黑龍江省參考作物蒸散量變化及氣象因子分析

王子龍，劉 瑩，姜秋香，李世強，柴 迅，何 馨

(1. 東北農業大學 水利與土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2. 黑龍江省水文水資源中心，黑龍江 哈爾濱150001；3. 國網黑龍江省電力有限公司管理培訓中心，黑龍江 哈爾濱 150030)

參考作物蒸散量（reference crop evapotranspiration，ET0）是陸地生態水文和能量循環過程中重要參數之一，也是農作物需水量估算的基礎指標[1]。ET0在評價氣候干濕程度、灌溉程度以及水資源供需平衡中起關鍵性作用[2-3]。因此，研究黑龍江省ET0時空變化特征及氣象因子的響應關系可為我國緯度最高省份作物需水量計算和農業水資源配置提供參考。

目前國內外眾多學者對參考作物蒸散量展開了大量研究，大多數研究表明，在全球氣候變暖和人類活動加劇變化下，不同地區ET0在時空分布上均呈不同程度的下降趨勢[4]。Jabloun 等[5]在突尼斯缺少輻射量和相對濕度的地區使用P-M 公式估算ET0結果較為準確。Vicente-Serrano 等[6]發現西班牙ET0呈上升趨勢，動力因子成為影響ET0變化的主要因素。Patle 等[7]基于全球變暖分析了印度錫金喜馬拉雅東部ET0變化，發現引起ET0下降的主要氣象因子為日照時數和風速，相對濕度增加導致ET0降低。Arizavillaverde 等[8]采用盒數聯合多重分形算法依據P-M 公式提取主要氣候變量相對濕度和空氣溫度，描述西班牙瓜達爾基維爾河谷中部ET0變化情況。Liu 等[9]研究了中國糧食主產區氣候變量及ET0時空變化，發現引起夏季和東北地區ET0下降的主控因子為日照時數和風速。Zhang 等[10]利用地理空間技術評價了中國ET0時空變異性及控制氣象要素，最高和最低氣溫是影響我國ET0的主要氣候變量。然而，不同地理位置和下墊面條件對ET0變化及氣象因子對ET0的響應關系有所差異，Guan 等[11]通過P-M 公式計算黃淮海流域ET0，發現平均氣溫升高削弱了風速和輻射量對ET0的響應強度，從而使流域ET0增加。Fan 等[12]證明全球變暖不一定導致ET0上升，亞洲季風環流變化的原因可能是云層模式改變且風速普遍下降導致。Wang 等[13]基于中國氣象強迫數據集采用P-M 公式對ET0時空規律進行評估，發現中國大部分地區ET0呈明顯上升趨勢，僅東北地區ET0呈下降趨勢，是由于近地面風速具有多變性和不確定性。白樺等[14]利用時間序列分析方法，證實了氣象要素在時空尺度上分布不同，由于氣候事件、下墊面條件和地形地理限制，將導致局部ET0規律呈不同隨機性。對東北區域ET0研究[15-19]中，大多分析僅考慮作物生長季節ET0對作物需水量的應用，未研究區域非作物生長季ET0變化。綜上可知，目前基于區域角度和不同時間尺度開展參考作物蒸散量變化及影響因子分析的研究相對較少，而這方面研究對深入了解不同時期區域參考作物蒸散量時空變化規律有重要意義。因此，為研究黑龍江省參考作物蒸散量變化及其主要驅動因子，本文以34 個標準氣象站數據為基本資料，針對黑龍江省內ET0及氣象因子變化特征，通過定性和定量分析，探究ET0總體變化趨勢，揭示ET0與氣象因子間的相關性。研究結果可為我國最北部省份和寒冷地區水循環提供參考，同時，可為黑龍江省農作物灌溉用水合理分配、農業生產規劃安排播種時間及旱澇災害成因原理提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況與數據收集

黑龍江省位于中國東北寒區，緯度在43°26′～53°33′N，經度在121°11′～135°05′E，省內氣候變化明顯，四季分明，冬季漫長且寒冷。橫跨寒溫帶和中溫帶，屬大陸季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。位于最北部的漠河地區年均溫達-5.5 ℃。根據降水情況可以分為半干旱區、半濕潤區、濕潤區。

本文采用黑龍江省34 個氣象站（站點分布見圖1）1990—2019 年常規氣象資料（包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、風速、日照時數等），氣象數據來自中國氣象數據網（http://data.cma.cn/）提供的中國地面氣候資料日值數據集。根據氣象季節劃分，春季為3—5 月、夏季為6—8 月、秋季為9—11 月、冬季為12 月—翌年2 月。根據省內作物實際情況[18]，劃分作物生長季為5—9 月。

圖 1 黑龍江省氣象站點分布Fig. 1 Distribution of meteorological stations in Heilongjiang Province

1.2 參考作物蒸散量計算

應用1998 年聯合國糧食及農業組織提出的FAO-56 Penman-Monteith 修正公式計算參考作物蒸散量，計算式[20]如下：

式中：ET0為參考作物的日蒸散量（mm/d）； Δ為飽和水氣壓與溫度關系曲線的斜率（kPa/℃）； γ為濕度計常數（kPa/℃）；Rn為凈輻射量（MJ/(m2·d)）；G為土壤熱通量（MJ/(m2·d)）；T為地表以上2 m 處平均氣溫（℃）；u2為地表以上2 m 處平均風速（m/s）；es為飽和水氣壓（kPa）；ea為實際水氣壓（kPa）。

1.3 分析方法

趨勢分析采用氣候傾向率[21]和Mann-Kendall 趨勢檢驗法[22]。M-K 法是不受少數特異值影響的非參數檢驗方法，避免了假設條件，適用于分析非正態分布數據，且樣本數據無須符合特定分布。Mann-Kendall 突變檢驗具體步驟詳見文獻[23]。

R/S 分析（重新標度極差分析，Rescaled Range Analysis）[24]原本是處理時間序列的統計方法，后經發展在水文領域得到廣泛應用，如分析徑流變化、降水量、參考作物蒸散量等。該方法可以判斷在一段時間序列內變量是隨機分布還是存在著某種趨勢變化，計算式為：

式中：R為極差；S為標準差；H為Hurst 指數；c為常數；N為時間步長。Hurst 指數變化范圍在0～1 之間。

2 結果與分析

2.1 ET0 及氣象因子時空變化特征

2.1.1 時間變化特征 近十幾年來，由于氣候變暖改變氣象因子變化從而影響水循環和能量平衡關系，導致局部地區ET0下降更加明顯，尤其在20 世紀90 年代變化更加顯著，中國東北地區冬季氣溫升高明顯和風速減小導致ET0發生較大變化。圖2 為1990—2019 年黑龍江省ET0累積距平曲線。由圖2 可知，30 年來，黑龍江省多年平均ET0呈現出“上升-下降-上升”趨勢，其中自1995 年后上升趨勢較為迅速，在2008 年之后轉為下降趨勢，到2016 年ET0有所回升。

圖 2 黑龍江省ET0 累積距平曲線Fig. 2 Accumulative departure curve of annual ET0 in Heilongjiang Province

不同時期多年平均ET0變化趨勢差異性明顯。利用M-K 突變分析法識別ET0在不同時期是否存在突變年份。圖3 為黑龍江省不同時間尺度下1990—2019 年間ET0時間變化特征曲線。由圖3(a)可知，多年平均ET0為593.59 mm/a，最高值出現在2004 年為797.13 mm，最低值出現在2013 年為486.04 mm，最高值是最低值的1.64 倍，1995—2005 年ET0呈上升趨勢，在2008 年發生突變后整體呈下降趨勢。由圖3(b)可知，春季ET0在研究期內變化趨勢整體表現為上升趨勢，未發現突變年份。由圖3(c)可知，夏季ET0在1990—1995 年間有較大波動，1996—2010 年呈升高趨勢，2009 年發生突變。由圖3(d)可知，秋季ET0在1990—1997 年間波動較大，在2008 年出現突變后趨勢變化呈持續降低趨勢。由圖3(e)可知，冬季ET0在1995 年和2000 年發生突變，變化趨勢表現為先升高后持續降低。由圖3(f)可知，生長季ET0在1994—2010 年變化趨勢持續升高，其中2000—2005 年升高趨勢較為顯著，在2010 年發生突變后，變化趨勢逐年降低。

圖 3 黑龍江省不同時間尺度ET0 的變化（UF 和UB 代表z=±1.96 的統計量序列曲線）Fig. 3 Temporal variations of seasonal ET0 in Heilongjiang Province

為更好描述1990—2019 年不同時間段黑龍江省各氣象因子的變化趨勢和顯著性特征，趨勢變化程度用氣候傾向率表示（表1），利用M-K 趨勢檢驗法分析多年變化趨勢是否顯著。由表1 可知，平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫在春季、夏季、生長季和全年均呈現出增加趨勢，最低溫度在夏季以0.516 ℃/10 a 的變化速率上升，且通過95%顯著性檢驗，在生長季氣溫均通過99%顯著性檢驗。但在夏季和作物生長季出現明顯蒸發悖論現象，即當氣溫呈顯著上升趨勢時，ET0卻呈現下降趨勢。這是由于ET0不僅僅受氣溫變化的單因素影響，還受平均風速和氣壓等氣象因子共同作用。平均風速在不同期間均呈現出下降趨勢，春季和夏季多年降低趨勢速率分別為-0.141 和-0.154 m·s-1/10 a，且通過99%顯著性檢驗，秋季、生長季和全年平均風速降低趨勢均通過95%顯著性檢驗。相對濕度在不同時期呈現不同變化，在秋季、冬季和全年呈下降趨勢，尤其在冬季下降趨勢通過99%顯著性檢驗，降低趨勢速率為-1.968%/10 a。日照時數多年來變化不大，僅在夏冬兩季呈上升趨勢。平均氣壓在各時期均呈現下降趨勢，全年下降趨勢速率為-0.506 kPa/10 a，通過99%顯著性檢驗，春季、冬季和生長季均通過95%顯著性檢驗。

表 1 黑龍江省不同時期ET0 及氣象因子氣候傾向率Tab. 1 Climatic trend of ET0 and meteorological factors in different periods in Heilongjiang Province

2.1.2 空間變化特征 結合研究區域實際蒸散變化情況，將多年平均蒸散量高于690 mm 的地區稱為高蒸散區，600～690 mm 的稱為次高蒸散區，低于470 mm 的稱為低蒸散區。圖4 為30 年來黑龍江省ET0空間分布特征及變化率。由圖4 可知，北部屬低蒸散區，多年蒸散值在各時期都較低，高蒸散區在西南部，主要站點包括泰來、肇州、龍江和齊齊哈爾。由圖4(a)可知，全年蒸散量由西北部向西南和東南地區呈現遞增趨勢，最高值出現在泰來站為849.21 mm，最低值在呼中站為337.06 mm。由圖4(b)可知，春季在佳木斯、勃利和雞西區域出現次高蒸散區。由圖4(c)可知，夏季次高蒸散區向東部偏移，區域中心站點為富錦站，蒸散值為307.89 mm。全區分布趨勢變化受緯度和地勢影響。由圖4(d)可知，秋季蒸散從西北部到東南部依次遞增，西部和東部蒸散值較中部高，高蒸散區向東南方向轉移，在雞西、勃利、寶清出現僅次于泰來的次高蒸散區。由圖4(e)可知，冬季ET0由西北向東南遞增，高蒸散區向東南偏移，最高蒸散值出現在雞西為40.38 mm。由圖4(f)可知，作物生長季蒸散變化趨勢與全年基本一致，高蒸散區蒸散量在500.83～556.71 mm內變化。

圖 4 黑龍江省1990—2019 年不同時期ET0 變化Fig. 4 Proportion of ET0 in different periods from 1990 to 2019 in Heilongjiang Province

參考作物蒸散量的變化趨勢特征與氣象因子分布特征趨勢密不可分。因此，利用M-K 趨勢檢驗方法計算出各站點多年氣象因子統計量Z值，再運用克里金法將各氣象站點氣象因子多年平均值在ArcGIS 中進行空間插值，得到黑龍江省多年平均氣象因子空間分布規律，結果如圖5 所示。圖5 中(a)～(c)依次為平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的多年變化趨勢，氣溫總體分布規律為由北向南遞增且表現為上升趨勢，在空間上體現高度一致性。經檢驗平均氣溫在漠河、孫吳、北林和尚志的變化趨勢顯著增加，最高氣溫在漠河、塔河和愛輝顯著增加，其余站點變化趨勢不顯著，但大多站點呈上升趨勢。研究結果印證了在全球變暖的大環境下導致大部分站點溫度呈上升趨勢。然而，最低氣溫在呼瑪和新林表現為顯著下降趨勢，這與整體上升趨勢相反，但不影響整體呈上升趨勢。同樣表現出上升趨勢的氣象因子為飽和水氣壓差，如圖5(g)，由于不同地理位置地勢不同，飽和氣壓差的分布在站點間表現出較大差異，研究區內22 個站點呈現增加趨勢其中66.7%的站點通過95%顯著性檢驗。如圖5(d)風速分布由中部向東部和西部逐漸增加，站點間變化差異性較明顯，整體呈顯著下降趨勢，34 個站點中有24 個呈下降趨勢通過95%顯著性檢驗的站點占62.5%。相對濕度變化趨勢如圖5(e)，中部地區向兩側地區遞減，整體呈下降趨勢，僅富錦站呈顯著上升趨勢。日照時數如圖5(f)全省變化范圍為6.3～8.8 h，超過半數站點通過顯著性檢驗呈下降趨勢。如圖5(h)平均氣壓多年來呈顯著減小趨勢，有29 個站點呈減小趨勢，58.6%的站點通過了95%顯著性檢驗。凈輻射值是根據太陽赤緯角和地理緯度由公式計算得出，因此站點位置對其變化有一定影響，如圖5(i)凈輻射分布隨緯度升高而降低，多年來呈顯著下降趨勢，僅在虎林站呈顯著上升趨勢。

圖 5 黑龍江省1990—2019 年各氣象因子變化趨勢Fig. 5 Variation trend of meteorological factors in Heilongjiang Province from 1990 to 2019

綜合年內各時期ET0空間分布變化規律和年內各氣象因子變化趨勢，年內ET0變化分布規律與平均風速和飽和氣壓均有一定相似之處，但具體分布有差異。全省多年平均相對濕度呈下降趨勢，與全球變暖而引起空氣中水分含量下降有關。由于全球變暖使相對濕度受到影響，尤其在北方冬季寒冷地區，空氣中水氣壓與飽和水氣壓之比也隨之減少，空氣中水分含量下降，導致相對濕度降低，致使參考作物蒸散量出現小范圍上升現象。但溫度作為至關重要的影響因素，對參考作物蒸散量變化起決定性作用，同時，緯度增加會加劇氣候系統動力學變異性，可能是由于太陽輻射角度隨維度升高而增加，導致北部地區太陽輻射動力變異性更強，而根據P-M 公式計算參考作物蒸散量需要轉換太陽輻射角度，因此，北部地區參考作物蒸散量變化較為復雜。故仍需探究參考作物蒸散量與氣象因子的相關性。

2.2 ET0 與氣象因子的相關關系

為探究不同時期ET0與各氣象因子間的相應關系，本文對黑龍江省1990—2019 年不同時期ET0與影響其變化的氣象因子進行相關性分析，結果如表2 所示。由表2 可知，多年平均ET0與最高氣溫正相關程度較高，與相對濕度間存在密切負相關性，即當相對濕度增加時，多年平均ET0呈減小趨勢。基于不同氣象因子共同作用，在年尺度上，相對濕度是引起參考作物蒸散量變化的主要因素，在春夏秋冬及作物生長季氣象因子影響ET0的程度有所差異，在春秋兩季ET0與最高氣溫、最低氣溫及日照時數呈顯著正相關，即隨氣溫和日照時間的增加，多年平均ET0呈增加趨勢，而與相對濕度呈顯著負相關。夏季ET0出現蒸發悖論現象，最低氣溫與多年平均ET0呈顯著負相關，即氣溫上升反而使ET0下降，在冬季和生長季同樣出現平均氣溫下降而多年平均ET0上升的現象。這是由于太陽輻射、風速和飽和水氣壓差不足抵消溫度對ET0的正貢獻，導致ET0隨著溫度上升出現下降趨勢。當弱變暖信號足夠強時，相對濕度持續降低將抵消部分地區風速的負相關性，導致ET0增加。在夏季和作物生長季，平均風速對此時期ET0呈顯著正相關。在各時期平均氣壓與多年平均ET0相關程度均呈不顯著相關。在不同時期內各氣象因子與多年平均ET0的相關關系時間差異較為粗略，故需進一步明確多年平均日ET0與多年平均日氣象因子間的相關性。

表 2 不同時期ET0 與各氣象因子相關關系Tab. 2 Correlation between ET0 and meteorological factors in different periods

為更詳盡準確地刻畫ET0與氣象因子在日時間尺度上的變化規律，分析黑龍江省多年平均日參考作物蒸散量與各氣象因子間的相關關系，結果如圖6 所示。由圖6(a)～(c)可知，氣溫與多年平均日參考作物蒸散量間存在較強正相關性，隨著氣溫的升高，多年平均日蒸散量也在上升；由圖6(d)可知，相對濕度與多年平均日蒸散量呈較強負相關性，表明相對濕度的變化對多年平均日蒸散量影響較大；由圖6(e)可知，日照時數與多年平均日蒸散量相關程度較弱，即日照時數變化對多年平均日蒸散量影響較低；由圖6(f)可知，平均風速與多年平均日蒸散量間存在正向相關性，風速越大多年平均日蒸散量越高。綜上可知，溫度、日照時數、平均風速的增加均可導致多年平均日蒸散量增加，而相對濕度的增加則使多年平均日蒸散量降低。由此得出，多年平均日蒸散量受各氣象因子共同影響。但在本研究區域對多年平均日蒸散量相關性較明顯的氣象因子為相對濕度和平均風速。

圖 6 多年平均日ET0 與氣象因子的相關關系Fig. 6 Correlation diagram between perennial daily mean ET0 and meteorological factors

2.3 未來ET0 變化趨勢預測

為預測未來ET0在不同時期空間上的變化趨勢，利用在水文分析上廣泛應用的R/S 方法計算Hurst 指數，結果如圖7 所示。

圖 7 不同時期黑龍江省ET0 的Hurst 指數Fig. 7 Hurst exponent of ET0 in Heilongjiang Province in different periods

Hurst 指數可表征未來一段時間內ET0變化是否具有一定持續性，如圖7(a)全年Hurst 指數變化范圍為0.60～0.69，表明未來一段時間內ET0變化趨勢與研究時段內變化趨勢一致，在未來一段時間內ET0也會下降。根據Hurst 指數分類標準，H 介于0.50～0.65 時，全年東南部地區ET0呈弱持續性；當H 介于0.65～0.69 時，ET0呈強持續性，主要位于中部和北部部分地區。如圖7(b)春季Hurst 指數為0.43～0.52，依據Hurst 指數分類標準，H 介于0.35～0.50 時，省內中部及東部地區ET0表現出弱反持續性，即與原來變化趨勢相反，呈現上升趨勢，當H 介于0.50～0.65 時，ET0呈現弱持續性，分布在龍江站和綏芬河站。如圖7(c)～(d)夏秋兩季Hurst 指數變化范圍為0.51～0.64，表明全區域ET0變化趨勢與近年來均呈現弱持續性，即在未來夏秋兩季各站點ET0持續下降趨勢不明顯。如圖7(e)所示，冬季Hurst 指數為0.43～0.67，整體變化以中部為中心區域向四周遞減，北部地區ET0呈弱反持續性，省內中部及西部地區ET0呈強持續性，東南地區ET0呈弱持續性。如圖7(f)所示，作物生長季Hurst 指數為0.57～0.66，全區域大部分ET0呈弱持續性。

3 結 語

本文基于34 個國家標準氣象站點利用P-M 公式對黑龍江省1990—2019 年多年平均參考作物蒸散量及氣象因子進行時空變化規律研究，并分析影響參考作物蒸散量的主要氣象因子，得到以下結論：

（1）黑龍江省1990—2019 年多年平均日ET0呈遞減趨勢，遞減幅度為-0.044 mm/10 a，在年際上，20 世紀90 年代和21 世紀10 年代多年日均ET0呈現上升趨勢，但21 世紀00 年代以-0.219 mm/10 a 呈遞減趨勢。在不同時期ET0年內變化存在較大差異，ET0由低到高依次為冬季、秋季、春季、夏季和作物生長季。

（2）在空間上，多年平均ET0呈現西南多，東北少的分布特點，其中有33.3%的站點ET0呈顯著上升趨勢，47.4%的站點ET0呈顯著下降趨勢。在不同時期ET0存在空間差異性，冬季高蒸散區集中在以雞西為中心點的東南部地區，而其他季節高蒸散區集中在以泰來站為中心的西南地區。

（3）影響全年ET0的主要氣象因子由高到低依次為相對濕度、風速和凈輻射。3 個氣象因子均呈遞減趨勢，在中緯度地區相對濕度升高會削弱ET0的變化，隨著氣候變化的影響，風速呈逐年下降趨勢，其中有62.5%的站點呈顯著下降。凈輻射顯著下降的區域集中在以哈爾濱為中心的南部地區，整體上呈顯著下降趨勢。

（4）利用Hurst 指數預測不同時期ET0未來變化趨勢，黑龍江省ET0的Hurst 指數變化范圍為0.60～0.69，表明未來一段時間內ET0變化趨勢與研究時段內變化趨勢持續性較強即呈下降趨勢。不同時期Hurst 指數變化不同，在春季和冬季均有部分地區ET0呈弱反持續性變化趨勢。