中國(guó)西北地區(qū)參考作物蒸散量的估算與變化特征

汪　彪，曾新民，劉正奇，周霄林，所靖東

(1.中國(guó)人民解放軍海軍南海艦隊(duì)海洋水文氣象中心，廣東　湛江　524001；2.中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇　南京　211101；3.教育部中尺度災(zāi)害性天氣重點(diǎn)試驗(yàn)室，南京大學(xué)，江蘇　南京　210093；4.中國(guó)人民解放軍61741部隊(duì)氣象中心，北京　100081；5.中國(guó)人民解放軍92872部隊(duì)，遼寧　綏中　125200)

?

中國(guó)西北地區(qū)參考作物蒸散量的估算與變化特征

汪彪1,2,3，曾新民2,3，劉正奇1，周霄林4，所靖東5

(1.中國(guó)人民解放軍海軍南海艦隊(duì)海洋水文氣象中心，廣東湛江524001；2.中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京211101；3.教育部中尺度災(zāi)害性天氣重點(diǎn)試驗(yàn)室，南京大學(xué)，江蘇南京210093；4.中國(guó)人民解放軍61741部隊(duì)氣象中心，北京100081；5.中國(guó)人民解放軍92872部隊(duì)，遼寧綏中125200)

摘要：基于中國(guó)西北地區(qū)42個(gè)氣象站1956～2011年逐日氣象觀測(cè)資料，采用Penman-Monteith公式，估算該地區(qū)的參考作物蒸散量(ET0)，分析西北地區(qū)ET0的時(shí)空變化特征，并利用Mann-Kendall檢驗(yàn)、小波分析和多元線性回歸分析等方法分別對(duì)ET0進(jìn)行突變檢驗(yàn)、周期變化和主要影響因子分析研究。結(jié)果表明：(1)西北地區(qū)ET0存在明顯的月和季節(jié)變化，ET0自夏季、春季、秋季和冬季依次減少；(2)近56 a來，西北地區(qū)年均ET0呈明顯減少趨勢(shì)，且存在一定的季節(jié)性差異，春、夏、秋季ET0均呈顯著減小趨勢(shì)，且夏季減少率最大，而冬季則呈平緩的增加趨勢(shì)；(3)ET0減小幅度最大的地區(qū)位于哈密—和田的東北—西南向一帶；(4)1956～2011年，春、夏、秋、冬季及全年平均ET0分別在1984、1986、1981、1995與1980年前后發(fā)生了一次減小的突變，且年均ET0存在2～3 a顯著震蕩周期和準(zhǔn)6 a的震蕩周期；(5)ET0與2 m風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)呈顯著正相關(guān)，而與相對(duì)濕度和平均氣溫呈負(fù)相關(guān)，其中與平均氣溫的相關(guān)性較弱，可見平均氣溫、相對(duì)濕度的升高與日照時(shí)數(shù)、2 m風(fēng)速的下降導(dǎo)致西北地區(qū)ET0的減小，同時(shí)考慮日照時(shí)數(shù)、平均氣溫、風(fēng)速和相對(duì)濕度4個(gè)氣象因子的多元線性回歸方程的均方根誤差最小，表明西北地區(qū)ET0的變化是上述多種氣象因子綜合作用的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：氣候變化；Penman-Monteith公式；參考作物蒸散量；西北地區(qū)

引言

近年來，由于自然和人類活動(dòng)的干擾，大氣污染物和溫室氣體濃度的擴(kuò)散加快了氣候變化的速度。蒸散發(fā)作為生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)與水量平衡的重要組成部分，直接影響著地表能量平衡和水量平衡[1]。氣候變化對(duì)水循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)都有影響，除通過降水和氣溫的變化影響流域徑流的時(shí)空變化外，還通過不同方式對(duì)蒸散發(fā)能力產(chǎn)生影響[2]。開展蒸散發(fā)的時(shí)空變化及其影響因子研究，不僅對(duì)深入了解氣候變化規(guī)律和探討氣候變化成因有重要意義，也對(duì)區(qū)域社會(huì)人與自然和諧發(fā)展具有重要作用。

潛在蒸發(fā)是表征大氣蒸發(fā)能力的一個(gè)量度，反映大氣控制充分濕潤(rùn)下墊面蒸發(fā)過程的能力，是評(píng)價(jià)氣候干濕程度、水庫(kù)設(shè)計(jì)、作物耗水和作物生產(chǎn)潛力的重要指標(biāo)，通常基于氣象要素計(jì)算獲得[3]。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO：Food and Agriculture Organization of the United Nations)在1990年代將Penman-Monteith(P-M)公式確定為計(jì)算參考作物蒸散量(ET0：Reference Crop Evapotranspiration)的標(biāo)準(zhǔn)方法[4]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從不同區(qū)域、不同對(duì)象、不同角度開展了ET0氣候變化及其成因等方面的研究[5-19]，得到許多有意義的結(jié)論。

我國(guó)西北地區(qū)氣候較為干旱，大部分地區(qū)降水稀少，且沙塵暴頻發(fā)[20-21]，ET0對(duì)該地區(qū)氣候變化具有重要影響。ET0通過控制區(qū)域能量和水分平衡，直接影響氣候中最為關(guān)注的降水和氣溫變化，進(jìn)而對(duì)氣候變化產(chǎn)生重要影響。因此，有必要對(duì)西北地區(qū)ET0的變化特征及其影響因子做進(jìn)一步研究分析。本文利用P-M公式開展西北地區(qū)ET0的估算和變化研究，探索該地區(qū)蒸發(fā)能力及其時(shí)空變化規(guī)律，以及ET0的突變、周期變化特征，進(jìn)一步探討影響西北地區(qū)ET0的主要?dú)庀笠蜃?，?duì)估算地表風(fēng)蝕作用、預(yù)測(cè)沙塵頻次具有重要意義，同時(shí)也有助于水資源的科學(xué)合理利用。

1資料和方法

1.1資料

選取中國(guó)西北地區(qū)42個(gè)氣象站1956～2011年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速等資料，并對(duì)資料進(jìn)行質(zhì)量控制，剔除個(gè)別異常數(shù)據(jù)，站點(diǎn)分布見圖1。該氣象資料來自中國(guó)國(guó)家氣象中心逐日觀測(cè)數(shù)據(jù)集。季節(jié)劃分：春季為3～5月，夏季為6～8月，秋季為9～11月，冬季為12月至翌年2月。

圖1　中國(guó)西北地區(qū)氣象站點(diǎn)空間分布

1.2研究方法

采用Penman-Monteith(P-M)公式、Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)、小波分析[22-25]和多元線性回歸分析[26]等方法對(duì)中國(guó)西北地區(qū)1956～2011年參考作物蒸散量進(jìn)行研究。下面重點(diǎn)介紹P-M公式計(jì)算方法。

P-M公式是FAO唯一推薦的ET0計(jì)算公式，具有較高的精度和較好的通用性，被世界各地廣泛使用，F(xiàn)AO于1998年修正了P-M模型[4]，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：ET0為P-M公式估算的參考作物蒸散量(mm·d-1)；Rn為參考作物表面冠層接受到的凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)；Ta為平均氣溫(℃)；U2為2 m高度處風(fēng)速(m/s)；γ為干濕常數(shù)(kPa/℃)；△為飽和水汽壓—溫度曲線的斜率(kPa/℃)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)。P-M公式由2項(xiàng)組成：一是由輻射平衡引起的蒸發(fā)，稱為輻射項(xiàng)；二是由空氣溫度、風(fēng)速和水汽壓差引起的蒸發(fā)，稱為動(dòng)力項(xiàng)。

2結(jié)果與分析

2.1西北地區(qū)ET0時(shí)間變化特征

2.1.1月和季節(jié)變化

圖2是中國(guó)西北地區(qū)平均ET0的月變化。可以看出，西北地區(qū)平均ET0的月變化呈現(xiàn)明顯的單峰型，1月開始ET0持續(xù)增大，至7月達(dá)到最大值，為163.8 mm，而后逐漸減小，12月最小，為19.0 mm。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，ET0自夏季(475.8 mm)、春季(331.2 mm)、秋季(198.8 mm)和冬季(72.3 mm)依次降低。

圖2　1956～2011年中國(guó)西北地區(qū)逐月平均ET0變化

2.1.2年變化

圖3為1956～2011年西北地區(qū)四季和全年平均ET0的年變化及趨勢(shì)(除冬季外，其它變化趨勢(shì)都通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn))。從春季ET0的年變化來看(圖3a)，ET0最大值出現(xiàn)在1974年(350.1 mm)，最小值出現(xiàn)在1996年(309.7 mm)，變化幅度為40.4 mm，平均值為331.2 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為10.8 mm；1956～2011年間春季ET0變化大致經(jīng)歷3個(gè)階段，1980年代以前ET0波動(dòng)變化，而后快速減少，至1990年代初降為最低，隨后開始波動(dòng)增加，但整體呈顯著減少趨勢(shì)，減少趨勢(shì)為-2.6 mm/10 a。夏季ET0的年變化特征與春季類似，表現(xiàn)出“先波動(dòng)、快速減少、后緩慢增加”的特征，只是1990年代以后ET0的增加幅度較春季小，但總體呈顯著減少趨勢(shì)，氣候傾向率為-7.2 mm/10 a(圖3b)。秋季ET0的年變化特征與春、夏季略有不同，差異主要表現(xiàn)在1960年代以前呈顯著減少趨勢(shì)，但整體仍呈顯著減少趨勢(shì)，氣候傾向率為-3.1 mm/10 a，介于春季和夏季之間(圖3c)。其中，最大值出現(xiàn)在1956年(223.5 mm)，最小值出現(xiàn)在1992年(182.0 mm)，變化幅度為41.5 mm，平均值為198.8 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為7.9 mm。冬季ET0的年變化特征與其他季節(jié)不同(圖3d)，1990年代以前波動(dòng)變化，之后出現(xiàn)短暫的減少，至1990年代中期開始逐漸增加，近56 a整體呈微弱增加趨勢(shì)，增加速率為0.2 mm/10 a，最大值出現(xiàn)在2010年，為82.5 mm，最小值出現(xiàn)在1964年，為63.9 mm，平均值為72.3 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為4.3 mm，冬季ET0變化幅度最小。從全年ET0變化趨勢(shì)來看(圖3e)，近56 a整體呈顯著減少趨勢(shì)，階段性變化特征與春、夏季較相似。其中，年平均ET0最大值出現(xiàn)在1956年(1 146.1 mm)，最小值出現(xiàn)在1992年(1 005.5 mm)，變化幅度達(dá)89.6 mm，平均值為1 069 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為32.4 mm。

圖3　1956～2011年西北地區(qū)四季(a、b、c、d)和年(e)平均ET0的年變化

綜上所述，近56 a來西北地區(qū)ET0呈明顯減少趨勢(shì)，但存在一定的季節(jié)性差異，其中春、夏、秋季ET0呈顯著減少趨勢(shì)，這與劉健[27]、朱國(guó)峰[28]和張瑞鋼[29]等研究得出ET0在近幾十年來逐年減小的結(jié)論一致。但冬季ET0則呈微弱的增加趨勢(shì)。

2.1.3年代際變化

表1給出1956～2009年西北地區(qū)四季和年平均ET0的年代際變化?？芍?、夏、秋季ET0的年代際變化趨勢(shì)與全年較為一致，1990年代以前呈下降趨勢(shì)，1990年代以后呈明顯上升趨勢(shì)；而冬季ET0年代際變化與其他季節(jié)明顯不同，盡管1990年代前呈小幅度下降趨勢(shì)，多數(shù)年際變化為負(fù)距平，但之后上升較為明顯?？偟膩碚f，近56 a西北地區(qū)ET0的年代際變化呈先減后增的特征，年代際轉(zhuǎn)換時(shí)間在1990年代。

表1　1956～2009年西北地區(qū)各季和年平均ET0的年代際變化 (單位：mm)

2.2西北地區(qū)ET0的空間分布

我國(guó)西北地區(qū)幅員遼闊，地形地貌差異較大，ET0的空間分布存在明顯的區(qū)域性特征。由圖4西北地區(qū)42個(gè)氣象站四季、年平均ET0的空間分布看出，春季ET0高值區(qū)集中在新疆中部地區(qū)，最大值為474.1 mm，低值區(qū)集中在青海南部地區(qū)，最小值為168.5 mm；除青海南部外，其余地區(qū)夏季ET0均較高，多數(shù)在350.0 mm以上，最大值為700.0 mm；秋季ET0普遍較小，多數(shù)站點(diǎn)在200.0 mm以下，其分布呈現(xiàn)中部高、四周低的特征(最大值為277. 3 mm，最小值為143.5 mm)；冬季ET0值為四季最低，其分布與春季、夏季和秋季略有不同，呈現(xiàn)南高北低的特征，南部最高值為114.8 mm，北部最低值為15.5 mm。年平均ET0的空間分布呈現(xiàn)中部高、南北低的特征，ET0的高值主要分布在哈密—和田的東北—西南向一帶，主要是由于該地帶屬溫帶大陸性干旱氣候，春季多風(fēng)，夏季酷熱，秋季晴朗，晴天多，年蒸發(fā)量較大。綜上所述，春、夏、秋季同全年ET0的分布形態(tài)較相似，ET0均在西北地區(qū)中部最高，且高值區(qū)基本呈東北—西南向分布。

另外，從ET0的變化趨勢(shì)來看，西北地區(qū)各站點(diǎn)不同季節(jié)的變化率差異較大。就春季而言，甘肅中部以西、青海中部以北大部地區(qū)ET0呈減小趨勢(shì)，最大變率為-23.9 mm/10 a，其他區(qū)域呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，最大變率為7.0 mm/10 a，其中減少的站點(diǎn)遠(yuǎn)多于增大的站點(diǎn)，且95%的站點(diǎn)通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，未通過顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)主要分布在西北地區(qū)南部。夏季，除青海南部、甘肅南部、寧夏和陜西北部ET0呈現(xiàn)增加趨勢(shì)外(最大變率為5.3 mm/10 a)，其余大部分站點(diǎn)的變化率都為負(fù)值，最大變率為-34.9 mm/10 a，其中未通過顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)主要集中在西北地區(qū)東南部。秋季ET0變化率的分布形式類似夏季，90%的站點(diǎn)通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，未通過顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)也主要分布在南部地區(qū)。冬季ET0減少的站點(diǎn)主要分布在新疆中部和西北部以及甘肅西部，而大多站點(diǎn)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(最大正變率為4.1 mm/10 a，最大負(fù)變率為-4.1 mm/10 a)，其中42個(gè)站點(diǎn)中93%的站點(diǎn)通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，未通過顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)主要分布在西部地區(qū)。就全年而言，甘肅中部以西和青海南部以北以及新疆大多站點(diǎn)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)(最大變率為-76 mm/10 a)，甘肅中部以東和青海南部呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(最大變率為16.9 mm/10 a)?？傮w來看，西北地區(qū)ET0除冬季略有增加外，春、夏、秋季和全年的ET0都呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。研究表明[30]，在區(qū)域變暖的大背景下，由于綠洲的“冷島效應(yīng)”，夏季氣溫呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，相對(duì)濕度明顯上升，從而造成綠洲站點(diǎn)夏季ET0快速減少。

2.3M-K檢驗(yàn)

圖5是1956～2011年西北地區(qū)ET0標(biāo)準(zhǔn)化處理后的季、年平均M-K突變檢驗(yàn)。其中，UF為ET0的正序列曲線，UB為逆序列曲線，并給定顯著性水平α=0.05的臨界線u0.05=±1.96。就全年而言，曲線UF和UB在1980年左右相交于2條臨界曲線之間，隨后UF曲線超出臨界線，表明西北地區(qū)年均ET0自1980年代開始減少，至1980年代中期以后呈顯著減少趨勢(shì)，在1980年左右發(fā)生一次顯著減少突變。春、秋季ET0的M-K檢驗(yàn)特征與全年的相似，UF和UB曲線分別在1984年、1981年左右相交于2條臨界線之間，隨后UF曲線均超出臨界線，表明春、秋季ET0自1980年代以后顯著減少，突變時(shí)間分別為1984年和1981年。夏季ET0的M-K檢驗(yàn)與春、秋季略有不同，夏季ET0在1970年代后期持續(xù)減少，至1980年代中期以后呈顯著減少趨勢(shì)，但UF和UB曲線在u0.01=±2.56 2條臨界線內(nèi)有交點(diǎn)，說明夏季ET0在1986年發(fā)生減少突變。冬季，UF和UB曲線在1990年代中期以后在2條臨界線內(nèi)存在多個(gè)交點(diǎn)，但UF曲線未超出臨界線，表明冬季ET0在1990年代中期發(fā)生減少的突變，并在2000年代以后表現(xiàn)為略微增加趨勢(shì)，其中突變點(diǎn)在1995年。

圖4　1956～2011年西北地區(qū)ET0的空間分布(左，單位:mm)及變化率(右，單位:mm/10 a)

圖5　1956～2011年西北地區(qū)四季和年平均ET0的M-K突變檢驗(yàn)

2.4小波分析

對(duì)西北地區(qū)1956～2011年年均ET0時(shí)間序列進(jìn)行Morlet小波分析，以考察不同時(shí)間尺度的周期變化特征。圖6是西北地區(qū)1956～2011年ET0年均值序列的Morlet小波功率譜，其中，黑色粗實(shí)線所圍部分為置信度95%的紅噪聲檢驗(yàn)，虛線為影響錐(COI: Cone of Influence)，COI以下區(qū)域表示受邊際效應(yīng)影響功率譜減小；藍(lán)色等值線為負(fù)值，表示要素值偏低；綠至紅色等值線為正值，表示要素值偏高；等值線中心對(duì)應(yīng)突變點(diǎn)。

由圖6可知，西北地區(qū)年均ET0存在多重時(shí)間周期尺度的嵌套復(fù)雜結(jié)構(gòu)。年均ET0存在2～3 a的顯著性震蕩周期和6 a的準(zhǔn)周期震蕩，其中2～3 a的顯著周期震蕩分別在1960年代和1980～2000年代初期較顯著；6 a的準(zhǔn)周期震蕩分別出現(xiàn)在1960年代后期到1970年代前期、1970年代后期到1980年代初期和1980年代中期到2000年代初期。值得注意的是，超過28 a的分析中，等值線幾乎全為紅色，且沒有閉合中心，這主要由于ET0的時(shí)間序列僅有56 a，超過28 a的周期無法明顯地表示出來。

圖6　1956～2011年西北地區(qū)年均

2.5ET0的影響因子分析

2.5.1相關(guān)性分析

由P-M公式可知，與ET0相關(guān)的氣象要素有平均氣溫T、日照時(shí)數(shù)SD、相對(duì)濕度RH、2 m風(fēng)速U2等。為進(jìn)一步探討各氣象因子與ET0的關(guān)系，對(duì)西北地區(qū)1956～2011年年均ET0與各氣象因子做相關(guān)性分析(表2)。發(fā)現(xiàn)，平均氣溫與ET0有微弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明年均ET0的減少與平均氣溫的升高無顯著相關(guān)關(guān)系，這與謝賢群等[12]關(guān)于中國(guó)北方近50 a年均ET0與平均氣溫的相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)論一致；2 m風(fēng)速與ET0之間呈顯著正相關(guān)(通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn))，相關(guān)系數(shù)為0.81，表明風(fēng)速減小將引起ET0顯著減??；日照時(shí)數(shù)對(duì)ET0的影響是通過影響太陽(yáng)輻射進(jìn)而間接地影響蒸散發(fā)過程的能量供給條件，最終對(duì)ET0產(chǎn)生影響。一般來說，日照時(shí)數(shù)越長(zhǎng)，太陽(yáng)凈輻射量越大，蒸散過程的能量供給越充分，ET0也隨之加大，反之，日照時(shí)數(shù)越短，太陽(yáng)凈輻射量越小，蒸散過程的能量供給越缺乏，ET0也隨之減小[31]。ET0與日照時(shí)數(shù)之間呈顯著正相關(guān)，二者的相關(guān)系數(shù)為0.66。相對(duì)濕度是影響蒸散發(fā)過程中水汽轉(zhuǎn)移條件的主要因子，相對(duì)濕度和水汽壓的上升，使得空氣飽和度增加，蒸散量相應(yīng)的減少。這進(jìn)一步說明相對(duì)濕度作為水汽因子之一，對(duì)ET0的影響也十分重要。

另外，對(duì)1956～2011年間西北地區(qū)平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、2 m風(fēng)速進(jìn)行趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)，近56 a來西北地區(qū)平均氣溫呈顯著升高趨勢(shì)，而日照時(shí)數(shù)、2 m風(fēng)速、相對(duì)濕度整體呈下降趨勢(shì)，其中相對(duì)濕度下降趨勢(shì)不顯著(圖略)。可見，近56 a日照時(shí)數(shù)的縮短、2 m風(fēng)速的減小是引起該地區(qū)ET0減少的主要原因。

表2　西北地區(qū)1956～2011年年均

注：*表示通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)

2.5.2多元回歸分析

為進(jìn)一步分析和探討各氣象因子對(duì)ET0的影響程度，針對(duì)各氣象因子和ET0進(jìn)行多元回歸分析，表3給出各氣象因子組合與ET0之間多元線性回歸方程的均方根誤差(RMSE)。其中各因子組合為A(T，SD)，B(SD，U2)，C(SD，RH)，D(T，U2)，E(T，RH)，F(xiàn)(U2，RH)，G(SD，T，U2)，H(SD，T，RH)，I(SD，U2，RH)，J(T，U2，RH)，K(T，U2，SD，RH)。

從表3可以看出，同時(shí)考慮SD、T、U2和RH4個(gè)因子的多元回歸方程的均方根誤差(RMSE)最小(14.3 mm)，從而得到西北地區(qū)ET0的多元線性回歸方程為：

ET0=1 016.8+8.6 SD+7.9 T

(2)

綜合來看，1956～2011年西北地區(qū)ET0的變化是多種氣象因子綜合作用的結(jié)果。

表3　各氣象因子組合與ET0的多元回歸分析的均方根誤差(單位：mm)

3結(jié)論

(1)1956～2011年西北地區(qū)ET0的年均值在1 005.5～1 146.1 mm之間，存在明顯的月和季節(jié)變化，7月最大，12月最小，夏季最大，冬季最小。

(2)近56 a來，西北地區(qū)年均ET0呈現(xiàn)明顯減少趨勢(shì)，變化率為-12.8 mm/10 a，且存在一定的季節(jié)性差異，春、夏、秋季ET0均呈顯著減少趨勢(shì)，冬季ET0則呈微弱的增加趨勢(shì)，其中夏季減少幅度最大。

(3)近56 a來，西北地區(qū)年和四季平均ET0變化趨勢(shì)的空間分布不盡一致，42個(gè)站點(diǎn)各季節(jié)的變化趨勢(shì)都有增有減，其中春、夏、秋季及全年減少趨勢(shì)的站點(diǎn)多于增加趨勢(shì)的站點(diǎn)，且減少幅度最大的地區(qū)均分布在哈密—和田東北—西南向一帶，而冬季則相反，增加的站點(diǎn)多于減少的站點(diǎn)。

(4)M-K突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1956～2011年西北地區(qū)春、夏、秋季和全年平均ET0均在1980年代中期發(fā)生了一次顯著減少的突變，突變時(shí)間分別為1984年、1986年、1981年和1980年，而冬季ET0在1990年代初期發(fā)生了一次減少突變，并在2000年代以后表現(xiàn)為微弱增加趨勢(shì)，突變時(shí)間為1995年。

(5)通過小波分析發(fā)現(xiàn)，1956～2011年西北地區(qū)年均ET0存在2～3 a顯著震蕩周期和準(zhǔn)6 a的震蕩周期。

(6)相關(guān)性分析顯示，ET0與2 m風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)均呈顯著正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)，而與平均氣溫相關(guān)性不明顯。同時(shí)考慮T、U2、SD和RH4個(gè)因子的多元線性回歸方程均方根誤差最小，說明ET0的變化是多種氣象因子綜合作用的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉小莽,鄭紅星,劉昌明,等. 海河流域潛在蒸散發(fā)的氣候敏感性分析[J]. 資源科學(xué),2009,31(9):1470-1476.

[2] Kundzewicz Z W, Somlyody L. Climatic change impact on water resources in a systems perspective[J]. Water Resources Management, 1997,11(6):407-435.

[3] Liu C M, Zhang D, Liu X M, et al. Spatial and temporal change in the potential evapotranspiration sensitivity to meteorological factors in China (1960-2007)[J]. Journal of Geographical Sciences, 2012,22(1):3-14.

[4] Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop evapotranspiration: Guidelines for computing crop water requirements[M]. Rome:FAO. Irrigation and Drainage Paper, 1998.

[5] Chen S B, Liu Y F, Axel Thomas. Climatic change on the Tibetan plateau: evapotranspiration trends from 1961-2000[J]. Climatic Change, 2006,76(3):291-319.

[6] Gong L B, Xu C Y, Chen D L. Sensitivity of the Penman-Monteith reference evapotranspiration to key climatic variables in the Changjiang (Yangtze River) basin[J]. Journal of Hydrology, 2006,329(3):620-629.

[7] Wang Y, Jiang T, Bothe O, et al. Changes of pan evaporation and reference evapotranspiration in the Yangtze River basin[J]. Theor Appl Climatol, 2006,90(1):13-23.

[8] Yin Y H, Wu S H, Chen G, et al. Attribution analyses of potential evapotranspiration changes in China since the 1960s[J]. Theor Appl Climatol, 2010,101(1):19-28.

[9] Zhang Q, Xu C Y, Chen X H. Reference evapotranspiration changes in China:natural processes or human influences[J]. Theor Appl Climatol, 2011,103(3):479-488.

[10] Fan Z X, Axel Thomas. Spatiotemporal variability of reference evapotranspiration and its contributing climatic factors in Yunnan Province, SW China, 1961-2004[J]. Climatic Change, 2013,116(2):309-325.

[11] 高歌,陳德亮,任國(guó)玉,等. 1956-2000年中國(guó)潛在蒸散量變化趨勢(shì)[J]. 地理研究,2006,25(3):378-387.

[12] 謝賢群,王菱. 中國(guó)北方近50年潛在蒸發(fā)的變化[J]. 自然資源學(xué)報(bào),2007,22(5):683-691.

[13] 王幼奇,樊軍,邵明安,等. 黃土高原地區(qū)近50年參考作物蒸散量變化特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(9):6-10.

[14] 安月改,李元華. 河北省近50年蒸發(fā)量氣候變化特征[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境,2005,19(4):159-162.

[15] 段永紅,陶澍,李本綱. 北京市參考作物蒸散量的時(shí)空分布特征[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2004,25(2):22-25.

[16] 劉園,王穎. 華北平原參考作物蒸散量變化特征及氣候影響因素[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào),2010,30(4):923-932.

[17] 韓松俊,胡和平,楊大文,等. 塔里木河流域山區(qū)和綠洲潛在蒸散發(fā)的不同變化及影響因素[J]. 中國(guó)科學(xué):E輯,2009,39(8):1375-1383.

[18] 孫小舟,封志明,楊艷昭. 西遼河流域1952年-2007年參考作物蒸散量的變化趨勢(shì)[J]. 資源科學(xué),2009,31(3):479-484.

[19] 張方敏,申雙和. 我國(guó)參考作物蒸散的空間分布和時(shí)間趨勢(shì)[J]. 南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2007,30(5):705-709.

[20] 趙景波,杜娟,黃春長(zhǎng). 沙塵暴發(fā)生的條件和影響因素[J]. 干旱區(qū)研究,2002,19(1):58-62.

[21] 石廣玉,趙思雄. 沙塵暴研究中的若干科學(xué)問題[J]. 大氣科學(xué),2003,27(4):591-606.

[22] 李春強(qiáng),杜毅光,李保國(guó). 1965-2005年河北省降水量變化的小波分析[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展,2010,29(11):1340-1344.

[23] 陳志芳. 佛山降水變化的小波分析[J]. 氣象科技,2002,30(4):214-217.

[24] Marie Farge. Wavelet transforms and their applications to turbulence[J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 1992,24:395-457.

[25] Christopher Torrence, Gilbert P Compo. A practical guide to wavelet analysis[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 1998,79:61-78.

[26] 薛微. SPSS統(tǒng)計(jì)分析方法與應(yīng)用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[27] 劉健,曹升樂,翟建青,等. 近50年山東省蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢(shì)及影響因素分析[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2010,40(6):129-133.

[28] 朱國(guó)鋒,何元慶,蒲燾,等. 1960-2009年橫斷山區(qū)潛在蒸發(fā)量時(shí)空變化[J]. 地理學(xué)報(bào),2011,66(7):905-916.

[29] 張瑞鋼,莫興國(guó),林忠輝. 滹沱河上游山區(qū)近50年蒸散變化及主要影響因子分析[J]. 地理科學(xué),2012,32(5):628-634.

[30] 沈永平,王國(guó)亞,張建崗,等. 人類活動(dòng)對(duì)阿克蘇綠洲氣候及水文環(huán)境的影響[J]. 干旱區(qū)地理,2008,31(4):524-534.

[31] 梁桂花,張小平,朱葉. 朔州市近50 a蒸發(fā)量變化特征及影響因子分析[J]. 干旱氣象,2009,27(2):123-126.

Estimation and Variation Characteristics of the Reference Crop Evapotranspiration in Northwest China During 1956-2011

WANG Biao1,2,3, ZENG Xinmin2,3, LIU Zhengqi1,ZHOU Xiaolin4, SUO Jingdong5

(1.MarineHydrologicalandMeteorologicalCenter,ChinaPeople’sLiberationArmyNavySouthSeaFleet,Zhanjiang524001,China；2.CollegeofMeteorologyandOceanography,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing211101,China；3.KeyLaboratoryforMesoscaleSevereWeatherofMinistryofEducation,NanjingUniversity,Nanjing210093,China；4.MeteorologicalCenterof61741ArmyofPLA,Beijing100081,China；5.The92872ArmyofPLA,Suizhong125200,China)

Abstract:Based on the daily meteorological data at 42 weather stations in Northwest China from 1956 to 2011, the reference crop evapotranspiration (ET0) was estimated by using Penman-Monteith (P-M) equation, and the temporal and spatial distributions of ET0 in Northwest China were analyzed. The mutation and period of ET0 during 1956-2011 were studied by using Mann-Kendall (M-K) test and Morlet wavelet analysis methods, and the correlation between ET0 and main meteorological factors was done by using the multivariable linear regression method. The results are as follows: (1) The monthly and seasonal changes of ET0 in Northwest China were obvious, the value of ET0 in July was the maximum, while that in December was the minimum, and that in summer, spring, autumn and winter decreased in turn. (2) In the past 56 years, the annual average ET0 in Northwest China reduced significantly, and the seasonal difference was significant, the trends of average ET0 in spring, summer and autumn decreased, and the decreasing rate in summer was the biggest, while the average ET0 in winter increased slowly. (3) The maximum ET0 was located in Kumul to Hotan area. (4) The decreasing mutation of ET0 in spring, summer, autumn and the whole year appeared in the early of the 1980s, and that occurred respectively in 1984, 1986, 1981, 1980, while that in winter mutated in 1995. The annual average ET0 in Northwest China during 1956-2011 had 2-3 years obvious periods and 6 years quasi-periods. (5) The ET0 were positive correlated with wind speed at 2 m and sunshine duration, while that was negative correlated with relative humidity and mean surface air temperature, and the correlation between the ET0 and air temperature was weak. Therefore, the rising of air temperature and relative humidity, and the decreasing of sunshine duration and wind speed caused the ET0 reducing in Northwest China during 1956-2011. The root mean square error considering the above four climatic factors was the minimum in all multitiple linear regression models. In general, the decreasing of ET0 was caused by the variation of four meteorological factors.

Key words:climate change; Penman-Monteith model; reference crop evapotranspiration; Northwest China

中圖分類號(hào)：P426.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7639(2016)-02-0243-09

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0243

作者簡(jiǎn)介：汪彪(1988- )，男，四川遂寧人，助理工程師，主要從事軍事氣象學(xué)、邊界層與陸面過程相關(guān)研究. E-mail: wangbiao-climate@foxmail.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41275012)資助

收稿日期：2015-05-26；改回日期：2015-11-06

汪彪，曾新民，劉正奇，等.中國(guó)西北地區(qū)參考作物蒸散量的估算與變化特征[J].干旱氣象，2016，34(2)：243-251, [WANG Biao, ZENG Xinmin, LIU Zhengqi, et al. Estimation and Variation Characteristics of the Reference Crop Evapotranspiration in Northwest China During 1956-2011[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(2):243-251], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0243