近56年西南地區(qū)四季參考作物蒸散量 變化成因分析

劉 悅，崔寧博,3,4，李 果，羅萬琦，廖功磊，王祿濤

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065； 3.南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610066；4.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100； 5.四川省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，成都 610023；6.廣西捷佳潤科技股份有限公司，南寧 530007)

0 引 言

參考作物蒸散量(Reference Crop Evapotranspiration,ET0)，又稱潛在蒸散量，是作物需水量計(jì)算、農(nóng)田水分高效利用及區(qū)域水資源優(yōu)化配置的基本參數(shù)，也是實(shí)現(xiàn)智慧灌溉及灌區(qū)高效用水的重要基礎(chǔ)[1,2]。ET0表示在一定氣象條件下水分供應(yīng)不受限制時(shí)，某一固定下墊面可能達(dá)到的最大蒸發(fā)蒸騰量，是實(shí)際蒸散量的理論上限，并與降水共同決定了區(qū)域干濕情況[1-4]。

近年來西南地區(qū)即川西北、云貴高原、四川盆地、廣西盆地4個(gè)分區(qū)總體呈氣溫升高、降水減少、干旱化加重的趨勢(shì)，其中冬半年的變化趨勢(shì)十分明顯[5,6]。西南地區(qū)春旱和冬旱發(fā)生頻率較高，且都呈明顯的“西高東低”分布[5, 7-11]，嚴(yán)重影響到西南地區(qū)的生態(tài)平衡和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在評(píng)估ET0的變化趨勢(shì)時(shí)，Mcvicar[12]等認(rèn)為應(yīng)考慮風(fēng)速、濕度、輻射、氣溫等氣象因子；Sharifi Alireza[13]等認(rèn)為在伊朗地區(qū)，ET0對(duì)平均溫度最為敏感；Burn DH[14]等認(rèn)為風(fēng)速對(duì)加拿大草原ET0的減小有很大影響。西南地區(qū)地形地貌復(fù)雜多樣，氣候差異性大，陳超[15]等認(rèn)為四川省ET0變化的主要影響因素是日照時(shí)數(shù)，分析期內(nèi)日照時(shí)數(shù)的顯著下降導(dǎo)致四川省ET0下降；謝平[16]等的研究表明，云南省ET0變化的主導(dǎo)因子具有階段性、季節(jié)性和區(qū)域差異性。

本文應(yīng)用1960-2015年西南地區(qū)逐日氣象數(shù)據(jù)，利用FAO-56 Penman-Monteith 模型計(jì)算西南地區(qū)各氣象站的ET0，通過Mann-Kendall檢測(cè)、變化趨勢(shì)分析及基于敏感系數(shù)的貢獻(xiàn)率分析，對(duì)近56 a西南地區(qū)ET0及主要?dú)庀笠蜃拥哪陜?nèi)變化特征與變化趨勢(shì)進(jìn)行定量分析，為西南地區(qū)精準(zhǔn)灌溉實(shí)施、農(nóng)田水分高效利用及區(qū)域水資源優(yōu)化配置等方面提供理論指導(dǎo)。

1 資料與方法

1.1 資料來源及處理

西南地區(qū)主要包括四川盆地及盆周地區(qū)、云貴高原高山山地丘陵區(qū)和青藏高原高山地區(qū)，涉及到四川省、云南省、貴州省、重慶市和廣西壯族自治區(qū)等地。本文采用了西南地區(qū)92個(gè)氣象站點(diǎn)1960-2015年逐日氣象資料(包括平均溫度、最高溫度、最低溫度、日照時(shí)數(shù)、水汽壓、風(fēng)速、相對(duì)濕度和站點(diǎn)經(jīng)緯度及海拔高度)，所有氣象數(shù)據(jù)均來自于中國氣象局，研究區(qū)域和氣象站點(diǎn)分布見圖1。氣象數(shù)據(jù)處理及分析采用MATLAB7.0編程實(shí)現(xiàn)，空間分布采用ArcGIS10.2軟件制圖完成。

圖1 西南地區(qū)氣象站點(diǎn)分布圖

1.2 研究方法

1.2.1 基本方法

采用FAO-56的Penman-Monteith(簡稱P-M)公式計(jì)算參考作物蒸散量ET0，具體的計(jì)算公式為[17]：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/d；Δ為飽和水氣壓與溫度曲線的斜率，kPa/℃；Rn為參考作物冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃；T為2 m高處的日平均氣溫，℃；U2為2 m高處的風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa。ET0及其相關(guān)氣象因子的空間插值分析采用基于ArcGIS10.2的反距離加權(quán)空間插值法[18]，并用一次直線方程斜率的10倍描述ET0及相關(guān)氣象因子變化的氣候傾向率[19](用β表示)。

1.2.2 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法

使用非參數(shù)Mann-Kendall(簡稱M-K)單調(diào)趨勢(shì)檢驗(yàn)法[20,21]檢驗(yàn)相關(guān)氣象因子的變化趨勢(shì)。當(dāng)M-K統(tǒng)計(jì)量|z|≥2.58，表示站點(diǎn)的相關(guān)氣象因子處于極顯著上升或下降趨勢(shì)(P<0.01)；當(dāng)統(tǒng)計(jì)量2.58>|z|>1.96，表示站點(diǎn)的相關(guān)氣象因子處于顯著上升或下降趨勢(shì)(P<0.05)；當(dāng)統(tǒng)計(jì)量|z|≤1.96，表示站點(diǎn)的相關(guān)氣象因子處于不顯著的上升或下降趨勢(shì)。

1.2.3 基于敏感系數(shù)的貢獻(xiàn)率分析

敏感系數(shù)是表征氣象因子對(duì)ET0趨勢(shì)變化產(chǎn)生影響的定量參數(shù)，定義為潛在蒸散變化率與氣象因子變化率之比[22,23]，即：

(2)

式中：Svi為氣象因子vi的敏感系數(shù)；ET0、ΔET0分別為參考作物蒸散量及其變化量；vi、Δvi分別為氣象因子及其變化量。Svi>0表示ET0與氣象因子同增減，反之則表示ET0與氣象因子的增減變化相反，Svi絕對(duì)值越大表示該氣象因子的變化對(duì)ET0的影響越大。

將單個(gè)氣象因子的敏感系數(shù)與其多年相對(duì)變化率相乘，即為該氣象因子對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)率[24]，貢獻(xiàn)率大于0，表示該要素的變化引起ET0增加，為正貢獻(xiàn)；貢獻(xiàn)率小于0，表示該要素的變化引起ET0減小，為負(fù)貢獻(xiàn)，即：

(3)

Convi=Svi×RCvi

(4)

式中：RCvi是氣象因子vi的多年相對(duì)變化率；n取值為56；avi是相應(yīng)時(shí)間段vi的平均值；Trendvi為vi的傾向率；Convi為氣象因子vi對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)率。

將各氣象要素的貢獻(xiàn)率累加得到對(duì)ET0變化的總貢獻(xiàn)率[25]，即：

Con=ConT+ConTmax+ConTmin+ConU+ConRH+ConS

(5)

式中：CT、ConTmax、ConTmin、ConU、ConRH、ConS分別表示平均溫度、最高溫度、最低溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)率；Con表示其總貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果分析

2.1 近56年西南地區(qū)參考作物蒸散量的季時(shí)空變化

圖2為1960-2015年西南地區(qū)各站點(diǎn)季尺度參考作物蒸散量ET0的空間分布圖。對(duì)近56 a西南地區(qū)季尺度ET0分析可知，夏季是西南地區(qū)季尺度ET0最高的季節(jié)，為345.78 mm；其次是春季和秋季，分別為314.71、219.13 mm；冬季最少，為169.51 mm。季尺度ET0的空間分布存在較大區(qū)域差異，春季ET0的高值區(qū)在云南地區(qū)，并向東北方向遞減，研究期內(nèi)春季ET0呈不顯著上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.850 mm/(10 a)；夏季ET0的高值區(qū)在四川盆地和廣西盆地，并自東向西遞減，呈極顯著下降趨勢(shì)(P<0.01)，氣候傾向率為-2.841 mm/(10 a)；秋季ET0的高值區(qū)在廣西盆地，并自南向北遞減，呈不顯著上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.571 mm/(10 a)；冬季的高值區(qū)與春季相同，且同樣是向東北方向遞減，但冬季ET0呈極顯著上升趨勢(shì)(P<0.01)，氣候傾向率為1.125 mm/(10 a)。

綜合分析可知，西南地區(qū)ET0在四季具有相對(duì)變化趨勢(shì)，明顯的夏季到冬季由減少趨勢(shì)向增加趨勢(shì)變化。從圖2可以看出小金、元江站點(diǎn)的ET0在全年都要高于周圍站點(diǎn)，這主要是受該地區(qū)氣候的影響。

圖2 1960-2015年西南地區(qū)各站點(diǎn)季尺度ET0空間分布圖

2.2 近56年西南地區(qū)參考作物蒸散量的影響因子分析

參考作物蒸散量ET0受氣候因素綜合影響[21]，影響因素可分為動(dòng)力因子，如風(fēng)速；熱力因子，如平均溫度、最高溫度、最低溫度、日照時(shí)數(shù)；濕度因子，如相對(duì)濕度。以西南地區(qū)92個(gè)氣象站的季尺度平均溫度(T)、最高溫度(Tmax)、最低溫度(Tmin)、相對(duì)濕度(RH)、日照時(shí)數(shù)(S)、風(fēng)速(U)的平均值為代表值，將1960-2015年分為春(3-5月)、夏(6-8月)、秋(9-11月)、冬(12月至次年2月)4個(gè)時(shí)段，利用M-K檢驗(yàn)法分析主要?dú)庀笠蜃釉谒募镜淖兓厔?shì)，統(tǒng)計(jì)量z值表示顯著性趨勢(shì)，β值表示各相關(guān)氣象因子的氣候傾向率。表1為近56 a西南地區(qū)主要?dú)庀笠蜃于厔?shì)變化情況。

表1 1960-2015年西南地區(qū)主要?dú)庀笠蜃于厔?shì)變化情況

注：*和**分別表示通過95%和99%的置信度檢驗(yàn)。

由表1可知，近56 a西南地區(qū)的T、Tmax、Tmin在四季呈上升趨勢(shì)，S、RH、U呈下降趨勢(shì)。西南地區(qū)T、Tmax、Tmin呈顯著上升(P<0.05)或極顯著上升(P<0.01)趨勢(shì)主要是受到全球氣候變暖影響；從20世紀(jì)70年代中期起，東亞季風(fēng)開始呈減弱趨勢(shì)，西太平洋副熱帶高壓和南亞地區(qū)高壓也有向西南方向偏移的趨勢(shì)，這十分不利于西南地區(qū)風(fēng)和雨的產(chǎn)生[26]，且西南地區(qū)氣溫也在逐年升高，所以近56 a西南地區(qū)RH呈極顯著下降趨勢(shì)(P<0.01)，U呈下降趨勢(shì)；由楊小梅[27]等對(duì)西南地區(qū)日照時(shí)數(shù)的研究可知，風(fēng)速是影響西南地區(qū)日照時(shí)數(shù)變化的主要原因，且二者展現(xiàn)出相同的趨勢(shì)變化，所以S也呈下降趨勢(shì)。

圖3顯示了近56 a西南地區(qū)RH、T、S、U在不同季節(jié)的M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)空間分布情況。RH在四季具有相對(duì)的變化趨勢(shì)，特別在川西北地區(qū)，明顯存在夏季到冬季由極顯著下降趨勢(shì)(P<0.01)向不顯著下降趨勢(shì)變化；其余地區(qū)春、夏、秋三季之間趨勢(shì)變化平緩，只有明顯的秋季到冬季由極顯著下降(P<0.01)向不顯著下降趨勢(shì)變化。T在川西北地區(qū)、云南地區(qū)趨勢(shì)變化緩慢，四季均呈極顯著上升趨勢(shì)(P<0.01)；在四川盆地，秋、冬、春三季之間趨勢(shì)變化平緩，只有明顯的春季到夏季由極顯著上升(P<0.01)向不顯著上升趨勢(shì)變化；而在廣西盆地、貴州地區(qū)，明顯的秋季到冬季由極顯著上升(P<0.01)向不顯著上升趨勢(shì)變化。S在全區(qū)除了四川盆地是夏、冬季均呈極顯著下降趨勢(shì)(P<0.01)，其余各地明顯的夏季到冬季由極顯著下降(P<0.01)向不顯著下降趨勢(shì)變化。U在川西北地區(qū)除了春季是呈顯著上升趨勢(shì)(P<0.05)，其余三季都呈不顯著趨勢(shì)；在四川盆地，四季都呈不顯著下降趨勢(shì)；在云貴高原和川西北地區(qū)，明顯的春季到夏季由極顯著下降(P<0.01)向不顯著趨勢(shì)變化。

圖3 1960-2015年西南地區(qū)相對(duì)濕度(RH)，平均溫度(T)、日照時(shí)數(shù)(S)、風(fēng)速(U)M-K檢驗(yàn)空間分布圖

此外，也對(duì)Tmax、Tmin進(jìn)行了M-K趨勢(shì)分析(圖略)。發(fā)現(xiàn)絕大部分站點(diǎn)的Tmin明顯上升；17%的站點(diǎn)Tmax呈極顯著上升趨勢(shì)(P<0.01)，11%的站點(diǎn)呈顯著上升趨勢(shì)(P<0.05)，只有貴陽、盤縣、鹽源站點(diǎn)呈下降趨勢(shì)。

2.3 近56年西南地區(qū)主要?dú)庀笠蜃訉?duì)參考作物蒸散量的貢獻(xiàn)率分析

表2為主要?dú)庀笠蜃訉?duì)參考作物蒸散量ET0變化的貢獻(xiàn)率計(jì)算結(jié)果。近56年來，T、Tmax、Tmin和RH對(duì)西南地區(qū)的ET0變化表現(xiàn)為正貢獻(xiàn)，S、U表現(xiàn)為負(fù)貢獻(xiàn)。

川西北地區(qū)在研究期內(nèi)，S與U為負(fù)貢獻(xiàn)，其余為正貢獻(xiàn)；RH在春季具有最大正貢獻(xiàn)率，T在夏冬兩季具有最大正貢獻(xiàn)率，秋季則是Tmax；U在春季具有最大負(fù)貢獻(xiàn)率，S在夏秋冬三季均具有最大負(fù)貢獻(xiàn)率。在云貴高原地區(qū)，從全年來看，與川西北情況相同；T在春季具有最大正貢獻(xiàn)率，Tmax在夏秋兩季具有最大正貢獻(xiàn)率，冬季則是Tmin；春季為U具有最大負(fù)貢獻(xiàn)率，其余三季為S具有最大負(fù)貢獻(xiàn)率。在四川盆地地區(qū)，從全年來看，與川西北情況相似，這與趙璐[8]等對(duì)四川省ET0變化成因的研究結(jié)果相一致；T在春冬兩季具有最大正貢獻(xiàn)率，Tmax在夏秋兩季具有最大正貢獻(xiàn)率；S在春夏秋三季均具有最大負(fù)貢獻(xiàn)率，冬季則是Tmin。在廣西盆地，從全年來看，Tmin、S與U負(fù)貢獻(xiàn)，其余為正貢獻(xiàn)；RH在春秋冬三季均具有最大正貢獻(xiàn)率，夏季則是T；S在四季均具有最大負(fù)貢獻(xiàn)率。

表2 1960-2015年西南地區(qū)主要?dú)庀笠蜃拥呢暙I(xiàn)率 %

續(xù)表2 1960-2015年西南地區(qū)主要?dú)庀笠蜃拥呢暙I(xiàn)率 %

在春季，全區(qū)RH正貢獻(xiàn)率最大，但呈極顯著下降趨勢(shì)(P<0.01)，S負(fù)貢獻(xiàn)率最大，但變化率小，各氣象因子的影響相互平衡，因此春季ET0呈不顯著變化趨勢(shì)；在夏季，S負(fù)貢獻(xiàn)率仍然最大且下降趨勢(shì)顯著(P<0.05)，其余氣象因子的變化率或貢獻(xiàn)率較小，所以夏季ET0呈極顯著下降趨勢(shì)(P<0.01)且S為主導(dǎo)因子；秋季與春季情況相似，Tmax正貢獻(xiàn)率最大，ET0呈不顯著變化趨勢(shì)；在冬季，T和Tmin的正貢獻(xiàn)率最大且都呈極顯著上升趨勢(shì)(P<0.01)，負(fù)貢獻(xiàn)率最大的是S，但S在冬季的變化極為緩慢，其余氣象因子變化率或貢獻(xiàn)率較小，所以冬季ET0呈極顯著上升趨勢(shì)(P<0.01)且主導(dǎo)因子為T和Tmin。所以，RH下降是春季ET0上升的主要原因，S減少是夏季ET0下降的主要原因，Tmax上升是秋季ET0上升的主要原因，T和Tmin升高是冬季ET0上升的主要原因。

3 結(jié) 論

(1)近56年來，西南地區(qū)ET0總體呈下降趨勢(shì)。季尺度ET0最高值出現(xiàn)在夏季，為345.78 mm；其次是春季和秋季，分別為314.71、219.13 mm；冬季最少，為169.51 mm。春、秋季ET0均是處于不顯著趨勢(shì)，氣候傾向率分別為0.850、-0.571 mm/(10 a)；夏季ET0呈極顯著下降趨勢(shì)(P<0.01)，氣候傾向率為-2.841 mm/(10 a)；冬季呈極顯著上升趨勢(shì)(P<0.01)，氣候傾向率為1.125 mm/(10 a)。春、秋、冬季ET0上升的主要原因分別相對(duì)濕度降低、最高溫度上升、最低溫度和平均溫度升高，夏季ET0下降的主要原因是日照時(shí)數(shù)減少。只有夏季有“蒸發(fā)悖論”[4,16,28]的出現(xiàn)，主要是因?yàn)槠渌麣庀笠蜃拥木C合作用對(duì)ET0的下降影響超過了氣溫升高對(duì)ET0的增加影響。

(2)近56年西南地區(qū)相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速在四季均呈下降趨勢(shì)，最高溫度、最低溫度和平均溫度則呈上升趨勢(shì)。其中相對(duì)濕度呈極顯著下降趨勢(shì)(P<0.01)，最低溫度呈極顯著上升趨勢(shì)(P<0.01)，平均溫度除夏季，其余三季都是呈極顯著上升趨勢(shì)(P<0.01)。

(3)從空間分布來說，近56年西南地區(qū)主導(dǎo)因子分布格局有所差異。云貴高原是春冬季ET0的高值區(qū)，其主導(dǎo)因子是相對(duì)濕度、最高溫度和平均溫度，貢獻(xiàn)率分別為3.91%、3.37%、3.36%；廣西盆地是夏秋季ET0的高值區(qū)，其主導(dǎo)因子是日照時(shí)數(shù)，貢獻(xiàn)率為-5.56%；川西北地區(qū)與廣西盆地情況相似，其主導(dǎo)因子也是日照時(shí)數(shù)，貢獻(xiàn)率為-7.45%；四川盆地則是最高溫度和平均溫度，貢獻(xiàn)率分別為4.04%和3.70%。

(4)近56年來，西南地區(qū)各氣象因子對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)率絕對(duì)值從高到低依次為：日照時(shí)數(shù)(-3.80%)>相對(duì)濕度(2.91%)>最高溫度(2.55%)>平均溫度(2.12%)>風(fēng)速(-1.21%)>最低溫度(0.78%)；不同季節(jié)，西南地區(qū)ET0變化的主導(dǎo)因子不同，春季主導(dǎo)因子是相對(duì)濕度，貢獻(xiàn)率為5.23%，夏季是日照時(shí)數(shù)，貢獻(xiàn)率為-7.49%，秋季是最高溫度，貢獻(xiàn)率為3.94%，而冬季則是平均溫度和最低溫度，貢獻(xiàn)率分別為6.69%和6.57%。