石羊河流域近53 a參考作物蒸散量的敏感性分析

張春玲， 張 勃， 周 丹， 張調風， 安美玲

(西北師范大學 地理與環境科學學院， 甘肅 蘭州 730070)

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，烏稍嶺以西，祁連山北麓，東南與甘肅省白銀、蘭州兩市相連，西北與甘肅省張掖市毗鄰，西南緊靠青海省，東北與內蒙古自治區接壤(36°29′—39°27′N，101°41′—104°16′E)。

石羊河流域總面積4.16×104km2，年徑流量在河西3大內陸河中最小,而人口密度卻最大,且遠遠超過聯合國規定的關于干旱區合理承載量的人口標準。近2 000 a來，尤其是近50 a，在氣候變化和人類活動雙重干擾下，石羊河流域環境逐漸惡化，引發了水資源短缺、水土流失、冰川萎縮、河川斷流等一系列環境問題,使流域內原有的水熱(能)平衡被打破,造成地表能量和水分的收支嚴重失衡,使干旱和土地沙漠化更加嚴重[1-3]。流域極度惡化的生態環境問題引起了國家和社會的高度重視及廣泛關注。參考蒸散量是重要的水文參量之一，它直接關系到地表的能量和水量平衡[4]，在計算作物實際需水量、優化協調區域生態環境以及制定合理的灌溉計劃等方面發揮著重要作用。盡管國內關于參考蒸散量的敏感性研究較多，但多在東北、華北和長江流域[5-8]。本文對石羊河流域進行分析和評價，為深入理解該地區氣候變化對參考蒸散量的影響，指導生態環境的綜合治理，促進該流域經濟可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究數據來源于中國氣象局國家氣象信息中心。選取石羊河流域具有代表性的4個國家氣象站，包括上游祁連山區烏鞘嶺氣象站，中游武威、永昌氣象站，以及下游民勤氣象站，逐日的平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均相對濕度、日照時數和平均風速觀測數據。為保證數據的利用率，對參與計算ET0的逐日氣溫、風速、日照時數和相對濕度等資料的缺測值進行線性插補,建立了1959—2011年長時間序列的氣象因子。

1.2 研究方法

1.2.1 參考蒸散量的計算方法 采用FAO 推薦的Penman—Monteith公式[9]，它以水分擴散理論和能量平衡為基礎，考慮植被生理特征的同時，綜合了空氣動力學和輻射項，具有較好的理論依據，其優勢得到普遍認可，被國內外眾多學者應用。表達式如下:

(1)

式中：ET0——參考作物蒸散量(mm/d)；Δ——溫度隨飽和水汽壓變化的斜率(kPa/℃)；G——土壤熱通量密度〔MJ/(m2·d)〕，可利用相近2個月的平均氣溫推算[11]，相對于Rn取值很小，當植被覆蓋、計算步長等于或接近于1 d時，忽略為0；γ——干濕表常數(kPa/℃)；T——日平均氣溫(℃)；U2——2 m高處風速(m/s)；Es,Ea——飽和水汽壓和實際水汽壓(kPa)；Rn——凈輻射〔MJ/(m2·d)〕 ，可以結合地表反射率和其他氣象條件，利用地面吸收的太陽短波輻射Rns〔MJ/(m2·d)〕減去發射的長波輻射Rnl〔MJ/(m2·d)〕[9]計算得出：

Rn=Rns-Rnl

(2)

Yin等[10]建立了適用于中國凈短波輻射的經驗公式，并指出利用Penman修正式[11]計算中國凈長波輻射更為準確，即:

Rns=(1-α)〔0.2+0.79(n/N)〕Ra

(3)

(4)

式中:α——地表反照率(%)；n——日照時數(h/d)；N——可照時數(h/d)；Ra——大氣頂層的太陽輻射〔MJ/(m2·d)〕；σ——波爾茲曼常數〔4.903×10-9MJ/(K4·m2·d)〕；Tmax，k和Tmin，k——最高絕對氣溫和最低絕對氣溫(℃)。

1.2.2 敏感性分析及敏感系數 敏感性分析法是定量描述模型參數對輸出結果重要程度的方法[12]，主要包括敏感曲線法和敏感系數法。其中敏感系數法是由McCuen等[13-14]1974年提出的一種用數學定義的敏感性分析方法。利用參考作物蒸散量與單個氣象因子的相對變化量之比計算[14]，其意義與數學中的偏導數類似，結果直觀、意義明確，在研究中得到廣泛應用[5-7,15]。考慮到Penman—Monteith 模型中各氣象因子的相對大小及單位有差異，這里采用無量綱化的相對敏感系數[13,16]。

(5)

式中：Xi——氣象要素(i取1～5，分別代表平均相對濕度、平均風速、日照時數、平均最高氣溫和平均最低氣溫)；SXi——ET0對各氣象要素的敏感系數，由于該相對敏感系數無量綱，故可直接用于比較各氣象要素對ET0的影響。敏感系數的正/負，反應ET0變化與氣象要素的變化一致/相反，其絕對值越大意味著該氣象要素對ET0的影響越大，反之亦是。

2 結果與分析

2.1 主要氣象要素與ET0的季節平均值

石羊河流域多年平均最高溫和最低溫的季節差異性最大，其次為ET0。以研究區的多年季節平均為參照值，風速呈單谷型變化，氣溫和相對濕度呈單峰型變化，日照時數變化不大。區域ET0在夏季最高達到4.20 mm，冬季降至最低僅為1.02 mm(表1)。

表1 研究區1959-2011年氣象要素在各季節的日平均值

2.2 ET0與各氣象要素敏感系數的時空分布特征

2.2.1 ET0的時空分布特征 由于石羊河流域中下游屬于典型的大陸性干旱氣候，上游屬于山地氣候，受流域內氣候和地形等因素影響，石羊河流域的年平均ET0區域差異明顯，從上游至下游逐漸增大(圖1)。上游的祁連山區海拔較高，年ET0約為686～843 mm，中游的武威盆地和永昌盆地分別在845～1 070和910～1 087 mm，下游民勤盆地約為1 030～1 213 mm。除冬季外，各季節ET0整體均呈南少北多的特征，春季上游多年均值約為220 mm，中游約300 mm，下游約350 mm;夏季上游約288 mm，中游約386 mm，下游約470 mm;秋季上游約151 mm，中游約183 mm，下游約209 mm;冬季上游約95 mm，中游約90 mm，下游約94 mm。在同一區域，季節ET0表現為秋冬最少，夏季最多，春季次之，這與劉明春[17]研究的參考蒸散量分布特征較為一致。

圖1 石羊河流域1959-2011年平均參考蒸散量的空間分布特征

2.2.2 敏感系數的空間分布特征 由表2可以看出，石羊河流域ET0對風速、日照時數、最低氣溫和最高氣溫的變化呈正敏感，對相對濕度的變化呈負敏感。其中，相對濕度敏感系數的絕對值最大，表明ET0對相對濕度的變化最敏感；其次是最高氣溫和風速，日照時數與最低氣溫敏感系數的絕對值最小。這與梁麗喬等[6]和Gong等[5]對松嫩平原西部和長江流域所得研究結果一致，而與劉小莽等[8]和曾麗紅等[7]對海河流域和東北地區所得研究結果不同，說明各區域間不同氣候特點導致的ET0變化對同一氣象要素變化的敏感性存在差異。由于區域內具有不同的地形特點和氣候特征，ET0對各氣象因子的敏感性大小在4個站點間也略有差別。武威縣、民勤縣相對濕度的絕對值與最高氣溫相近，表明在這兩個地區ET0對最高氣溫的敏感性與相對濕度無顯著差異，烏鞘嶺和永昌相對濕度的絕對值遠大于最高氣溫的絕對值，說明這兩個區ET0對相對濕度的敏感性超過了最高氣溫。

表2 1959-2011年石羊河流域ET0對各氣象因子敏感系數的日平均值

ET0與風速、日照時數、最高氣溫和最低氣溫的變化方向一致，隨風速、日照時數、最高氣溫和最低氣溫的增加而增加；ET0與相對濕度的變化相反，隨相對濕度的增加而減小。敏感系數絕對值的大小表明，ET0對相對濕度的變化最為敏感，其次是最高氣溫和風速，對日照時數和最低氣溫變化的敏感性最低。即，在石羊河流域相對濕度是ET0的主要控制因子，相對濕度發生10%的變化可能引起ET0發生高達5%的變化。總的來講，最高氣溫和風速的敏感系數都在流域下游的民勤盆地形成高值區，相對濕度(絕對值)和最低氣溫的敏感系數則在流域上游祁連山區形成高值區，相對濕度(絕對值)敏感系數在流域中游形成低值區，而最低氣溫敏感系數在中下游無明顯差異，說明在流域內蒸散發對各氣象要素變化的敏感性存在區域差異。

2.2.3 敏感系數的季節分布特征 區域多年的風速、相對濕度、日照時數、最低氣溫和最高氣溫的敏感系數在春季、夏季、秋季、冬季的平均值見表3。

表3 1959—2011年石羊河流域的各氣象因子敏感系數在各季節的日平均值

從圖2可以看出，各氣象變量的敏感系數在季節間均存在一定程度的波動，這與其他學者的研究結果一致[5,18]。日照時數敏感系數的變化波動最大，其次是最高氣溫、相對濕度和風速的敏感系數，最低氣溫敏感系數的變化波動最為平緩。最高氣溫和日照時數的敏感系數呈單峰型分布，在夏季達到最高值，表明ET0對最高氣溫和日照時數變化的敏感性在夏季最高；風速的敏感系數呈單谷型分布，在夏季達到最低值，表明ET0對風速變化的敏感性在夏季最低；相對濕度敏感系數的絕對值從春季至秋季(平均值)表現為持續上升趨勢，冬季有所下降，但仍高于夏季，表明ET0對相對濕度的變化在秋季最為敏感，在春季敏感性最低；最低氣溫敏感系數波動平緩，在冬季達到最大值，表明ET0對最低氣溫變化的敏感性在冬季最高。

圖2 石羊河流域平均季節敏感系數的變化趨勢

3 結 論

本文基于FAO推薦的Penman—Monteith 模型，結合ArcGIS 反距離權重插值方法，分析了近53 a來石羊河流域參考作物蒸散量的時空變化特征，同時根據敏感性分析，揭示了參考蒸散量對各氣象要素變化的敏感性。

(1)石羊河流域年ET0南北差異明顯，從南至北呈增大趨勢。上游的祁連山區海拔較高，年ET0約在 686～843 mm，中游的武威和永昌分別在845～1 070和910～1 087 mm，下游民勤地區的年ET0約在1 030～1 213 mm。各季節ET0亦呈南少北多的特征，同一區域，參考蒸散量在夏季最大，春季次之，秋冬最少。參考蒸散量的變化在空間均表現為波動中略有增加。

(2)流域內ET0對相對濕度的變化最為敏感。即，相對濕度是控制ET0變化的主要因子。近53 a區域平均的相對濕度敏感系數為-0.50，即當相對濕度增加(降低)10%時，參考蒸散量降低(增加)5%；其次是最高氣溫和風速，敏感系數分別約為0.27,0.24；ET0對日照時數和最低氣溫的敏感性最低，敏感系數分別為0.10和0.08。

(3)季節上，敏感系數均存在一定程度的波動，日照時數敏感系數的變化波動最大，其次是最高氣溫、相對濕度和風速的敏感系數，最低氣溫敏感系數的變化波動最為平緩。最高氣溫和日照時數的敏感系數呈單峰型分布，夏季達到最高值；風速的敏感系數呈單谷型分布，在夏季達到最低值；最低氣溫敏感系數波動平緩，冬季達到最大值。

(4)空間上，流域內受局部氣候和地形等因素的影響，各氣象變量敏感系數的空間差異性較大。最高氣溫和風速的敏感系數都在流域下游的民勤盆地形成高值區，相對濕度(絕對值)和最低氣溫的敏感系數則在流域上游祁連山區形成高值區，相對濕度(絕對值)敏感系數在流域中游形成低值區，而最低氣溫敏感系數在中下游無明顯差異。

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