內(nèi)蒙古參考作物蒸散量時(shí)空變化特征

鄭磊+王耀強(qiáng)+楊茜雅

摘要：利用內(nèi)蒙古地區(qū)50個(gè)站點(diǎn)1959～2009年逐日氣象資料，采用FAO56 Penman-Monteith方法計(jì)算出逐年參考蒸散量，探討參考作物蒸散量的年際變化特征，運(yùn)用ArcGIS軟件分析參考作物年均蒸散量的空間分布規(guī)律，并分析其與氣象因子的相關(guān)性。結(jié)果表明，51年間，內(nèi)蒙古自治區(qū)的參考作物年蒸散量變化速率為-15～42 mm/（10年）;全區(qū)的參考作物年均蒸散量從東北部向西部方向呈逐漸增大的趨勢(shì);風(fēng)速和太陽(yáng)總輻射量是影響參考作物蒸散量變化的主要因子。

關(guān)鍵詞：參考作物蒸散量;時(shí)空變化;FAO56 Penman-Monteith;ArcGIS;內(nèi)蒙古

中圖分類(lèi)號(hào)：S161.4 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：0439-8114（2014）12-2780-04

The Space-time Variation Characteristics of Reference Evapotranspiration

in Inner Mongolia

ZHENG Lei， WANG Yao-qiang， YANG Qian-ya

（College of Water Conservancy and Civil Engineering，Inner Mongolia Agricultural University， Huhhot 010018，China）

Abstract：Based on the daily meteorological measurements of 50 meteorological stations from 1959 to 2009 in the Inner Mongolia， the yearly reference evapotranspiration were estimated with the Penman-Monteith equation. The interannual variation characteristics of the reference crop evapotranspiration（ET0） were studied. The space-time distribution of the ET0 with Arcgis software was analyzed. The correlation between ET0 and meteorological factors were studied. The results showed that the ET0 of the inner Mongolia had an average yearly rate of change of -15～42 mm/10 a in recent 51 years. The ET0 had a tendency of gradually increasing from the northeast to the west of the Inner Mongolia. The average wind speed and solar total radiation were the main factors affecting the ET0.

Key words：references crop evapotranspiration; temporal and spatial variation;FAO56 penman-monteith;ArcGIS;Inner Mongolia

參考作物蒸散量的變化對(duì)于整個(gè)地球生態(tài)系統(tǒng)特別是對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)資源系統(tǒng)有著非常重要的影響，在內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源緊缺背景下，為了合理利用農(nóng)業(yè)水資源，應(yīng)根據(jù)作物蒸散量需求變化開(kāi)展節(jié)水灌溉，提高水資源的利用效率。準(zhǔn)確計(jì)算植被蒸散量和了解蒸散量的變化特征及原因?qū)τ谵r(nóng)業(yè)水資源高效利用及制定合理灌溉制度具有重要意義。許多研究者分別對(duì)不同地區(qū)、不同氣候條件下計(jì)算參考作物蒸散量的主要方法進(jìn)行了比較研究，表明用Penman-Monteith公式計(jì)算的參考作物蒸散量與實(shí)測(cè)值最為接近[1-5]。由ASCE（American society of civil engineers）資助的研究組及由歐共體委托在歐洲進(jìn)行的類(lèi)似研究也得到了相同的結(jié)論[6]。鑒于此，1998年FAO將Penman-Monteith公式確定為計(jì)算參考作物蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)方法。所以，本研究根據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)的自然地理、水文氣候、地形地貌等具體的特點(diǎn)，選取了內(nèi)蒙古自治區(qū)50個(gè)氣象試驗(yàn)站1959～2009年所測(cè)定的氣象資料，并運(yùn)用FAO56 Penman-Monteith方法對(duì)這些地區(qū)51年的蒸散量進(jìn)行了計(jì)算，并分析了潛在植被蒸散量的時(shí)空變化特征和其變化的主要影響因子，對(duì)于干旱、半干旱地區(qū)的內(nèi)蒙古自治區(qū)而言，對(duì)氣候、農(nóng)業(yè)、生態(tài)等多學(xué)科研究領(lǐng)域有著非常重要的作用，也對(duì)農(nóng)業(yè)水管理以及農(nóng)作物旱情預(yù)報(bào)有著非常重要的意義。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區(qū)域概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)位于中國(guó)的北部邊疆，由東北向西南斜伸，呈狹長(zhǎng)形，位于37°24′—53°23′N(xiāo)和 ?97°12′—126°04′ E，區(qū)域總面積118.3萬(wàn)km2，全區(qū)地貌以蒙古高原為主，平均海拔1 000 m左右，降水普遍不足，從東向西逐漸減少，大部地區(qū)年降水量小于300 mm。植被覆蓋度較低，從東北的大興安嶺到西部的阿拉善沙漠，植被類(lèi)型依次為森林、森林草原、草甸草原、禾草草原、草原荒漠、沙質(zhì)荒漠，呈現(xiàn)明顯的經(jīng)度地帶分布。

1.2 ?數(shù)據(jù)來(lái)源

選用內(nèi)蒙古自治區(qū)部分地面氣象站的逐日氣象資料，資料年代為1959～2009年。氣象因子包括年平均氣溫、年平均相對(duì)濕度、年平均風(fēng)速和年太陽(yáng)總輻射量等（其中對(duì)于個(gè)別氣象站缺少部分觀測(cè)數(shù)據(jù)的，利用線性插值法推算）。站點(diǎn)包括內(nèi)蒙古自治區(qū)50個(gè)地面氣象臺(tái)站，其具體位置分布見(jiàn)圖1。endprint

1.3 ?參考作物蒸散量的計(jì)算

Penman-Monteith方法是FAO推薦計(jì)算參考作物蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)方法，根據(jù)參考作物蒸散量的新定義：植物高度為0.12 m，冠層阻抗為70 m/s，反射率0.23，類(lèi)似于地表開(kāi)闊，高度一致，生長(zhǎng)旺盛完全覆蓋地面不缺水的草地蒸發(fā)與蒸騰量[7-9]，可得參考作物蒸散量的計(jì)算公式如式（1）所示。

ET0=■ （1）

式（1）中，ET0為參考作物蒸散量，mm/d;Δ為飽和水汽壓溫度曲線上的斜率，kPa/℃;Rn為凈輻射量，MJ/（m2·d）;G為土壤熱通量，MJ/（m2·d）;r為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃;ea和es為氣溫為T(mén)時(shí)的實(shí)際水汽壓和飽和水汽壓，kPa;u2為高度2 m處的風(fēng)速，m/s。

1.4 ?研究方法

利用Penman-Monteith模型計(jì)算出逐年的蒸散量，利用Excel分析參考作物蒸散量的年際變化特征與趨勢(shì)，利用ArcGIS軟件分析參考作物年均蒸散量的時(shí)空變化規(guī)律，然后選取年平均風(fēng)速、年平均氣溫、年太陽(yáng)總輻射量和年平均相對(duì)濕度等氣象因子與內(nèi)蒙古地區(qū)參考作物年均蒸散量進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?參考作物蒸散量的年際變化特征與趨勢(shì)

根據(jù)已有的氣象資料，通過(guò)整理分析，以FAO56 Penman-Monteith方法計(jì)算出每個(gè)氣象站的逐日蒸散量，進(jìn)而求出逐月、逐年的蒸散量，然后求出其年均蒸散量如表1所示。通過(guò)分析50個(gè)氣象站點(diǎn)51年的年蒸散量可以計(jì)算出參考作物年蒸散量變化率為-15～41 mm/（10年）。其中新巴爾虎左旗、扎蘭屯、額濟(jì)納旗、鄂托克旗、海拉爾、包頭6個(gè)站點(diǎn)有下降趨勢(shì)，其中包頭站的年蒸散量變化率下降最多，為-15 mm/（10年），其余5個(gè)站點(diǎn)的年蒸散量變化率為-6～-8 mm/（10年）;有29個(gè)站點(diǎn)的年蒸散量變化率非常顯著，其年蒸散量變化率為14～42 mm/（10年），其中錫林浩特市的年蒸散量變化率最為突出，達(dá)到了42 mm/（10年）;其余站點(diǎn)也略微有上升的趨勢(shì)，其中寶國(guó)圖、扎魯特旗、阿拉善左旗、吉蘭太、杭錦后旗、阿拉善右旗、圖里河等7個(gè)站點(diǎn)的年蒸散量變化率變化較小，接近零。

2.2 ?參考作物年均蒸散量的空間分布

利用ArcGIS軟件對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)51年的參考作物蒸散量平均值進(jìn)行空間分布。由圖2可見(jiàn)，總體上，全區(qū)的參考作物年均蒸散量從東北部向西部方向逐漸增大，地區(qū)之間的差異較大，有2個(gè)典型的高值區(qū)和低值區(qū)，西部地區(qū)為全區(qū)最大值的地區(qū)，主要以沙漠為主，氣候干旱少雨多風(fēng)沙，年均蒸散量達(dá)到1 000 mm以上，其中內(nèi)蒙古阿拉善高原的年蒸散量高達(dá)1 400 mm以上，局部達(dá)到1 645.22 mm;東北地區(qū)是全區(qū)參考作物蒸散最小的地區(qū)之一，一般在1 000 mm以下，海拉爾以北不足600 mm，局部達(dá)到最小值531.92 mm。

2.3 ?參考作物蒸散量影響因子分析

20世紀(jì)90年代以后，國(guó)內(nèi)外有關(guān)蒸散量變化的趨勢(shì)和原因有了一定的成果。很多學(xué)者也做了大量的研究，像全球大部地區(qū)潛在蒸發(fā)和蒸發(fā)皿觀測(cè)的蒸發(fā)量都呈減少趨勢(shì)，而引起減少的原因則各不相同，在研究美國(guó)加州潛在蒸散變化來(lái)源時(shí)，發(fā)現(xiàn)日潛在蒸散變化與凈輻射、相對(duì)濕度和云量密切相關(guān)[6]。劉普幸等[10]研究了甘肅省近幾十年來(lái)年均潛在蒸散量，發(fā)現(xiàn)其主要與平均風(fēng)速、太陽(yáng)總輻射、平均最高氣溫總體呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與相對(duì)濕度呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。Yin等[11]研究了西藏高原蒸散量下降的主要原因是風(fēng)速和溫度。曾麗紅等[12]研究表明，中國(guó)東北地區(qū)蒸散量的空間分布和相對(duì)濕度及氣溫的分布有較緊密的關(guān)系。張山清等[13]研究了新疆近幾十年蒸散量呈減小的趨勢(shì)，其主要是由氣溫上升、日照時(shí)間減少、風(fēng)速減小、空氣相對(duì)濕度增大等原因綜合導(dǎo)致的。

由于參考作物蒸散量的變化主要受氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)間、相對(duì)濕度、飽和水汽壓差和云量等諸多氣象要素影響，不同因素之間也相互影響，所以參考作物蒸散量的變化成因十分復(fù)雜[14]。根據(jù)現(xiàn)有的氣象資料，選取年平均風(fēng)速、年平均氣溫、年太陽(yáng)總輻射量、年平均相對(duì)濕度4個(gè)氣象因子與內(nèi)蒙古地區(qū)參考作物年均蒸散量進(jìn)行相關(guān)性分析。在內(nèi)蒙古東部、中部、西部分別選擇一個(gè)具有代表性的站點(diǎn)即海拉爾、呼和浩特、額濟(jì)納旗進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示。其中參考作物年均蒸散量與年平均風(fēng)速、年太陽(yáng)總輻射量相關(guān)性較高，海拉爾、呼和浩特、額濟(jì)納旗的參考作物年均蒸散量與年平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)分別為0.811 7、0.791 6、0.850 0，與年太陽(yáng)總輻射量的相關(guān)系數(shù)分別為0.671 3、0.796 3、0.857 8，而年平均氣溫與年平均相對(duì)濕度與其相關(guān)性較低，表明年平均風(fēng)速和年太陽(yáng)總輻射量是影響年蒸散量變化的主要因子。

3 ?結(jié)論與討論

51年來(lái)，內(nèi)蒙古自治區(qū)50個(gè)氣象站點(diǎn)的參考作物年蒸散量變化率為-15～42 mm/（10年），全區(qū)的參考作物年均蒸散量從東北部向西部方向呈逐漸增大的趨勢(shì)，但不同地區(qū)增加的幅度不同。

參考作物蒸散量與氣象因子的相關(guān)分析表明，內(nèi)蒙古不同氣候區(qū)參考作物年均蒸散量與年平均風(fēng)速、年太陽(yáng)總輻射量呈良好的正相關(guān)關(guān)系，風(fēng)速、太陽(yáng)總輻射量是導(dǎo)致參考作物蒸散量變化的主要影響因子。若將內(nèi)蒙古的地形地貌與氣象因子結(jié)合分析參考作物蒸散量的變化特征，可以更加準(zhǔn)確地了解內(nèi)蒙古高原和平原地區(qū)參考作物蒸散量的變化規(guī)律和特征。總體來(lái)說(shuō)，參考作物蒸散量的變化是各氣象因子綜合作用的結(jié)果。在這些因子中，主要影響因子的變化對(duì)參考作物蒸散量的變化起到了關(guān)鍵性的作用，其他因子則因其與參考作物蒸散量關(guān)系的緊密程度和其本身變化趨勢(shì)起到增加或消減的作用。

參考作物蒸散量的變化在地球生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中扮演著很重要的角色。在內(nèi)蒙古干旱、半干旱的氣候背景下，掌握參考作物蒸散量的變化原因、變化趨勢(shì)和時(shí)空分布，應(yīng)根據(jù)作物蒸散量需求變化，合理開(kāi)展節(jié)水灌溉，充分利用農(nóng)業(yè)水資源，從而提高水分利用效率。endprint

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