瑪納斯河流域氣候變化對參考蒸散量的影響

李戰超，魏文壽，陳榮毅*，王 進，張 明

（1.新疆師范大學，新疆 烏魯木齊830054；2．中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；3．烏蘭烏蘇農業氣象試驗站，新疆 石河子832021）

隨著全球氣候的變化，全球平均氣溫在逐漸升高，但是全球許多地方蒸發皿蒸發量卻存在著明顯的下降趨勢，Brutsaert等稱這種不一致現象為蒸發悖論[1]。近50 a來新疆的氣溫也在呈上升趨勢，20世紀90年代以后氣溫升高態勢更為明顯[2-3]。劉春蓁的研究表明干旱半干旱地區的陸地水循環與濕潤半濕潤地區有顯著差異，蒸發系數遠遠大于徑流系數[4]。在干旱和半干旱地區不能用蒸發皿蒸發（自由水面）來替代實際蒸發表現尤為明顯[5]。在未來50 a，在中緯度地區和干旱的低緯度地區，可用水資源將減少，干旱的范圍將擴大，我國干旱區面積也將不斷增加[6-7]，在缺水的西北地區水資源將顯得更為重要。目前對新疆綠洲氣候變化的研究主要集中在塔里木河流域和瑪納斯河流域，多是氣候變化對徑流量影響的探討分析，并取得了一定成果，但是涉及到瑪納斯河流氣候變化對蒸散量影響方面的研究就相對較少。蒸散量是全球水循環的重要環節，是維持全球水量和能量平衡的重要組成部分[8]。瑪納斯河流域是西北干旱半干旱區重要的綠洲農業灌溉區，農業在北疆地區占有舉足輕重的地位。因此分析和研究瑪納斯河流域氣候變化對蒸發量響應的機制，有助于指導和幫助西北干旱半干旱地區農業經濟的發展。西北干旱半干旱地區植物的蒸散量是內陸水循環的重要環節，是確定氣象因子對土壤—植被—大氣連續體系中水分傳輸與水汽擴散速率影響的指標[9]。

瑪納斯河流域蒸散量強烈，是氣候變化引起生態環境變化的敏感區域，由于特殊的地理位置，學者對其研究一直在繼續。本文采用20世紀90年代，聯合國糧農組織（FAO）推薦的Penman-Monteith公式作為計算瑪納斯河流域參考作物蒸散量（RET）的方法[10]。利用統計學方法分析影響瑪納斯河流域RET的氣象因子之間耦合機制，并定量分析研究引起瑪納斯河流域RET變化的原因。

1 資料和方法

1.1 研究區概況

瑪納斯河流域（圖1）地理位置（43°27′～45°21′N，85°01′～86°32′E），東西最長約 200 km，南北最寬約260 km，總面積約2.4萬km2。位于亞歐大陸腹地，地處新疆天山北麓，準噶爾盆地南緣，身居大陸內部，遠離海洋，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，降水稀少，蒸發旺盛。

1.2 資料來源及處理

選取瑪納斯河流域及其周圍6個氣象站點1964—2010年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、水汽壓、相對濕度、風速、日照時數等常規數據進行統計分析。用于研究氣候變化的資料不僅要有足夠的序列長度，還應有足夠的精確度。因此，所用資料必須滿足均一性、代表性和比較性。

1.3 研究方法

（1）參考蒸發量的估算：采用1998年聯合國糧農組織FAO推薦Penman-Monteith公式來計算ET0，作物參考蒸散量定義為假設表面開闊、具有充足水分、生長茂盛且均一高度為0.12 m的草地的蒸散量，其中表面阻抗為70 sm-1，反照率α=0.23[10]。ET0計算公式如下：

式中：ET0為參考作物蒸散發能力（mm·d-1），Δ為飽和水汽壓—溫度曲線斜率（kPa℃-1），Rn為作物表面的凈輻射（MJm-2d-1），G為土壤熱通量（MJm-2d1），T為2 m處的日均氣溫（℃），γ為干濕表常數（kPa℃-1），es為飽和水汽壓（kPa），ea為實際水汽壓（kPa），μ2為 2 m 處的風速（m·s-1）。以上各項數值可由基本日氣象要素計算得到。按對數定律近似得到2 m高的風速計算公式[10]：

式中，U10為10～12 m高度的氣象站的實測風速。

（2）變化趨勢：采用Mann-Kendall檢驗法對瑪納斯河流域的氣候因子進行趨勢性分析和顯著性檢驗[11-14]。

（3）標準化處理：采用最小——最大標準化法對原始數據進行線性變化，將同一屬性的原始數據通過最小——最大標準化映射成為區間在（0，1）無量綱指標測評值，進行綜合測評分析。其公式為：

（4）影響程度及貢獻率的計算：

采用SPSS進行多元回歸分析氣候因子對RET變化的影響，對標準化后的數據序列進行多元線性回歸分析，建立標準化后數據序列回歸方程，計算自變量（氣候因子）的變化對因變量（參考蒸散量）的變化的貢獻率大小[15-16]。其公式如下：

式中 Ym為標準化后因變量值，X1m、X2m、X3m、X4m……為標準化后自變量值，a、b、c、d……為標準化后序列回歸系數值，K1為相對貢獻率，K2為實際貢獻率。

2 結果與分析

2.1 參考作物蒸散量變化規律

根據FAO推薦的 Penman-Monteith方法計算的瑪納斯河流域6個氣象站參考蒸散量，瑪納斯河流域各站參考蒸散量的月際變化很大，且具有一致性，即最高值一般發生在7月，最低值發生在1月（圖2）；7月參考蒸散量由高到低排序為瑪納斯＞沙灣＞莫索灣＞炮臺＞烏蘭烏蘇＞石河子。瑪納斯7月參考蒸散量多年平均值為7.34 mm/d，石河子為5.37 mm/d。瑪納斯河流域6—8月參考蒸散量的總和在全年中所占比例相對較大，約占50%以上，說明夏季是瑪納斯河流域蒸散量最大的季節。

瑪納斯河流域季節參考蒸散量變化趨勢差異顯著。從各氣象站年、季變化速率來看（圖3），除了莫索灣秋季和石河子春季參考蒸散量呈現微弱的增加趨勢以外，其它站點年和季節變化均呈現下降趨勢。夏季參考蒸散量變化最大，秋季大于春季，冬季變化最弱。以烏蘭烏蘇站為例，1964—2010年期間，年參考蒸散量減少速率為57.85 mm/10 a，夏季參考蒸散量減少速率為37.92 mm/10 a，占全年參考蒸散量變化的65.5%以上，秋季占12.76 mm/10 a，春季占5.45 mm/10 a，冬季變化最弱。經研究分析可知，在流域氣溫上升的情況下，相對濕度的增加和平均風速的減小是烏蘭烏蘇站夏季參考蒸散量下降的主要原因。

瑪納斯河流域各個氣象站1964—2010年平均參考蒸散量差別較大，瑪納斯河流域年均蒸散量1 049.05 mm，年參考蒸散量減少趨勢明顯（變化速率為42.05 mm/10 a），與唐湘玲等[17]的研究蒸發量的年際變化趨勢是一致的。對6個氣象站年參考蒸散量的變化分析表明（表1），除石河子的年參考蒸散量呈微弱減少趨勢外（變化速率1.52 mm/10 a），其他5個氣象站的年參考蒸散量都呈現顯著的減少趨勢，減少速率最大的是瑪納斯，為83.08 mm/10 a。

2.2 氣候因子對參考蒸散量的影響評價

氣候的變化是瑪納斯河流域參考蒸散量變化的主要原因。在瑪納斯河流域的不同站點，影響參考蒸散量的氣候因子所做的貢獻也不相同。為了區分氣候因子在瑪納斯河流域參考蒸散量變化中所起的作用，以瑪納斯河流域參考蒸散量為因變量，以平均氣溫（Ta）、氣溫日較差（DR）、日照時數（S）、相對濕度（RH）、平均風速（U）、水汽壓（P）等影響蒸散量的氣候因子為自變量，運用SPSS統計軟件進行多元線性回歸處理。為消除氣候因子因單位和數量級的不同而產生的差異，本文將首先對氣候因子進行標準化處理。

表1 瑪納斯河流域1964—2010年各氣象站RET/mm的變化趨勢及其顯著性

從瑪納斯河流域各站點回歸方程R2（表2）來看，回歸模擬效果較好。從表中可以看出，所有站點影響蒸散量的氣候因子全都進入了回歸模型，說明了氣候因子是影響瑪納斯河流域參考蒸散量的普遍因素。

表2 瑪納斯河流域參考蒸散量與氣候因子（標準化后）回歸系數

從瑪納斯河流域6個氣象站點平均風速、水汽壓、日較差、日均溫、日照時數和相對濕度變化趨勢的M-K檢驗結果（表3）可以看出：6個氣象站點平均風速、水汽壓和日均溫呈上升趨勢，并且上升趨勢通過了α=0.01置信水平檢驗，極其顯著；日較差除瑪納斯站（顯著上升）和烏蘭烏蘇（不顯著下降）外，其它4個氣象站點都呈極顯著下降趨勢，并且通過了α=0.01置信水平檢驗，極其顯著；日照時數除莫索灣（顯著上升）外，其它5個氣象站點均呈下降趨勢；相對濕度變化趨勢較為復雜。

表3 瑪納斯河流域1964—2010年各氣象站風速等氣候因子M-K趨勢檢驗U值

通過對瑪納斯河流域6個氣象站點各氣候因子和參考蒸散量的回歸分析及M-K趨勢性對比分析可知，平均風速的變化是影響瑪納斯河流域參考蒸散量變化的主要因素。對瑪納斯河流域6個氣象站點的年平均風速均值的變化趨勢分析（圖4）和M-K趨勢檢驗表明，瑪納斯河流域近地面平均風速在1964—2010年間呈顯著減小趨勢，每年約0.012 m/s的速率下降。平均風速年變化趨勢在南疆阿克蘇河流域[15]和華北地區[18]也出現了類似的狀況。近地面平均風速的呈顯著減小的趨勢，與觀測場周邊人類活動影響，以及由于全球氣候變暖導致全球大氣熱力環流的變化等有很大關系[6]。亞歐大陸與太平洋之間海陸熱力性質差異（氣溫差和氣壓差）的減小[19-20]，特別是冬季瑪納斯河流域距亞洲高壓中心近，氣溫差和氣壓差的減小對近地面風速的影響較大。

2.3 各氣候因子對參考蒸散量變化貢獻率

根據各氣候因子的標準化回歸系數，計算得出相對貢獻率（圖5）。靠近沙漠腹地的莫索灣和炮臺的相對濕度對參考蒸散量的相對貢獻率最大，達到40%以上。其余4個氣象站點平均風速對參考蒸散量的相對貢獻率最大，均在39%以上。在瑪納斯河流域6個氣象站點中除沙灣是以近地面風速的影響最為明顯外，其余5個氣象站點均是以平均風速和相對濕度兩個氣候因子影響為主。日均溫、日照時數、日較差和水汽壓對瑪納斯河流域參考蒸發量相對貢獻率較小。平均風速是瑪納斯河流域綠洲南緣參考蒸散量減少的主要貢獻者，而相對濕度的增加是綠洲北部參考蒸散量減少的主要貢獻者。

對瑪納斯河流域的平均氣溫和年降水量進行M-K趨勢性突變分析檢驗發現：年平均氣溫在1989年前后發生突變，年降水量在1998年前后發生突變，將瑪納斯河流域參考蒸散量及各氣候因子標準化后的數據以1989年為界分為前后兩個階段，定量地分析瑪納斯河流域各氣候因子對參考蒸散量的實際貢獻率。瑪納斯河流域1990—2010年日均溫、相對濕度和水汽壓比1964—1989年均呈不同程度的增加趨勢，平均風速、日照時數、日較差和參考蒸散量呈減小趨勢（表4）。平均風速和日照時數的減小與相對濕度和水汽壓的增加將會引起參考蒸散量的下降，對瑪納斯河流域參考蒸散量變化的實際貢獻率為正，日較差的減小與日均溫增加對莫索灣參考蒸散量變化的實際貢獻量為負，緩解了參考蒸散量減少的速率。從表中可以看出平均風速的實際貢獻率為84.9%，說明平均風速的減小在瑪納斯河流域蒸散量減少中起著決定性作用。瑪納斯河流域各氣候因子對參考蒸散量的貢獻率大小和所起的正負效應都是有區別的，不過平均風速的減小是參考蒸散量減小的共同因素，其次相對濕度的增加在沙漠腹地和山麓地帶實際貢獻率僅次于風速。

表4 瑪納斯河流域各氣候因子變化對參考蒸散量減少的貢獻率

3 結論

利用聯合國糧農組織FAO公布的P-M公式估算了瑪納斯河流域參考蒸散量，定量地區分了各氣候因子如日均溫、日較差、平均風速、相對濕度、水汽壓等對參考蒸散量變化的影響。揭示了近50年來瑪納斯河流域參考蒸散量時空變化規律，有利于深入研究瑪納斯流域水文狀況對氣候變化的響應。研究結果表明：

（1）瑪納斯河流域6個氣象站，年均參考蒸散量1 049.05 mm，夏季參考蒸散量占全年蒸散量的一半以上。瑪納斯河流域年均參考蒸散量變化顯著，減少速率為42.05 mm/10 a。從季節上來看，瑪納斯河流域參考蒸散量季節變化差異顯著，夏季是參考蒸散量變化的主要貢獻者，其次是秋季大于春季，冬季的變化最小。在流域氣溫上升的情況下，相對濕度的增加和平均風速的減小是瑪納斯河流域夏季參考蒸散量下降的主要原因。

（2）在影響瑪納斯河流域參考蒸散量變化的氣象因素中平均風速貢獻率最大，實際貢獻率達到了80%以上，相對濕度和水汽壓的貢獻率分別在10%左右，說明平均風速的減小與相對濕度和水汽壓的增加是瑪納斯河流域參考蒸散量減小的重要因素。

4 討論

（1）瑪納斯河流域面積較大，氣象站點分布稀疏，且多分布于平原地區。由于山區氣象資料的缺失，本文只對綠洲地區參考蒸散量進行了分析研究，沒有對整個流域的空間變化特征進行系統的研究，在以后的研究中還需進一步完善氣象資料。

（2）在對瑪納斯河流域6個氣象站點近50 a的的參考蒸散量分析研究中，發現除石河子站年變化速率為1.52 mm/10 a不明顯以外，其它5個氣象站參考蒸散量的年、季節變化都比較明顯，可能與石河子站觀測場周邊人類活動影響有關，還有待進一步分析。

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