新疆維吾爾自治區參考作物騰發量時空變異性研究

佟長福，李和平，張 娜(.水利部牧區水利科學研究所，呼和浩特 0000；.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 0008)

參考作物騰發量包括作物蒸騰量和土壤棵間蒸發量,在研究作物需水量的估算與預測、植被耗水量、評價氣候干旱程度、水資源供需平衡、農田水分管理和灌溉制度的制定等生產實踐中發揮著關鍵作用[1]。聯合國糧農組織(FAO)對參考作物騰發量進行了定義，即假設作物的高度為0.12 m，固定的葉面阻力為γs=70 s/m，反射率α=0.23，相當于表面開闊、高度一致、生長旺盛，完全遮蓋地面而不缺水的綠草地的騰發量[2]，它不受作物類型、作物生長狀況和土壤水分狀況的限制，主要受氣象因子影響。近年來作物騰發量在水文氣象、水資源、農業水土，自然資源等科學領域中研究非常活躍。新疆維吾爾自治區(以下簡稱新疆)是我國氣候敏感區之一，位于我國西北內陸，遠離海洋、盆地沙漠戈壁廣布，加之降水稀少、蒸發強烈、導致氣候干旱和生態環境脆弱。田敏[3]等(2016年)從經度、緯度和海拔分析新疆參考作物騰發量空間變化規律，其他方面未見報道。因此，本文從氣候分區的角度研究新疆地區的參考作物騰發量的時空變異性，對新疆未來水資源的規劃與管理，提高水資源在農牧業生產中的利用效率，以及緩解旱澇災害現狀等都具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究概況

新疆地理位置東經73°40′～96°23′，北緯34°25′～49°10′，深居歐亞大陸腹地，遠離海洋，位于中國西北邊陲，首府烏魯木齊，是中國五個少數民族自治區之一，也是中國陸地面積最大的省級行政區，面積166萬km2，占中國國土總面積1/6。山脈與盆地相間排列盆地與高山環抱、喻稱“三山夾二盆”。北部阿爾泰山，南部為昆侖山系；天山橫亙于新疆中部，把新疆分為南北兩半，南部是塔里木盆地，北部是準噶爾盆地。新疆三大山脈的積雪、冰川孕育匯集為500多條河流，分布于天山南北的盆地，其中較大的有塔里木河(中國最大的內陸河)、伊犁河、額爾齊斯河(流入北冰洋)、瑪納斯河等20多條。屬明顯的溫帶大陸性氣候。氣溫溫差較大，年日照時間達2 500～3 500 h，降水量少，氣候干燥。年平均降水量為150 mm左右，各地降水量相差很大。最冷月(1月)，平均氣溫在準噶爾盆地為零下20 ℃以下，該盆地北緣的富蘊縣絕對最低氣溫曾達到-50.2 ℃，是全國最冷的地區之一。最熱月(7月)，吐魯番平均氣溫為33 ℃以上，絕對最高氣溫曾達至49.6 ℃。

1.2 數據來源

本研究使用的新疆各地氣象站點觀測資料來自中國國家氣象資料服務網。選用1951-2013年較完整的68個站點，每年1-12月份的降水量(mm)、平均氣溫(℃)、風速(m/s)、日照時數(h)和相對濕度(%)等。氣象站點分布見圖1。

圖1 新疆各氣象站點分布圖Fig.1 The weather station distribution in Xinjiang

1.3 數據處理方法

采用聯合國糧農組織推薦的Penman-Monteith公式計算新疆各個氣象站點參考作物騰發量，考慮了植被生理特征，以能量平衡和水氣擴散理論為基礎，是經試驗證明的所得結果與實測值最為接近的蒸散模型，可以用于不同環境與氣候背景下估算潛在蒸散量，在國內外得到廣泛應用[4]，公式不詳細給出。

采用ArcGIS空間插值技術，繪制了新疆ET0等值線圖。

1.4 氣候分區

采用聯合國防治荒漠化公約提出的全球干旱指數(UNEP)對新疆進行氣候分區[5]，根據氣候分區標準，分為特干旱、干旱、半干旱及干旱半濕潤氣候區。新疆氣候區主要為特干旱氣候區和干旱氣候區，其中南部基本為特干旱氣候區，北部主要為干旱氣候區；半干旱氣候區主要在新疆北部有較少的分布；干旱半濕潤氣候區僅在北部零星分布。氣候分區見圖2。

圖2 新疆氣候分區Fig.2 The climate partition in Xinjiang

2 結果與分析

2.1 年均ET0的變化趨勢

圖3為1951-2013年68個站點年均ET0變化趨勢。從圖3中可知：年均ET0主要在1 008～1 142 mm之間變化，63年平均ET0為1 086 mm；年均ET0均在1 086 mm上下波動，1951-1979年年均ET0變化較小；1980-2007年年均ET0變化較大，其中1979-1992年基本為逐年減少的規律，而1992年到2007年為逐年增加的趨勢，此后呈現減少的趨勢。

圖3 新疆1951-2013年年均ET0變化趨勢Fig.3 The annual average ET0 variability trends during the period 1951-2013 in Xinjiang

(1)特干旱氣候區。圖4為特干旱氣候區63年平均ET0、年平均ET0和8年滑動平均及線性擬合。8年滑動平均曲線可以減弱異常年份ET0誤差給多年平均ET0變化趨勢帶來的負面影響。63年平均ET0值為1 227 mm，各年ET0在63年平均ET0上下波動變化，總體表現為減小趨勢，其最大值出現在1956年，為1 285 mm，最小值出現在1989年，為1 135 mm。從8年滑動平均來看，在63年期間內，年均ET0在1961-1989年一直處于減小的階段，但1989年后又繼續升高，到2005年達到1 246 mm。

圖4 特干旱氣候區年均ET0變化趨勢Fig.4 The annual average ET0 variability trends in special arid climate zone

(2)干旱氣候區。圖5為干旱氣候區63年平均ET0、年平均ET0和8年滑動平均及線性擬合。63年平均ET0值為1 040 mm，較特干旱氣候區減少187 mm。各年ET0在63年平均ET0上下波動變化，總體表現為減小趨勢，其最大值出現在1974年，為1 134 mm，最小值出現在1993年，為944 mm。就8年滑動平均而言，基本呈現出增大-減小-增大的變化過程。

圖5 干旱氣候區年均ET0變化趨勢Fig.5 The annual average ET0 variability trends in arid climate zone

(3)半干旱氣候區。圖6為半干旱氣候區63年平均ET0、年平均ET0和8年滑動平均及線性擬合。63年平均ET0值為918 mm，較干旱氣候區減小了122 mm。各年ET0在63年平均ET0上下波動變化，總體表現為增大趨勢,最大值出現在1962年，為981 mm，最小值出現在1960年，為856 mm，最大最小值相差125 mm。8年滑動平均值變化曲線顯示，該氣候區ET0在63年平均ET0上下波動變化。

圖6 半干旱氣候區年均ET0變化趨勢Fig.6 The annual average ET0 variability trends in semi-arid climate zone

(4)干旱半濕潤氣候區。圖7為干旱半濕潤氣候區63年平均ET0、年平均ET0和8年滑動平均及線性擬合。63年平均ET0值為806 mm，較之前的半干旱氣候區減少了112 mm。各年ET0在63年平均ET0上下波動變化，最大值出現在2012年，為844 mm。最小值出現在1955年，其值為776 mm。其中最大最小值相差68 mm。年際ET0總體趨勢比較平緩。從8年滑動平均可知，該氣候區ET0基本呈現出增大-減小-增大的變化過程。

圖7 干旱半濕潤氣候區年均ET0變化趨勢Fig.7 The annual average ET0 variability trends in arid and humid climate zone

2.2 ET0的季節變化趨勢

月均ET0分布如圖8。從圖8中可以看出：月均ET0變化呈單峰曲線形狀，最大值出現在7月，達到了178 mm/month，最小值在12月，為12 mm/month，可見各月份的ET0差異顯著，最大最小月份相差166 mm，致使季節性ET0的分布很不均勻。一年中ET0主要集中在4-9月份，占全年ET0總量的81.7%,即作物的整個生長發育期。

圖8 新疆月均ET0分布Fig.8 The average monthly ET0 distribution in Xinjiang

2.3 ET0的空間變化特征

在各氣象站點ET0多年平均值計算的基礎上，采用ArcGIS空間插值技術，繪制了新疆ET0等值線如圖9。通過對1951-2013年新疆68個氣象站年均ET0的計算可知，全疆年均ET0為1 086 mm。但因地域、氣候等自然條件的差異，各站點變化在660～1 800 mm，其空間分布總體表現為南疆大于北疆、東部大于西部、盆地大于山區的分布格局。新疆東部的吐魯番、哈密盆地，南疆的塔里木盆地中、東部以及北疆的準噶爾盆地西南部等地為ET0的高值區，大多為1 400～1 800 mm，其中東疆“百里風區”等風口、風線和荒漠戈壁地帶高達1 800 mm，是新疆ET0最大的區域；天山、阿爾泰山和昆侖山為低值區，一般為800～1 000 mm，高海拔地帶甚至不足800 mm，是新疆ET0最小的區域；全疆其余大部分地區ET0為南疆800～1 200 mm，北疆800～1 000 mm。對比年平均氣溫、日照時數、平均風速和空氣相對濕度的空間分布可知，新疆年ET0的空間分布與其具有非常好的對應關系，總體來說，氣溫高、日照時間長、風速大和空氣濕度小的區域，ET0較大，反之較小。

圖9 新疆年際ET0的空間分布特征Fig.9 Spatial distribution characteristics of interannual ET0 in Xinjiang

3 結 語

(1)采用全球干旱指數(UNEP)法對新疆進行氣候分區，根據氣候分區標準，將新疆分為特干旱、干旱、半干旱及干旱半濕潤4個氣候區。

(2)采用1951-2013年氣象資料對新疆4個氣候區的63年平均ET0、年平均ET0和8年滑動平均及線性擬合進行了綜合分析得出：63年平均ET0由特干旱氣候區的1 227 mm降低到干旱半濕潤氣候區806 mm；各年ET0在63年平均ET0上下波動變化；8年滑動平均值特干旱氣候區呈現“V”變化，其余4個氣候區ET0值在63年平均ET0上下波動變化。

(3)全年ET0變化趨勢呈單峰曲線形狀，最大值出現在7月，達到了178 mm/month，最小值在12月，為12 mm/month，一年中ET0主要集中在4-9月份，占全年ET0總量的81.7%。

(4)通過對1951-2013年新疆68個氣象站年均ET0的分析，各站點ET0變化在660～1 800 mm，其空間分布總體表現為南疆大于北疆、東部大于西部、盆地大于山區的分布格局。

[1] 段春鋒，繆啟龍，曹 雯.西北地區參考作物蒸散變化特征及其主要影響因素[J].農 業 工 程 學 報，2011，27(8)：77-83.

[2] 佟長福，史海濱，霍再林，等.參考作物騰發蒸騰量等值線圖的繪制[J].沈陽農業大學學報,2004-10,35 (5～6):492-494.

[3] 田 敏，王 健，朱 鵬，等.新疆參考作物蒸散量空間變化規律研究[J].浙江農業科學，2016，57(4): 563-568.

[4] 賈秋洪，景元書，景梽淏. 典型小流域氣候變化及其對潛在蒸散量的影響[J].中國農村水利水電，2016,(1)：1-7.

[5] 袁 云，李棟梁，安 迪. 基于標準化降水指數的中國冬季干旱分區及氣候特征[J].中國農村水利水電，2010,30(4)：917-925.