基于SDSM模型的新疆車爾臣河流域ET0變化模擬

魏 賓

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830002)

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第4次評(píng)估報(bào)告指出，近100 a(1906-2005年)地表平均升溫0.74 ℃，未來100 a全球氣溫可能會(huì)升高1.1～6.4 ℃[1]。IPCC第5次報(bào)告再次指出目前的氣候變暖比原來的認(rèn)識(shí)更加嚴(yán)重，從20世紀(jì)50年代以來的氣候變化是1950年前所未見的[2,3]。同時(shí)，除溫度變化外，還表現(xiàn)在風(fēng)、輻射和降水等氣象因子及受其影響顯著的徑流、蒸散等水文要素的變化上[4,5]。蒸散是唯一既出現(xiàn)在水量平衡又出現(xiàn)在地表能量平衡方程中的要素[6]，氣候變化背景下區(qū)域蒸散研究對(duì)區(qū)域農(nóng)田水分管理、作物需水量估算、地表水文循環(huán)和水量平衡意義重大。因此，氣候變化背景下的蒸散研究引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

目前許多學(xué)者對(duì)中國不同地區(qū)蒸散的研究表明，在全球變暖這一事實(shí)下中國大部分地區(qū)溫度的上升與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量、參考作物蒸散量(reference evapotranspiration，ET0)均呈現(xiàn)明顯下降的趨勢同時(shí)并存，因此中國大部分地區(qū)存在“蒸發(fā)悖論”[7,8]。Thomas[9]對(duì)中國1954-1993年逐月ET0進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)中國ET0均呈現(xiàn)下降趨勢；隨著對(duì)ET0研究的深入，一些學(xué)者對(duì)中國ET0的變化趨勢和影響因素進(jìn)行了定量分析，如He等[10]表明風(fēng)速下降使內(nèi)蒙古中、西部地區(qū)ET0以1.22 mm/a的速度顯著(P<0.05)下降，Huo等[11]表明由于風(fēng)速下降近50 a西北地區(qū)ET0以3 mm/a的速度呈現(xiàn)極顯著(P<0.01)下降趨勢，Li等[12]發(fā)現(xiàn)風(fēng)速下降導(dǎo)致近50 a西南地區(qū)ET0以0.5 mm/a的速度呈減小趨勢。相關(guān)學(xué)者基于大氣環(huán)流模型Had CM3(Hadley Centre Coupled Model version 3)的輸出和統(tǒng)計(jì)降尺度模型SDSM(Statistical Downscaling Model)，分別對(duì)未來A2(高溫室氣體排放)、B2(低溫室氣體排放)情景下ET0時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)未來2種情景下4個(gè)地區(qū)ET0均呈不同程度的上升趨勢[13-15]。

車爾臣河流域是新疆巴音郭楞蒙古自治州主要的農(nóng)業(yè)種植區(qū)，近年來受氣候變化影響區(qū)域內(nèi)氣候?yàn)?zāi)害頻發(fā)且持續(xù)時(shí)間長、水資源供需矛盾十分突出。在氣候變化和人類活動(dòng)影響下，分析研究區(qū)ET0對(duì)氣候變化的響應(yīng)及其時(shí)空演變特征對(duì)于深入認(rèn)識(shí)區(qū)域生態(tài)水文過程、水資源優(yōu)化管理以及灌溉制度科學(xué)制定具有重要意義。目前，還未有研究對(duì)車爾臣河流域未來不同氣候情景下ET0進(jìn)行分析。本文基于1961-2013年逐日氣象資料，利用Penman-Monteith公式、Had CM3輸出和SDSM，預(yù)測A2、B2情景下未來2014-2099年的ET0變化特征，以期為車爾臣河流域節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展和水資源優(yōu)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

車爾臣河位于新疆塔里木盆地東南緣，巴音郭楞蒙古自治州且末縣與若羌縣境內(nèi)。河流出山口(大石門水庫處)多年平均徑流量7.96億m3。截止到2013年年底，流域內(nèi)共有耕地6.4 萬hm2，總?cè)丝?6.5萬人，流域內(nèi)GDP總值85.15億元，其中第一產(chǎn)業(yè)增加值28.38億元，第二產(chǎn)業(yè)增加值43.42億元，第三產(chǎn)業(yè)增加值13.35億元。流域氣候干燥，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，風(fēng)沙頻繁，為典型的干旱區(qū)大陸性氣候。近年來嚴(yán)重的季節(jié)性干旱與工程性缺水并存，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全、水安全及生態(tài)環(huán)境安全造成了嚴(yán)重影響。

本研究所用氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，包括且末氣象站1961-2013年逐日最高氣溫(Tmax)、最低氣溫(Tmin)、2 m處風(fēng)速(u2，采用FAO推薦的風(fēng)廓線關(guān)系由10 m處風(fēng)速換算得到)、日照時(shí)數(shù)(n)和相對(duì)濕度(Relative Humidity，RH)等數(shù)據(jù)。

IPCC列出的SRES(Special Report on Emission Scenarios)系列情景中A2、B2情景分別對(duì)應(yīng)高、低排放情景。A2情景描述了世界發(fā)展極其不均衡、自給自足和地方保護(hù)主義、人口持續(xù)增長、經(jīng)濟(jì)增長速度較慢的高排放情景；B2情景描述了經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平中等、技術(shù)變化速度較慢且多樣化、側(cè)重地方和區(qū)域發(fā)展、全球人口增加速度低于A2的低排放情景。這2種情景分別代表了最常見和合理的情景，是近年來氣候預(yù)測中應(yīng)用最廣泛的，且在中國適用性較好，數(shù)據(jù)獲取容易，因此本文選擇Had CM3輸出的A2、B2情景進(jìn)行ET0的預(yù)測。

1.2 研究方法

(1)ET0計(jì)算方法。利用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的FAO-56 Penman-Monteith(P-M)公式計(jì)算ET0，其基于能量平衡和空氣動(dòng)力學(xué)原理建立，具有較高計(jì)算精度，公式如下：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/d；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率，kPa/℃；T為環(huán)境平均溫度，℃；Rn為作物冠層表面凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)，逐日計(jì)算時(shí)G=0；γ為溫度表常數(shù)，kPa/℃；u為2 m高處的風(fēng)速，m/s；es為空氣飽和水氣壓，kPa；ea為空氣實(shí)際水氣壓，kPa。

(2)統(tǒng)計(jì)降尺度模型。IPCC第4次評(píng)估報(bào)告指出，GCMs能夠準(zhǔn)確地預(yù)估未來氣候變化，但在應(yīng)用其進(jìn)行區(qū)域氣候預(yù)測時(shí)，必須充分應(yīng)用降尺度技術(shù)來解決空間尺度不匹配的問題。本文采用的統(tǒng)計(jì)降尺度技術(shù)(SDSM模型)，主要步驟包括：①將1961-2001年劃分為率定期(1961-1990年)和驗(yàn)證期(1991-2000年)2個(gè)階段，利用率定期數(shù)據(jù)建立ET0與26個(gè)預(yù)報(bào)因子間的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系，即對(duì)多元回歸方程的參數(shù)進(jìn)行確定；②利用驗(yàn)證期數(shù)據(jù)對(duì)建立的SDSM模型適用性進(jìn)行驗(yàn)證；③由Had CM3模式A2、B2情景輸出的26個(gè)預(yù)報(bào)因子值，根據(jù)確定好的SDSM模型生成2種情景下2014-2099年的ET0日序列。

2 結(jié)果與分析

2.1 統(tǒng)計(jì)降尺度模型應(yīng)用

本文應(yīng)用SDSM對(duì)新疆車爾臣河流域ET0進(jìn)行預(yù)測，選擇ET0為預(yù)報(bào)量，通過SDSM中的篩選變量、季節(jié)相關(guān)分析、偏相關(guān)分析和散點(diǎn)圖等確定預(yù)報(bào)因子。根據(jù)且末氣象站ET0和預(yù)報(bào)因子之間的偏相關(guān)分析，選擇相關(guān)性通過0.05顯著性檢驗(yàn)的預(yù)報(bào)因子，即500 hPa高度場經(jīng)向風(fēng)速、850 hPa高度場渦度、500 hPa高度場相對(duì)濕度、850 hPa高度場相對(duì)濕度、地表相對(duì)濕度、地表平均比濕7個(gè)預(yù)報(bào)因子作為未來且末站ET0的預(yù)報(bào)因子構(gòu)建SDSM。

表1為且末氣象站ET0降尺度預(yù)測值與P-M公式計(jì)算值對(duì)比情況，可知在率定期和驗(yàn)證期SDSM預(yù)測ET0和實(shí)際計(jì)算ET0間的相關(guān)系數(shù)r分別為0.958和0.929，均到極顯著水平(P<0.01)，模型均方根誤差RMSE分別為0.564與0.583 mm，模型Nash-Sutcliffe效率指數(shù)E分別為0.885與0.867(Nash-Sutcliffe效率指數(shù)E取值為負(fù)無窮至1，E接近1，表示模型可信度高；反之，則表示模型不可信)，表明模型模擬值與實(shí)際值較為一致，模擬效果較好，可以使用SDSM預(yù)測ET0序列。

表1 率定期和驗(yàn)證期SDSM預(yù)測ET0效果對(duì)比

2.2 ET0變化趨勢分析

2.2.1 ET0年內(nèi)變化

表2為A2情景下新疆車爾臣河流域ET0年內(nèi)變化趨勢。表2顯示，A2情景下2011-2040、2041-2070和2071-2099年ET0年內(nèi)的變化趨勢較為一致，均呈開口向下的二次拋物線狀，基準(zhǔn)期(1961-2010年)ET0在7月達(dá)到最大(122.4 mm/d)、12月最小(28.8 mm/d)，而2011-2040、2041-2070和2071-2099年的ET0在8月達(dá)到最大(分別為154.8、138和134.4 mm/d)、1月最小(分別為31.2、30和31.2 mm/d)。A2情景下未來3個(gè)不同時(shí)期ET0月均值均呈現(xiàn)2071-2099年>2041-2070年>2011-2040年>基準(zhǔn)期的趨勢，即A2情景下未來ET0月均值呈現(xiàn)增大趨勢。

表2 ET0年內(nèi)變化趨勢(A2情景) mm/d

表3 ET0年內(nèi)變化趨勢(B2情景) mm/d

表3為B2情景下新疆車爾臣河流域ET0年內(nèi)變化趨勢。B2情景下，3個(gè)時(shí)期ET0年內(nèi)也呈開口向下的二次拋物線趨勢，2011-2040年ET0在8月最大(110.9 mm/d)、12月最小(22 mm/d)，而2041-2070和2071-2099年ET0同樣在8月達(dá)到最大(分別為127和113.9 mm/d)；B2情景下ET0月均值呈現(xiàn)2071-2099年>2041-2070年>2011-2040年>基準(zhǔn)期的趨勢。

2.2.2 ET0年際變化

表4為A2情景下新疆車爾臣河流域ET0年際變化趨勢。由表4可知，基準(zhǔn)期內(nèi)ET0整體呈明顯減小趨勢，基準(zhǔn)期ET0減幅為-0.57 mm/a，通過了顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。A2情景下，研究區(qū)2011-2040、2041-2070和2071-2099年的ET0傾向率分別為0.91、1.75和1.33 mm/a，即A2情景下2041-2070年的ET0增幅最大、2071-2099年次之、2011-2040年相對(duì)最小，同時(shí)，A2情景下2011-2040、2041-2070和2071-2099年的ET0增大趨勢均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

表4 ET0年際變化趨勢(A2情景)

表5為B2情景下新疆車爾臣河流域ET0年際變化趨勢。可知，基準(zhǔn)期內(nèi)ET0整體呈明顯減小趨勢，基準(zhǔn)期ET0減幅為-0.61 mm/a，通過了顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。B2情景下，研究區(qū)2011-2040、2041-2070和2071-2099年的ET0傾向率分別為1.12、1.96和0.61 mm/a，即B2情景下2041-2070年的ET0增幅最大，2011-2040年次之，2071-2099年相對(duì)最小。同時(shí)，B2情景下2011-2040、2041-2070和2071-2099年的ET0增大趨勢均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

表5 ET0年際變化趨勢(B2情景)

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)近50 a(1961-2010年)車爾臣河流域ET0整體呈減小趨勢。在研究區(qū)氣溫升高的背景下，ET0的減小表明車爾臣河流域同樣存在“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象。雖然ET0主要受氣候因素影響，但地形、地貌以及人類活動(dòng)等因素可通過影響區(qū)域內(nèi)局部小氣候而間接影響區(qū)域ET0。車爾臣河流域地處塔里木盆地東南邊緣，海拔相對(duì)較高，地形、地貌與塔里木盆地內(nèi)的平原區(qū)差別較大，這些都可能是影響ET0差異的重要因素。本文研究結(jié)果與全國大部分地區(qū)一樣，未來A2、B2情景下車爾臣河流域ET0均呈不同程度的增長趨勢。李毅等[16]在新疆地區(qū)預(yù)測棉花和甜菜需水量(ETc)時(shí)發(fā)現(xiàn)ET0與地表平均氣溫間相關(guān)性較強(qiáng)，本文也表明且末氣象站ET0與地表平均氣溫間相關(guān)性較強(qiáng)。蒸散過程中能量供給主要源于輻射和氣溫，而未來輻射和氣溫均呈明顯增大的趨勢，因此這可能是2種情景下ET0增大的主要原因，而SRES排放情景中A2情景增溫更明顯，CO2濃度更高，在溫室氣體和氣溫的反饋?zhàn)饔孟?，?dǎo)致A2情景下ET0增幅更大。未來車爾臣河流域ET0的明顯增大說明區(qū)域蒸散加快，水資源短缺進(jìn)一步加劇，因而未來研究區(qū)可能出現(xiàn)更為嚴(yán)重的季節(jié)性干旱。

4 結(jié) 語

(1)A2(高溫室氣體排放)、B2(低溫室氣體排放)情景下，車爾臣河流域1961-2010年參考作物蒸散量(ET0)整體均呈減小趨勢，傾向率分別為為-0.57與-0.61 mm/a，且均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

(2)A2(高溫室氣體排放)、B2(低溫室氣體排放)情景下，未來2011-2040、2041-2070和2071-2099年這3個(gè)時(shí)期車爾臣河流域ET0均呈現(xiàn)不同程度的增大趨勢。A2情景下年均ET0傾向率分別為0.91、1.75和1.33 mm/a；B2情景下傾向率分別為1.12、1.96和0.61 mm/a。

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