近56年來(lái)新疆策勒縣潛在蒸散量變化及影響因子分析

吉小芳，馬 倩，楊少敏，王至美

(新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054)

【研究意義】蒸散是地表熱量和水量相互間均衡的重要內(nèi)容，是影響氣候干濕狀況的關(guān)鍵要素[1]，其對(duì)于了解土壤水分運(yùn)動(dòng)、植被水分傳遞、植物與大氣之間的水汽交換以及植被層的熱量平衡具有重要的意義[2]。目前對(duì)于蒸散量數(shù)據(jù)的直接獲取尚未成熟大都通過(guò)估算獲得。潛在蒸散量是衡量區(qū)域蒸發(fā)能力的重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)氣候干濕狀況及農(nóng)業(yè)灌溉水分資源的關(guān)鍵參量[3]，在氣候變化背景下開(kāi)展各區(qū)域潛在蒸散量時(shí)間和空間變化機(jī)制研究，具有迫切而現(xiàn)實(shí)意義[4-5]。【前人研究進(jìn)展】張彩霞等[6]發(fā)現(xiàn)，河西地區(qū)ET0表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，其中溫度貢獻(xiàn)率最大；曹永強(qiáng)等[7]研究了1965-2014年遼寧省潛在蒸散量的變化趨勢(shì)及其對(duì)氣象要素的敏感性，得出該區(qū)ET0呈下降趨勢(shì)且對(duì)水汽壓較為敏感；楊振常等[8]計(jì)算和分析了中國(guó)北方半干旱典型沙區(qū)潛在蒸散量的變化特征及驅(qū)動(dòng)因素；相關(guān)研究[9-11]表明不同區(qū)域潛在蒸散量的變化趨勢(shì)及主要影響因子存在明顯差異。【本研究切入點(diǎn)】新疆ET0的研究，其區(qū)域主要為較大空間范圍區(qū)域，對(duì)于較小區(qū)域ET0的研究較少。有關(guān)策勒縣的研究主要集中在風(fēng)沙方面相關(guān)研究[12-17]，然而對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間尺度的ET0變化特征研究甚少。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文利用相關(guān)方法研究策勒縣ET0的變化趨勢(shì)及主導(dǎo)因素，為科學(xué)認(rèn)識(shí)該區(qū)域ET0對(duì)氣候變化的響應(yīng)、評(píng)價(jià)其干濕演變特征及水資源的合理利用提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

策勒縣位于新疆最南部，其地理坐標(biāo)為35°18′ ～ 39°18′N(xiāo)，80°03′ ～82°10′E，東西分別與于田縣和洛浦縣相鄰，西南與和田縣接壤，其北部區(qū)域延伸至塔克拉瑪干沙漠中部，是典型的綠洲荒漠過(guò)渡區(qū)。氣候夏季干旱炎熱，日照充足、晝夜溫差較大，風(fēng)沙天氣多，空氣極端干燥，極端最高氣溫達(dá)42.1 ℃，極端最低氣溫低至-23.9 ℃，年均降水量為35.1 mm，最大風(fēng)速10 m/s，屬于典型的暖溫帶荒漠氣候。降水量少，蒸發(fā)量大，干旱是制約當(dāng)?shù)貐^(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。

1.2 資料來(lái)源

選取策勒縣氣象站(37°01′N(xiāo)，80°48′E，海拔高度為1336.5 m)1960-2016年2月日最高氣溫、平均氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度等地面氣象數(shù)據(jù)，季節(jié)的劃分即春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月，冬季為12月至翌年1、2月。

1.3 研究方法

1.3.1 Penman-Monteith 模型 迄今，在潛在蒸散量估算方面，精確度較高且被廣泛使用的方法是世界糧農(nóng)組織 (FAO) 1998年修正的Penman-Monteith模型計(jì)算公式，該公式適用于不同氣候類(lèi)型區(qū)域[18]。本文選用此模型利用 Excel及Spss軟件計(jì)算日潛在蒸散量，并進(jìn)行逐月，逐年的統(tǒng)計(jì)，具體公式如下：

(1)

式中：ET0表示潛在蒸散量(mm/d)；△表示飽和水汽壓曲線(xiàn)斜率，Rn表示凈輻射MJ/(m2·d)；G表示土壤熱通量MJ/(m2·d)；γ表示干濕常數(shù)kPa/℃；T表示平均氣溫℃；U2表示距地面2 m高處的風(fēng)速(m/s)；ea表示實(shí)際水汽壓(kPa)；es表示平均飽和水汽壓(kPa)。

(2)

式中：a取值0.23，表示地表反射度；本文采用祝昌漢[19]推薦的適用于西北干旱區(qū)的系數(shù),as、bs分別賦值0.225、0.525；n、N分別表示實(shí)際日照時(shí)數(shù)及最大日照時(shí)數(shù)(h)；Ra代表大氣頂層的太陽(yáng)輻射MJ/(m2·d)；Q=4.903×10-9MJ/(K4· m2· d)為波爾茲曼常數(shù)；Tmax,K與Tmin,K分別表示最高絕對(duì)溫標(biāo)與最低絕對(duì)溫標(biāo)(K)；上述值可由基本日氣象要素計(jì)算得到。

1.3.2 線(xiàn)性回歸 一般運(yùn)用氣候傾向率法和滑動(dòng)平均法分析氣候變化趨勢(shì)[20]，假設(shè)公式y(tǒng)=at+b，式中，y表示特定時(shí)間序列下氣候要素的變化趨勢(shì)，t為年序，a表示一元線(xiàn)性方程的斜率，即為氣象要素的線(xiàn)性變化趨勢(shì)，a為正時(shí)，表示氣候要素呈增加趨勢(shì)，a為負(fù)時(shí)，表示氣候要素呈減小趨勢(shì)。

1.3.3 Mann-Kendall法 Mann-Kendall法是世界氣象組織推薦運(yùn)用的一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[21-22]，它的優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本服從一定的分布,也不會(huì)受到個(gè)別異常值的影響，計(jì)算也較為便捷，不僅能表明突變開(kāi)始的時(shí)間，同時(shí)能指出相應(yīng)發(fā)生突變的區(qū)域[23]，本文利用此方法檢驗(yàn)研究區(qū)ET0是否發(fā)生突變。

1.3.4 小波分析 Morlet小波分析法不僅能在不同時(shí)間尺度上探討過(guò)去氣候的變化周期，而且是分析氣象要素長(zhǎng)期變化的主要手段[24]，本文采用此方法對(duì)新疆策勒縣1960-2015年潛在蒸散量進(jìn)行周期分析，計(jì)算過(guò)程詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 年潛在蒸散量變化特征

通過(guò)P-M公式，計(jì)算研究區(qū)每日潛在蒸散量，后累計(jì)轉(zhuǎn)換為年潛在蒸散量，分析其變化特征(圖1)，經(jīng)計(jì)算，策勒縣1960-2015年年均潛在蒸散量為784.23 mm，近56年來(lái)年ET0的變化表現(xiàn)出波動(dòng)下降趨勢(shì)(圖1)，并通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)，年ET0最大值出現(xiàn)在1974年，1992年出現(xiàn)最低值，波動(dòng)范圍為1048.61～510.11 mm，極差為538.5 0 mm，遞減傾向率約為-4.83 mm/年，減小速率高于和田地區(qū)-2.74 mm/年[26]，從5年滑動(dòng)平均來(lái)看，年潛在蒸散量在1974-1992年表現(xiàn)為顯著下降趨勢(shì)并達(dá)到谷底，1993-2001表現(xiàn)為回升趨勢(shì)，2002年后又逐漸下降。總體上研究區(qū)1960-2015年潛在蒸散量變化為增加-減少-增加-減少趨勢(shì)。

圖1 策勒縣潛在蒸散量年際變化Fig.1 The inter-annual variation of ET0 in Cele county

研究區(qū)ET0年代際變化上，1960s-1970s潛在蒸散量呈上升趨勢(shì)并至最大值，1970s后至1990s潛在蒸散量顯著減少至最低值，其中1970-1979年潛在蒸散量最大為941.87 mm，相比20世紀(jì)60年代ET0上升96.03 mm，高出56年平均值157.64 mm，1990-1999年潛在蒸散量最低為670.07 mm，較56年平均值低114.16 mm，進(jìn)入2000年以后，潛在蒸散量緩慢回升至718.45 mm。

圖2 策勒縣平均潛在蒸散量年代際變化Fig.2 The inter-decadal variation of ET0 in Cele county

2.2 潛在蒸散量季節(jié)變化特征

由策勒縣各月潛在蒸散量值，統(tǒng)計(jì)其1960-2015年各季節(jié)平均潛在蒸散量，由圖3可知，研究區(qū)潛在蒸散量的季節(jié)變化均呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，春夏秋冬四季變化傾向率依次為-1.60、-1.42、-1.29、-0.52 mm/年，均通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)，其中春季ET0對(duì)年ET0的減小貢獻(xiàn)最多。四季高低值與年的基本一致，夏季平均潛在蒸散量最大為339.24 mm，約占全年平均ET0的43 %，其次依次為春季與秋季，分別為289.19和99.44 mm，占全年潛在蒸散量的37 %和13 %，冬季平均ET0值56.29 mm為四季之中最小值，約占年平均ET0的7 %，對(duì)年潛在蒸散量的貢獻(xiàn)最小。

圖3 策勒縣潛在蒸散量季節(jié)變化Fig.3 The seasonal variation of ET0 in Cele county

2.3 潛在蒸散量突變分析

運(yùn)用Mann-Kendall法分析策勒縣近56年潛在蒸散量的突變特征，如圖4所示，UF表示年ET0的順序統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)，其逆序統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)用UB表示，臨界值為±1.96；56年中有18年UF曲線(xiàn)為正值，其余均為負(fù)值，其中UF曲線(xiàn)大體經(jīng)過(guò)3個(gè)階段變化，即1960-1974年UF曲線(xiàn)呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，并于1971年突破信度為95 %(ɑ=0.05)的置信線(xiàn)1.96，UF曲線(xiàn)在1975-1997年呈明顯下降趨勢(shì)，并于1988年突破信度為95 %(ɑ=0.05)的置信線(xiàn)-1.96，1998-2005年UF曲線(xiàn)呈緩慢上升趨勢(shì)，2006年后又緩慢下降。UF和UB曲線(xiàn)分別于1986、1998、2005年3次相交，1998和2005年明顯不是突變點(diǎn)，只有1986年1個(gè)交點(diǎn)處于信度為0.05置信線(xiàn)±1.96之內(nèi)，同時(shí)該區(qū)年累計(jì)距平曲線(xiàn)(圖5)中1986年存在明顯的拐點(diǎn)并開(kāi)始呈下降趨勢(shì)，可認(rèn)為1986年是突變年。通過(guò)對(duì)1986年前后潛在蒸散量的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)1986-2015年平均均潛在蒸散量(698.04 mm)比1960-1985年(883.68 mm)下降了185.64 mm。

圖4 策勒縣年潛在蒸散量Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.4 The Mann-Kendall test of annual ET0 in Cele county

圖5 策勒縣潛在蒸散量累計(jì)距平Fig.5 Accumulative anomalies of the annual ET0 in Cele county

2.4 潛在蒸散量周期性變化

圖6反映了研究區(qū)ET0的時(shí)間序列變化，正值區(qū)用實(shí)線(xiàn)表示，即為潛在蒸散量偏高期，負(fù)值區(qū)用虛線(xiàn)表示，即為潛在蒸散量偏低期，該區(qū)潛在蒸散量存在9、21、29年的周期變化，其中21、29年周期貫穿于1960-2015年整個(gè)時(shí)段內(nèi)，9年的周期主要存在于1962-1985年，圖中小波系數(shù)等值線(xiàn)在時(shí)間尺度18～23,26～30年較為密集，周期震蕩較為明顯，出現(xiàn)小波系數(shù)低值與高值中心循環(huán)變動(dòng)的現(xiàn)象，表明56年中潛在蒸散量經(jīng)歷了偏高、偏低的交替變化。研究區(qū)潛在蒸散量小波方差圖7顯示，在21和29年時(shí)間尺度上存在明顯波峰，29年時(shí)間尺度上波峰最高，為強(qiáng)顯著周期。其次為次第2主周期。

2.5 潛在蒸散量變化的氣象因子分析

潛在蒸散量的變化受降水量、氣溫、風(fēng)速、濕度等綜合氣象因子影響，主導(dǎo)因子不同，其變化趨勢(shì)及規(guī)律也表現(xiàn)出顯著差異。本文選取P-M公式中用到的7個(gè)氣象因子，運(yùn)用主成分分析法(PCA)研究潛在蒸散量與氣象因子的相關(guān)性。主成分分析是將原有數(shù)個(gè)變量，進(jìn)行線(xiàn)性變化，在變量彼此互不相關(guān)的前提下，通過(guò)計(jì)算變量方差的大小，選取起主導(dǎo)作用的成分。在進(jìn)行分析之前，對(duì)原有數(shù)據(jù)進(jìn)行了Bartlett球度測(cè)試及KMO檢驗(yàn)，確定分析的可行性，具體載荷矩陣見(jiàn)表1。

圖6 策勒縣1960-2015年潛在蒸散量小波分析Fig.6 The wavelet analysis of ET0 from 1960 to 2015 in Cele county

圖7 策勒縣1960-2015年潛在蒸散量小波方差圖Fig.7 The wavelet variance of ET0 from 1960 to 2015 in Cele county

主成分1主成分2主成分3平均氣溫0.988-0.079-0.012最高氣溫0.978-0.109-0.089最低氣溫0.963-0.0050.103相對(duì)濕度-0.3230.728-0.143平均風(fēng)速0.226-0.1790.831日照時(shí)數(shù)0.325-0.288-0.699降水量0.1450.8030.132

通過(guò)分析，第1主成分在前3個(gè)指標(biāo)上載荷系數(shù)較大，依次為0.988、0.978、0.963；總體來(lái)看，它在整個(gè)主成分矩陣中方差貢獻(xiàn)率最大(46.339 %)，其中只有相對(duì)濕度載荷系數(shù)為負(fù)值，與潛在蒸散量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。因此該主成分在可視為影響ET0上升的重要因子，計(jì)算表明近56年策勒縣年平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫分別以0.37、0.23、0.64 ℃/10a的速率呈明顯上升趨勢(shì)。第2主成分是次關(guān)鍵的影響因子，占總方差貢獻(xiàn)率的18.44 %，該成分除降水量及相對(duì)濕度貢獻(xiàn)較大，載荷系數(shù)相對(duì)較高外，其余各值均明顯偏低，反映了制約研究區(qū)ET0上升的因子為降水量與相對(duì)濕度。第3主成分在平均風(fēng)速上載荷系數(shù)較大，對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率為16.447 %，該主成分反應(yīng)了平均風(fēng)速在策勒縣潛在蒸散量變化中起著重要作用，計(jì)算可知研究區(qū)年平均風(fēng)速以-0.12 m/s/10a的呈下降趨勢(shì)，與潛在蒸散量呈明顯正相關(guān)，通過(guò)對(duì)兩者變化趨勢(shì)分析，發(fā)現(xiàn)其變化保持同步，且高低值的變動(dòng)基本一致(圖8)，呈顯著相關(guān)(ɑ=0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.992，表明風(fēng)速的減小是該區(qū)域ET0減少的關(guān)鍵因子。

3 結(jié) 論

(1)新疆策勒縣近56年來(lái)潛在蒸散量的變化呈顯著波動(dòng)下降趨勢(shì)，遞減傾向率為-4.83 mm/年。ET0在1960s-1970s呈上升趨勢(shì)，1970s-1990s呈顯著下降趨勢(shì)，21世紀(jì)以來(lái)又表現(xiàn)為緩慢上升。

圖8 潛在蒸散量與平均風(fēng)速趨勢(shì)圖Fig.8 The trend of ET0 and average wind speed in Cele county

(2)研究區(qū)四季潛在蒸散量的變化與年同步，都呈減小的變化趨勢(shì)，春季、夏季、秋季、冬季四季分別占全年潛在蒸散量的37 %、43 %、13 %、7 %，變化傾向率依次為1.60、-1.42、-1.29、-0.52 mm/a，其中對(duì)年潛在蒸散量變化影響最大的為春季。

(3)Mann-Kendall突變分析表明研究區(qū)潛在蒸散量在1986年發(fā)生一次明顯的減少突變，1986-2015年平均均潛在蒸散量比1960-1985年下降了185.64 mm。小波分析結(jié)果顯示，研究區(qū)1960-2015年潛在蒸散量的變化存在9、21、29年的震蕩周期，其中21、29年周期存在于近56年研究時(shí)段，9年的周期主要存在于1962-1985年，且29年為最強(qiáng)主周期。

(4)主成分分析表明，風(fēng)速的明顯減少是影響研究區(qū)潛在蒸散發(fā)減小的主導(dǎo)因子，除此之外降水的增加也是ET0減少的因素之一。

4 討 論

董煜[27]和張山清[28]的研究表明，風(fēng)速是影響新疆潛在蒸散量變化的主要原因，這與本文所得結(jié)論一致。近期“蒸發(fā)悖論”在很多地域得到了重視與驗(yàn)證[29]，雖然研究區(qū)3個(gè)溫度指標(biāo)都呈上升趨勢(shì)，但潛在蒸散量的變化沒(méi)有隨溫度的升高而增加，究其原因很大程度上是氣溫單方面增加的部分被風(fēng)速等其他因素導(dǎo)致的減小所抵消，因此氣溫的變化與潛在蒸散量變化不同步。研究發(fā)現(xiàn)，策勒縣年均氣溫及降水量均表現(xiàn)為增加，氣候變化有暖濕化的趨勢(shì)，干旱的氣候條件有所緩解，這將對(duì)當(dāng)?shù)卮嗳跎鷳B(tài)環(huán)境的改善產(chǎn)生正面影響。潛在蒸散量的變化是多種氣候要素綜合作用的結(jié)果，且要素具有復(fù)雜性，本文未能對(duì)站點(diǎn)位置、大氣壓、太陽(yáng)輻射、云量、氣溫日較差等更多因素進(jìn)行分析，今后還需近一步探討其相關(guān)關(guān)系。本研究揭示了主要?dú)夂蛞蜃訉?duì)策勒縣潛在蒸散量變化的貢獻(xiàn)率，為氣候變化背景下該區(qū)未來(lái)水資源管理與農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供一定的參考。