1955-2015年陜西省潛在蒸散量時(shí)空變化特征及成因

安 彬, 肖薇薇

(1.安康學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 安康 725000; 2.安康市漢江水資源保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心, 陜西 安康 725000)

潛在蒸散量(Potential Evapotranspiration，ET0)，它表示在一定氣象條件下水分供應(yīng)不受限制時(shí)，某固定下墊面可能達(dá)到的最大蒸發(fā)蒸騰量，是實(shí)際蒸散量的理論上限[1]。ET0作為地表熱量平衡和水分循環(huán)的重要組成部分，是評(píng)價(jià)氣候干濕程度、農(nóng)業(yè)水資源利用和計(jì)算作物生產(chǎn)潛力的關(guān)鍵指標(biāo)[2-4]，對(duì)區(qū)域內(nèi)水資源配置、水循環(huán)模擬等具有重要意義。目前，計(jì)算潛在蒸散量的公式比較多，如謝良尼諾夫法、桑斯威特法、丘克法、彭曼綜合法、布德柯綜合法、Thronthwaite、Hargreaves公式、高橋浩一郎陸面蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷萚5]；其中應(yīng)用最為廣泛的是聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith(P-M)方程，該模型是目前公認(rèn)的計(jì)算潛在蒸散量精度較高的方法之一[6]。不少學(xué)者依據(jù)此方法對(duì)不同區(qū)域的ET0時(shí)空分布特征進(jìn)行了探索。眾多研究表明，潛在蒸散量的空間變化具有異質(zhì)性，包括印度[7]、美國[8]、伊朗[9]、中國[10]等全球大部分國家的ET0整體均呈下降趨勢。還有眾多學(xué)者對(duì)中國不同流域[4,11-12]、行政區(qū)[13-14]、地理分區(qū)[15-16]等尺度的ET0時(shí)空分布特征進(jìn)行了研究。陜西省從南至北分別是秦巴山地、關(guān)中平原和黃土高原，跨越3個(gè)氣候帶，作為生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)及氣候變化敏感區(qū)之一，自20世紀(jì)中期以來該地區(qū)年降水波動(dòng)下降、增溫顯著，呈現(xiàn)暖干化趨勢[17]。基于這種大背景下，涉及全省范圍ET0時(shí)空變化規(guī)律的研究相對(duì)較少。本文采用P-M模型、Mann-Kendall突變檢測、最優(yōu)分割等方法系統(tǒng)分析1955—2015年陜西省ET0的時(shí)空變化特征，并采用偏相關(guān)、多元回歸模型對(duì)影響潛在蒸散量的主導(dǎo)氣象要素進(jìn)行定量研究，旨在為評(píng)價(jià)陜西省水資源的開發(fā)與利用狀況，同時(shí)為促進(jìn)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省地處中國西北內(nèi)陸地區(qū)，位于105°29′—111°15′E，31°42′—39°35′N，從南至北分別是秦巴山地落葉闊葉和常綠闊葉混交林生態(tài)區(qū)、渭河谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)、黃土高原農(nóng)牧生態(tài)區(qū)和長城沿線風(fēng)沙草原生態(tài)區(qū)，是全球氣候變化響應(yīng)敏感地區(qū)之一。全省氣候差異大，由南向北依次為北亞熱帶、暖溫帶和溫帶，整體屬大陸季風(fēng)性氣候。由于南北延伸很長，到800 km以上，跨緯度多，而引起境內(nèi)南北間氣候的明顯差異，溫度和降水基本上是由南向北逐漸降低，年均溫在7～16℃，多年平均降水量656.7 mm，多年平均潛在蒸散量914.93 mm，水資源總量為444.99億m3。陜南地區(qū)是我國重要的水源涵養(yǎng)與生物多樣性保育生態(tài)區(qū)，陜北則是全國水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所選擇的數(shù)據(jù)源是分布較均勻、氣象資料時(shí)間序列連續(xù)性強(qiáng)的榆林、西安、石泉等20個(gè)國家基準(zhǔn)站1955—2015年的逐日平均氣溫、最高溫度、最低氣溫、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)資料，資料均來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http:∥www.data.cma.cn)，氣象站點(diǎn)的分布見圖1。利用反距離權(quán)重插值法(IDW)對(duì)個(gè)別站點(diǎn)缺測的氣象資料進(jìn)行處理[18]，使得20個(gè)站點(diǎn)的資料具有完整性。年統(tǒng)計(jì)按照自然年，季節(jié)統(tǒng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)：3—5月為春季，6—8月夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。

圖1陜西省氣象站點(diǎn)空間分布

1.3 研究方法

1.3.1 潛在蒸散量(ET0)計(jì)算 本文采用FAO推薦修正的標(biāo)準(zhǔn)Penman-Monteith(P-M)方程計(jì)算逐日潛在蒸散量ET0[6]，其公式為：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸散量(mm/d)；Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃)；Rn是作物表面的凈輻射量(MJ/m2)；G是土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；γ為濕度計(jì)常數(shù)(kPa/℃)；t為平均氣溫(℃)；U2為2 m高的風(fēng)速(m/s)；ea是飽和水汽壓(kPa)；ed是實(shí)測水汽壓(kPa)。

1.3.2 分析方法 將各站點(diǎn)逐日氣象數(shù)據(jù)分別代入模型式中，計(jì)算出逐日ET0，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，分析研究區(qū)的氣候ET0的季節(jié)、年變化；氣候傾斜率和氣候變率均采用韓瑋等[19]所用方法；突變檢測選擇應(yīng)用最廣泛的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法Mann-Kendall法[16]；應(yīng)用Fisher法最優(yōu)分割法[20]對(duì)有序的ET0樣本進(jìn)行聚類分級(jí)；采用ET0數(shù)據(jù)與各氣象要素進(jìn)行偏相關(guān)、多元回歸模型[21]分析影響ET0的主要?dú)庀笠亍Ｒ陨嫌?jì)算與統(tǒng)計(jì)工作采用ArcGIS 10.0以及IBM SPSS Statistics 22中完成，圖件全部用OriginPro 8.5繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 潛在蒸散量的時(shí)間變化特征

根據(jù)公式(1)計(jì)算得到陜西省1955—2015年潛在蒸散量的變化。陜西省ET0多年平均值為914.93 mm，年際變化率約為1.03 mm/10 a，表明在陜西省呈現(xiàn)暖干化的趨勢背景下，ET0呈現(xiàn)微弱上升趨勢，但變化趨勢不明顯。從圖2A可以看出，由于日照、相對(duì)濕度等氣候因素的不同，陜西省潛在蒸散量呈現(xiàn)波動(dòng)變化，1964年為歷年最低值(800.31 mm)，1997年為極大值(1 004.54 mm)，兩者之間的差值為204.23 mm。從圖2B蒸散量的累積距平可以看出，1964年、1979年、1993年為陜西省潛在蒸散量的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。1955—1964年ET0呈微弱下降趨勢，主要以負(fù)距平為主；1965—1979年是ET0偏多階段，以正距平為主，呈增加趨勢；1979年達(dá)到最大值而后下降，到1993年達(dá)到最低，期間以負(fù)距平為主，且比多年平均值低41.65 mm；1993—2015年呈現(xiàn)略微增加趨勢，主要以正距平為主。

利用Fisher最優(yōu)分割法將1955—2015年陜西省潛在蒸散量進(jìn)行劃分，同時(shí)計(jì)算各時(shí)段的平均值、相對(duì)變率和絕對(duì)變率(表1)。可以看出，各時(shí)段的平均ET0呈“倒S”型變化，與圖2B累積距平曲線趨勢相近；1994—2008年時(shí)段平均ET0最高，為944.39 mm；1980—1993年最低，僅為873.27 mm，與最高值差71.12 mm。除了1994—2008年時(shí)段的變化率最低外，其他時(shí)段的相對(duì)變率和絕對(duì)變率維持在28 mm，0.03的水平上。圖2C為陜西省年均潛在蒸散量Mann-Kendall法檢驗(yàn)結(jié)果曲線，UF線在1972年和1993年超出a=0.05(y=±1.96)信度水平，說明原系列存在顯著變化趨勢。綜合累積距平曲線和M-K檢驗(yàn)結(jié)果表明，1979年是陜西省潛在蒸散量突變下降的開始，1993年則是突變上升的開始。

為了更進(jìn)一步分析陜西省60 a潛在蒸散量的年內(nèi)變化情況，繪制出研究期間內(nèi)季節(jié)潛在蒸散量變化曲線(圖3)，同時(shí)基于Fisher最優(yōu)分割法計(jì)算分時(shí)段季節(jié)平均潛在蒸散量及其貢獻(xiàn)率(表2)。從圖3可以看出，春、秋、冬季ET0年際變化率均為正值，分別為3.72，0.12，0.36 mm/10 a，與年ET0變化一致，但變化趨勢都不顯著；夏季ET0年際變化率為-2.95 mm/10 a，呈減少趨勢。表2顯示出陜西省春、夏、秋、冬季平均ET0依次為278.42，385.24，164.62，87.2 mm，分別占年均ET0的30.41%，42.08%，17.95%，9.23%，季節(jié)貢獻(xiàn)率由高到低為夏季>春季>秋季>冬季。這說明春夏兩季ET0占全年最多，達(dá)到72.49%。其原因可能是春末至秋初氣溫偏高，有利于蒸散；秋末至次年春季，氣溫降低，蒸散量也隨之降低；同時(shí)，7—8月正值研究區(qū)汛期，氣溫升至最高，日照充足，致使ET0達(dá)到年內(nèi)最高值。從4個(gè)分時(shí)段來看，春季貢獻(xiàn)率略微上升，夏季略微下降，秋冬季變化不大，這與圖3四季ET0年際變化率線性趨勢相同。

圖2 陜西省年潛在蒸散量及其累積距平、M-K曲線

圖3 1955-2015年陜西省季節(jié)潛在蒸散量變化曲線

2.2 潛在蒸散量的空間分布特征

由于受緯度因素的影響，陜西省氣溫、降水、日照等氣象要素分布不均勻，致使研究區(qū)內(nèi)年平均ET0的空間分布存在明顯差異(圖4)。從圖4A可以看出，陜西省1955—2015年年均ET0由南向北遞增(826.26～1 094.42 mm)，陜南<關(guān)中<陜北，表現(xiàn)出較為明顯的緯度地帶性特征，與多年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的空間分布一致[22]。從分地區(qū)來看，陜南地區(qū)的年平均ET0為877.29 mm，關(guān)中和陜北分別為900.59，964.58 mm，極差達(dá)到87.29 mm。ET0在陜南地區(qū)由東向西遞減，關(guān)中地區(qū)均勻分布；而陜北則以定邊、綏德站點(diǎn)為高值中心，北高南低空間分布特征。根據(jù)各站點(diǎn)研究期間ET0計(jì)算期年際變化率(圖4B)，陜北地區(qū)年均ET0主要呈增加趨勢，關(guān)中和陜南地區(qū)則為下降趨勢；其中以陜北西北部上升幅度最大，達(dá)到18.336 mm/10 a；關(guān)中中部地區(qū)下降幅度高達(dá)-18.265 mm/10 a。這可能進(jìn)一步加劇未來陜北地區(qū)暖干化與陜南地區(qū)暖濕化的發(fā)展態(tài)勢[17]。

陜西省季節(jié)平均ET0分布也具有明顯的空間分異特征(圖5)。總體上看，春、夏季與年均ET0空間分布具有高度一致性，存在較為顯著的緯度地帶性特征；而冬季則與年均ET0空間分布具有較大反差。

圖41955-2015年陜西省年均潛在蒸散量空間分布及其年際變化率

這也間接說明了春夏季平均ET0對(duì)年均ET0的空間分布起決定性作用。春季平均ET0高值中心主要集中在陜北的定邊、綏德站，陜南漢中地區(qū)則形成低值中心；且極差為四季最大，達(dá)到249.18 mm，這深刻地影響著陜西地區(qū)春播土壤墑情。夏季平均ET0與全年分布最為相似，高值、低值中心分布也與春季相同，極差為146.5 mm。這與夏季陜西地區(qū)處于高溫階段，且接受的太陽輻射和日照南北差異不大，但由于陜北地區(qū)空氣相對(duì)濕度較小，易形成全省年內(nèi)ET0極大值。秋季的高值中心主要分布在陜北西部、關(guān)中東部，低值區(qū)主要有陜南山地地區(qū)，極差為56.38 mm。冬季平均ET0與全年分布差異性最大，呈現(xiàn)出南多北少的空間分布態(tài)勢，高值中心分布在關(guān)中和陜南的東部地區(qū)，低值中心出現(xiàn)在陜北榆林等地區(qū)；同時(shí)由于冬季平均ET0貢獻(xiàn)率為四季最低(9.23%)，進(jìn)而導(dǎo)致極差也為四季最小，只有49.96 mm。陜西省季節(jié)平均ET0空間分布的變化趨勢對(duì)于未來研究區(qū)合理利用年內(nèi)水資源提供了科學(xué)依據(jù)。

圖51955-2015年陜西省季節(jié)潛在蒸散量空間分布

2.3 潛在蒸散量的時(shí)空變化原因

由于潛在蒸散量受到諸如氣溫、日照等多種氣象因素的影響，且不同因素之間也相互影響，致使ET0變化的成因相當(dāng)復(fù)雜。如表3所示，不同氣候因素對(duì)年及季節(jié)ET0的影響程度不同：對(duì)年ET0影響較大的因素包括風(fēng)速、日照等7個(gè)氣象因素；對(duì)春、夏、冬季ET0影響顯著的是風(fēng)速、相對(duì)濕度等6個(gè)氣象因素；對(duì)秋季影響較大的因素與年ET0影響因素相同。從正負(fù)相關(guān)性來看，風(fēng)速、日照、平均氣溫與全年及四季ET0呈正相關(guān)，最高溫、最低溫、相對(duì)濕度、降水等多與ET0呈負(fù)相關(guān)。另外，通過多元回歸模型計(jì)算出氣象因素對(duì)ET0的相對(duì)貢獻(xiàn)率，可以看出不同氣象因素對(duì)ET0變化的影響程度具有差異性。全年平均溫度對(duì)陜西省年ET0有最高的相對(duì)貢獻(xiàn)率，最高氣溫有較高的相對(duì)貢獻(xiàn)率。對(duì)夏季ET0最高貢獻(xiàn)率的為日照，較高的為平均氣溫；春、秋、冬季ET0與年ET0的高相對(duì)貢獻(xiàn)率因素相同。總體上看，平均氣溫是全年及春、秋、冬季ET0變化的主導(dǎo)因素，日照是夏季ET0變化的主導(dǎo)因素。

表3 年及季節(jié)ET0與氣象因素的偏相關(guān)系數(shù)及相對(duì)貢獻(xiàn)率

注：*，**，***分別表示通過0.1，0.05，0.01的雙尾置信度檢驗(yàn)。

3 結(jié) 論

(1) 1955—2015年，陜西省年潛在蒸散量介于800.31～1 004.54 mm，呈微弱上升趨勢，變化率為1.03 mm/10 a；其中，1955—1979年、1994—2008年為ET0相對(duì)高值期，而1980—1993年、2009—2015年則為相對(duì)低值期；1979年陜西省潛在蒸散量發(fā)生突變下降，1993年則突變上升。

(2) 研究期間，春、夏、秋、冬季平均ET0依次為278.42，385.24，164.62，87.2 mm，分別占年均ET0的30.41%，42.08%，17.95%，9.23%；春、秋、冬季ET0年際變化率均與年ET0變化一致，分別為3.72，0.12，0.36 mm/10 a；而夏季ET0年際變化率為-2.95 mm/10 a，呈減少趨勢。

(3) 研究區(qū)內(nèi)年及季節(jié)平均ET0的空間分布存在明顯地帶性規(guī)律特征，年均ET0及其變化率與春、夏季ET0呈自南向北遞增的空間分布，冬季則南多北少，說明春、夏季平均ET0對(duì)年均ET0的空間分布起決定性作用。

(4) 平均氣溫是全年及春、秋、冬季ET0變化的主導(dǎo)因素，日照是夏季ET0變化的主導(dǎo)因素，其他因素則不同程度對(duì)ET0的變化起增強(qiáng)或減弱作用。

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