青藏高原東北緣蒸散量時空分布特征

于永波 王云鵬

摘要 基于Penman-Moenteith模型、作物系數法及大型蒸滲儀資料（2012—2013年）計算1973—2013年青藏高原東北緣8個氣象站逐日、逐月、多年年平均潛在蒸散量及實際蒸散量，利用時間趨勢法、Mann-Kendall法、小波分析等方法對源區高原實際蒸散量時間變化特征進行分析，利用surfer制圖軟件、Kriging插值對源區實際蒸散量空間變化特征進行分析。結果表明，8站在全球逐漸變暖背景下總體呈現上升趨勢，波動范圍為9.94～21.93 mm/10年;逐月實際蒸散量具有明顯的時間變化特征，近似正弦函數圖像，其峰值出現在4—5月，低谷出現在10月，總體呈下降趨勢;實際蒸散量具有明顯的周期和突變變化特征;多年實際蒸散量空間分布呈現東南部相對高，西北地區較低，并且由前者到后者依次減少的趨勢分布特征。

關鍵詞 蒸散量;彭曼公式;作物系數;青藏高原東北緣;時空分析

中圖分類號：P426.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2019）05-062-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.05.025

Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Evapotranspiration in the Northeastern Margin of the Qinghai-Tibet Plateau

YU Yong-bo???et al（Jiuquan Meteorological Bureau， Jiuquan， Gansu 735000）

Abstract Based on Penman-Moenteith model， crop coefficient method and large-scale transpirator data （2012-2013）， the daily， monthly and multi-year average potential evapotranspiration and actual evapotranspiration of eight meteorological stations in the northeastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau from 1973 to 2013 were calculated. The temporal variation characteristics of actual evapotranspiration in the source plateau was analyzed by time-trend method， Mann-Kendall method and wavelet analysis. The spatial variation characteristics of actual evapotranspiration in the source area was analyzed by using surfer mapping software and Kriging interpolation. The results showed that the actual evapotranspiration of eight meteorological stations showed an upward trend under the background of gradual global warming， and the range of fluctuation was 9.94-21.93 mm per 10 years. The monthly actual evapotranspiration had obvious time-varying characteristics. It was similar to the sinusoidal function image. Its peak value appeared in April-May， and its trough appeared in October. The overall trend was downward. The actual evapotranspiration had obvious periodic and catastrophic characteristics. The spatial distribution of actual evapotranspiration over the years was relatively high in the southeast and low in the northwest， and it decreased in turn from the southeast to the northwest.

Key words???Evapotranspiration;Penman formula;Crop coefficient;Northeast margin of Qinghai-Tibet Plateau;Spatio-temporal analysis

地處于青藏高原東北邊緣的甘南高原，因為地理位置特殊是黃河徑流的主要匯集區和黃河上游至源頭的重要水源涵養和補給區。黃河在甘南高原由南、東、北環繞而過，形成了“U”字形的第一彎，全境流程433 km，補給水量達黃河上游總水量的45%，是黃河的天然蓄水池，在維護黃河流域水資源和生態安全方面具有不可替代的作用。

近年來，由于自然和人為因素影響，青藏高原東北緣地區很多濕地和湖泊干涸，草原的生產性能和生態功能大幅下降，草地退化、沙漠化發展速度明顯加快，蒸散發作為水循環與能量平衡間的橋梁，研究其時空變化特征將進一步揭示氣候變化與生態環境變化間的內在關系[1]。

目前，很多氣候學者在開展農田蒸散的相關研究[2]，張強等運用Penman Monteith模型研究黃土高原地區作物參考蒸散的時空變異特征，輔助使用蒸滲儀以及渦度相關系統[3]等。從這些研究的結果可以發現，使用Penman Mon-teith模型與作物系數（Kc）能夠更為準確地獲得農田蒸散的相關情況。筆者對青藏高原東北緣地區近40年的實際蒸散量時間及空間變化特征進行分析，以期為青藏高原東北緣地區生態環境變化的研究提供參考依據，更好地保護黃河水源區生態，優化當地農牧業格局。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選用青藏高原東北緣8個國家氣象站點1973—2013年的逐日、逐月實時氣象相關數據。一年劃分出4個季度，3—5月為春季，依次類推，每3個月為1個季度。實際蒸散量數據由中國氣象局蘭州干旱氣象研究所建立的瑪曲實驗基地，采用LG-1大型稱重式蒸滲計測定所得，其盛土容器的尺寸為2 m×2 m×2.3 m，由計算機自動控制開關機，對其資料進行整理與計算。

1.2 研究方法

采用彭曼公式，同時也是聯合國糧農組織FAO推薦的參考作物潛在蒸散量的計算方法，計算潛在蒸散量。

式中，ET0為參考作物潛在蒸散量（mm）;Rn為凈輻射（MJ/m2）;G為土壤熱通量（MJ/m2）;λ為干濕表常數（kPa/K）;T為空氣溫度（℃）;u2為風速（m/s）;es為飽和水汽壓（kPa）;ea為實際水汽壓（kPa）;es-ea為飽和水汽壓差（kPa）;Δ為飽和水汽壓曲線斜率（kPa/℃）。

利用時間趨勢法、Mann-Kendall法、小波分析等方法對源區實際蒸散量時間變化特征進行分析，利用surfer制圖軟件、Kriging插值對源區高原實際蒸散量空間變化特征進行分析。

2 結果與分析

2.1 實際蒸散量的周期性特征

Morlat小波系數實部等值線圖中，可以表示出青藏高原東北緣地區蒸散量在不同時間尺度下的周期性變化及其在時間域中的分布（圖1），振蕩周期表示了年實際蒸散量的時間尺度特征，源區41年實際蒸散量在不同時間的周期振蕩以及突變特征的信息。信號振蕩的程度由等值線的顏色指示，顏色接近藍色時，表明該年蒸散量較常年少，顏色接近紅色時，表明該年蒸散量較常年較多，接近程度與變化程度表現正相關性。另外，從圖1還可以發現，實際蒸發量序列在時間尺度上有著嵌套結構現象的存在，即較小的尺度存在于較大尺度之中。其中，能量密度以模值指代，每個時間尺度的周期性變化趨勢都可以在模值圖中進行表示，當模值增大時，相對應的周期性就變得明顯。

青藏高原東北緣地區年實際蒸散量的振蕩周期大致有2個：5年和10年。其中，5年尺度的振蕩周期為20世紀70年代初期至80年代初期，20世紀80年代中期至90年代中期，21世紀00年代初期至00年代中期，另外2002—2008年表現的較為明顯;10年尺度的振蕩周期為20世紀70年代初期至70年代末期，20世紀80年代中期至90年代中期，21世紀00年代初期至00年代中期，1970—1981年表現的比較明顯。從源區年實際蒸散量最近幾年的演變可以發現，未來幾年的年實際蒸散量可能維持在偏多的時段。

2.2 實際蒸散量的突變特征

對青藏高原東北緣地區年實際蒸散量分別利用M-K突變分析進行處理，假定顯著水平α為0.05，得到年平均實際蒸散量M-K統計量曲線。

由圖2中源區年實際蒸散量UF曲線可見，自20世紀70年代開始，年實際蒸散量有上升趨勢。由于UF曲線整體在置信區間內，所以這41年來源區年實際蒸散量明顯增加。由該地年實際蒸散量UF和UB曲線交叉的地方，可以推斷出源區實際蒸散量增加現象屬于突變現象，這一突變應該是20世紀80年代開始的。

2.3 實際蒸散量空間變化特征

總的來看，在過去的41年間，該地區實際蒸散量年平均值為790.68～981.53 mm。由于該地區土地面積較大，地形種類較多，各地區間空間差別較大，從全局來看東南部相對更高，西北地區較低，并且由前者到后者呈依次減少的趨勢。其中，由于高寒濕潤區地理位置相對較高，植被覆蓋率更大，降水較多，抑制了蒸發的進行，其值較小;而北亞熱帶半干燥區海拔在源區屬于最低，年平均氣溫為13℃，氣溫低峰值出現在1月，平均氣溫1.5℃，高峰值出現在7月，平均溫度23℃，氣候較為干燥，日照時間長，促進了蒸散過程的進行，從而值最大。其中在青藏高原東北邊緣區占地不到10%的寒溫濕潤區出現一個低值中心，該地區海拔較低、河谷地形較多，平均氣溫僅為2.0～4.2℃，且降水量較多，風速較小。該地區的氣候與地形條件，非常不利于蒸散的進行。

3 小結

在全球變暖的背景下，通過對青藏高原東北緣地區實際蒸散量進行觀測并計算，分析了源區實際蒸散量的逐日、逐月、逐年、年代際變化以及空間變化特征，得出如下結果。

（1）8站在全球逐漸變暖背景下實際蒸散量總體呈現上升趨勢，波動范圍為9.94～21.93 mm/10年;逐月實際蒸散量具有明顯的時間變化特征，近似正弦函數圖像，其峰值出現在4—5月，低谷出現在10月，總體呈下降趨勢。

（2）實際蒸散量具有明顯的周期與突變變化特征，振蕩周期一個是5年，另一個周期是10年。其中，未來幾年的年實際蒸散量可能維持在偏多的時段。由該地年實際蒸散量UF和UB曲線交叉的地方，可以推斷出源區突變應該是從20世紀80年代開始的。

（3）從空間來看實際蒸散量東南部相對更高，西北地區較低，并且由前者到后者呈依次減少的趨勢。其中，由于高寒濕潤區地理位置相對較高，植被的覆蓋率更大，降水較多，抑制了蒸發的進行，其值較小;而北亞熱帶半干燥區海拔在源區屬于最低，氣候較為干燥，日照時間長，促進了蒸散過程的進行，從而值最大。其中在寒溫濕潤區出現一個低值中心，分析其原因是因為該地區海拔較低、河谷地形較多，平均氣溫低，且降水量較多，風速較小。

參考文獻

[1] 張強，王文玉，陽伏林.典型半干旱區干旱脅迫作用對春小麥蒸散及其作物系數的影響特征[J].科學通報，2015，60（15）：1384-1394，1.

[2] 陽伏林，張強，王潤元.黃土高原半干旱區農田生態系統蒸散與作物系數特征[J].應用生態學報，2013，24（5）：1209-1214.

[3] 張強，王勝，曾劍.論干旱區非降水性陸面液態水分分量及其與土壤水分關系[J].干旱區研究，2010， 27（3）：392-400.

責任編輯：鄭丹丹

基金項目 酒泉市戈壁農業主要氣象災害風險綜合評價研究資助。

作者簡介 于永波（1987-），男，甘肅酒泉人，助理工程師，碩士，主要從事農業氣象災害的成因及評估研究。

收稿日期 2019-07-19