甘肅省不同氣候區1961-2020年蒸散發時空變化及其影響因子

胡曉萌，張 鑫，雒舒琪，張曉鵬，閆 彩，孫 媛

（1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.河北天和咨詢有限公司，石家莊 050000）

1 研究背景

地表蒸散發（Evapotranspiration，ET）是指植物蒸騰和土壤蒸發的總和[1,2]，作為生態環境和水資源評估的重要環節，蒸散發是用來評估區域氣候變化、地表能量和水分平衡的主要指標。由于地表水向大氣層的輸送有近乎3/4 的降水將以蒸散發形式進行[3]，而且通過對地表水的蒸發降低了當地氣溫，所以蒸散發在全球水文循環的過程中發揮著連接水熱循環的巨大作用[4,5]。國內外針對潛在蒸散發研究在蒸散發模型估算、蒸散發數據應用、時空特征與影響因子方面，段浩[6]等探討了冠層截留對PML 蒸散發模型的影響，提高了模型對潛在蒸散發的模擬精度；黃瑾[7]等利用衛星觀測的逐月蒸散發數據探討了云貴地區的蒸散發時空變化規律。通過現有研究發現，對地區蒸散發進行準確的時空特征分析及其影響因子分析，有助于對當地的生態水源保護和水資源的優化利用及其合理配置提供理論指導[8,9]。

甘肅省位處全國生態脆弱和氣候敏感的多復雜地形區域[10,11]，跨越多個不同氣候帶，目前對甘肅省潛在蒸散發的研究還僅僅是在一些有典型特點的氣候區及氣候站點[12,13]，無法概括整個甘肅省不同氣候區潛在蒸散發特征的整體情況。故本研究通過將甘肅省進行氣候區的劃分（8 個氣候區：A：河西西部暖溫帶干旱區；B：河西冷溫帶干旱區；C：祁連山高寒半干旱區；D：隴中北部冷溫帶半干旱區；E：隴中南部溫帶半濕潤區；F：甘南高寒濕潤區；G：隴南北部暖溫帶濕潤區；H：隴南南部河谷亞熱帶濕潤區），通過劃分區域，對每個氣候區潛在蒸散發時空特征分析和影響因子的研究，以期得到各氣候區潛在蒸散發特點及甘肅省全省的蒸散發特征，為甘肅省的農業結構調整、生態環境涵養、區域水資源與社會經濟的匹配發展等提供合理科學依據[14,15]。

2 數據資料及研究方法

2.1 數據資料

選取甘肅省內24 個、省外7 個氣象站點(見圖1)的1961-2020年逐日氣象數據（相對濕度、平均風速、日照時數、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫等），本研究氣象站數據從國家氣象科學數據中心（http://data.cma.cn/）處下載，將逐日數據匯成月尺度、季尺度和年尺度數據，季節劃分為：冬季（上年12-2月）、春季（3-5月）、夏季（6-8月）、秋季（9-11月），以此數據處理完成后進行潛在蒸散發的時空特征和影響因子相關分析。

圖1 甘肅省區域不同氣候分區概況及氣象站點分布圖Fig.1 Regional overview and distribution map of meteorological stations in Gansu Province

2.2 研究方法

2.2.1 潛在蒸散發計算公式

本研究通過使用潛在蒸散發Penman-Monteith[16]計算公式來對甘肅省的8個不同氣候區進行潛在蒸散法的估算：

式中：△為飽和水汽壓-溫度曲線斜率，kPa/oC；Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；G為地表熱通量，MJ/(m2·d)；T為平均溫度，oC；γ為干濕計常數，kPa/oC；u2為2 m 處風速，m/s；es為飽和水汽壓/kPa；ea為實際水汽壓，kPa。

2.2.2 克里金空間插值法

克里金空間插值法是利用已知的空間樣本信息的基本原理，用已知點擬合出一合適函數式推求未知點的數值，通過此函數式，構建空間泰森多邊形以實現空間相關關系的建立，就實現了離散站點數據向整個研究區面數據的轉化，這種插值方法在各領域多有應用[17]，計算公式為：

2.2.3 趨勢分析法

通過基于像元的一元線性回歸方法[18]，得到1961-2020年時間段的像元數據的潛在蒸散發變化趨勢，以此來反映變化整體的變化特征，計算公式：

式中：a為線性傾向率；n為研究時間段（n=60）；ETi為各像元在第i年的潛在散發，mm。a＞0 說明該區潛在蒸散發呈正向增長趨勢；a=0 說明蒸散發趨勢為0，蒸散發無年際變化；a＜0 說明該區潛在蒸散發呈負向減少趨勢，其值大小則表征趨勢的強弱程度。

2.2.4 偏相關分析

通過利用Spss 軟件進行潛在蒸散發與各氣象因子的偏相關分析。該方法的原理是控制其他氣象因子不變，求潛在蒸散發與某一氣象因子的相關關系，計算公式為：

式中：x為潛在蒸散量；y、z為氣象因子；Rxy,z為控制其他氣象因子的情況下，潛在蒸散發與該氣象因子的偏相關系數，偏相關系數的值介于-1～1 之間，當Rxy,z≥0 時，說明該氣象因子與潛在蒸散發呈正相關關系，反之則為負相關關系，Rxy,z絕對值的大小表征相關程度的大小，當P＜0.05 時，則認為潛在蒸散發與該氣象因子相關關系顯著。

3 結果與分析

3.1 甘肅省不同氣候類型區氣象因素變化

選取對甘肅省不同氣候類型區1961-2020年潛在蒸散發可能具有較大影響的7種氣候因素（相對濕度、平均風速、日照時長、降雨量、平均溫度、最高溫度、最低溫度）進行一元線性回歸分析，分別得出不同氣候區的氣象因子變化趨勢圖（見圖2）。

圖2 甘肅省各氣候區氣象因子60 a年際變化Fig.2 Interannual variation of meteorological factors in different climate regions of Gansu Province in 60 Years

通過一元系數來表征氣象因子變化速率（見表1）。1961-2020年各氣候區平均溫度、最高溫度、最低溫度均極顯著上升（P＜0.01，上升速率在0.13～0.24 ℃/5 a之間）；相對濕度除C 區為顯著上升外（P＜0.05），其他類型區均有不同程度顯著下降；相對風速除G區為極顯著上升外（P＜0.05），其他氣候區無明顯變化；日照總時數趨勢穩定，各氣候區均無明顯變化；B、C氣候區年降水量均顯著增加（P＜0.05）。

表1 甘肅省各氣候區氣象因子60 a年際變化一元系數及顯著性Tab.1 The univariate coefficient and significance of the 60-year interannual variation of meteorological factors in each climatic region of Gansu Province

3.2 甘肅省潛在蒸散發空間分布格局

從1961-2020年甘肅省各氣候區潛在蒸散發分布格局來看（見圖3），年均潛在蒸散發、春季潛在蒸散發、夏季潛在蒸散發、秋季潛在蒸散發在空間分布上均呈現出A、B、C 區西部高，其他區低的特點，高值區域日照時數的充足和高氣溫和風速是造成潛在蒸散量偏高的主要原因，冬季年均潛在蒸散發空間分布則略有不同，冬季潛在蒸散發高值區在以武都站點為代表的H 區，由東南向西北遞減；由于甘肅省地理環境復雜，氣象因素差異較大，因此不同氣候區潛在蒸散發差異較大，數值在710～1 363 mm 之間波動，其中各氣候區多年平均潛在蒸散發為：A 區（1 237 mm）、B 區（1 094 mm）、C 區（790 mm）、D 區（996 mm）、E 區（873 mm）、F 區（740 mm）、G 區（842 mm）、H 區（1 027 mm）；各氣候區的季節蒸散發貢獻度排名為夏季＞春季＞秋季＞冬季。

圖3 1961-2020年甘肅省各氣候區年均與各季節潛在蒸散發的空間變化特征Fig.3 Spatial variation characteristics of annual average and seasonal potential evapotranspiration in different climate zones in Gansu Province from 1961 to 2020

3.3 甘肅省潛在蒸散發時間變化特征

1961-2020年甘肅省各氣候區潛在蒸散發變化率為-2.57～3.31 mm/a，整體呈現出小幅上升的趨勢（見圖4），其中除A、D、F 氣候區潛在蒸散發呈減少趨勢外，其他氣候區均呈現不同程度上升趨勢，82%的區域的潛在蒸散發表現為增加趨勢，其中增幅較大的區域主要分布在馬鬃山和酒泉站點附近，達到了3.31 mm/a，而呈下降趨勢的站點集中在以安西站為代表的河西地區和以皋蘭和景泰站點為代表的隴中干旱區。通過對變化趨勢進行顯著性檢驗（見圖4），甘肅省有26.58%的區域的潛在蒸散發趨勢未通過顯著性檢驗（P＞0.05），該區域大部分分布在A 區、B 區中部、D 區、E 區及H 區；其中有13.4%區域潛在蒸散發趨勢通過了95%顯著性趨勢檢驗（P＜0.05），60%區域的潛在蒸散發趨勢通過99%顯著性趨勢檢驗（P＜0.01），甘肅省超過73.42%的區域潛在蒸散發呈現出顯著的變化趨勢，這與氣候變化和植被/覆被、土地利用方式改變等人類活動有密不可分的聯系。

圖4 1961-2020年甘肅省各氣候區潛在蒸散發的變化趨勢及顯著性Fig.4 Variation trend and significance of potential evapotranspiration in different climate zones in Gansu Province from 1961 to 2020

3.4 潛在蒸散量影響因子分析

影響潛在蒸散量的因素十分復雜，一般與氣象因素影響甚大。因此本文選取平均氣溫、風速、日照時數、相對濕度、降水5 個氣象要素與甘肅省8 個氣候區年均蒸散量并取各氣候區的典型站點進行偏相關和顯著性分析（見圖5和表2）。結果表明：近60 a來，甘肅省各氣候區潛在蒸散發對5個氣象因子相關性的空間分布不一致。8個氣候區的潛在蒸散量對平均溫度的相關系數變化范圍為0.89～0.94，其中A、B、C、D 區受平均溫度相關性更高；潛在蒸散發變化對風速相關程度在空間上有較強的差異性，以敦煌站點為代表的A 區高值區，相關系數高達0.72，和以華家嶺為代表的E區相關系數0.11的低值區域，其他區域對風速的相關系數在0.5 范圍附近，差異不大；潛在蒸散發變化對日照時數的相關系數范圍為0.38～0.73，其中D、E、F、G、H 區對日照時數相關性高，而以敦煌、馬鬃山為代表站點的A、B 氣候區和祁連山高寒半干旱C氣候區對氣象因子日照時數的相關程度要略低；甘肅省所有氣候區均對相對濕度呈現出不同程度的負相關關系，其中除甘肅省東北各氣候區潛在蒸散發對相對濕度的相關系數較低以外，其他站點對相對濕度的相關系數在0.5 范圍左右；通過偏相關分析，氣象因子降雨對潛在蒸散發的變化未表現出明顯的相關關系。

圖5 1961-2020年甘肅省各氣候區對氣象因子偏相關分析圖Fig.5 Partial correlation analysis of meteorological factors in each climatic region of Gansu Province from 1961 to 2020

表2 甘肅省各氣候區典型氣象站點潛在蒸散發與各氣象因素的偏相關分析Teb.2 Partial correlation analysis of potential evapotranspiration and meteorological factors from typical meteorological stations in different climate regions of Gansu Province

4 結 論

（1）1961-2020年各氣候區平均溫度、最高溫度、最低溫度均極顯著上升（P＜0.01，上升速率在0.13～0.24 ℃/5 a 之間）；相對濕度除C 區為顯著上升外（P＜0.05），其他類型區均有不同程度顯著下降；相對風速除G 區為極顯著上升外（P＜0.05），其他氣候區無明顯變化；日照總時數趨勢穩定，各氣候區均無明顯變化；B、C 氣候區年降水量均顯著增加（P＜0.05）。隨著氣候變化和人類活動，近60 a 來甘肅省各氣候區氣溫都逐步上升，且除祁連山高寒氣候區外，其他氣候區濕度有變干的趨勢，未來甘肅省氣候正朝著熱、干趨勢發展。

（2）甘肅省年均、春季、夏季和秋季潛在蒸散發均呈現出A、B 區高、其他氣候區低的分布特征，冬季則表現為E、G、H 區高、其他氣候區低的特征，在空間潛在蒸散量的貢獻上來看，河西地區對潛在蒸散發做出較大貢獻，然而潛在蒸散發空間分布不均且差異較大，年均潛在蒸散發波動范圍在710～1 363 mm，在季節尺度上，各氣候區潛在蒸散發大小表現為夏季＞春季＞秋季＞冬季。

（3）1961-2020年甘肅省各氣候區潛在蒸散發的趨勢變化率為-2.57～3.31 mm/a，超過73.42%的區域潛在蒸散發呈現出顯著的變化趨勢，A 區、D 區西部、E 區西部呈不顯著下降趨勢，其中除在A區、B區中部、C區中部及東部、D區東部、E區西部以及H 區無顯著趨勢（P＞0.05）外，其他區域部分均顯著上升或下降（P＜0.05），相對濕度的減少和溫度升高、風速增大等綜合作用會持續促進研究區潛在蒸散發的變化趨勢。

（4）通過對各氣候區的潛在蒸散發與氣象因子的相關分析，發現各氣候區對氣象因子的響應差距較大，集中體現在氣溫、風速和日照時數上。潛在蒸散發對氣溫、風速、日照時數呈顯著的正相關關系，其中甘肅省西北區域（A、B、C、D 區）對平均氣溫的相關系數明顯高于東南區域的（E、F、G、H 區）；A、B、C、D、G、H 區的潛在蒸散發受風速影響的相關性大于E、F 區域；甘肅省所有氣候區潛在蒸散發均對相對濕度呈負相關關系，其中除D、E、G 區東部潛在蒸散發對相對濕度的響應不太明顯外，其他各區域潛在蒸散發對相對濕度的相關系數在-0.5 范圍左右；通過偏相關分析，氣象因子降雨對潛在蒸散發的變化未表現出明顯的相關關系。