氣候變化條件下參考作物騰發量演變特性及影響因素分析

(山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

參考作物騰發量(ET0)是評價氣候干濕程度、植物耗水量、生產潛力以及水資源供需平衡的重要指標之一[1]。近年來，隨著全球氣溫的升高，氣象參數降雨、云量和蒸發量也具有很強的全球性和區域性的變化趨勢[2]。在氣候變暖背景下，農業氣象災害、水資源短缺、農業病蟲害都呈加劇趨勢，造成糧食生產能力降低、減產幅度增加[3]。同時，氣候變化增加了土壤水分、有機質和氮的流失，加速了土壤退化、侵蝕，削弱了農業生態系統抵御自然災害的能力[4]。準確地估算ET0，不僅是制定區域植被生態需水定額和水資源優化配置決策的重要依據，也是監測農業旱情、提高區域水資源利用效率的關鍵環節。近年來，ET0長期變化趨勢研究受到越來越多的關注，研究表明，過去數十年中國的參考作物騰發量總體呈下降趨勢，但各地的變化及其成因具有區域性差異，如甘肅石羊河流域[5]、寧夏引黃灌區[6]及北京地區[7]的ET0呈現上升趨勢，而長江流域呈現顯著下降趨勢[8]。干旱地區、半干旱地區和半濕潤地區的ET0呈現減少趨勢，濕潤地區則相對穩定[1]。臨汾是山西省主要的糧食產區，也是全國最嚴重的缺水區之一，其氣候四季分明，雨熱同期，災害性天氣頻繁，災種多且分布廣，成災比率高，是氣象災害頻發區之一，對當地的農業生產造成了較大的影響。因此，研究臨汾地區基于長序列氣象資料的ET0變化趨勢及其影響因素，對于克服氣候變化帶來的負面影響，提升農業生產效率、確保糧食安全具有重要意義，同時可為評價該地區氣候干濕狀況及農業旱情提供科學依據。

1 研究資料與方法

臨汾市位于山西南部，該地所屬氣候為溫帶大陸性半干旱氣候類型，多年平均氣溫12.81℃，降雨量486.7mm，蒸發量1568mm。本文采用Penman-Monteith模型計算了臨汾站1955—2014年共60年的逐日ET0值，利用Mann-Kendall法進行趨勢檢驗及突變檢驗，采用相關系數、多元線性回歸和偏相關分析方法確定影響參考作物騰發量的氣候因素，對臨汾參考作物騰發量的年內分配、年際變化特征、變化趨勢進行分析，并對其影響因素進行了評判。臨汾氣象站的基本情況見表1。

表1 臨汾氣象站基本情況

2 結果分析

2.1 參考作物騰發量變化規律

臨汾地區1955—2014年多年平均ET0為865.7 mm/a，最大值為1033.0mm/a(1957年)，最小值為746.1mm/a(1996年)。ET0年際變化在波峰—波谷起伏狀態中逐漸下降，見圖1，平均每10年減少23.24mm，經Mann-Kendall趨勢檢驗，臨汾站ET0值呈顯著減少趨勢，通過了0.01的顯著性檢驗。通過分析不同年代的ET0變化趨勢發現，臨汾站20世紀50年代ET0呈上升趨勢，為91.8mm/10a，但從60年代開始呈現逐年下降趨勢，其中80年代下降最明顯，為-59.0mm/10a，但未達到顯著水平，進入21世紀后ET0值雖有所減小，但減少趨勢已趨于平緩。

圖1 參考作物騰發量變化趨勢

研究區四季分明，ET0月際變化比較大，最大值一般發生在6月，最低值出現在12月和1月，春季ET0上升速度較快，到秋季ET0迅速衰減，見圖2。連續最大4個月ET0值出現在5—8月，約占全年比例的55.77%。通過分析歷年ET0四季變化趨勢，發現四季均呈減少趨勢，其中夏季減少比例小，為-10.9mm/10a，秋季減少最為顯著，為-50.4mm/10a，除春季下降趨勢未通過顯著性檢驗外，其他季節均通過了顯著性檢驗，減少非常顯著，見表2。

表2 參考作物騰發量氣候傾向率

注*、**分別表示通過了0.05和0.01的顯著性檢驗(下表同)。

圖2 研究區多年平均ET0年內分布

圖3 臨汾參考作物騰發量突變檢驗曲線圖

從圖3的年參考作物騰發量Mann-Kendall突變檢驗可以看出，年騰發量在1957—1964年為增加趨勢，但趨勢不顯著，之后趨勢開始逆轉，從1965年開始到21世紀初參考作物騰發量均表現為減少的趨勢，在1974年通過了0.01顯著性檢驗(U0.01=2.58)，表明臨汾市參考作物騰發量下降趨勢十分顯著。圖3中UF(k)和UB(k)曲線1971年在臨界線之間有一個交點，并且在1974年后超出了臨界線，因此臨汾地區參考作物騰發量在1974年后顯著下降，在1971年發生了突變。

2.2 氣象要素變化趨勢

通過Mann-Kendall法趨勢檢驗，臨汾站1956—2014年間，ET0、平均風速、平均相對濕度、日照時數均呈下降趨勢，見表3，平均每10年分別減少23.24mm、0.13m/s、0.61%和106.41h(見表4)，均通過了顯著性檢驗，下降趨勢非常顯著；平均氣溫和平均水汽壓呈上升趨勢，其中平均氣溫上升趨勢達到了顯著水平，而平均水汽壓上升水平未達到顯著水平。臨汾站年平均氣溫12.81℃，自1955年以來，臨汾氣溫總體呈上升趨勢，通過了α=0.01的顯著性檢驗，其增加速率為0.37℃/10a，略高于全省增溫速率0.35℃/10a[9]，進入90年代中期以來，氣溫迅速上升，尤其是1996年以后持續升高，且氣溫變幅增大，2013年年平均氣溫14.63℃，達到有數據記錄以來的歷史最高值。

表3 氣候因素趨勢檢驗

注↗表示上升， ↘表示下降。

表4 氣候傾向率

2.3 參考作物騰發量影響因子分析

通過相關分析，參考作物騰發量與平均風速和日照時數呈正相關，與平均氣溫、平均水汽壓和平均相對濕度呈負相關,見表5。然而，由于影響參考作物騰發量的因子很多，各因子之間相互影響、關系復雜，單純用相關系數并不能真實地反映這些氣象要素與參考作物騰發量之間的實際情況，例如：溫度和日照、水汽壓和相對濕度之間可能存在共線性的問題，這時相關系數的好壞并不能表示實際情況[10]。為解決共線性問題，本文采用多元線性回歸分析和偏相關分析，在剔除其他相關因素影響的條件下計算ET0與某一個影響因素間的相關性，見表6。計算結果表明：參考作物騰發量與平均風速、日照時數、平均氣溫和平均相對濕度呈正相關，與平均水汽壓呈負相關，且上述兩種計算方法的計算結果具有很好的一致性。因此，影響參考作物騰發量的氣象要素從強到弱的排列順序為：平均風速、日照時數、平均水汽壓、平均氣溫和平均相對濕度，其中ET0與風速、日照、溫度呈顯著正相關，與水汽壓呈顯著負相關，與相對濕度呈正相關，但未達到顯著水平。

臨汾站1964年、1983年、1984年、1996年和2003年ET0顯著減小，且各年ET0減少的成因基本相同，即年平均風速均較低、日照時數少、降水量大、平均濕度高，在多重因素影響下最終導致了ET0的顯著下降。

表5 ET0與各因素的相關系數

表6 偏回歸分析與偏相關分析結果

3 結 論

參考作物騰發量與氣象要素、自然地理因素有密切聯系，其機理十分復雜。本文以臨汾為研究區域，采用1955—2014年氣象觀測資料，利用多種方法對參考作物騰發量及其影響因素進行了研究，并得出如下結論：臨汾地區1955—2014年多年平均ET0總體呈現逐年下降的趨勢，年ET0在1957—1964年為明顯上升趨勢，但趨勢不顯著，在1965—2014年轉為明顯的下降趨勢，并在1971年左右發生突變。在年代際時間尺度上，臨汾地區全年ET0在80年代是減少最明顯的階段，秋季的ET0降低對區域ET0的下降起到了較大的貢獻。區域風速和日照時數與ET0具有較高的完全相關系數，風速的降低和日照時數的減少是全區范圍ET0減少的主要原因。