近50年來(lái)山東省參考作物蒸散量變化及定量化成因

董旭光，邱粲，王靜

近50年來(lái)山東省參考作物蒸散量變化及定量化成因

董旭光，邱粲，王靜

山東省氣候中心，山東 濟(jì)南 250031

參考作物蒸散量（ET0）被廣泛應(yīng)用于估算生態(tài)需水、農(nóng)業(yè)灌溉、區(qū)域氣候干濕狀況評(píng)價(jià)等方面，在氣候和環(huán)境變化中起著非常重要的作用。基于山東省1961—2010年90個(gè)氣象站的逐日氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用Penman-M onteith模型估算了區(qū)域內(nèi)的ET0，研究了山東省ET0的空間分布特征和時(shí)間演變規(guī)律及主要影響要素，定量分析了各影響要素對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，山東省年平均ET0為1028.4 mm，由東南沿海向西北內(nèi)陸遞增；夏季最高，其次為春季、秋季，冬季最低。年平均ET0變化傾向率為-1.818 mm·a-1，減少趨勢(shì)極顯著（P＜0.01）；各季節(jié)均呈減少的變化趨勢(shì)，夏季最明顯；魯西和魯西南ET0的減少趨勢(shì)最顯著，向東則減少趨勢(shì)減弱，至半島東部部分站點(diǎn)則有增加趨勢(shì)。全省年平均ET0在1983年前后發(fā)生突變，春季、夏季、冬季分別發(fā)生在1969年、1987年、1971年，秋季沒(méi)有突變。主振蕩周期為12 a左右，不同年代表現(xiàn)出的周期性不一致，且多種周期尺度相互交叉。年際和各季節(jié)風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)呈極顯著的減少趨勢(shì)，對(duì)ET0變化的負(fù)貢獻(xiàn)較大，是山東省ET0減少的主要影響因素；最高和最低氣溫、相對(duì)濕度對(duì)ET0變化表現(xiàn)為正貢獻(xiàn)，在一定程度上消弱了風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的負(fù)貢獻(xiàn)。年際和季節(jié)各氣象要素對(duì)ET0變化的總貢獻(xiàn)率與ET0的實(shí)際變化率較接近，年際、春季、秋季、冬季對(duì)ET0減少變化的第一主導(dǎo)氣象要素是風(fēng)速，貢獻(xiàn)率分別為-9.587%、-8.074%、-9.920%、-16.847%，夏季第一主導(dǎo)氣象因素為日照時(shí)數(shù)，貢獻(xiàn)率為-8.287%。

參考作物蒸散量；Penman-Monteith模型；氣象要素；貢獻(xiàn)率；山東省

引用格式：董旭光， 邱粲， 王靜. 近50年來(lái)山東省參考作物蒸散量變化及定量化成因［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 2016， 25（7）：1098-1105.

DONG Xuguang， QIU Can， WANG Jing. Temporal and Spatial Variation Characteristics and Quantification of Causes for Reference Evapotranspiration in Shandong Province in Recent 50 Years ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（7）： 1098-1105.

參考作物蒸散量（ET0）是地表熱量平衡和水分平衡的重要組成部分，作為自然界水分循環(huán)的一個(gè)過(guò)程，其在氣候與環(huán)境變化中起著非常重要的作用。ET0被廣泛應(yīng)用于估算生態(tài)需水、農(nóng)業(yè)灌溉、氣候干濕狀況評(píng)價(jià)等方面。ET0反映了區(qū)域蒸散能力的大小，與太陽(yáng)輻射、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象要素有關(guān)。在全球氣候變暖的背景下（Solomon et al.，2007），中國(guó)在同時(shí)期的增暖更為明顯（丁一匯，2008），受氣候變暖的影響，降水、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等要素不同程度的變化（任國(guó)玉等，2005；王遵婭等，2004）將導(dǎo)致ET0的變化。

ET0的估算方法較多，通常采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）1998年推薦的Penman-Monteith方法，該方法較全面地考慮了影響蒸散的各種因素，而且在氣候條件差異較大（濕潤(rùn)、干旱或風(fēng)速變化范圍較大等）地區(qū)的應(yīng)用中都取得了較好的結(jié)果（毛飛等，2000；左德鵬等，2011；高歌等，2006；劉普幸等，2012；張守紅等，2010；馬寧等，2012），是目前計(jì)算ET0精度最高、應(yīng)用最廣泛的一種方法。該方法具有充分的理論基礎(chǔ)，結(jié)果僅受當(dāng)?shù)貧夂蛞氐挠绊懀c下墊面、土壤類(lèi)型等無(wú)關(guān)（Allen et al.，1998）。近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)中國(guó)不同區(qū)域ET0的時(shí)空分布進(jìn)行了分析，表明在中國(guó)大部分地區(qū)，ET0呈減少變化趨勢(shì)，但空間分布差異明顯，同時(shí)對(duì)影響其變化的原因進(jìn)行了討論。高歌等（2006）得出1956—2000年除松花江流域，其它大部分地區(qū)ET0呈減少趨勢(shì)的結(jié)論。尹云鶴等（2009，2010）分析了ET0的變化趨勢(shì)和影響因子，認(rèn)為我國(guó)ET0減少的主要原因是太陽(yáng)輻射和風(fēng)速的減小。謝賢群等（2007）、曹雯等（2011a）和段春鋒等（2011）、王瓊等（2013）、張山清等（2011）學(xué)者分別對(duì)中國(guó)北方、西北地區(qū)、長(zhǎng)江流域、新疆等區(qū)域或流域的ET0時(shí)空分布進(jìn)行了探討并分析了主要的影響因子。劉昌明等（2011）、劉小莽等（2009）、曹雯等（2011b）、梁麗喬等（2008）也分別對(duì)不同區(qū)域ET0和氣候因子之間的相互作用及敏感性等方面進(jìn)行研究，從不同的方面證實(shí)了ET0在氣候研究中的重要性。由于ET0的變化是溫度、風(fēng)速、濕度、輻射等多種氣象要素共同作用的結(jié)果，因此不同地區(qū)不同的氣候背景條件使得ET0對(duì)氣候變化的響應(yīng)具有明顯的區(qū)域差異。

山東省位于中國(guó)中東部沿海，是人口密集的農(nóng)業(yè)大省，屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨熱同季，四季分明，受海陸位置及區(qū)域內(nèi)地形地貌特征差異影響，降水時(shí)空分布差異明顯，旱澇等自然災(zāi)害頻發(fā)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)不利影響。參考作物蒸散量作為氣候變化響應(yīng)及水分循環(huán)中不可或缺的因素，對(duì)其時(shí)空特征和變化趨勢(shì)的研究顯得尤為重要，過(guò)去山東省區(qū)域氣候變化的研究多集中在降水和氣溫等氣象要素方面（高留喜等，2005；徐宗學(xué)等，2007；楊士恩等，2007；遲竹萍等，2009；董旭光等，2014），對(duì)ET0的研究很少。同時(shí)由于受氣候變暖和山東特殊地形的制約以及人類(lèi)活動(dòng)的影響，區(qū)域水循環(huán)發(fā)生了顯著變化，因此研究山東區(qū)域ET0的時(shí)空變化特征，有助于深入理解氣候變化對(duì)山東省水分循環(huán)的影響，可為科學(xué)評(píng)價(jià)區(qū)域氣候干濕狀況、合理開(kāi)發(fā)調(diào)配水土資源提供科學(xué)依據(jù)。本文根據(jù)山東省1961—2010年90個(gè)氣象站逐日氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，以Penman-Monteith模型計(jì)算各站點(diǎn)ET0，分析其時(shí)空分布特征、變化趨勢(shì)、突變以及周期變化等方面特征，并對(duì)ET0與影響要素的關(guān)系及可能原因進(jìn)行了定量分析。

1　資料和方法

1.1資料

采用山東省氣象信息中心提供的1961—2010年逐日氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)較完整的90個(gè)站點(diǎn)，包括逐日最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對(duì)濕度、降水量等。計(jì)算出各氣象站點(diǎn)逐日ET0，進(jìn)而得到月、季、年等不同時(shí)段的ET0。其中每年3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。計(jì)算某日的ET0需要上述5種氣象要素及站點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔高度等信息數(shù)據(jù)，若某日的氣象要素中有任意一個(gè)要素缺測(cè)，則ET0為空值。山東省行政區(qū)劃、地形及使用的氣象站點(diǎn)等信息見(jiàn)圖1。

1.2方法

1.2.1Penman-Monteith公式

估算ET0的模型有多種，其中FAO在1998年推薦的Penman-Monteith公式以能量平衡和水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)，較全面地考慮了影響潛在蒸散的各種因素，不僅考慮了空氣動(dòng)力學(xué)和輻射，也考慮了植被的生理特征，有較可靠的物理依據(jù)（Allen et al.，1998），故得到了廣泛運(yùn)用。該模型被廣泛應(yīng)用于濕潤(rùn)和干旱等各種氣候條件地區(qū)，并都取得了較好的效果（左德鵬等，2011；劉普幸等，2012；謝賢群等，2007；王瓊等，2013）。其計(jì)算公式為：

圖1　山東省行政區(qū)劃、地形及使用的氣象站點(diǎn)地理位置分布圖Fig. 1　Administrative regionalization， terrain and distribution of used meteorological stations of Shandong Province

式中，ET0是參考作物蒸散量（mm·d-1）；Δ是飽和水汽壓溫度曲線斜率（kPa·℃-1）；Rn是地表凈輻射（MJ·m-2·d-1）；G是土壤熱通量（MJ· m-2·d-1）；γ是干濕表常數(shù)（kPa·℃-1）；T是日平均氣溫（℃），為日最高氣溫和日最低氣溫的平均值；u2為2 m高度處的風(fēng)速（m·s-1）；es是飽和水汽壓（kPa-1）；ea是實(shí)際水汽壓（kPa-1）。參考作物蒸散量計(jì)算過(guò)程中所涉及到的其它參數(shù)取值和計(jì)算方法均參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（氣象干旱等級(jí)，2006）。

1.2.2氣象要素的貢獻(xiàn)

單個(gè)氣象要素對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)可表示為該氣象要素的敏感系數(shù)及其多年相對(duì)變化的乘積。導(dǎo)致ET0增加為正貢獻(xiàn)，導(dǎo)致ET0減小為負(fù)貢獻(xiàn)。表達(dá)式如下（尹云鶴等，2010；曹雯等，2011a）：

式中，Convi是氣象要素Vi對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)；RCVi是Vi的多年相對(duì)變化；SVi為敏感系數(shù)，無(wú)量綱；ET0和ΔET0分別為參考作物蒸散量及其變化量；Vi和ΔVi分別為氣象要素和變化量。利用1961—2010年Vi的平均值Vav和線性?xún)A向率Trend計(jì)算得到；線性?xún)A向率Trend可由趨勢(shì)分析法計(jì)算得到。相應(yīng)的ET0的多年實(shí)際變化也可用RCVi計(jì)算得到。影響ET0變化的氣象因子眾多，實(shí)際應(yīng)用中不可能只是單個(gè)氣象因子發(fā)生變化，因此，將各因子的貢獻(xiàn)累加后就得到所有氣象因子對(duì)ET0變化的總貢獻(xiàn)（尹云鶴等，2010；曹雯等，2011a）。

1.2.3其它方法

采用A rcGIS反距離加權(quán)（馬寧等，2012）空間插值法，研究區(qū)域參考蒸散量的空間分布和時(shí)間變化特征。反距離加權(quán)插值法是一種常見(jiàn)而簡(jiǎn)便的空間插值方法，它是基于相近相似的原理，即兩個(gè)物體離得越近，它們的性質(zhì)就越相似，以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)被賦予的權(quán)重越大；采用Mann-Kendall（尹云鶴等，2009）突變檢驗(yàn)方法對(duì)各季節(jié)和年ET0的變化進(jìn)行突變檢驗(yàn)；應(yīng)用M orlet小波（王瓊等，2013；胡乃發(fā)等，2010）的實(shí)部和模平方對(duì)ET0進(jìn)行周期分析；采用相關(guān)分析（施能等，2004）等對(duì)山東省年和季節(jié)ET0變化的主導(dǎo)因素進(jìn)行探討。

2　結(jié)果分析

2.1參考作物蒸散量的時(shí)空分布特征

2.1.1多年平均空間分布

近50年來(lái)，山東省ET0的年平均值為1028.4 mm，榮成最少，為898.4 mm；濟(jì)南最多，為1 227.3 mm（圖2）。ET0空間分布存在較大的區(qū)域差異，整體表現(xiàn)為西北部高東南沿海低的特征，高值區(qū)主要位于魯中山區(qū)以北向東延伸至半島西北部一帶，普遍超過(guò)1 038.0 mm。東南沿海年平均ET0一般不高于1000 mm，半島東南部最少，少于950 mm。春季和夏季ET0平均值分別為324.4、396.8 mm，占全年比率分別為31.5%、38.6%，其空間分布和年平均ET0相似，高值區(qū)和低值區(qū)的范圍和位置接近。秋季和冬季ET0的空間分布相似，平均值分別為211.0、96.2 mm，占全年比率分別為20.5%、9.4%，但與年均ET0和春夏季ET0的空間分布差異較明顯，高值區(qū)主要在濟(jì)南周邊、膠萊平原、環(huán)半島沿海等地，低值區(qū)在魯北、魯西、魯西南、魯中山區(qū)南側(cè)及半島內(nèi)陸等地。

圖2　1961—2010年山東省年平均ET0空間分布Fig. 2　Spatial distribution of the average annual reference evapotranspiration in Shandong Province during 1961—2010

表1　1961—2010年山東省年和季節(jié)ET0的年代際變化Table 1　Decadal variation of the annual and seasonal reference evapotranspiration in Shandong Province during 1961—2010

2.1.2年代際變化

山東省各年代際ET0呈減少趨勢(shì)（表1），20世紀(jì)60年代最大，為1075.0 mm；至21世紀(jì)前10年最小，為999.4 mm；60、70年代 ET0平均值高于1961—2010年平均值，分別多46.6、16.3 mm；80年代以后均低于1961—2010年平均值。1961—2010年逐年代際減少量分別為30.3、29.6、7.5、8.2 mm，20世紀(jì)60—80年代減少最明顯。各季節(jié)ET0的年代際變化與多年平均略有不同，春季ET0在21世紀(jì)以前逐年代際減少，90年代最小，為310.5 mm，但21世紀(jì)前10年有所增加，接近累年春季平均值，為324.2 mm。夏季ET0在各年代際間均最大，平均達(dá)396.8 mm，呈逐年代際減小的變化趨勢(shì)；20世紀(jì)60、70年代超過(guò)400.0 mm。秋季、冬季ET0各年代際變化不大，接近平均值。

山東省各年代際ET0空間分布差異顯著（圖3），20世紀(jì)60年代僅東南沿海和半島東部地區(qū)ET0低于多年平均值，向西呈明顯的遞增趨勢(shì)，魯西、魯西北和魯北大部分地區(qū)高于多年平均值；70年代，低于多年平均ET0地區(qū)的范圍明顯向西擴(kuò)展，高值區(qū)范圍比60年代明顯縮小；80年代整個(gè)山東省ET0進(jìn)一步減小，僅在魯中山區(qū)北側(cè)至萊州灣一帶高于1116 mm；90年代和21世紀(jì)前10年大部分站點(diǎn)ET0低于多年平均值。

2.1.3年際變化

山東省ET0的年際變化傾向率為-1.818 mm·a-1（P＜0.01），表明山東省ET0呈極顯著的減小趨勢(shì)（圖4）。20世紀(jì)60年代前期ET0逐年減小，1964年接近歷年最小值，1965年迅速增加，之后開(kāi)始呈現(xiàn)逐年波動(dòng)減少的變化趨勢(shì)。1961—1964年山東全省產(chǎn)生了大面積的洪澇災(zāi)害（李君等，2009），降水量偏多，氣溫低、相對(duì)濕度大、日照時(shí)數(shù)少是這段時(shí)期ET0逐年急劇減小的可能原因。各季節(jié)ET0的年際變化與多年平均年際變化趨勢(shì)相似，均呈減小的變化趨勢(shì)（圖略），夏季減幅最大（P＜0.01），減小趨勢(shì)極顯著。

山東省各站年平均ET0變化趨勢(shì)在-5.8～3.1 mm·a-1之間，區(qū)域差異明顯（圖5）。內(nèi)陸的魯西南、魯西等地減少趨勢(shì)最明顯，普遍在-3.5 mm·a-1以上。半島地區(qū)減弱趨勢(shì)最不明顯，半島東部部分站點(diǎn)有增加趨勢(shì)，魯中山區(qū)北側(cè)部分站點(diǎn)有增加趨勢(shì)。減少趨勢(shì)通過(guò)α=0.05置信度水平檢驗(yàn)的有77個(gè)，主要分布在山東中西部，而增加趨勢(shì)通過(guò)α=0.05置信度水平檢驗(yàn)的站點(diǎn)僅有8個(gè)，主要分布在半島地區(qū)。

各季節(jié)ET0變化趨勢(shì)與年變化趨勢(shì)類(lèi)似，均在西部地區(qū)呈現(xiàn)明顯減少趨勢(shì)，越向東減小趨勢(shì)越不明顯，半島地區(qū)尤其半島東部部分站點(diǎn)有增大變化趨勢(shì)，魯中山區(qū)北側(cè)減少趨勢(shì)較小，個(gè)別站點(diǎn)有增大趨勢(shì)。春夏秋冬四季變化趨勢(shì)（圖略）分別為-2.0～1.2、-2.7～1.0、-0.9～0.8、-0.6～0.6 mm·a-1，各季節(jié)中減少趨勢(shì)通過(guò)α=0.05置信度水平檢驗(yàn)的站點(diǎn)分別有65、83、63、56個(gè)，增大趨勢(shì)通過(guò)α=0.05置信度水平檢驗(yàn)的站點(diǎn)分別有15、5、19、22個(gè)。夏季減少趨勢(shì)最強(qiáng)、站點(diǎn)數(shù)最多，春季次之，冬季最弱、最少。

圖3　1961—2010年山東省年代際ET0空間分布Fig. 3　Decadal spatial distribution of the reference evapotranspiration in Shandong Province during 1961—2010

圖4　1961—2010年山東省年和季節(jié)ET0年際變化趨勢(shì)Fig. 4　Inter-annual changing trend of the reference evapotranspiration in Shandong Province during 1961—2010

圖5　1961—2010年山東省年平均ET0氣候傾向率空間分布Fig. 5　Spatial distribution of the average annual changing rates of reference evapotranspiration in Shandong Province druing 1961—2010

2.2參考作物蒸散量變化的突變特征

采用Mann-Kendall法對(duì)山東省年平均ET0序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)（圖6e）。ET0在1983年前后產(chǎn)生突變，呈減少變化趨勢(shì)，至1985年減少趨勢(shì)超過(guò)了0.05的臨界線，表明其減少趨勢(shì)更為顯著，之后一直呈減少的變化趨勢(shì)。春季在1969年產(chǎn)生突變，呈減少變化趨勢(shì)，至1985年減少趨勢(shì)更為顯著，至1999年有增加的變化趨勢(shì)。夏季UF曲線在1968年以前呈上升趨勢(shì)，表明ET0有增加的變化趨勢(shì)，1969年后開(kāi)始持續(xù)減少，突變時(shí)間出現(xiàn)在1987年，至1990年開(kāi)始減少趨勢(shì)更為顯著。秋季UF曲線不存在顯著變化趨勢(shì)，雖有多個(gè)交點(diǎn)，但沒(méi)有產(chǎn)生突變，秋季ET0呈在波動(dòng)中逐年減少的趨勢(shì)，但趨勢(shì)不明顯。冬季UF和UB曲線在1971年以前出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)，但均不是突變點(diǎn)，1971年是冬季ET0的突變點(diǎn)，1971年以后總體呈減少的變化趨勢(shì)，至1990年減少趨勢(shì)更為顯著，之后有增加的變化趨勢(shì)。

2.3參考作物蒸散量變化的周期性

山東省年平均ET0的復(fù)值Morlet小波變換系數(shù)的實(shí)部和模平方時(shí)頻分布見(jiàn)圖7，實(shí)部反映了尺度信號(hào)在不同時(shí)間上的分布和位相信息，模的大小反映了尺度信號(hào)的強(qiáng)弱分布，通過(guò)兩者結(jié)合進(jìn)行周期分析。年ET0存在3、6、12、15、26 a左右多個(gè)振蕩周期，其中12 a左右的振蕩周期最強(qiáng)，為第一主周期。12 a左右的周期主要出現(xiàn)在1985年以前且最明顯；3 a左右的周期一直存在，在1970年前表現(xiàn)最明顯；6 a左右的周期在2000年前表現(xiàn)較明顯，在1970年前表現(xiàn)最明顯；15 a左右的周期不明顯；26 a左右的周期主要出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代末期以后，表現(xiàn)不明顯。春季、夏季、冬季第一主周期分別為7、16、16 a且貫穿整個(gè)時(shí)域，秋季第一主周期為10 a，在2000年以前最明顯。ET0的周期變換多個(gè)同時(shí)并存，不同年代表現(xiàn)出的周期性并不一致，且多種周期尺度相互交叉，具有較強(qiáng)的時(shí)頻局部特征。

圖6　1961—2010年山東省年和季節(jié)平均ET0Mann-Kendall突變檢驗(yàn)Fig. 6　The average annual and seasonal Mann-Kendall mutation test in Shandong Province during 1961—2010

圖7　1961—2010年山東省年平均ET0的復(fù)值Morlet小波變換系數(shù)的實(shí)部（a）和模平方時(shí)頻（b）Fig. 7　Real part of the Morlet wavelet analysis and the modulus square of potential evapotranspiration in Shandong Province during 1961—2010

2.4參考作物蒸散量變化成因分析

2.4.1各氣象要素和參考作物蒸散量變化討論

最高與最低氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度等氣象要素的相互作用導(dǎo)致ET0變化的原因比較復(fù)雜。本文采用氣象要素氣候變化傾向率和氣象要素與ET0的相關(guān)性結(jié)合的方法定性探討其變化的成因，進(jìn)而定量分析各氣象要素的變化對(duì)ET0的貢獻(xiàn)。

從表2可知，最高與最低氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)的逐年變化極顯著，均通過(guò)了α=0.01置信度檢驗(yàn)，表明最高與最低氣溫上升趨勢(shì)及風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)下降趨勢(shì)均極顯著，相對(duì)濕度下降趨勢(shì)、降水量增多趨勢(shì)不顯著。從各季節(jié)氣候傾向率變化看，冬季最高氣溫上升趨勢(shì)極顯著，達(dá)到0.031 ℃·a-1，夏季略下降，但變化不顯著；各季節(jié)最低氣溫均呈極顯著的上升趨勢(shì)，冬季上升趨勢(shì)最大，夏季最小。各季節(jié)風(fēng)速也呈極顯著減小趨勢(shì)，春季和冬季最明顯。春季日照時(shí)數(shù)減少趨勢(shì)不明顯，其它各季節(jié)減少趨勢(shì)均極顯著，夏季最明顯。各季節(jié)相對(duì)濕度和降水量上升和下降趨勢(shì)均不顯著。

各氣象要素與ET0的相關(guān)系數(shù)中，除春夏季和冬季最低氣溫外，其它年和各季節(jié)相關(guān)性均較顯著。最高氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)均與ET0呈正相關(guān)，最低氣溫、相對(duì)濕度、降水量呈負(fù)相關(guān)。對(duì)年ET0影響較大的氣象要素是日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對(duì)濕度，春季是日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、降水量、最高氣溫，夏季是日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、風(fēng)速、最高氣溫，秋季是日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、降水量，冬季是相對(duì)濕度、降水量、日照時(shí)數(shù)、最高氣溫。

綜合各氣象要素和ET0的氣候傾向率的相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果來(lái)看，雖然年相對(duì)濕度、季節(jié)相對(duì)濕度、降水量與ET0呈極顯著負(fù)相關(guān)，但相對(duì)濕度、降水量的變化趨勢(shì)不顯著，不是導(dǎo)致山東省參考作物蒸散量減少的主導(dǎo)因素；日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速與ET0相關(guān)性高且減少趨勢(shì)極顯著，對(duì)ET0的變化呈負(fù)貢獻(xiàn)，是影響山東省ET0減少的主導(dǎo)因素；最高氣溫與ET0相關(guān)性也較高且上升趨勢(shì)極顯著，導(dǎo)致ET0增加；最低氣溫與ET0相關(guān)性除在年際和秋季略高外，其它各季節(jié)較低。綜合考慮，日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速對(duì)ET0的變化呈負(fù)貢獻(xiàn)，是導(dǎo)致山東省年和季節(jié)ET0減少的主導(dǎo)因素；最高氣溫的極顯著上升對(duì)ET0的變化呈正貢獻(xiàn)。

表2　1961—2010年山東省年和季節(jié)ET0和氣候要素的相關(guān)性、氣候傾向率Table 2　Annual and seasonal changing rate and correlation of climate factors and reference evapotranspiration in Shandong Province during 1961—2010

表3　1961—2010年山東省年和季節(jié)氣候要素對(duì)ET0的貢獻(xiàn)及ET0實(shí)際變化率Table 3　Contribution of Annual and seasonal climate factors variables to reference evapotranspiration and actual relative change for reference evapotranspiration in Shandong Province during 1961—2010　　　　　　　　　　　　　　　　 %

2.4.2各氣象要素和參考作物蒸散量的定量分析

ET0的變化主要由氣象要素的變化而導(dǎo)致，通過(guò)計(jì)算各氣象要素的敏感系數(shù)和各氣象要素和ET0的相對(duì)變化量，定量分析各氣象要素對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)。

由表3可以看出，最高氣溫對(duì)年ET0變化的貢獻(xiàn)為2.090%，為正貢獻(xiàn)，表明山東省最高氣溫的升高導(dǎo)致了ET0增多，冬季的極顯著增溫導(dǎo)致ET0增多最明顯。最低氣溫對(duì)年ET0變化的貢獻(xiàn)比最高氣溫略高，為2.714%。各季節(jié)最低氣溫的貢獻(xiàn)也比相應(yīng)最高氣溫高。在所有氣象要素中風(fēng)速對(duì)年ET0變化的貢獻(xiàn)最大，為-9.587%，春季、秋季和冬季風(fēng)速對(duì)ET0變化貢獻(xiàn)在所有氣象要素中最大，夏季風(fēng)速的貢獻(xiàn)小于日照時(shí)數(shù)。相對(duì)濕度對(duì)年ET0的變化貢獻(xiàn)為1.828%，秋季的正貢獻(xiàn)最大，夏季則有不明顯的負(fù)貢獻(xiàn)。日照時(shí)數(shù)對(duì)年ET0變化的貢獻(xiàn)僅次于風(fēng)速，為-3.257%，夏季日照時(shí)數(shù)對(duì)ET0變化貢獻(xiàn)在所有氣象要素中最大，冬季日照時(shí)數(shù)對(duì)ET0減少的貢獻(xiàn)最小。

所有氣象要素對(duì)年ET0變化的總貢獻(xiàn)為-6.220%，對(duì)夏季ET0變化的總貢獻(xiàn)最大，其它各季節(jié)的總貢獻(xiàn)較接近，與ET0實(shí)際變化較接近，表明運(yùn)用敏感系數(shù)和氣象要素相對(duì)變化可以合理地解釋年ET0和季節(jié)ET0實(shí)際變化。

綜上所述，對(duì)年ET0實(shí)際變化負(fù)貢獻(xiàn)最大的氣象要素是風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)，這與尹云鶴等（2010）、謝賢群等（2007）的研究結(jié)論一致。最高最低氣溫的正貢獻(xiàn)和相對(duì)濕度相對(duì)較小的正貢獻(xiàn)，在一定程度上削弱了風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)對(duì)ET0實(shí)際變化的負(fù)貢獻(xiàn)；對(duì)春季、秋季和冬季ET0實(shí)際變化負(fù)貢獻(xiàn)最大的是風(fēng)速，日照時(shí)數(shù)次之，其它要素為正貢獻(xiàn)；夏季負(fù)貢獻(xiàn)最大的是日照時(shí)數(shù)，風(fēng)速次之，最低氣溫具有較小的正貢獻(xiàn)。

3　結(jié)論

（1）山東省年際和季節(jié)平均參考作物蒸散量（ET0）由東南沿海向西北內(nèi)陸遞增，夏季最高，其次為春季、秋季，冬季最低。大部地區(qū)ET0在20世紀(jì)80年代以前減幅較大，魯中山區(qū)北部至魯北沿海21世紀(jì)前10年有較小的增加趨勢(shì)。ET0逐年代際遞減，其年際變化傾向率為-1.818 mm·a-1，減少趨勢(shì)極顯著，各季節(jié)均呈減少的變化趨勢(shì)，夏季最明顯。魯西和魯西南ET0的減少趨勢(shì)最顯著，東向總體上減少趨勢(shì)變緩，至半島東部部分站點(diǎn)則有增加趨勢(shì)。

（2）山東省年平均ET0在1983年前后發(fā)生突變，之后呈減少趨勢(shì)，春季發(fā)生在1969年，夏季發(fā)生在1987年，秋季沒(méi)有產(chǎn)生突變，冬季則發(fā)生在1971年。年際和各季節(jié)ET0分別存在12、7、16、10、16 a左右的主振蕩周期，不同年代表現(xiàn)出的周期性不一致，且多種周期尺度相互交叉。

（3）整體上，山東省年際和各季節(jié)風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)呈極顯著的下降變化趨勢(shì)，且和ET0顯著正相關(guān)；相對(duì)濕度和降水量與ET0呈顯著正相關(guān)，但變化趨勢(shì)不顯著；最高氣溫與ET0顯著正相關(guān)。年際和冬季上升趨勢(shì)顯著，最低氣溫上升趨勢(shì)顯著，但與ET0相關(guān)性較低。

（4）山東省年際和各季節(jié)各氣象要素對(duì)ET0變化的總貢獻(xiàn)率與ET0的實(shí)際變化率較接近，風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)對(duì)ET0的負(fù)貢獻(xiàn)最大，最高和最低氣溫、相對(duì)濕度則為正貢獻(xiàn)，在一定程度上削弱了風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的負(fù)貢獻(xiàn)。導(dǎo)致夏季ET0減少變化的第一主導(dǎo)因子是日照時(shí)數(shù)，貢獻(xiàn)率為-8.287%，風(fēng)速次之，為-3.507%；導(dǎo)致年際、春、秋和冬季ET0減少變化的第一主導(dǎo)因子均是風(fēng)速，貢獻(xiàn)率分別為-9.587%、 -8.074%、-9.920%、-16.847%。

影響ET0時(shí)空分布和變化的因素比較復(fù)雜，不僅與氣象要素有關(guān)，其它由氣象要素導(dǎo)致的間接影響也不可忽略，同時(shí)氣象要素的變化也相互影響。本文定量分析了影響山東ET0變化的主要?dú)庀笠氐呢暙I(xiàn)，在很大程度上解釋了ET0變化的具體原因。對(duì)于其它氣象要素和非氣象要素對(duì)ET0變化的影響方式和程度仍有待深入研究。

ALLEN R G， PEREIRA L S， RAES D， et al. 1998. Crop evapotranspiration：guidelines for computing crop water requirements ［R］. Rome： FAO.

SOLOMON S， QIN D， MANNING M， et al. 2007. Climate Change： The Physical Science Basis， Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change［M］. Cambridge： Cambridge University Press.

曹雯， 申雙和， 段春鋒. 2011a. 西北地區(qū)生長(zhǎng)季參考作物蒸散變化成因的定量分析［J］. 地理學(xué)報(bào)， 66（3）： 407-415.

曹雯， 申雙和， 段春鋒. 2011b. 西北地區(qū)近49年生長(zhǎng)季參考作物蒸散量的敏感性分析［J］. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象， 32（3）： 375-381.

遲竹萍. 2009. 近45年山東夏季降水時(shí)空分布及變化趨勢(shì)分析［J］. 高原氣象， 28（1）： 220-226.

丁一匯. 2008. 中國(guó)氣候變化科學(xué)概論［M］. 北京： 氣象出版社.

董旭光， 顧偉宗， 孟祥新， 等. 2014. 山東省近50年來(lái)降水事件變化特征［J］. 地理學(xué)報(bào)， 69（5）： 661-671.

段春鋒， 繆啟龍， 曹雯. 2011. 西北地區(qū)參考作物蒸散變化特征及其主要影響因素［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 27（8）： 77-83.

高歌， 陳德亮， 任國(guó)玉， 等. 2006. 1956—2000年中國(guó)潛在蒸散量變化趨勢(shì)［J］. 地理研究， 25（3）： 378-387.

高留喜， 劉秦玉. 2005. 山東春季降水的時(shí)空變化特征分析［J］. 高原氣象， 24（5）： 811-815.

胡乃發(fā)， 王安志， 關(guān)德新， 等. 2010. 1959—2006年長(zhǎng)白山地區(qū)降水序列的多時(shí)間尺度分析［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)， 21（3）： 549-556.

李君， 邰慶國(guó)， 韓國(guó)泳， 等. 2009. 山東伏期旱澇特征與大氣環(huán)流異常［J］.氣象科學(xué)， 29（1）： 106-109.

梁麗喬， 李麗娟， 張麗， 等. 2008. 松嫩平原西部生長(zhǎng)季參考作物蒸散發(fā)的敏感性分析［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 24（5）： 1-5.

劉昌明， 張丹. 2011. 中國(guó)地表潛在蒸散發(fā)敏感性的時(shí)空變化特征分析［J］. 地理學(xué)報(bào)， 66（5）： 579-588.

劉普幸， 卓瑪蘭草. 2012. 甘肅省1960—2008年潛在蒸散量時(shí)空變化及影響因子［J］. 自然資源學(xué)報(bào)， 27（9）： 1561-1571.

劉小莽， 鄭紅星， 劉昌明， 等. 2009. 海河流域潛在蒸散發(fā)的氣候敏感性分析［J］. 資源科學(xué)， 31（9）： 1470-1476.

馬寧， 王乃昂， 王鵬龍， 等. 2012. 黑河流域參考蒸散量的時(shí)空變化特征及影響因素的定量分析［J］. 自然資源學(xué)報(bào)， 27（6）： 975-989.

毛飛， 張光智， 徐祥德. 2000. 參考作物蒸散量的多種計(jì)算方法及其結(jié)果的比較［J］. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)， 11（增刊）： 128-136.

任國(guó)玉， 郭軍， 徐銘志， 等. 2005. 近50年中國(guó)地面氣候變化基本特征［J］. 氣象學(xué)報(bào)， 63（6）： 942-955.

施能， 陳綠文， 封國(guó)林. 2004. 1920—2000年全球陸地降水場(chǎng)氣候特征與氣候變化［J］. 高原氣象， 23（4）： 435-443.

王瓊， 張明軍， 潘淑坤， 等. 2013. 長(zhǎng)江流域潛在蒸散量時(shí)空變化特征［J］.生態(tài)學(xué)雜志， 32（5）： 1292-1302.

王遵婭， 丁一匯， 何金海， 等. 2004. 近50年來(lái)中國(guó)氣候變化特征的再分析［J］. 氣象學(xué)報(bào)， 62（2）： 228-236.

謝賢群， 王菱. 2007. 中國(guó)北方近50年潛在蒸發(fā)的變化［J］. 自然資源學(xué)報(bào)， 22（5）： 683-691.

徐宗學(xué)， 孟翠玲， 趙芳芳. 2007. 山東省近40 a來(lái)的氣溫和降水變化趨勢(shì)分析［J］. 氣象科學(xué)， 27（4）： 387-393.

楊士恩， 王啟. 2007. 山東夏季降水的氣候特征及其成因［J］. 熱帶氣象學(xué)報(bào)， 23（1）： 65-71.

尹云鶴， 吳紹洪， 陳剛. 2009. 1961—2006年我國(guó)氣候變化趨勢(shì)與突變的區(qū)域差異［J］. 自然資源學(xué)報(bào)， 24（12）： 2147-2157.

尹云鶴， 吳紹洪， 戴爾阜. 2010. 1971—2008年我國(guó)潛在蒸散時(shí)空演變的歸因［J］. 科學(xué)通報(bào)， 55（22）： 2226-2234.

張山清， 普宗朝. 2011. 新疆參考作物蒸散量時(shí)空變化分析［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 27（5）： 73-79.

張守紅， 劉蘇峽， 莫興國(guó)， 等. 2010. 阿克蘇河流域氣候變化對(duì)潛在蒸散量影響分析［J］. 地理學(xué)報(bào)， 65（11）： 1363-1370.

中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局， 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 2006. 氣象干旱等級(jí)： GB/T20481—2006［S］. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社： 9-13.

左德鵬， 徐宗學(xué)， 李景玉， 等. 2011. 氣候變化情景下渭河流域潛在蒸散量時(shí)空變化特征［J］. 水科學(xué)進(jìn)展， 22（4）： 455-461.

Temporal and Spatial Variation Characteristics and Quantification of Causes for Reference Evapotranspiration in Shandong Province in Recent 50 Years

DONG Xuguang， QIU Can， WANG Jing
Shandong Climate Center， Jinan 250031， China

As a main component of the hydrological cycle， reference evapotranspiration （ET0） was widely used for understanding regional moisture conditions， estimating ecology water requirement and irrigating crop. ET0played a very im portant role in the climate and environment change. Based on the daily meteorological data from 90 meteorological stations in Shandong Province from 1961 to 2010， the Penman-Monteith method recommended by FAO was used to calculate the ET0and to analyze its spatial-temporal distribution characteristics. Major factors' contribution to the ET0variation trend was also provided through partial derivative quantification analysis. Temporal variations in ET0were analyzed using the Mann-Kendall method and Morlet wavelet. Results indicated that the mean annual ET0was 1 028.4 mm in Shandong Province during the study period. ET0ascended from southeast coast to northw est inland， peaking in summer and reaching the bottom in w inter. The dam ping of ET0w as greater before 1980s. The annual ET0showed a significant decline w ith a rate of -1.818 mm·a-1. The decreasing trend w as mostly prom inent in w est and southwest of Shandong and the increasing trend appeared in some stations of eastern peninsula. By using Mann-Kendall analysis， it had been found that the annual ET0mutation happened around 1983， and spring-， summer- and w inter-mutation happened in 1969，1987， 1971 respectively w ith no mutation happening in autumn. The annual and seasonal ET0presented oscillations of 12， 7， 16， 10 and 16 a respectively. The oscillation periods was different in each year and various periods crossed each other.As the main factors for ET0decrease in Shandong， the annual and seasonal mean w ind speed and sunshine duration decreased significantly and were dramatically positive-correlated w ith ET0. The total contribution from the annual and seasonal meteorological elements to the ET0variation was close to actual changing in ET0. The main impacting factor on ET0decreasing was wind speed meanly in spring，autumn， w inter and the whole year w ith the negative-contribution of -8.074%， -9.920%， -16.847% and -9.587% respectively. However， in summer， sunshine duration was the dom inant factor with negative-contribution of -8.287%.

reference evapotranspiration； Penman-Monteith model； climate factors； contribution rate； Shandong Province

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.07.002

X16

A

1674-5906（2016）07-1098-08

山東省氣象局科研項(xiàng)目（2015sdqxm05）；中國(guó)氣象局氣候變化專(zhuān)項(xiàng)（CCFS201233）

董旭光（1979年生），男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事氣候變化和氣候應(yīng)用等工作。E-mail： dongxugg@sina.com

2015-04-22