1995-2015年寧夏沿黃城市帶蒸散發(fā)時空變化特征

馬小燕， 朱曉雯， 趙金濤， 石 云,2

(1.寧夏大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院， 寧夏 銀川 750021； 2.寧夏(中阿)旱區(qū)資源評價與環(huán)境調(diào)控實驗室， 寧夏 銀川 750021)

1 研究背景

蒸散發(fā)過程由降水、日照時數(shù)、氣候和下墊面等一系列因素共同作用，其影響區(qū)域囊括全球農(nóng)業(yè)、生態(tài)以及人類活動。蒸散發(fā)現(xiàn)象復(fù)雜，受地形、溫度等因素影響較大且實測蒸發(fā)資料匱乏，導(dǎo)致區(qū)域蒸散發(fā)量估算成為氣象、生態(tài)領(lǐng)域研究的重點之一[1]。分析潛在蒸散發(fā)(ET0)與實際蒸散發(fā)(evapotranspiration,ET)之間的關(guān)系在水文與氣候之間的相互作用，對研究地表水量平衡和水量循環(huán)具有重要意義[2]。

潛在蒸散發(fā)(ET0)作為表征大氣蒸發(fā)能力的重要參數(shù)，是作物需水量估算、區(qū)域水量平衡、農(nóng)田灌溉管理等研究的關(guān)鍵因子，能夠為計算參考作物蒸散發(fā)和區(qū)域水資源優(yōu)化配置[3-4]提供參考。ET0的估算模型主要有Hamon法、Hargreaves法、Rohwer法、Makkink法、Priestley-Taylor法和Penman-Monteith法[5]等方法，每種方法的形式和意義各不相同，其中Penman-Monteith法計算精度高、適用范圍[6]廣泛。實際蒸散發(fā)(ET)是指在水分循環(huán)中，受到下墊面和氣候條件影響實際產(chǎn)生的蒸發(fā)量[7]，準確估算ET是水文學(xué)、生態(tài)學(xué)以及氣象學(xué)研究的重要方向之一[8]。ET估算模型主要包括參考作物系數(shù)法、互補假設(shè)法和Budyko水熱耦合假設(shè)等[9-10]，Budyko水熱耦合假設(shè)綜合考慮了蒸發(fā)、降水兩方面因素對蒸散發(fā)的影響[11]，是流域蒸散發(fā)計算的有效方法之一。傅抱璞[12]根據(jù)微分方程理論，從流域水文氣象的物理意義出發(fā)，給出Budyko假設(shè)的解析形式，適用于評估下墊面變化對蒸散發(fā)的影響[8]。大量研究的計算結(jié)果顯示潛在蒸發(fā)量與蒸發(fā)皿觀測的蒸發(fā)量均呈減小趨勢[11-12]。該現(xiàn)象引發(fā)了“蒸發(fā)悖論”[13]并受到廣泛關(guān)注，兩者之間的關(guān)系與及其解析至今仍無確定性的結(jié)論。1963年，Bouchet[14]提出蒸散發(fā)互補相關(guān)理論，奠定了蒸散發(fā)研究史上的里程碑；王艷君等[15]從長江流域蒸發(fā)變化原因入手，分析了實際蒸發(fā)量與潛在蒸發(fā)量之間的關(guān)系；童瑞等[16]采用Penman-Monteith法及Budyko水分能量平衡公式，分析了蒸散發(fā)受水分能量供應(yīng)條件的限制情況、蒸散發(fā)率和干燥指數(shù)的時空變化趨勢、ET與ET0之間的差別與聯(lián)系。

寧夏沿黃城市帶位于黃河流域中上游，屬溫帶大陸性干旱、半干旱氣候，地形地貌復(fù)雜，土壤水分的限制和植被類型生長狀況的差別使區(qū)域?qū)嶋H蒸散發(fā)量與潛在蒸散發(fā)量差異較大。近年來對寧夏沿黃城市帶的蒸散發(fā)研究多以潛在蒸散發(fā)時空變化和敏感性分析為主，對實際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)之間關(guān)系的研究較少。本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，采用Penman-Monteith公式計算潛在蒸散發(fā)ET0，運用Budyko水分能量平衡公式計算實際蒸散發(fā)ET，利用小波分析、氣候傾向率等統(tǒng)計方法分析了寧夏沿黃城市帶1995-2015年ET和ET0的時空分布和變化情況，可為研究區(qū)農(nóng)業(yè)水資源管理、植被狀況和環(huán)境變化理論提供支撐和實踐依據(jù)[17]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

寧夏沿黃城市帶(36°54′30″～39°23′23″N，104°17′7″～106°58′13″E)位于蒙古高原、青藏高原和黃土高原交匯的內(nèi)陸中緯度地帶，包含石嘴山市和銀川市全市、中衛(wèi)市的沙坡頭區(qū)和中寧縣、吳忠市的利通區(qū)以及青銅峽市。黃河干流自寧夏中衛(wèi)縣南長灘翠柳溝進入研究區(qū)范圍內(nèi)，至石嘴山市惠農(nóng)區(qū)頭道坎麻黃溝流出研究區(qū)(右岸平羅縣陶樂鎮(zhèn)都思兔河)，全長397 km，流域面積約為5×104km2。寧夏沿黃城市帶地處干旱半干旱區(qū)，地形南高北低，干旱少雨、溫差較大、蒸發(fā)強烈[18]、氣候復(fù)雜多樣。流域大部分地區(qū)年均降水量在500 mm以下[19]，蒸發(fā)量遠大于降雨量，水資源時空分布不均，集中了寧夏回族自治區(qū)90%以上的水資源[20]，人均水資源量僅為129 m3，不足全國人均水平的1/16；研究區(qū)用水效率低，工業(yè)用水重復(fù)利用率為60%，低于全國平均水平，資源性缺水問題較突出，是我國干旱缺水最嚴重的地區(qū)之一[21]。

2.2 數(shù)據(jù)來源

采用寧夏沿黃城市帶1995-2015年惠農(nóng)區(qū)、吳忠市、銀川市、平羅縣、中衛(wèi)市、中寧縣6個氣象站點數(shù)據(jù)和2個輻射站點的逐日數(shù)據(jù)(來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)http://data.cma.cn)，包括日照時間、相對濕度、平均風(fēng)速、平均溫度以及地表凈輻射數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)在時間序列上的完整性，采用偏最小二乘回歸插值法對研究區(qū)氣象觀測資料中缺測數(shù)據(jù)進行插補延展[22]，研究區(qū)概況及各氣象站、輻射站分布如圖1所示。

2.3 研究方法

2.3.1 潛在蒸散發(fā)量 1998年世界糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)推薦Penman-Monteith修正模型(P-M模型)作為計算潛在蒸散發(fā)的唯一標準方法，使得該方法得到了廣泛的應(yīng)用[23]，因此本文采用P-M模型計算寧夏沿黃城市帶1995-2015年的日ET0和月ET0，計算公式如下：

(1)

V=0.665×10-5p

(2)

式中:ET0為潛在蒸散量，mm；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線斜率，kPa/℃；Rn為地表凈輻射，MJ/m2；G為土壤熱通量，MJ/m2(在逐日計算公式中，G約等于0)；T為距地面2 m高度處的平均氣溫，℃；U2為距地面2 m高度處的風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；V為干濕表常數(shù)，kPa/℃；p為大氣壓，kPa。

圖1 研究區(qū)概況及各氣象站、輻射站分布

2.3.2 Budyko假說 地面蒸散發(fā)主要由能量平衡和水分供應(yīng)控制，基于此，Budyko提出了著名的水分能量耦合模型(Budyko曲線)[16,24]，以降水量P表示流域水分供應(yīng)條件，以ET0表示流域能量供應(yīng)情況，指出流域的ET受P因子和ET0因子同時控制。按照Budyko流域水分能量耦合平衡方程假說，濕潤區(qū)實際蒸散發(fā)主要由蒸散能力(ET0)控制，干旱區(qū)實際蒸散發(fā)主要受降水量(P)控制[24]。寧夏沿黃城市帶處于農(nóng)牧交錯帶，水生態(tài)環(huán)境脆弱，受水分供應(yīng)條件影響較大，本研究基于Budyko曲線計算不同年降水量的蒸散發(fā)率，評估下墊面變化對流域蒸散發(fā)的影響[16]。計算公式為：

(3)

式中：P為降水量，mm；ω為下墊面參數(shù)，其與植被的類別、土壤水力特性及地形等有關(guān)，取值范圍為(1，+∞)，本研究采用傅抱璞公式，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)的地形、土壤和植被覆蓋度確定寧夏沿黃城市帶下墊面參數(shù)ω。

其次，關(guān)于修身的具體方法，程頤和朱熹都非常強調(diào)“整齊嚴肅”?！罢R嚴肅”就是一種典型的用外部去規(guī)范自我內(nèi)部的方法。關(guān)于“整齊嚴肅”程頤說過：“儼然正其衣冠，尊其瞻視，其中自有個敬處。”又說：“非禮勿視聽言動，邪斯閑矣?！薄皠尤菝?，整思慮，則自然生敬?！盵3]也就是說“整齊嚴肅”就是用符合天理的各種規(guī)范對自己的舉止、形象、衣冠、表情、視聽言動等各個方面加以限制，通過常年累月的嚴格規(guī)范，形成習(xí)慣，這樣就會“天理自然明”，達到修身的目的。

2.3.3 定量化判斷方法 水分供應(yīng)條件變化下ET與ET0之間是正相關(guān)還是負相關(guān)關(guān)系存在爭論，正相關(guān)和負相關(guān)在理論概念上完全相悖，但二者之間存在一個共同點，即隨著下墊面供水條件的變化，ET0與ET變化率的絕對值相等[25]，因此，本文以降水量表征下墊面供水條件，構(gòu)建降水-蒸散發(fā)聯(lián)合回歸方程，并對回歸系數(shù)進行t檢驗來判斷ET與ET0理論從屬關(guān)系，關(guān)系式如下：

|δET/δP|=|δET0/δP|

(4)

式中：若相關(guān)系數(shù)δ同號，則認為ET和ET0關(guān)系完全符合Penman正比假設(shè)理論；否則認為ET與ET0關(guān)系完全符合互補相關(guān)理論。

3 結(jié)果與分析

3.1 實際蒸散發(fā)和潛在蒸散發(fā)計算結(jié)果

計算結(jié)果表明，研究區(qū)實際蒸散發(fā)ET遠低于潛在蒸散發(fā)ET0，ET多年均值為710.551 mm，最大值出現(xiàn)在2011年，為844.551 mm，最小值出現(xiàn)在2006年，為509.746 mm；ET0多年均值為831.585 mm，最大值出現(xiàn)年份與ET一致，最大值為1 071.024 mm，比ET的最大值大226.473 mm，占ET0多年平均值的27.23%；最小值為635.656 mm，比ET的最小值大125.91 mm，占ET0多年平均值的15.14%。根據(jù)寧夏沿黃城市帶蒸散發(fā)的分布情況可知，ET值以吳忠市最大，年均達815.058 mm，其次為銀川市，年均ET為808.124 mm，中衛(wèi)市的ET值相對較小，僅為574.617 mm；ET0值以吳忠市和銀川市2個地區(qū)最大，均超過940 mm，中衛(wèi)市的ET0值較大，為861.859 mm，石嘴山市的ET0值最小，僅為684.248 mm。

3.2 實際蒸散發(fā)和潛在蒸散發(fā)關(guān)系的定量化判斷

寧夏沿黃城市帶1995-2015年年均降水量P與蒸散發(fā)的關(guān)系如表1所示。

由表1可以看出，在研究時段內(nèi)，隨著降水量的增加，吳忠市、銀川市、中衛(wèi)市和石嘴山市的ET值均呈現(xiàn)明顯增大趨勢，其中ET在吳忠市和銀川市增加趨勢最為明顯，通過了0.01置信度的顯著性檢驗；另外，中衛(wèi)市ET值隨降水量波動而變化的趨勢不明顯，兩者相關(guān)系數(shù)較小。研究區(qū)潛在蒸散發(fā)ET0隨降水量的增加呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，上升幅度略小于實際蒸散發(fā)ET。其中吳忠市、中衛(wèi)市和銀川市的ET0隨降水量的變化趨勢通過了0.01置信度的顯著性檢驗，而石嘴山市ET0隨降水量變化的變化趨勢不明顯。

表1 1995-2015年寧夏沿黃城市帶年均降水量P與ET和ET0的關(guān)系

實際蒸散發(fā)ET與潛在蒸散發(fā)ET0計算結(jié)果的差異性主要源于水分供應(yīng)是否充足，ET是基于實際供水條件，而ET0是基于理想供水條件，即充分供水。在寧夏沿黃城市帶的不同區(qū)域，降水量年際差異明顯，由降水量引起的下墊面供水條件變化導(dǎo)致ET和ET0增、減幅度有所差異，從4個地區(qū)(市)的平均結(jié)果來看，隨著降水量的增加，ET與ET0在0.1的置信水平下均呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，分析可得ET與ET0在年尺度上更滿足于正比假設(shè)理論。

3.3 蒸散發(fā)季節(jié)性變化

1995-2015年寧夏沿黃城市帶ET在各季節(jié)的變化情況如圖3所示。由圖3可看出，各季節(jié)平均ET的年際整體增大速率較ET0緩慢，夏季平均ET值最大，為333.283 mm，比夏季平均ET0值小42.22 mm其次為春季、秋季和冬季，分別比相應(yīng)季節(jié)的平均ET0值小43.65、18.58和16.57 mm。各季節(jié)平均ET的年際變化趨勢與平均ET0基本一致，時段特征具有細微差別。各季節(jié)平均ET最大值均出現(xiàn)在2011年，與ET0保持一致，春、夏兩季平均ET值比相應(yīng)季節(jié)的平均ET0值約小55 mm，秋、冬兩季平均ET值分別比相應(yīng)季節(jié)的平均ET0值小19.77、25.87 mm。從1995-2015年各時段來看，1995-2002年各季節(jié)平均ET基本呈增大趨勢，增大速率排序為夏季(62.4 mm/10a) >春季(56.6 mm/10a) >秋季(47.9 mm/10a)>冬季(6.0 mm/10a)；2004-2006年各季節(jié)平均ET均呈減小趨勢，減小速率排序為夏季(539.1 mm/10a)>春季(148.7 mm/10a)>秋季(102.0 mm/10a)>冬季(36.2 mm/10a)； 2011-2015年各季節(jié)平均ET均呈減小趨勢，與ET0一致。其中通過滑動t檢驗確定2006年為突變年，該年份各季節(jié)平均ET值最小。

3.4 蒸散發(fā)年際變化

利用Morlet小波分析對寧夏沿黃城市帶蒸散發(fā)量進行周期性評價，結(jié)果見圖4。

圖4顯示，1995-2015年寧夏沿黃城市帶ET0和ET在多時間尺度上均存在復(fù)雜的嵌套結(jié)構(gòu)現(xiàn)象，具有較強的周期性。ET0和ET的周期性基本一致，有2個明顯的主周期，即3～10 a、10～15 a的干濕周期變化，整個研究時段內(nèi)以10～15 a為周期的時間尺度變化最強，其振蕩中心的時間尺度約為14 a；以5～10 a為周期的時間尺度變化次之，其振蕩中心的時間尺度約為7 a。因而，寧夏沿黃城市帶在整個時間尺度上存在以7和14 a左右為主的周期變化。在第1主周期中，明顯的聚集中心有2段，并伴隨有弱聚集存在。第1個強聚集中心在2002年附近，其時域尺度強，集中影響范圍為1999-2004年；第2個為聚集分散中心，在2011年附近，較第1個強聚集中心有所減弱，其集中影響范圍為2009-2013年。第2主周期實部時頻圖展現(xiàn)出與第1主周期相反的變化趨勢，其第1個強聚集中心在3 a附近，集中影響范圍為1995-1999年；第2個為聚集分散中心，在2006年附近，其集中影響范圍為2004-2008年。

圖2 1995-2015年寧夏沿黃城市帶ET0季節(jié)性變化

圖3 1995-2015年寧夏沿黃城市帶ET季節(jié)性變化

圖4 寧夏沿黃城市帶蒸散發(fā)小波系數(shù)實部等值線圖

3.5 蒸散發(fā)區(qū)域差異

對1995-2015年寧夏沿黃城市帶各季節(jié)平均ET0及其變化傾向率空間分布特征進行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 1995-2015年寧夏沿黃城市帶各季節(jié)平均ET0及其變化傾向率空間分布

由圖5可以看出，研究區(qū)各季節(jié)平均ET0具有明顯的地域差異特征，由北到南呈現(xiàn)“低-高-中”的分布特征。春季平均ET0有增大趨勢的區(qū)域約占85%，中寧縣呈顯著增大趨勢，其趨勢系數(shù)介于15.029～15.929 mm/10a(P<0.01)，金鳳區(qū)ET0增大趨勢不明顯，趨勢系數(shù)在11.458 mm/10a左右；夏季平均ET0有90%的區(qū)域呈增大趨勢，趨勢系數(shù)介于11.551～17.906 mm/10a之間，ET0空間分布特征與春季相似，惠農(nóng)區(qū)75%地區(qū)以及平羅縣51%地區(qū)的年均ET0最小，介于285.81～293.73 mm之間，趨勢系數(shù)介于15.964～17.906 mm/10a之間，青銅峽東部25%區(qū)域以及靈武市南部17%區(qū)域的ET0在逐漸增大，沙坡頭區(qū)與中寧縣ET0的增大趨勢系數(shù)介于12.025～15.963 mm/10a之間，金鳳區(qū)ET0一直處于高值狀態(tài)，但ET0增加具有減緩趨勢；秋季寧夏沿黃城市帶中部地區(qū)的ET0值仍然最大，ET0最小值出現(xiàn)在惠農(nóng)區(qū)東北部和平羅縣東部，中寧縣ET0增加趨勢顯著，趨勢系數(shù)介于13.981～14.906 mm/10a之間；與秋季相比，冬季寧夏沿黃城市帶的ET0整體減弱，整個區(qū)域的ET0值介于26.58～41.22 mm之間，但有逐漸增大的變化趨勢，趨勢系數(shù)介于10.180～10.884 mm/10a之間。

1995-2015年寧夏沿黃城市帶各季節(jié)平均ET及其變化傾向率空間分布特征如圖6所示。由圖6可以看出，各季節(jié)平均ET的空間分布格局與ET0基本一致，ET值由北到南整體呈現(xiàn)“低-高-中”的空間分布特點，但變化趨勢存在空間差異。春季平均ET呈增大趨勢的區(qū)域約占90%，呈顯著增大的區(qū)域約占48%；夏季有88%區(qū)域的平均ET顯著上升；秋季與冬季的ET空間分布特點基本一致，但冬季高ET值范圍由興慶區(qū)、利通區(qū)向西南地區(qū)擴大。

圖6 1995-2015年寧夏沿黃城市帶各季節(jié)平均ET及其變化傾向率空間分布

4 討 論

1995-2015年寧夏沿黃城市帶實際蒸散發(fā)ET遠小于潛在蒸散發(fā)ET0。ET多年均值為710.551 mm，最大值出現(xiàn)在2011年，為844.551 mm，最小值出現(xiàn)在2006年，為509.746 mm；ET0多年均值為831.585 mm，最值分布與ET一致。由于ET是在非充分供水條件下估算得到的蒸散量，而ET0是在假設(shè)降水量充足條件下的蒸散發(fā)估算值，因此ET與ET0差異較大。在寧夏沿黃城市帶不同區(qū)域，降水年際差異明顯，由降水量引起的下墊面供水條件變化導(dǎo)致ET和ET0增減幅度有所差異，ET與ET0呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，符合正比假設(shè)理論，這與Liu等[26]分析黃河流域1961-2000年的蒸散發(fā)呈減小趨勢的研究結(jié)果不符，從側(cè)面反映出“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象在黃河流域有減弱甚至消失的趨勢。

隨著降水量的增加，研究區(qū)多年平均蒸散發(fā)總體呈增大趨勢，由東北向西南呈現(xiàn)“低-高-中”相間分布的空間格局。夏季平均蒸散發(fā)值最大，冬季平均蒸散發(fā)值最小，各季節(jié)ET與ET0年際變化趨勢基本一致，在研究時段內(nèi)呈現(xiàn)“增大-減小-增大-減小”的震蕩變化趨勢。蒸散發(fā)最大的地區(qū)在研究區(qū)中部金鳳區(qū)與利通區(qū)交界處；蒸散發(fā)最小的地區(qū)在石嘴山市以北區(qū)域。1995-2015年，寧夏沿黃城市帶氣候變化呈現(xiàn)由濕潤轉(zhuǎn)為逐漸干旱再至2006年之后干旱減輕的趨勢。由于研究區(qū)位于黃土高原，屬干旱、半干旱地區(qū)，受大陸季風(fēng)性氣候以及全球大氣環(huán)流的影響，蒸發(fā)量遠大于降水量，水資源時空分布不均。隨著寧夏沿黃城市帶年均氣溫躍升、蒸散發(fā)量增大、降水量逐漸減小，研究區(qū)有較明顯的暖干化趨勢。

利用Morlet小波判別1995-2015年寧夏沿黃城市帶蒸散發(fā)量周期變化，按時間尺度可分為3～10 a、10～15 a的周期變化，整個研究時段內(nèi)以10～15 a為周期的時間尺度變化最強，以5～10 a為周期的時間尺度變化次之。在不同的尺度周期中，研究區(qū)表現(xiàn)出不同程度的的干濕振蕩規(guī)律，但小波分析結(jié)果存在著多時間尺度上的復(fù)雜嵌套結(jié)構(gòu)問題，對分析結(jié)果準確性有一定影響[27]。

本文基于離散分布的測站資料，分析寧夏沿黃城市帶蒸散發(fā)時空差異性，缺乏研究區(qū)蒸散發(fā)與環(huán)境因子之間的響應(yīng)機制分析。未來需進一步深入探討氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)、相對濕度對蒸散發(fā)估算結(jié)果的精確性和空間差異性的影響。

5 結(jié) 論

本研究以寧夏沿黃城市帶1995-2015年氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用Penman-Monteith、Budyko曲線估算潛在蒸散發(fā)ET0與實際蒸散發(fā)ET，分析研究時段內(nèi)ET與ET0之間的關(guān)系及其時空分布規(guī)律，研究流域各區(qū)域蒸散發(fā)受水分能量供應(yīng)條件限制的情況，主要結(jié)論如下：

(1)在研究時段內(nèi)，寧夏沿黃城市帶ET及ET0整體呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，兩者峰值均出現(xiàn)在2011年，與降水量分布一致，ET與ET0之間的關(guān)系符合正比假設(shè)理論。

(2)寧夏沿黃城市帶各季節(jié)ET及ET0年際變化總體呈現(xiàn)“增大-減小-增大-減小”的震蕩變化趨勢，1995-2015年蒸散發(fā)按時間尺度可分為3～10 a的弱周期變化和10～15 a的強周期變化，2006年為罕見干旱年，蒸散發(fā)出現(xiàn)異常值。

(3)寧夏沿黃城市帶1995-2015年年均蒸散發(fā)由東北向西南呈現(xiàn)“低-高-中”相間分布的空間格局。最大值出現(xiàn)在金鳳區(qū)與利通區(qū)交界處，ET值達到800 mm以上，ET0值達到900 mm以上；最小值出現(xiàn)在石嘴山市以北區(qū)域，ET值低至600 mm以下，ET0值低至700 mm以下。