1961-2010年中國參考作物蒸散量變化趨勢與時空格局

黃 娟,申雙和,李新建,張文斌

(1.南京信息工程大學 應用氣象學院,南京 210044 ; 2.南京信息工程大學 氣象災害預警預報與評估協同創新中心, 南京 210044; 3.新疆維吾爾自治區農業氣象臺,烏魯木齊 830002; 4.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所,烏魯木齊 830002)

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1961-2010年中國參考作物蒸散量變化趨勢與時空格局

黃 娟1,4,申雙和2,李新建3,張文斌4

(1.南京信息工程大學 應用氣象學院,南京 210044 ; 2.南京信息工程大學 氣象災害預警預報與評估協同創新中心, 南京 210044; 3.新疆維吾爾自治區農業氣象臺,烏魯木齊 830002; 4.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所,烏魯木齊 830002)

根據甄選的中國529個氣象臺站1961—2010年的觀測資料，利用聯合國糧食及農業組織(FAO)推薦的Penman-Monteith模型估算了全國年際參考作物蒸散量，探究了中國1961—2010年參考作物蒸散量變化趨勢與時空格局。結果表明：(1)通過對中國參考作物蒸散量的年變化趨勢進行分析，發現1961—2010年參考作物蒸散量先有下降趨勢(1961—1993年)，下降幅度不大，后又有緩慢的回升(1994—2010年)，但總體呈下降趨勢；(2)通過對各站近50年參考作物蒸散量平均值的時空分布進行分析，發現中國西北地區和西南地區明顯大于東北地區和中部腹地；(3)中國參考作物蒸散量時空分布主要影響因素是風速和氣溫(氣溫影響范圍廣，風速影響程度大)，也與中國地形復雜、面積廣闊、經緯跨度大、各地氣象條件差異導致作物蒸散能力差異有關。

Penman-Monteith模型; 參考作物蒸散量; 變化趨勢; 時空格局

蒸散即植物葉面蒸發(蒸騰)和棵間土壤蒸發之和。蒸散是植物失水的主要方式。聯合國糧食及農業組織(FAO)將參考作物蒸散定義為“假設高度為0.12 m，冠層阻力為7.0 m/s，反照率為0.23的參考冠層的蒸散，即生長旺盛，長勢一致，完全覆蓋地面且水分供應充足的開闊綠色草地的蒸散”[1]。參考作物蒸散(ET0)是自然界水循環中的一個重要組成因素，其數值大小直接影響到作物產量的估算、農業用水的安排、各地灌溉制度的制定和選種育種的區域劃分。通過分析不同年份不同地區的參考作物蒸散量時空變化趨勢，可以更好地服務于農業、牧業、林業等各個行業。

國際上對自然蒸發有文獻報道的研究已有300多年的歷史。Dalton等[2]提出計算蒸發速率的公式：水面蒸發速率與蒸發面的飽和差成正比。Wilm[3]和Penman[4]等先后提出潛在蒸散的概念及相應的計算公式。Penman公式為計算濕潤下墊面潛在蒸散的主要方法。Monteith等[5]通過引入表面阻力的概念，推導出Penman-Monteith公式，所以該公式又被稱為大葉模型。1998年FAO出版計算作物蒸散的指南[6]。

國內蒸散研究工作始于20世紀50年代，朱崗昆等[7]應用Penman方法計算了自然狀況下中國蒸發量的分布、季節變化等。陶祖文等[8]提出了用氣候資料計算旬、月可能蒸散和土壤水分不足情況下蒸散量的方法。自80年代以來，王健等[9]通過對不同作物農田蒸散試驗觀測研究，建立了適用于我國的農田蒸發量測定方法和計算模式。辛曉洲[10]提出了以熱紅外遙感信息為主的遙感地表水分蒸發模型。劉鈺[11]對FAO推薦的作物系數計算方法進行了驗證。

黃會平等[12]根據1957—2012年全國608個氣象站的逐日氣象資料利用Penman-Monteith公式計算了作物的潛在蒸散量，采用主成分分析方法對10大水資源一級分區潛在蒸散量的年代際變化進行了分析，在ArcGIS中將4個主成分分別表示在空間分布圖上。但是，閻慈琳[13]研究證明采用主成分分析方法：(1)首先應保證所提取的前幾個主成分的累計貢獻率達到一個較高的水平，即保證相關的氣象因素對該地區潛在蒸散量有較大影響。這一條件并不是所有地區都滿足，且有地域差異。(2)主成分的解釋其含義一般多少帶有模糊性，不像原始變量的含義那么清楚、確切，因此采用這一方法，只能表示某一站點某一氣象因素有無影響，及這一氣象因素在這一站點相對于全國而言的影響程度，而不能準確表示對于這一站點某一氣象因素的影響程度是多少。(3)這一方法是將一維數據做出的平面結果平鋪到GIS中，具有空間局限性。

綜合國內外關于我國參考作物蒸散量分布時空變化的研究，由于數據不完整[14]、區域劃分不明確[15]、統計量大、計算繁雜等原因，大部分研究只反映了局部地區的參考作物蒸散量時空變化[16]，或只反映出近幾年的變化趨勢[17]，缺乏完整的全國范圍內時空變化趨勢，缺乏不同地區參考作物蒸散量的時空演變趨勢對比，缺乏長期變化趨勢分析[18]。雖然黃會平等[12]的文章數據充足，空間范圍大，但是并不能準確表示某一站點某一氣象因素的影響程度是多少。此外，一維數據具有空間局限性，而采用空間疊加能解決這一問題。本文將分析全國529個站點1961—2010年的數據，以便從時間的長期性和站點數據的完整性兩方面彌補之前研究的不足，然后對每一個站點的影響因素做相關性分析，以便能明確、清晰地表示出每一個站點每一個氣象因素的影響程度是多少，繼而采用空間疊加的方法，以便表示出全國范圍內每個站點潛在蒸散的主導影響因子，從而對全國蒸散量演變形勢與空間格局有更全面準確的了解。

1　試驗材料與方法

1.1材料來源

分析所需的數據主要有如下兩個方面：(1)529個氣象站1961—2010年逐日基本氣象要素資料，包括日平均氣溫(℃)、最高最低氣溫(℃)、日照時數(h)、平均風速(m/s)等；(2)1∶400萬的中國行政邊界圖層(由國家基礎地理信息系統網站提供)。所選站點的分布見圖1。

圖1　中國氣象站點分布

1.2研究方法

1.2.1FAO Penman-Monteith模型參考作物蒸散量的計算方法多種多樣。其中Penman-Monteith公式是基于能量平衡和水汽擴散理論的算法，在充分了解植被生理特性的基礎上，結合空氣動力學參數的變化，計算出某一地區的參考作物蒸散量。由于理論依據充分，應用性廣泛，計算誤差小，因此，該方法于1998年被聯合國糧農組織(FAO)推薦為計算參考作物蒸散量的標準方法，直至今日仍然在各個地區得到廣泛的應用。本文也利用該公式進行全國參考作物蒸散量的計算和分析。

(1)

式中：ET0(FAO-98)為參考作物蒸散量(mm/d)；Rn為地表凈輻射[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)](在逐日計算式中，G≈0)；T為2 m高度處平均氣溫(℃)；U2為2 m高度處風速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃)；V為干濕表常數(kPa/℃)。其中：

(2)

(3)

Rso=(0.75+2z×10-5)Ra

(4)

式中：T為反射率(無量綱)(本文取T=0.23)；Rs為地表短波輻射[MJ/(m2·d)]；e為斯蒂芬—波爾茲曼常數4.903×10-9[MJ/(K4·m2·d)]；Tmax為日最高氣溫(K)；Tmin為日最低氣溫(K)；Rso為晴天地表短波輻射[MJ/(m2·d)]；as為陰天(n=0)地表短波輻射與大氣層外太陽輻射的比例系數；(as+bs)為晴天(n=N)地表短波輻射與大氣層外太陽輻射的比例系數；n為實際日照時數(h)；N為最大可能日照時數(h)；Ra為大氣層外太陽輻射[MJ/(m2·d)]；z為海拔高度(m)。本文取as=0.25，as+bs=0.75。

1.2.2氣候傾向率估算

(5)

1.2.3要素相關性判別標準在計算該序列的相關系數r的值時，在常規顯著性水平θ下，max{|r|θ}<0.6(r0.01,18=0.561 4小于0.6)，即此時所有閾值中的最大值均小于0.6。因此，當相關系數滿足rβ≤|r|<0.6(且序列長度大于最小值20時)，序列與時序t的相關性要高于上面已劃分的等級，本文將其趨勢變異程度劃為低度相關，以此類推得到表1。

表1　相關系數分級[19]

1.2.4參考作物蒸散量資料插補方法在所選529個站點中，并不是所有站點的資料都具有完整性，所以要對數據缺失年份的參考作物蒸散量進行插補。本文所需數據為數值型，經過比較之后，采用均值替換法。

2　結果與分析

2.1全國年平均參考作物蒸散量時間變化趨勢

1961—2010年我國參考作物蒸散量(圖2)總體呈下降趨勢，平均每年下降0.279 7 mm，下降幅度較小。然而不同年份的變化情況有所不同，總體來看，1961—1968年呈上升趨勢，1969—1991年總體呈下降趨勢，下降幅度較大，且均處于趨勢線以下，1992—2010年呈上升趨勢，且上升幅度較大。參考作物年蒸散量最大值出現在1978年，最大值為1 007.13 mm，最小值出現在1993年，數值為926.06 mm。

2.2年參考作物蒸散量空間分布與時空格局

我國1961—2010年多年平均參考作物蒸散量(附圖4)總體分布為西部多，東部少。其中，我國西北地區塔里木盆地蒸散量較大，吐魯番盆地達到最大值。海南島及雷州半島蒸散量達到最小值。1961—2010年我國年參考作物蒸散量(附圖5)呈西南部增加，西北部和東南大部減少。

圖2　1961-2010年年平均參考作物蒸散量變化趨勢

2.3年參考作物蒸散量年代際變化

由附圖6可知，與1960s相比，1970s我國大部分地區(青藏高原東部、內蒙古高原中部和西部、東北平原北部)蒸散量呈增加趨勢，增加數值為27～49 mm；另外，準噶爾盆地、長江中下游地區以南、華北平原北部等地蒸散量均減少18～42 mm。由附圖7A可知，與1970s相比，1980s我國大部分地區蒸散量有減少趨勢，減少數值為東部(長江中下游南部地區、東北平原大部)地區0～17 mm，西部(塔里木盆地東部)地區39～49 mm。由附圖7B可知，與1980s相比，1990s我國大部分地區蒸散量有減少趨勢，減少量為0～20 mm；另外，中部腹地、東北北部有增加趨勢，增加量為22～37 mm。由附圖7C可知，與1990s相比，2000s我國大部分地區蒸散量有增加趨勢，增加量為1～32 mm。

2.4參考作物蒸散量時空變化原因分析

為了分析出可能對參考作物蒸散量變化有影響的因素，對1961—2010年全國的多年平均參考作物蒸散量、氣溫、相對濕度、風速、日照時數做出了相應的相關系數等級分析，對比之后取每個站點的最大值(主要影響因素)，判斷其影響程度的大小。

氣溫對我國參考作物蒸散量的影響程度空間分布如下(圖3A)：東北平原東部、云貴高原低度相關；東北平原西部、東南丘陵大部、青藏高原東部、海南島顯著相關；準噶爾盆地北部、華北平原局部高度相關。相對濕度對我國參考作物蒸散量的影響程度空間分布如下(圖3B)：長江中下游沿江地區、東南丘陵大部、黃土高原大部無相關關系；云貴高原大部、青藏高原東部顯著相關。風速對我國參考作物蒸散量的影響程度空間分布如下(圖3C)：黃土高原北部、云貴高原東部、東南丘陵局部低度相關；其他大部分地區為顯著相關。日照時數對我國參考作物蒸散量的影響程度空間分布如下(圖3D)：東北平原南部、長江中下游局部、準噶爾盆地西北部低度相關；東北平原西北部、四川盆地、青藏高原東部的局部地區顯著相關；其他大部分地區無相關關系。

圖3　1961-2010年中國ET0與氣溫、相對濕度、風速、日照時數的相關性

1961—2010年我國參考作物蒸散量的主要影響因素為(圖4)：就全國范圍來看，主要受氣溫和風速的影響，這二者相比，氣溫影響范圍更廣，風速影響程度更大。東北北部主要受日照影響，東北南部主要受氣溫和風速影響，其中氣溫為主導因素；遼東半島主要受相對濕度影響；華北地區主要受氣溫和風速影響；長江中下游及其以南的地區主要受風速和氣溫影響，其中風速為主導因素；云貴高原主要受相對濕度影響；黃土高原西部主要受日照影響；西北地區主要受氣溫影響。

3　結 論

1961—2010年，我國年參考作物蒸散量總體呈下降趨勢，平均每年下降0.279 7 mm，下降幅度較小。年平均參考作物蒸散量分布西部多，東部少。具體分布如下：我國西北地區塔里木盆地蒸散量較大，吐魯番盆地達到最大值，內蒙古高原西部及中部蒸散量達到次大值。東北地區蒸散量較小，尤其東北平原以北(包括小興安嶺及大興安嶺東北部)的地區數值更小。海南島及雷州半島蒸散量達到最小值。

圖4　1961-2010年中國ET0的主要影響因素分布

對參考作物蒸散量的時空變化格局分析發現，1961—2010年，我國中部地區(包括青藏高原、吐魯番盆地、內蒙古高原東部、西川盆地大部、秦嶺淮河地區、大興安嶺以西的地區)的參考作物蒸散量有明顯的增加趨勢，其他地區則有不同程度的減小。

另外，近50年來，全國范圍內的日照時數顯著減小，受此影響凈輻射亦大幅度減小，因此，作為蒸散能量來源的輻射能的減少，一方面導致蒸散能力減弱，另一方面導致大氣熱力層結較穩定，湍流減弱，使蒸散量減少；近50年來，相對濕度減小，因而空氣較干燥，最高溫度有較大幅度的上升，這就使得蒸散量有回升的趨勢。

本文對我國參考作物蒸散量逐年的變化趨勢和空間分布做出了詳細分析，但仍有不足之處。(1)本文只是在FAO定義的Penman-Monteith模型基礎上做了相關分析，日后可以結合其他模型作對比分析；(2)本文只是根據年際變化來劃分時間區域，日后可根據作物的不同生育期來劃分時間區域；(3)還可通過對比不同作物的蒸散量作為參照，通過對比分析得出結論；(4)近幾年遙感、GIS等空間模擬網絡技術快速發展，遙感對空間的模擬更精確，GIS對數據的插值處理更合理，日后可結合這些技術作相關分析。

[1]Allen R G,Pereira L S,Raes D,et al.FAO Irrigation and Drainage Paper 56: Crop Evapotranspiration: Guidelines for Computing Crop Water Requirements[M].Rome: FAO,1998.

[2]Dalton A J.Electron micrography of epithelial cells of the gastro-intestinal tract and pancreas[J].American Journal of Anatomy,1951,89(1):109-133.

[3]Wilm H G,Thornthwaite C W,Colman E A,et al.Report of the committee on transpiration and evaporation,1943-44[J].Eos,Transactions American Geophysical Union,1944,25(5):683-693.

[4]Penman H L.Natural evaporation from open water,bare soil,and grass[M]∥Proceedings of the Royal Society of London A.the Royal Society Publishing,1948.

[5]Monteith J L.Evaporation and environment.[J].Symposia of the Society for Experimental Biology,1965,19(19):205-34.

[6]FAO.World reference base for soil resources[R].Rome: FAO,1998.

[7]朱崗昆,楊紉章.氣象記錄在經濟建設中的應用(Ⅱ):中國各地蒸發量的初步研究[J].氣象學報,1955,26(1/2):1-28.

[8]陶祖文,裴步祥.農田蒸散和土壤水分變化的計算方法[J].氣象學報,1979,37(4):79-87.

[9]王健,蔡煥杰,劉紅英.利用Penman-Monteith法和蒸發皿法計算農田蒸散量的研究[J].干旱地區農業研究,2002,20(4):67-71.

[10]辛曉洲.用定量遙感方法計算地表蒸散[D].北京:中國科學院研究生院(遙感應用研究所),2003.

[11]劉鈺.氣象數據缺測條件下參照騰發量的計算方法[J].水利學報,2001,32(3):11-17.

[12]黃會平,曹明明,宋進喜,等.1957—2012年中國參考作物蒸散量時空變化及其影響因子分析[J].自然資源學報,2015,30(2):315-326.

[13]閻慈琳.關于用主成分分析做綜合評價的若干問題[J].數理統計與管理,1998,17(2):22-25.

[14]杜加強,舒儉民,劉成程,等.黃河上游參考作物蒸散量變化特征及其對氣候變化的響應[J].農業工程學報,2012,28(12):92-100.

[15]李志.黃土高原1961—2009年參考作物蒸散量的時空變異[J].生態學報,2012,32(13):4139-4145.

[16]于東平,張鑫,何毅,等.青海省東部高原農業區參考作物蒸散量的時空變化[J].農業工程學報,2012,28(2):66-71.

[17]劉勤,嚴昌榮,梅旭榮,等.西北旱區參考作物蒸散量空間格局演變特征分析[J].中國農業氣象,2012,33(1):48-53.

[18]劉廣東,李艷,劉海軍,等.山西地區近55年參考作物蒸散量的變化特征及其主要影響因素分析[J].灌溉排水學報,2012,31(5):26-30.

[19]謝平,唐亞松,李彬彬,等.基于相關系數的水文趨勢變異分級方法[J].應用基礎與工程科學學報,2014,22(6):1089-1097.

Research of Variation Trend and Spatial Pattern of Reference Crop Evapotranspiration During the Period from 1961 to 2010 in China

HUANG Juan1,4,SHEN Shuanghe2,LI Xinjian3,ZHANG Wenbin4

(1.College of Applied Meteorology,Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044,China; 2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disaster, Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China; 3.Xinjiang Agriculture Observatory, Urumqi 830002,China; 4.Institute of Desert Meteorology,China Meterological Administration,Urumqi 830002,China)

The annual reference crop evapotranspiration was estimated using Penman-Monteith model recommended by Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO)with the observation data from 529 meteorological sites during the period of 1961 to 2010,and the variation trend and spatial pattern of ET0were investigated in detail.The results indicated that: (1)through analysis of annual variation tendency for the reference crop evapotranspiration,it was found that during the period from 1961 to 2010,reference crop evapotranspiration declined (1961—1993),did not drop,and then slowly recovered (1994—2010); (2)through the reference crop evapotranspiration in recent 50 years,the average value on the temporal and spatial distribution analysis,it was found that the values in northwest China and southwest China were significantly greater than those of northeast area and the central hinterland; (3)the main factors affecting the spatial and temporal reference crop evapotranspiration were the wind speed and temperature distribution in China (Temperature had a wide range of influence,wind speed had a great effect on ET0).And meanwhile,China′s complex terrain,the vast area,latitude and longitude span,all weather conditions caused the differences in different crop evapotranspiration capacity.

Penman-Monteith model; reference crop evapotranspiration; change trend; temporal and spatial distribution

2015-09-14

2015-09-28

公益性行業(氣象)科研專項“干旱氣象科學研究——我國北方干旱致災過程及機理”(GYHY201506001);國家重大科學研究計劃“干旱半干旱區生態系統和水資源脆弱性評估及風險預估”(2012CB956204)

黃娟(1990—),女,新疆塔城人,碩士研究生,研究方向為農業氣象研究。E-mail:1321265319@qq.com

申雙和(1957—),男,江蘇姜堰人,教授,博士生導師,主要從事農業氣象研究。E-mail:yqzhr@nuist.edu.cn

S161.4; P311

A

1005-3409(2016)05-0240-05