吉林省參考作物蒸散量時(shí)空分布及成因分析

劉玉汐，任景全，王冬妮，穆佳，崔佳龍，陳長(zhǎng)勝*，陳曦，郭春明

1. 吉林省氣象臺(tái)，吉林 長(zhǎng)春 130062；2. 吉林省氣象科學(xué)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130062； 3. 吉林省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，吉林 長(zhǎng)春 130062

參考作物蒸散量（ET0）是計(jì)算水分虧缺、農(nóng)業(yè)干旱程度的重要參數(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的水資源分配研究具有重要參考價(jià)值。ET0的變化及成因是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。1961—2015 年中國年平均ET0以0.52 mm·a-1的速率遞減（吳霞等，2017）。在區(qū)域尺度上，東北地區(qū)、華北平原、西北地區(qū)ET0均呈下降趨勢(shì)（張淑杰等，2010；段春鋒等，2011；王鵬濤等，2014）。由于時(shí)間尺度和環(huán)境因素的影響，在不同流域上，ET0的變化也存在差異。淮河流域、黑河流域ET0整體上呈下降趨勢(shì)，石羊河流域、三江源區(qū)ET0呈上升趨勢(shì)（馬寧等，2012；姚玉璧等，2013；周秉榮等，2014；曹永強(qiáng)等，2015）。可知，我國ET0整體上呈下降趨勢(shì)，但不同地區(qū)略有差異。

在氣候變化背景下，氣象因子是導(dǎo)致ET0變化的主要影響因素。研究表明，20 世紀(jì)90 年代之前，風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)分別是我國北方和南方多數(shù)站點(diǎn)ET0變化的主導(dǎo)因子；20 世紀(jì)90 年代之后，氣溫和相對(duì)濕度是多數(shù)站點(diǎn)ET0變化的主導(dǎo)因子（曹雯等，2015）。楊永剛等（2018）認(rèn)為風(fēng)速的減小是造成中國糧食主產(chǎn)區(qū)ET0減小的首要原因。鄱陽湖流域、山東、安徽、海南省ET0下降的主要原因是風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的減少（吳文玉等，2013；董旭光等，2016；涂安國等，2017；鄒海平等，2018）。以上研究說明風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)是影響ET0變化的主要?dú)庀笠蜃印ｅX多等（2017）研究表明氣溫是影響毛烏素沙地ET0年變化的主導(dǎo)因子。在四川省中海拔和低海拔區(qū)域，ET0變化主要驅(qū)動(dòng)要素為風(fēng)速，而在高海拔則主要為溫度及相對(duì)濕度（張楊等，2018）。隨著研究區(qū)域的不同，ET0的主導(dǎo)因子也不盡相同，導(dǎo)致了ET0變化趨勢(shì)的差異。

吉林省是農(nóng)業(yè)大省也是生態(tài)大省，水資源短缺是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的難題。隨著全球變化，吉林省ET0也發(fā)生著變化，但ET0變化的主導(dǎo)氣象因子還不明確。鑒于此，利用吉林省46 個(gè)氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)序列，基于Penman-Monteith 公式計(jì)算ET0，研究其時(shí)空變化規(guī)律，利用敏感性分析法定量分析各氣象因子對(duì)ET0的影響，研究結(jié)果有利于了解氣候變化對(duì)水資源的影響，為水資源合理分配提供重要參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

吉林省地處中國東北地區(qū)腹地，地貌形態(tài)差異明顯，地勢(shì)由東南向西北傾斜，呈現(xiàn)明顯的東南高、西北低的特征，可分為東部山地、中部臺(tái)地平原區(qū)和西部草甸、湖泊、濕地、沙地區(qū)。吉林省屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季，從東南向西北由濕潤(rùn)氣候過渡到半濕潤(rùn)氣候再到半干旱氣候。

1.2 資料來源

本文資料為1961—2018 年吉林省46 個(gè)氣象站點(diǎn)逐日氣象觀測(cè)資料（平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)），地理信息數(shù)據(jù)包括各站點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔和研究區(qū)域行政邊界。氣象觀測(cè)資料和地理信息數(shù)據(jù)均來源于吉林省氣象局。吉林省氣象站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 吉林省氣象站點(diǎn)分布 Fig. 1 Spatial distribution of meteorological station in Jilin province

1.3 研究方法

1.3.1 參考作物蒸散量（ET0）的計(jì)算方法

參考作物蒸散量（ET0）的計(jì)算采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith 公式（Allen et al.，1998），其形式如下：

式中，ET0為參考作物蒸散量（mm·a-1）；Δ為飽和水汽壓曲線斜率（kPa·℃-1）；Rn為地表凈輻射（MJ·m-2·d-1）；G 為土壤熱通量（MJ·m-2·d-1），計(jì)算中計(jì)為0；γ為干濕表常數(shù)（kPa·℃-1）；θ 為平均氣溫（℃），為日最高氣溫和日最低氣溫的平均值；u2為2 m 高度處的風(fēng)速（m·s-1）；es為飽和水汽壓（kPa）；ea為實(shí)際水汽壓（kPa），由露點(diǎn)溫度計(jì)算得出。

1.3.2 參考作物蒸散量對(duì)氣象因子的敏感系數(shù)

敏感系數(shù)大小可反應(yīng)氣象因子變化對(duì)ET0的影響程度，敏感系數(shù)為ET0的相對(duì)變化量與單個(gè)氣象因子相對(duì)變化量之比：

式中，SVi為敏感系數(shù)，無量綱；ΔET0和ΔVi分別為ET0和Vi的變化量。SVi的正或負(fù)分別表示ET0隨氣象因子的增加而增加或減小，其絕對(duì)值越大表示ET0對(duì)該氣象因子的變化越敏感。

1.3.3 氣象因子對(duì)參考作物蒸散量的貢獻(xiàn)率

將單個(gè)氣象因子的敏感系數(shù)與該要素的多年相對(duì)變化相乘，可得到由此因子引起的ET0的變化，即該因子對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)，其中引起ET0增加稱為正貢獻(xiàn)，引起ET0減小稱為負(fù)貢獻(xiàn)。具體表達(dá)形式如下：

式中：ConVi為氣象因子Vi對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)率，RCVi（%）是Vi的多年相對(duì)變化，可基于吉林省58 年Vi的平均值Vav和逐年變化率t 計(jì)算得到，其中逐年變化率t 由趨勢(shì)分析法計(jì)算得到。

1.3.4 其它方法

年和季節(jié)尺度的ET0均由逐日ET0計(jì)算而來。采用ArcGIS 10.0 反距離加權(quán)空間插值法研究區(qū)域參考作物蒸散量的空間變化特征。利用Excel 2010軟件，采用線性回歸方法進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 參考作物蒸散量時(shí)空變化

2.1.1 參考作物蒸散量空間變化

吉林省各站點(diǎn)ET0多年平均值的空間分布特征見圖2，由圖2a 可見，ET0呈由西向東逐漸降低趨勢(shì)分布，其中，靖宇站最低，為811.4 mm，通榆站最高，為1 170.0 mm。從地理分布看，西部(1 086.3 mm)＞中部(1 000.8 mm)＞東部(873.5 mm)。從變化率看（圖2b），37 個(gè)站點(diǎn)呈降低趨勢(shì)，變化范圍為-3.14 mm·a-1— -0.01 mm·a-1，17 個(gè)站點(diǎn)通過了0.05 的顯著性水平檢驗(yàn)，西部降低變化率要高于東部。集安、二道和長(zhǎng)白站呈增加趨勢(shì)，變化率分別為0.80、1.29 、2.02 mm·a-1。

2.1.2 參考作物蒸散量時(shí)間變化

圖2 1961—2018 年吉林省年平均ET0和變化率空間分布 Fig. 2 Spatial distribution of the average annual and changing rates of reference crop evapotranspiration in Jilin province during 1961-2018

圖3 1961—2018 年吉林省ET0的年際和季節(jié)變化 Fig. 3 Annual and seasonal change of reference crop evapotranspiration in Jilin province during 1961-2018

1961—2018 年吉林省ET0呈降低趨勢(shì)，變化率為-0.57 mm·a-1，變化趨勢(shì)不顯著（圖3）。ET0多年平均值為955.7 mm，2012 年最低，為881.4 mm，1982 年最高，為1 063.5 mm。從年代際變化看，20世紀(jì)60 年代最高，為981.0 mm，20 世紀(jì)90 年代最低，為932.1 mm。從季節(jié)看，春季、夏季、秋季和冬季ET0平均值分別為315.1、389.2、194.0、57.5 mm。夏季最高，春季次之，其次為秋季，冬季最低。春季、夏季和秋季ET0呈降低趨勢(shì)，變化率分別為-0.35、-0.21、-0.04 mm·a-1，其中，春季ET0降低趨勢(shì)顯著，通過0.05 水平顯著性檢驗(yàn)。冬季ET0呈上升趨勢(shì)，變化率為0.03 mm·a-1。

2.2 氣象因子的時(shí)間變化

吉林省主要?dú)庀笠蜃泳哂忻黠@的時(shí)間變化特征（表1）。水汽壓、凈輻射和平均氣溫均在夏季最高，冬季最低。水汽壓呈上升趨勢(shì)變化，年際和春季、冬季水汽壓達(dá)到了顯著水平（P＜0.05）。凈輻射均呈極顯著的降低趨勢(shì)（P＜0.01），其中，凈輻射年際變化趨勢(shì)系數(shù)為-3.48 MJ·m-2·d-1。季節(jié)變化中，春季降低最快，為-1.42 MJ·m-2·d-1。平均氣溫呈極顯著上升趨勢(shì)，冬季上升最為顯著，趨勢(shì)系數(shù)為0.037 ℃·a-1，年際趨勢(shì)系數(shù)為0.03 ℃·a-1。風(fēng)速呈極顯著的下降趨勢(shì)，其中，春季風(fēng)速最高，下降最快，多年平均值為2.65 m·s-1，趨勢(shì)系數(shù)為-0.019 m·s-1。

2.3 參考作物蒸散量對(duì)氣象因子的敏感性分析

ET0對(duì)氣象因子敏感系數(shù)空間分布見圖4，由圖可見，ET0對(duì)氣象因子的敏感系數(shù)空間差異顯著。ET0對(duì)水汽壓的敏感系數(shù)范圍為-0.931 6—-0.415 9，其絕對(duì)值自西向東呈“低—高—低”趨勢(shì)分布，中部敏感性較高（圖4a）。ET0對(duì)凈輻射的敏感系數(shù)自西向東呈逐漸升高，變化范圍為0.436 8—0.729 0，高值區(qū)主要集中在東南部，即ET0對(duì)凈輻射的敏感性在西部較低，東南部最高（圖4b）。ET0對(duì)平均氣溫的敏感系數(shù)基本上呈自西向東逐漸升高趨勢(shì)分布，但敏感系數(shù)值較小，變化范圍僅為-0.005 9—0.001 8，敏感性較低（圖4c）。ET0對(duì)風(fēng)速的敏感系數(shù)自西向東逐漸降低，變化范圍為0.145 0—0.263 9，說明ET0對(duì)風(fēng)速的敏感性在西部最高，東南部最低（圖4d）。

從年際尺度看（表2），水汽壓和平均氣溫的敏感系數(shù)平均值為負(fù)值，分別為-0.700 7 和-0.002 5，凈輻射和風(fēng)速的敏感系數(shù)平均值為正值，分別為0.560 3 和0.199 5。從敏感系數(shù)絕對(duì)值可知，在年際尺度上ET0對(duì)氣象因子的敏感性為：水汽壓＞凈輻射＞風(fēng)速＞平均氣溫。從季節(jié)尺度看，不同季節(jié)ET0對(duì)氣象因子的敏感性有所差異（表2）。春季ET0對(duì)水汽壓和凈輻射的敏感性相當(dāng)。夏季ET0對(duì)凈輻射的敏感性最高，其次為水汽壓、風(fēng)速，平均氣溫最低。秋季和冬季ET0對(duì)氣象因子的敏感性與年際尺度一致，為水汽壓＞凈輻射＞風(fēng)速＞平均氣溫。

表1 1961—2018 年吉林省氣象因子時(shí)間變化 Table 1 Annual and seasonal change of meteorological factors in Jilin province during 1961-2018

表2 不同季節(jié)ET0對(duì)氣象因子的敏感系數(shù) Table 2 Sensitivity coefficients of seasonal reference crop evapotranspiration to meteorological factors

圖4 ET0對(duì)氣象因子敏感系數(shù)的空間分布 Fig. 4 Spatial distribution of reference crop evapotranspiration to meteorological factors' sensitivity coefficients

2.4 氣象因子對(duì)參考作物蒸散量的貢獻(xiàn)

各氣象因子對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率見圖5，由圖可見，氣象因子對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率空間差異顯著。水汽壓對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率為-7.34%—0.57%，貢獻(xiàn)較高區(qū)主要位于西部（圖5a）。凈輻射對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率空間分布規(guī)律不明顯，空間范圍為-9.01%—3.46%（圖5b）。平均氣溫對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率基本上呈自西向東逐漸降低的趨勢(shì)分布，但其數(shù)值整體偏小，貢獻(xiàn)較小（圖5c）。風(fēng)速對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率變化范圍為-16.58%—2.97%，貢獻(xiàn)較高區(qū)位于中部，東部較低（圖5d）。

從年際尺度看（表3），水汽壓、凈輻射、平均氣溫和風(fēng)速對(duì) ET0的貢獻(xiàn)率分別為-2.45%、-3.65%、-0.08%和-7.49%。可知，風(fēng)速對(duì)ET0的負(fù)貢獻(xiàn)率最大，說明風(fēng)速是ET0變化的主導(dǎo)因子，其次為凈輻射，水汽壓和平均氣溫。說明1961—2018年風(fēng)速、凈輻射的顯著下降，水汽壓的顯著上升導(dǎo)致ET0的降低。從季節(jié)尺度看，不同季節(jié)氣象因子對(duì)ET0貢獻(xiàn)率與年際尺度有所不同。春季風(fēng)速對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率最高，其次為凈輻射。夏季凈輻射對(duì)ET0的負(fù)貢獻(xiàn)率最高，為-4.27%，其次為風(fēng)速、水汽壓，平均氣溫最小。秋季風(fēng)速對(duì)ET0的負(fù)貢獻(xiàn)率最高。冬季風(fēng)速和水汽壓對(duì)ET0的負(fù)貢獻(xiàn)率相當(dāng)，分別為-9.36%和-9.30%。由于氣象因子的多年相對(duì)變化率與敏感系數(shù)共同決定貢獻(xiàn)率的大小，所以影響ET0變化的主導(dǎo)因子的空間分布與敏感系數(shù)分布有所差異。

表3 不同季節(jié)氣象因子對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率 Table 3 Contribution rate of seasonal meteorological factors to reference crop evapotranspiration %

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

吉林省ET0空間分布差異顯著，呈由西向東逐漸降低的空間分布。這不僅與氣候特征有關(guān)，還與氣象因子對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)存在空間差異有關(guān)。風(fēng)速是影響吉林省ET0變化的主導(dǎo)因子，其次是凈輻射。吉林省西部地勢(shì)平坦，氣候較為干旱，風(fēng)速大，凈輻射強(qiáng)，導(dǎo)致ET0較高，東部多為山地，氣候濕潤(rùn)，風(fēng)速小，凈輻射低，導(dǎo)致ET0較低。

圖5 氣象因子對(duì)ET0 貢獻(xiàn)率空間分布 Fig. 5 Spatial distribution of contribution rate of meteorological factors to reference crop evapotranspiration

由于研究時(shí)間段、區(qū)域的不同，吉林省ET0變化對(duì)氣象因子的響應(yīng)也存在差異。松嫩平原西部ET0對(duì)相對(duì)濕度最為敏感（梁麗喬等，2008）；東北地區(qū)氣溫變化對(duì)ET0的影響最為明顯（曾麗紅等，2010）；北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶ET0對(duì)相對(duì)濕度最敏感（李英杰等，2016）。本文基于吉林省1961—2018年數(shù)據(jù)計(jì)算敏感系數(shù)得出，ET0變化對(duì)水汽壓敏感性最高，其次為凈輻射。雖然敏感系數(shù)可以反映ET0變化對(duì)氣象因子的敏感程度，但是不能定量評(píng)價(jià)氣象因子對(duì)ET0的影響。本文通過計(jì)算氣象因子對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)率，得出風(fēng)速是ET0變化的主導(dǎo)因子，這與曹永強(qiáng)等（2017）利用1965—2014 年氣象數(shù)據(jù)分析遼寧省ET0變化的結(jié)果一致。遼寧省與吉林省在地理位置上毗鄰，氣候概況有一定的相似性。1961—2018 年吉林省風(fēng)速和凈輻射顯著降低，水汽壓和平均氣溫顯著升高。風(fēng)速的顯著降低是吉林省ET0下降的最主要原因，水汽壓的升高及凈輻射的減少也促使了ET0的下降。本研究成果可為吉林省不同區(qū)域針對(duì)ET0變化及其不同的主導(dǎo)因子制定相應(yīng)的對(duì)策，以期合理利用水資源以及應(yīng)對(duì)氣候變化。

本文選取吉林省46 個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)代表整個(gè)區(qū)域的氣候特征，雖能說明一定問題，但是在空間分辨率和精細(xì)度還不高。影響ET0的因素眾多，大氣環(huán)流、下墊面特征、植被覆蓋等都與其有關(guān)。雖然大多數(shù)學(xué)者都采用Penman-Monteith 公式計(jì)算ET0，但其所需參數(shù)眾多，不同研究人員在其參數(shù)選擇及計(jì)算過程中的取舍不同也會(huì)導(dǎo)致ET0的結(jié)果不同。在今后的研究中，應(yīng)集中在參數(shù)獲取及提高數(shù)據(jù)精細(xì)化方面加強(qiáng)研究。

3.2 結(jié)論

吉林省ET0多年平均值在空間上呈由西向東逐漸降低的分布特征，大部站點(diǎn)ET0呈降低趨勢(shì)，降低趨勢(shì)較大的站點(diǎn)主要在西部。ET0多年平均值為955.7 mm，夏季最高，冬季最低。在年際變化上，1961—2018 年ET0呈降低趨勢(shì)，變化率為-0.57 mm·a-1。在季節(jié)變化上，冬季ET0以0.03 mm·a-1的變化率上升，其他季節(jié)ET0呈下降趨勢(shì)。

從ET0對(duì)氣象因子的敏感系數(shù)看，區(qū)域不同，ET0對(duì)氣象因子的敏感程度也不一致。ET0對(duì)水汽壓的敏感性在吉林省中部較高，西部和東部均較低。ET0對(duì)凈輻射的敏感性在西部較低，東南部最高。ET0對(duì)風(fēng)速的敏感性與凈輻射相反，在西部最高，東南部最低。在不同時(shí)間尺度上，ET0對(duì)氣象因子的敏感程度也存在差異。在年際尺度上，ET0對(duì)氣象因子的敏感性為：水汽壓＞凈輻射＞風(fēng)速＞平均氣溫。在季節(jié)尺度上，春季ET0對(duì)水汽壓和凈輻射的敏感性相當(dāng)，夏季ET0對(duì)凈輻射的敏感性最高，秋季和冬季ET0對(duì)水汽壓的敏感性最高。

從各氣象因子對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率看，在不同時(shí)空尺度上，氣象因子對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率也不同。水汽壓對(duì)ET0的貢獻(xiàn)較高區(qū)主要位于西部，風(fēng)速對(duì)ET0的貢獻(xiàn)較高區(qū)位于中部，東部較低。在年際尺度上，風(fēng)速是ET0變化的主導(dǎo)因子，其次為凈輻射，水汽壓和平均氣溫。在季節(jié)尺度上，春季和秋季ET0變化的主導(dǎo)因子是風(fēng)速，夏季ET0變化的主導(dǎo)因子是凈輻射，冬季風(fēng)速和水汽壓對(duì)ET0的貢獻(xiàn)率相當(dāng)。