河西地區(qū)潛在蒸散發(fā)量變化及其敏感性分析

張彩霞, 花 婷, 郎麗麗

(1.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000; 2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101)

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河西地區(qū)潛在蒸散發(fā)量變化及其敏感性分析

張彩霞1, 花 婷1, 郎麗麗2

(1.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000; 2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101)

基于Penman-Monteith方程式計(jì)算了河西地區(qū)的潛在蒸散發(fā)量，應(yīng)用氣候傾斜率分析了主要?dú)夂蛞蜃拥淖兓厔?，并基于濕潤指?shù)對河西地區(qū)地表干濕狀況的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，基于情境假設(shè)法評估了潛在蒸散發(fā)量對各氣象因子的敏感性。結(jié)果表明：1975—2012年河西地區(qū)最高溫度和年均溫度顯著升高，而風(fēng)速顯著降低。隨著海拔的升高，降水量和濕潤指數(shù)均顯著增加，潛在蒸散發(fā)量顯著降低；平均風(fēng)速和日照時(shí)間與潛在蒸散發(fā)量正相關(guān)，而相對濕度和平均氣壓為負(fù)相關(guān)。河西地區(qū)平均溫度、平均風(fēng)速、日照時(shí)間、相對濕度和氣壓變化能夠引起潛在蒸散發(fā)量變化的百分比分別為41.1%，22.9%，19.1%，16.4%和0.5%。

潛在蒸散發(fā); 干旱; 濕潤指數(shù); 河西地區(qū)

區(qū)域粉塵釋放主要受到當(dāng)?shù)貧夂?大氣環(huán)流、溫度和降水等)、土壤條件(土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和表土含水量)和地面性質(zhì)(地表可蝕性和植被情況)等因素的共同制約[1]，區(qū)域氣候變化極大程度影響著區(qū)域粉塵釋放的強(qiáng)度[2]和過程[3]，因此研究區(qū)域氣候背景變化及其影響因素，對于準(zhǔn)確詮釋區(qū)域粉塵釋放機(jī)制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。潛在蒸散發(fā)是衡量區(qū)域水分充足條件下蒸散發(fā)能力的參數(shù)。由于潛在蒸散發(fā)受太陽輻射、風(fēng)速、相對濕度和氣溫等多因素的共同影響[5-6]，使其成為氣候變化研究的熱點(diǎn)參數(shù)。目前，基于多種尺度的潛在蒸散發(fā)對氣候變化響應(yīng)的研究已廣泛開展，如Thomas A.[7]指出1954—1993年中國的潛在蒸散發(fā)呈下降趨勢，Huo等[8]指出中國西北地區(qū)的潛在蒸散發(fā)量以年均3 mm的速度顯著降低。由于利用潛在蒸散發(fā)量和降水比值(即干燥度指數(shù))或其倒數(shù)(即濕潤指數(shù))能夠綜合反映區(qū)域地表干濕狀況，這兩種指數(shù)被廣泛應(yīng)用于區(qū)域干旱趨勢研究[9-13]和氣候區(qū)劃[14-16]相關(guān)的研究中。同時(shí)潛在蒸散發(fā)量的主要影響因素分析也廣泛開展，如Gong等[17]通過計(jì)算敏感系數(shù)指出影響長江流域潛在蒸散發(fā)的主要因素依次為相對濕度、太陽輻射、溫度和風(fēng)速。Fu and Feng[18]通過計(jì)算濕潤指數(shù)指出溫度和相對濕度能各自引起全球陸地潛在蒸散發(fā)量35%的變化，風(fēng)速變化可以引起15%，而輻射能量變化可以引起5%。劉昌明等[19]通過潛在蒸散發(fā)量敏感系數(shù)的計(jì)算指出全國范圍內(nèi)，潛在蒸散發(fā)對氣象因子的敏感性從大到小依次為水汽壓、最高氣溫、太陽輻射、風(fēng)速和最低氣溫。然而,目前對于影響河西地區(qū)潛在蒸散發(fā)的主要?dú)庀笠蜃拥亩吭u價(jià)尚未開展，各氣象因子變化對此區(qū)潛在蒸散發(fā)量的變化產(chǎn)生的影響并未得到有效的評估。本文基于Penman-Monteith方程式計(jì)算河西地區(qū)潛在蒸散發(fā)量，并基于情境假設(shè)法定量評估潛在蒸散發(fā)量的敏感性。

1　研究區(qū)概況

河西地區(qū)系指今甘肅的武威、張掖、酒泉等地，因位于黃河以西，自古稱為河西，又因其為夾在祁連山與合黎山之間的狹長地帶，亦稱河西走廊。此區(qū)位于青藏高原、騰格里沙漠和黃土高原的交匯地帶，是中亞粉塵釋放的主要源地之一。河西地區(qū)屬于典型的干旱氣候區(qū)，大部分地區(qū)多年平均降水量不足200 mm。在氣候變化和人類活動(dòng)的持續(xù)影響下，此區(qū)持續(xù)性的干旱事件增多，如1989—1990年連續(xù)2 a干旱，1995—1997年連續(xù)3 a干旱[4]。研究地表干濕狀況的時(shí)空變化有助于加深此區(qū)氣候變化認(rèn)識，掌握干旱發(fā)生發(fā)展規(guī)律，從而為防災(zāi)減災(zāi)和農(nóng)業(yè)水資源管理提供依據(jù)，也為此區(qū)粉塵釋放研究奠定氣候背景的理論基礎(chǔ)。

2　資料和方法

2.1潛在蒸散發(fā)量的計(jì)算

潛在蒸散發(fā)的計(jì)算采用了FAO-56 Penman-Monteith方程式[20]。由于該公式依據(jù)能量平衡原理和水汽紊流擴(kuò)散原理，綜合考慮溫度、日照時(shí)數(shù)、相對濕度和風(fēng)速等氣象因子對蒸散發(fā)的影響，在不同區(qū)域尺度的潛在蒸散發(fā)估算中被廣泛應(yīng)用[21-22]。

(1) 式中：ET0為潛在蒸散發(fā)(mm/mon)；Δ為飽和蒸汽壓表示溫度曲線的梯度(kPa/℃)；Rn為冠層表面凈輻射(MJ/m2/mon)；G為土壤熱通量(MJ/m2/mon)；T為2 m高度處的平均氣溫(℃)；u2為2 m高度處的風(fēng)速(m/s)，由于所獲得的氣象站的風(fēng)速為10 m高度處的，需要通過換算得到；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；γ是干濕表常數(shù)(kPa/℃)。公式所需的氣象數(shù)據(jù)均從中國氣象局獲得，包括最高溫度，最低溫度，降水，風(fēng)速，相對濕度，日照時(shí)間，氣壓等參數(shù)，覆蓋了馬鬃山、敦煌、安西、酒泉、鼎新、玉門鎮(zhèn)、高臺、張掖、山丹、永昌、武威、民勤、烏鞘嶺和景泰等14個(gè)氣象站點(diǎn)1975—2012年間各月的數(shù)據(jù)?；贛ann-Kendall檢驗(yàn)方法對各氣候要素的時(shí)間序列變化趨勢的顯著性進(jìn)行了檢驗(yàn)，該分析被廣泛應(yīng)用在時(shí)間序列數(shù)據(jù)的趨勢分析中[23]。

2.2濕潤指數(shù)的計(jì)算

定義濕潤指數(shù)為：MI=P/ET0，式中：MI為濕潤指數(shù)，P為降水量，ET0為潛在蒸散發(fā)量。據(jù)UNCCD分類，0.5

2.3潛在蒸散發(fā)量的敏感性分析

設(shè)置不同氣候變化情景的方法是評價(jià)潛在蒸散發(fā)量敏感性的手段之一[25]，這種方法通過假定平均溫度、風(fēng)速、日照時(shí)間、相對濕度和氣壓等影響潛在蒸散發(fā)量的參數(shù)在觀測所得的氣象數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上有一定幅度(-5%，-10%，-20%，+5%，+10%，+20%)的變化，而且這種變化僅限于單個(gè)參數(shù)，其余參數(shù)保持不變，以比較不同條件下潛在蒸散發(fā)量的變化,從而定量評價(jià)特定參數(shù)變化對于潛在蒸散發(fā)量的影響。

3　結(jié)果與分析

3.11975—2012年主要?dú)夂蛞氐淖兓?/p>

各站點(diǎn)1975—2012年的氣候傾斜率見表1?？梢钥闯觯髡军c(diǎn)氣候要素變化情況特征各異。整個(gè)河西地區(qū)氣候變化最明顯的特征是最高溫度和年均溫度顯著升高，而風(fēng)速顯著降低。此外，降水量、最低溫、日照時(shí)數(shù)、大氣壓和蒸散發(fā)量相對增加，相對濕度相對減少，但均不顯著。

表1　主要?dú)夂蛞蜃拥臍夂騼A斜率　10 a

注:*表示通過了α=0.05的Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)。

圖1　降水量、潛在蒸散發(fā)量和濕潤指數(shù)累積距平曲線

3.2濕潤指數(shù)累積距平的變化趨勢

1975—2012年河西地區(qū)平均降水量約為138 mm,1991年出現(xiàn)最小值約96 mm,1979年出現(xiàn)最大值約195 mm。1976—1979年間降水量累積距平呈上升趨勢，為多雨期，1979—2001年累積距平線波動(dòng)下降，為相對少雨期。2001—2012年間累積距平線波動(dòng)上升，區(qū)內(nèi)降雨較前期相對增多(圖1A)。1975—2012年河西地區(qū)的年潛在蒸散發(fā)量的平均值約為1 176 mm,最小值為1 087 mm，出現(xiàn)在1993年，最大值為1 250 mm，出現(xiàn)在2004年。累積距平曲線變化表明1975—2012年累積距平呈現(xiàn)出增加—減少—增加的變化趨勢，其中1975—1982年潛在蒸散發(fā)量累積距平趨于增加，而1983—2003年趨于減少，2003—2012年趨于增加(圖1B)。濕潤指數(shù)累積距平波動(dòng)較大，正負(fù)交替明顯，說明濕潤指數(shù)的年代際變化并不穩(wěn)定(圖1C)。由于濕潤指數(shù)正距平表示區(qū)域處于相對濕潤年份，負(fù)距平表示區(qū)域處于相對干旱年份，因此，濕潤指數(shù)累積距平的變化趨勢可以表征區(qū)域干濕變化趨勢。據(jù)濕潤指數(shù)累積距平曲線變化可以看出：1975—1978年、1979—1992年、1996—2006年以及2007—2012年濕潤指數(shù)累積距平呈下降趨勢，期間河西地區(qū)濕潤指數(shù)以負(fù)距平為主，表明區(qū)域處于相對較干旱時(shí)期，其余階段則呈上升趨勢。

3.3濕潤指數(shù)的空間分布特征

圖2為河西地區(qū)多年平均濕潤指數(shù)空間分布圖，其中空間分布趨勢是在ArcGIS中運(yùn)用反距離加權(quán)法進(jìn)行插值運(yùn)算所得?？梢钥闯?，河西地區(qū)濕潤指數(shù)介于0.028到0.458之間，大部分地區(qū)屬于干旱氣候，敦煌附近地區(qū)屬于極端干旱氣候，而烏鞘嶺附近地區(qū)為半干旱氣候。從空間分布特征來看，從東南向西北濕潤指數(shù)降低，表明氣候干燥程度增加。從站點(diǎn)來看，烏鞘嶺的濕潤指數(shù)最大，而敦煌的濕潤指數(shù)最小。

3.4濕潤指數(shù)的季節(jié)變化

圖3為濕潤指數(shù)的季節(jié)變化趨勢。春季、秋季和冬季濕潤指數(shù)均呈現(xiàn)線性增加趨勢，但只有冬季濕潤指數(shù)顯著增加(α=0.01，n=38)。從數(shù)值上來看，春季濕潤指數(shù)波動(dòng)于0.31～1.45，夏季濕潤指數(shù)波動(dòng)于0.90～3.53，秋季濕潤指數(shù)波動(dòng)于0.43～2.28，冬季濕潤指數(shù)波

動(dòng)于0.12～2.36。四季多年平均濕潤指數(shù)分別為：0.76，1.89，1.18，0.57，即夏季>秋季>春季>冬季。

圖2　河西地區(qū)多年平均濕潤指數(shù)空間分布

圖3　濕潤指數(shù)的季節(jié)變化

3.5濕潤指數(shù)與高程的關(guān)系

圖4為各氣候要素與高程之間的關(guān)系，可以看出，隨著海拔的升高，河西地區(qū)降水量和濕潤指數(shù)均顯著增加(p<0.01,n=14)，潛在蒸散發(fā)量顯著降低(p<0.01,n=14)，說明海拔高度變化引起的水熱組合變化是影響此區(qū)氣候格局形成的主要因素之一。

3.6潛在蒸散發(fā)量對局地氣象要素的敏感性

濕潤指數(shù)是反映區(qū)域地表干濕狀況的重要指標(biāo)，從其計(jì)算公式來看，影響區(qū)域濕潤指數(shù)變化的主要因素為降水量和潛在蒸散發(fā)量。在降水量一定的前提下，對區(qū)域潛在蒸散發(fā)量產(chǎn)生主要影響的各氣象因素就成為了影響濕潤指數(shù)的主要因子。本文通過假定平均溫度、風(fēng)速、日照時(shí)間、相對濕度和氣壓等某一種參數(shù)在現(xiàn)有的觀測值基礎(chǔ)上有一定幅度(-5%，-10%，-20%，+5%，+10%，+20%)的變化，同時(shí)保持其余參數(shù)不變，并分別計(jì)算變化條件下的潛在蒸散發(fā)量，進(jìn)而確定不同氣象因子對于潛在蒸散發(fā)量變化的影響程度。表2為不同氣候因子的變化條件下潛在蒸散發(fā)量的變化率，結(jié)果表明，平均風(fēng)速和日照時(shí)間與潛在蒸散發(fā)量正相關(guān)，而相對濕度和平均氣壓為負(fù)相關(guān)。溫度通過影響空氣容納水蒸氣的能力變化而影響潛在蒸散發(fā)量，在河西地區(qū)當(dāng)平均溫度增加5%，10%和20%時(shí)，潛在蒸散發(fā)量分別增加2.42%，4.86%,9.78%，當(dāng)平均溫度減少5%，10%和20%時(shí)，潛在蒸散發(fā)量分別減少2.40%，4.79%和9.47%。風(fēng)速通過影響空氣流動(dòng)的速度而影響潛在蒸散發(fā)量，當(dāng)平均風(fēng)速增加5%，10%和20%時(shí)，潛在蒸散發(fā)量分別增加1.33%，2.63%和5.16%，當(dāng)平均風(fēng)速減少5%，10%和20%時(shí)，潛在蒸散發(fā)量分別減少1.35%，2.73%和5.58%。日照時(shí)間主要通過影響空氣溫度而影響潛在蒸散發(fā)量，當(dāng)日照時(shí)間增加(減少)5%，10%和20%時(shí)，潛在蒸散發(fā)量分別增加(減少)1.12%，2.24%和4.48%。當(dāng)相對濕度增加5%，10%和20%時(shí)，潛在蒸散發(fā)量分別減少0.97%，1.95%和3.92%，而當(dāng)相對濕度減少5%，10%和20%時(shí)，潛在蒸散發(fā)量分別增加0.96%，1.91%和3.78%；當(dāng)氣壓增加5%，10%和20%時(shí)，潛在蒸散發(fā)量分別減少0.03%，0.05%和0.10%，當(dāng)氣壓減少5%，10%和20%時(shí)，潛在蒸散發(fā)量分別增加0.03%，0.06%和0.13%。平均溫度、平均風(fēng)速、日照時(shí)間、相對濕度和氣壓變化能夠引起潛在蒸散發(fā)量變化的百分比分別為41.1%，22.9%，19.1%，16.4%和0.5%(表2)。結(jié)果表明影響河西地區(qū)潛在蒸散發(fā)量的主要?dú)夂蛞蜃邮瞧骄鶞囟群推骄L(fēng)速，這一結(jié)論與前文得出的河西地區(qū)氣候變化最顯著的特征是平均溫度顯著升高和風(fēng)速顯著降低相吻合。

4　討論與結(jié)論

本文研究表明1975—2012年河西地區(qū)最高溫度和年均溫度顯著升高，這與以往研究普遍認(rèn)為河西地區(qū)氣候變暖的結(jié)果相一致[26]。河西地區(qū)的降水有增加趨勢，但上升的趨勢并不顯著。研究表明河西地區(qū)1975—1993年潛在蒸散發(fā)量趨于減少，而1994—2012年趨于增加。這與王鶯等[10]認(rèn)為的1960—2011年石羊河流域降水量和潛在蒸散發(fā)趨于增加的結(jié)論相一致。另外，由于區(qū)域干濕變化與地表水分收支(降水和蒸發(fā))的變化息息相關(guān)，判斷區(qū)域干旱化趨勢要綜合考慮降水和蒸發(fā)的變化，濕潤指數(shù)分析表明河西地區(qū)的濕潤指數(shù)變化具有微弱上升的線性趨勢，但這種變化趨勢并不顯著。正是這種不顯著的變化，導(dǎo)致了目前關(guān)于此區(qū)氣候趨勢“暖干”和“暖濕”的討論。如劉明春等[27]指出石羊河流域氣候干旱指數(shù)呈逐年代增大趨

勢,祁連山山口來水量呈逐年減少趨勢,暖干化明顯;賈文雄等[28]通過計(jì)算濕潤指數(shù)指出20世紀(jì)60年代以來祁連山及河西走廊氣候趨于變濕。

圖4　氣候要素與高程的關(guān)系表2　不同氣候情景下潛在蒸散發(fā)量的敏感性分析

參數(shù)-20%-10%-5%5%10%20%平均影響/%平均溫度-9.47-4.79-2.402.424.869.7841.1平均風(fēng)速-5.58-2.73-1.351.332.635.1622.9日照時(shí)間-4.48-2.24-1.121.122.244.4819.1相對濕度3.781.910.96-0.97-1.95-3.9216.4氣壓0.130.060.03-0.03-0.05-0.100.5

研究結(jié)果表明河西地區(qū)氣候要素變化最明顯的特征是最高溫度和年均溫度顯著升高，而風(fēng)速顯著降低。此外，河西地區(qū)1975—2012年降水量、最低溫、日照時(shí)數(shù)、大氣壓和蒸散發(fā)量相對增加，相對濕度相對減少，但均不顯著。1976—1979年為區(qū)域多雨期，1979—2001年為相對少雨期，2001—2012年區(qū)內(nèi)降雨較前期相對增多。1975—2012年潛在蒸散發(fā)量累積距平呈現(xiàn)出增加—減少—增加的變化趨勢。濕潤指數(shù)累積距平波動(dòng)較大，正負(fù)交替明顯，說明濕潤指數(shù)的年代際變化并不穩(wěn)定。春季、秋季和冬季濕潤指數(shù)均呈現(xiàn)線性增加趨勢，但只有冬季濕潤指數(shù)顯著增加。隨著海拔的升高，河西地區(qū)降水量和濕潤指數(shù)均顯著增加，潛在蒸散發(fā)量顯著降低。平均風(fēng)速和日照時(shí)間與潛在蒸散發(fā)量正相關(guān)，而相對濕度和平均氣壓為負(fù)相關(guān)。平均溫度、平均風(fēng)速、日照時(shí)間、相對濕度和氣壓變化能夠引起潛在蒸散發(fā)量變化的百分比分別為41.1%，22.9%，19.1%，16.4%和0.5%。此外，本文僅是基于有限站點(diǎn)的氣象資料進(jìn)行計(jì)算和分析，未能結(jié)合具體的試驗(yàn)展開對比研究[29]，因此分析結(jié)果具有一定的局限性。

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Analysis of Potential Evapotranspiation and Its Sensitivity in Hexi Region

ZHANG Caixia1, HUA Ting1, LANG Lili2

(1.KeyLaboratoryofDesertandDesertification,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China; 2.KeyLaboratoryofWaterCycle&RelatedLandSurfaceProcesses,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China)

The potential evapotranspiation of Hexi regions was calculated based on the Penman-Monteith equation. Slope analysis was employed to assess the main meteorological factor trends from the year of 1975 to the year of 2012. The spatiotemporal patterns of surface humidity changes in the Hexi region were discussed using the humidity index. The results indicated that the maximum temperature and the mean annual temperature had increased significantly, while the wind velocity had decreased significantly in this region. With the increase of the elevation, the precipitation and the humid index increased significantly, while the potential evapotranspiration decreased significantly. In addition, sensitivity of ET0to climatic changes under different climate scenarios was also evaluated. The results indicated that the potential evapotranspiration was positively related to the average temperature, average wind velocity and the sunshine duration, while it was negatively related to the relatively humid and air press. The variation percentage in the potential evapotranspiration caused by the changes of the individual meteorological factors (average temperature, average wind velocity, the sunshine time, relatively humid, air press) was 41.1%，22.9%，19.1%，16.4% and 0.5%, respectively.

potential evapotranspiration; drought; humidity index; Hexi region

2015-07-30

2015-09-23

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41101006);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31570467)

張彩霞(1984—),女,甘肅省古浪縣人,博士生,研究方向?yàn)闅夂蜃兓c區(qū)域物質(zhì)組成解析。E-mail:zhangcaixia@lzb.ac.cn

K903

A

1005-3409(2016)04-0357-06