艾比湖流域潛在蒸散量時空變化特征

秦 鵬，劉 強

(新疆頭屯河流域管理局水利管理中心，新疆 昌吉 831100)

潛在蒸散量(Evapotranspiration，ET0)在地表水循環和全球能量平衡中的一個關鍵環節，其時空演變特征是表征水文資源和生態環境對全球變化的響應的重要指標[1]。在我國干旱半干旱區，水資源極為短缺，由此而引起的干旱對農業生產和人們生活有很大影響[2,3]。潛在蒸散量的評估對于提高水資源的規劃、管理水平和水分利用效率至關重要[4]。由于對于蒸散量的實測較為困難，目前學者們基于聯合國糧農組織推薦的Penman-Monteith(P-M)對潛在蒸散量及其對生態環境演變的影響等開展了大量的研究[5,6]。

過去百年全球氣溫顯著增加，這將可能引起全球潛在蒸散量的增加[7]。然而，前人研究中卻表明全球變暖趨勢下潛在蒸散量的變化具有空間異質性，既有增加趨勢也有減少趨勢，從而引發了廣泛討論[8,9]。由于潛在蒸散量的復雜性和不確定性，以及與氣候因子極為復雜的非線性關系，國內外學者基于敏感分析、相關分析等對潛在蒸散量與氣候因子的關系也開展了大量研究[10,11]。作為對氣候變化極為敏感的我國西北地區，暖濕化趨勢下潛在蒸散量整體呈顯著的減少趨勢[10,12]。然而，自然地理環境具有空間異質性，在全球變化背景下艾比湖流域氣溫和降水呈增加趨勢、平均風速呈減少趨勢[13-15]，氣象要素的改變會引起潛在蒸散量的變化進而引起區域水熱資源的分配和需求等的改變[16,17]。

艾比湖流域位于我國西北內陸，總面積為5.06 萬km2。由于深居內陸，降雨稀少，蒸發強烈，以及不合理的水資源利用方式，導致流域荒漠化程度加劇，成為中國西部沙塵暴主要策源地之一，直接威脅到天山北坡經濟帶的可持續發展和新亞歐大陸橋的安全運行。而潛在蒸散量的演變對于流域干濕演變尤其是對生態環境的演變有重要的影響，探究氣候變化下艾比湖流域潛在蒸散量的變化及其與氣象因子的關系有重要意義。而目前對于艾比湖流域潛在蒸散量的研究較少，且都是在大尺度基礎上的研究且不深入，尤其是對其氣候要素的成因分析報道較少[10,12, 20]；另外，艾比湖流域對氣候變化的響應具有獨特性。因此，有必要探究氣候變化下艾比湖流域潛在蒸散量的變化特征。本文基于艾比湖流域10個氣象站1961-2012年的氣象資料，探究潛在蒸散量的時空演變特征及其與氣象因子的相關性，從而為氣候變化下干旱半干旱區干濕演變特征及區域水資源管理提供理論參考。

1 數據來源和研究方法

1.1 數據來源

利用1961-2012年的艾比湖流域內博樂、溫泉、精河、阿拉山口、烏蘇等10個氣象站點平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、日照時數、平均相對濕度、平均風速等氣候資料以及各站的海拔高度、經度和緯度等地理信息，進行參考作物蒸散量的計算及其時空變化特征的研究。研究區域和所選站點分布情況見圖1。氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)。行政區劃和DEM高程數據來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)。

圖1 艾比湖流域氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stations over the Ebinur Lake Basin

1.2 研究方法

1.2.1 潛在蒸散量的計算

利用聯合國糧農組織推薦的Penman-Monteith 公式[18]計算流域潛在蒸散量:

(1)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/d；Rn為冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；Δ為飽和水氣壓曲線在氣溫為T時的斜率，kPa/℃；T為日平均氣溫，℃；γ為干濕表常數，kPa/℃；U2為距地面2 m 處的風速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa。

Penman-Monteith 公式由兩項組成：一是由輻射平衡引起的輻射項；二是由氣溫、風速和水汽壓等引起的空氣動力項[9-11,17,18]。利用公式(1)計算逐日、逐月、季節和全年的參考作物蒸散量ET0。

1.2.2 數據分析方法

基于趨勢分析法和Mann-Kendall突變檢驗法[10,17]對年和四季的潛在蒸散量的變化趨勢進行探究；運用貢獻分析[10]和Person相關分析探究潛在蒸散量與氣象因子的相關性。

2 結果與分析

2.1 潛在蒸散量年和四季變化特征

過去52 a年潛在蒸散量均值為895.53 mm，其中四季潛在蒸散量均值分別255.78、435.88、174.01和29.87 mm，這表明夏季潛在蒸散量對全年潛在蒸散量貢獻最大。變化趨勢上，年[見圖2(a)]、春季[見圖2(b)]、夏季[見圖2(c)]和秋季[見圖2(d)]的潛在蒸散量呈明顯的增加趨勢，其中年潛在蒸散量增勢為0.93 mm/a；四季中春季和夏季的潛在蒸散量年際變化特征與年潛在蒸散量較相似，都在20世紀60年代呈波動減少的變化特征，在20世紀70-90年代波動較大，在2001-2012年呈明顯的增加趨勢。秋季潛在蒸散量在研究時段波動較小，其變幅為147.60～196.03 mm。春季增勢最為明顯(0.53 mm/a)，其次為夏季和秋季(0.37和0.11 mm/a)。冬季潛在蒸散量[見圖2(e)]則呈輕微減少趨勢，其變率為-0.08 mm/a。

2.2 潛在蒸散量年代變化特征

年代ET0距平值可以看出，自20世紀60-90年代ET0逐漸減少，在90年代達到年代最小；90年代及其以后ET0又逐漸增大，在2000-2012年ET0最大。空間變化上，20世紀60年代ET0整體相對較小，20世紀70年代北部的裕民和托里以及南部的新源ET0有所增加，中部的溫泉-博樂-精河一帶ET0明顯減少；20世紀80年代全流域ET0都明顯減少，其中阿拉山口減少最為明顯；20世紀90年代ET0比80年代ET0有所增加，南部ET0增加明顯，北部則ET0有所減少；2000-2013年，流域ET0增加明顯，且增幅較大，中西部和西部的增幅大于南部和北部(見圖3)。

圖2 艾比湖流域1961-2012年和四季ET0時間變化特征Fig.2 Variation of annual and seasonal ET0 from 1961 to 2012 in Ebinur Lake Basin

2.3 潛在蒸散量空間變化特征

過去52 a，艾比湖流域年均ET0空間分布[見圖4(a)]總體表現為北部大于南部，流域ET0平均值為895.54 mm。北部的托里和中西部的博樂年均ET0較大；在中南部，ET0自北向南逐漸減少。流域年ET0的在空間上都呈增加趨勢[見圖4(b)]，其中在溫泉-博樂-精河-烏蘇一線增勢最為明顯，在流域的南部和北部變率較小，但在新源、裕民和托里的增勢達到顯著水平；其中，鞏留和新源ET0最小且增勢最弱，總體而言，該流域ET0較大的地區增勢較為明顯，ET0較小的地區略有增勢。春季[見圖4(c)和圖4(d)]、夏季[見圖4(e)和圖4(f)]和秋季[見圖4(g)和圖4(h)]的ET0的空間分布和變化趨勢與年ET0大致相似，且北部和西南部增勢都達到顯著水平，這表明春季、夏季和秋季的ET0空間分布和變化趨勢對年ET0的空間分布和變化趨勢有較大的貢獻和一致性。冬季ET0的空間分布[見圖4(i)]和變化趨勢[見圖4(j)]有明顯的東西差異性，大致呈現自西向東逐漸減少的趨勢；其中溫泉和博樂冬季的ET0較大，東部的烏蘇和東北部的托里的ET0較小。變化趨勢上，冬季ET0在空間上都呈減少趨勢，北部的裕民和托里以及南部的鞏留形成最弱減勢中心，東部的烏蘇和西部的溫泉形成最強減勢中心；裕民、托里、博樂、鞏留和新源的ET0減勢達到顯著水平。

圖3 20世紀60-90年代和2001-2012年變化特征Fig.3 Variation of the departures of ET0 during the 1960s, 1970s, 1980s, 1990s and years from 2000 to 2012

2.4 潛在蒸散量的突變分析和小波分析

注：三角形表示變化趨勢達到0.05顯著水平，圓點則表示變化趨勢未達到顯著水平。圖4 艾比湖流域1961-2012年和四季ET0空間變化特征Fig.4 Spatial distribution of annual and seasonal ET0 from 1961 to 2012 in Ebinur Lake Basin

為進一步探究潛在蒸散量的時間變化特征，對其進行突變分析和周期分析。圖5(a)中UF為蒸散量的Mann-Kendall 順序統計曲線，UB為逆序統計曲線。UF和UB在1987年交叉并在2000年穩定突破1.96顯著水平線，且其Z值為2.09，這表明年ET0在1987年發生增加突變，在2000年達到顯著水平。Morlet小波分析可以看出年ET0存在16 a左右的周期；在16 a周期變化中經歷了偏大-偏小-再偏大的變化過程。突變分析和小波分析表明年ET0在周期波動中呈現先減少后顯著增加的變化特點。

圖5 年ET0的突變分析和小波分析Fig.5 Abrupt and wavelet analysis of annual ET0

3 潛在蒸散量的變化與氣象因子的關系

表1為過去52 a艾比湖流域氣象因子的變化趨勢及其在不同時段與ET0的關系。全時段上，日照時數、極端最高氣溫呈減少趨勢，極端最低氣溫、平均相對濕度、平均風速和平均氣溫呈增加趨勢，其中，極端最低氣溫增勢達到顯著水平；日照時數和平均氣溫與年ET0呈顯著的正相關，平均相對濕度與年ET0呈顯著的負相關；平均氣溫對ET0的增加貢獻最大，其次是平均相對濕度、平均風速和日照時數，極端最高氣溫和極端最低氣溫對ET0的貢獻較小。突變前后，極端最高氣溫和平均氣溫都呈增加趨勢，平均相對濕度和平均風速都呈減少趨勢；極端最高氣溫從增加趨勢變為減少趨勢，而日照時數從減少趨勢變為增加趨勢。平均氣溫突變前后的變化趨勢與全時段變化趨勢具有一致性，都呈增加趨勢，這表明艾比湖流域明顯的增溫趨勢；在全時段和突變前氣溫對ET0的貢獻率都最大，分別為41.26%和32.39%，在突變后的貢獻率達到了15.21%，且在全時段和突變前后平均氣溫與ET0的相關性達到了極顯著水平，這表明艾比湖流域增溫對ET0增加趨勢貢獻最大。突變前，極端最低氣溫、平均相對濕度和平均氣溫與ET0相關性達到顯著水平，而在突變后，除極端最低氣溫與ET0呈不顯著的負相關，其他氣象因子與ET0的相關性都達到了顯著水平，這表明氣候變化下氣象因子與ET0關系更為密切，氣象因子的變化對區域干濕演變影響更明顯。

4 討 論

已有研究表明，新疆ET0整體呈減少趨勢，但局部地區仍呈增加趨勢[19,20]。本研究表明艾比湖流域ET0整體呈增加趨勢，僅僅在冬季存在減少趨勢，這是由于區域對全球變化的響應具有復雜性和差異性[21]。另外，艾比湖流域在1987年之前減少趨勢為主，在1987年后以增勢為主，且后期的增幅遠遠大于前期的減幅，導致整個研究時段ET0以增勢為主，這與曹雯[22]和王小靜[23]研究結果是一致的。

表1 氣象因子變化趨勢及其與ET0的關系Tab.1 Change trend of meteorological factors and its correlation with ET0

ET0對氣候變化的響應主要體現在全球變化下氣候因子的變化進而引起ET0的改變[10]。氣溫與區域ET0尤其是干濕變化密切相關[24,25]，艾比湖流域氣溫增勢明顯且對ET0的貢獻最大，氣溫在突變后增勢更明顯，這表明艾比湖流域ET0可能會繼續維持增加的趨勢。另外，平均相對濕度、平均風速、日照時數和極端最低氣溫與氣象因子也有顯著相關性，這是因為ET0的變化是氣候因子共同作用的結果。

在干旱半干旱區，由于降水量較少，ET0對于干旱狀況有很大的決定作用，ET0的變化會引起區域水熱資源的變化[1,2]。艾比湖流域湖濱地區荒漠化程度正逐漸加劇，春季、夏季和秋季ET0的增加一方面會增加流域農業需水量，促使農墾區增加灌溉，進而造成艾比湖徑流減少，加速湖泊面積萎縮[26]；另一方面會進一步加劇流域的干旱和荒漠化程度，使原本脆弱的生態環境更加惡化[27,28]。因此，有必要開展保護生態環境，加強生態管理，促進生態系統良性發展。

5 結 語

本文基于FAO56 Penman-Monteith公式和10個氣象站的觀測資料對艾比湖流域ET0的時空演變特征及其與氣象因子的關系進行了分析。主要結論如下：

(1) 艾比湖流域年、春季、夏季和秋季的ET0都呈增加趨勢，年ET0增勢為0.93 mm/a；四季中，夏季ET0最大，春季ET0增勢最明顯，冬季ET0呈減少趨勢。

(2) 艾比湖流域春季、夏季、秋季和年ET0空間分布總體都表現為北部大于南部，而冬季ET0在空間上自西向東逐漸減少。變化趨勢上，春季、夏季、秋季和年ET0都呈增加趨勢，且中部增勢強于南部和北部；冬季ET0呈減少趨勢，且中部減勢強于流域南部和北部。

(3) 年代變化上，20世紀60-80年代ET0空間上都呈減少趨勢，20世紀80年代-21世紀初呈增加趨勢。其中80年代ET0最小， 2001-2012年ET0最大。年ET0在1987年發生增加突變并存在15 a左右的變化周期。

(4) 氣候因子與ET0的變化密切相關，但在突變前后存在差異；其中氣溫對ET0的影響最大。

基于氣象數據和Penman-Monteith 公式探究了艾比湖流域潛在蒸散量時空演變特征及其與氣候因子的關系。本研究僅僅探究了潛在蒸散量的時空演變特征，氣候變化下區域水熱資源的變化不僅僅體現在蒸散量的改變，需要從流域多個要素綜合研究，明細流域水熱演變的機理。另外，在蒸散量成因分析上，本文僅僅進行了初步分析，結合下墊面要素等進一步開展潛在蒸散發的機理研究，這還有待進一步研究。

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