數(shù),kPa/℃;U2表示2 m高處的風(fēng)速,m/s;es表示飽和水汽壓,kPa;Rn表示地表凈輻射,MJ/(m2·d);ea表示實(shí)際水汽壓,kPa;T表示2 m高處的日平均氣溫, ℃;Δ表示飽和水汽壓曲線斜率,kPa/℃。各參數(shù)的計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[14-16]。

    1.2.2 曼-肯德?tīng)柾蛔儥z驗(yàn) 曼-肯德?tīng)柗ㄊ且环N成熟的時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析方法,也是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,在氣象和水文數(shù)據(jù)的突變檢驗(yàn)研究中應(yīng)用廣泛。具體計(jì)算公式及說(shuō)明可參考文獻(xiàn)[17]。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 時(shí)間變化特征

    2.1.1 年際變化 由圖2可知,河南省年均潛在蒸散量為904.8~1 251.8 mm,平均值為1 051.1 mm,近61年來(lái)河南省的潛在蒸散量整體呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì),年均減少約0.2 mm,通過(guò)曼-肯德?tīng)柾蛔儥z驗(yàn)進(jìn)行分析,近61年來(lái)潛在蒸散量呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這與全球氣候變暖的趨勢(shì)并不相同[18]。降水的變化對(duì)作物產(chǎn)生影響[19]。近61年來(lái)河南省的年均降水量為761.6 mm,年均降水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。此外,潛在蒸散量和降水量的差值能夠反映水分的虧缺與盈余狀況,若為負(fù)值,則說(shuō)明水分處于盈余狀態(tài),反之則為虧缺狀態(tài)。通過(guò)計(jì)算可知,河南省潛在蒸散量和降水量的差值為289.5 mm,說(shuō)明河南省水分虧缺,下降趨勢(shì)不顯著,表明近61年來(lái)河南省缺水狀況有輕微緩解。

    2.1.2 季節(jié)變化 由圖3可知,河南省1957—2017年春季的潛在蒸散量為245.9~431.7 mm,平均值為315.4 mm。調(diào)查年限間春季潛在蒸散量呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì),年均增加約0.64 mm。通過(guò)曼-肯德?tīng)柾蛔儥z驗(yàn)分析可知,近61年來(lái)春季潛在蒸散量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。近61年來(lái)河南省的平均降水量在春季為156.8 mm,整體呈現(xiàn)出下降的波動(dòng)趨勢(shì)。此外由于潛在蒸散量逐漸增加,降水量逐漸降低,所以二者差值也呈顯著上升趨勢(shì)。春季水分虧缺造成春旱加劇。

    由圖4可知,河南省夏季潛在蒸散量最小值出現(xiàn)在1989年,為345.8 mm,峰值出現(xiàn)在1966年,為517.3 mm,平均潛在蒸散量為414.0 mm。近61年來(lái)河南省夏季潛在蒸散量是波動(dòng)下降的,年均下降0.3 mm。顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明,近61年來(lái)河南省夏季潛在蒸散量的下降趨勢(shì)達(dá)到顯著性水平。夏季的平均降水量為389.2 mm,整體呈下降趨勢(shì),但下降趨勢(shì)不顯著。夏季的平均差值為24.8 mm,說(shuō)明夏季所存在的水分虧缺情況不嚴(yán)重。潛在蒸散量和降水量的平均差值也逐漸減小,說(shuō)明夏季水分虧缺程度減輕。

    由圖5可知,1957—2017年河南省秋季潛在蒸散量最低在1964年,為155.9 mm,最高在1966年,為265.2 mm,平均潛在蒸散量為204.8 mm。秋季潛在蒸散量是波動(dòng)下降的,年均約下降1.2 mm,通過(guò)曼-肯德?tīng)柾蛔儥z驗(yàn)分析可知,近61年來(lái)河南省秋季潛在蒸散量呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)。夏季平均降水量為173.2 mm,雖呈上升趨勢(shì)但不顯著。秋季潛在蒸散量和降水量平均差值為31.6 mm,下降的趨勢(shì)表明水分虧缺狀況趨于平緩,秋季的水分虧缺狀況遠(yuǎn)不如春季嚴(yán)峻。

    由圖6可知,1957—2017年河南省冬季潛在蒸散量最低為84.5 mm,出現(xiàn)在1989年,最高出現(xiàn)在1963年,為168.8 mm,平均潛在蒸散量為 116.9 mm。冬季潛在蒸散量年均上升約0.7 mm,呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)。通過(guò)曼-肯德?tīng)柾蛔儥z驗(yàn)分析可知,在近61年來(lái)河南省冬季潛在蒸散量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。近61年來(lái)河南省的平均降水量在冬季為42.4 mm,整體呈不顯著的下降趨勢(shì)。冬季的平均差值為74.5 mm,相較于夏季,冬季的差值更高,說(shuō)明水分虧缺狀況更嚴(yán)峻,但冬季因氣溫低等原因農(nóng)作物生長(zhǎng)緩慢,干旱特征并不明顯。

    2.1.3 突變特征 利用曼-肯德?tīng)柾蛔儥z驗(yàn)法,將1957—2017年河南省17個(gè)站點(diǎn)的潛在蒸散量的年均值和季節(jié)均值導(dǎo)入分析,對(duì)突變年份進(jìn)行判斷。河南省近61年來(lái),1973年是年潛在蒸散的突變點(diǎn),1969、1977、2003、1971年分別是春、夏、秋、冬4季的突變年份??梢?jiàn),春季潛在蒸散發(fā)生的突變時(shí)間較早。

    2.2 空間分布特征

    2.2.1 年際分布 由圖7可知,河南省的潛在蒸散量在924~1 153 mm,整體上看南部地區(qū)潛在蒸散等級(jí)略低于北部地區(qū)。河南省西部的三門(mén)峽市盧氏縣和洛陽(yáng)市欒川縣2個(gè)站點(diǎn)的潛在蒸散分別為924.6、958.5 mm,和其他區(qū)域相比是較低的。河南省其他站點(diǎn)的潛在蒸散量也大體在924~1 153 mm,其中東部和南部的潛在蒸散量要略高于西部,絕大部分范圍的潛在蒸散量在1 003~1 054 mm。北部的潛在蒸散量要更高一些,在1 054~1 091 mm。潛在蒸散最高的地區(qū)位于河南省中部,分布在洛陽(yáng)市孟津縣和鄭州市,分別為1 152.4、1 129.3 mm。

    2.2.2 季節(jié)分布 由圖8可知,春季河南省的潛在蒸散量在281~354 mm,從北向南遞減。三門(mén)峽市盧氏縣、洛陽(yáng)市欒川縣、信陽(yáng)市、周口市西華縣等地的潛在蒸散量的平均值較低,在281~301 mm之間,而新鄉(xiāng)市、三門(mén)峽市、開(kāi)封市、安陽(yáng)市、鄭州市和洛陽(yáng)市孟津縣等地的潛在蒸散較高,在326~354 mm 之間。河南省夏季潛在蒸散量在376~451 mm,潛在蒸散等級(jí)分布和年際變化大體相似,在四季中潛在蒸散量最高。從全省范圍看,西部的欒川縣和盧氏縣潛在蒸散量較低,分別為376.1、381.8 mm。東部和南部次之,中部潛在蒸散量較高,潛在蒸散量最高的站點(diǎn)是三門(mén)峽市,達(dá)到450.4 mm,這與春季的變化趨勢(shì)不大相同。

    由圖9可知,河南省秋季潛在蒸散量在168~225 mm,西部的盧氏縣和欒川縣潛在蒸散量較低,分別為168.1、83.2 mm。東部、南部、北部潛在蒸散量大都處于193~210 mm,中部潛在蒸散量較高,孟津縣的潛在蒸散量最高,為224.1 mm。

    由圖9可知,河南省冬季潛在蒸散量在92~144 mm,在四季中最低。東部、西部、南部、北部的潛在蒸散量大都在92~125 mm, 中部偏高, 孟津縣的潛在蒸散量最高,為143.7 mm。

    3 結(jié)論與討論

    通過(guò)分析河南省1957—2017年的年際及季節(jié)潛在蒸散量變化,發(fā)現(xiàn)夏季平均潛在蒸散量在四季中最高,為414.0 mm。春季(圖3)、冬季(圖6)潛在蒸散量變化呈上升趨勢(shì),夏季(圖4)、秋季(圖5)的潛在蒸散量呈現(xiàn)出整體下降的趨勢(shì)。不同時(shí)段潛在蒸散量與全球變暖的變化趨勢(shì)不相吻合,說(shuō)明潛在蒸散量發(fā)生變化的因素之一是溫度,但不是完全決定因素。潛在蒸散量的變化趨勢(shì)受多種氣象因素的綜合作用[20-22]。差值表示水分虧缺的情況,河南省潛在蒸散量和降水量的差值較高,為 289.5 mm,說(shuō)明河南省的干旱情況較嚴(yán)重。

    河南省潛在蒸散量在空間上呈現(xiàn)不均勻分布。但是從整體來(lái)看,北部地區(qū)的蒸散量遠(yuǎn)高于南部地區(qū),而東部地區(qū)稍高于西部地區(qū),中部地區(qū)蒸散量顯著高于邊緣地區(qū)。盧氏縣和欒川縣2個(gè)站點(diǎn)位于河南省西部,無(wú)論是全年還是四季的蒸散量都要比其他地區(qū)低,根據(jù)氣象數(shù)據(jù)分析猜測(cè),可能是由于這兩地的氣溫要低于其他地區(qū),同時(shí)其平均風(fēng)速也要低于其他站點(diǎn),所以造成潛在蒸散量偏低。可見(jiàn),除了大氣溫度,風(fēng)速也被認(rèn)為是直接影響潛在蒸散氣體質(zhì)量的一個(gè)重要因素。位于河南省南部的信陽(yáng)和固始2個(gè)站點(diǎn)由于常年多雨,年均降水量要遠(yuǎn)高于其他地區(qū),造成異于其他站點(diǎn)的年均降水量高于年均蒸散量,且二者差值為負(fù)值。信陽(yáng)和固始?xì)鉁仉m然高于其他地區(qū),但平均水氣壓和平均濕度高,潛在蒸散量不高,年均蒸散量分別為1 018.1、1 028.6 mm。

    綜上,不同地區(qū)影響潛在蒸散量的因素也不同。全年與各季節(jié)的潛在蒸散量的空間分布基本一致,但對(duì)于不同區(qū)域又有很大差別。說(shuō)明影響潛在蒸散量的主要?dú)庀笠蜃右蚣竟?jié)不同而存在差異[23-27]。隨著全球氣候變暖,水熱資源變化顯著,其配置情況是一個(gè)地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ),尤其是蒸發(fā)強(qiáng)烈、干旱頻發(fā)、降水稀少的地區(qū)[28]。因此,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中要因地、因時(shí)制宜,充分了解區(qū)域內(nèi)水分虧缺程度在空間與時(shí)間的分布規(guī)律及差異,針對(duì)不同季節(jié)、不同區(qū)域采取不同的措施有助于防旱抗旱力的提高,從而綜合最大效益,合理配置有限水資源,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水途徑的探索[29]。

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