1961-2010年中國參考作物蒸散量變化趨勢與時(shí)空格局

黃 娟,申雙和,李新建,張文斌

(1.南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院,南京 210044 ; 2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)與評估協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210044; 3.新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)氣象臺(tái),烏魯木齊 830002; 4.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所,烏魯木齊 830002)

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1961-2010年中國參考作物蒸散量變化趨勢與時(shí)空格局

黃 娟1,4,申雙和2,李新建3,張文斌4

(1.南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院,南京 210044 ; 2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)與評估協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210044; 3.新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)氣象臺(tái),烏魯木齊 830002; 4.中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所,烏魯木齊 830002)

根據(jù)甄選的中國529個(gè)氣象臺(tái)站1961—2010年的觀測資料，利用聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith模型估算了全國年際參考作物蒸散量，探究了中國1961—2010年參考作物蒸散量變化趨勢與時(shí)空格局。結(jié)果表明：(1)通過對中國參考作物蒸散量的年變化趨勢進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)1961—2010年參考作物蒸散量先有下降趨勢(1961—1993年)，下降幅度不大，后又有緩慢的回升(1994—2010年)，但總體呈下降趨勢；(2)通過對各站近50年參考作物蒸散量平均值的時(shí)空分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)中國西北地區(qū)和西南地區(qū)明顯大于東北地區(qū)和中部腹地；(3)中國參考作物蒸散量時(shí)空分布主要影響因素是風(fēng)速和氣溫(氣溫影響范圍廣，風(fēng)速影響程度大)，也與中國地形復(fù)雜、面積廣闊、經(jīng)緯跨度大、各地氣象條件差異導(dǎo)致作物蒸散能力差異有關(guān)。

Penman-Monteith模型; 參考作物蒸散量; 變化趨勢; 時(shí)空格局

蒸散即植物葉面蒸發(fā)(蒸騰)和棵間土壤蒸發(fā)之和。蒸散是植物失水的主要方式。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)將參考作物蒸散定義為“假設(shè)高度為0.12 m，冠層阻力為7.0 m/s，反照率為0.23的參考冠層的蒸散，即生長旺盛，長勢一致，完全覆蓋地面且水分供應(yīng)充足的開闊綠色草地的蒸散”[1]。參考作物蒸散(ET0)是自然界水循環(huán)中的一個(gè)重要組成因素，其數(shù)值大小直接影響到作物產(chǎn)量的估算、農(nóng)業(yè)用水的安排、各地灌溉制度的制定和選種育種的區(qū)域劃分。通過分析不同年份不同地區(qū)的參考作物蒸散量時(shí)空變化趨勢，可以更好地服務(wù)于農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、林業(yè)等各個(gè)行業(yè)。

國際上對自然蒸發(fā)有文獻(xiàn)報(bào)道的研究已有300多年的歷史。Dalton等[2]提出計(jì)算蒸發(fā)速率的公式：水面蒸發(fā)速率與蒸發(fā)面的飽和差成正比。Wilm[3]和Penman[4]等先后提出潛在蒸散的概念及相應(yīng)的計(jì)算公式。Penman公式為計(jì)算濕潤下墊面潛在蒸散的主要方法。Monteith等[5]通過引入表面阻力的概念，推導(dǎo)出Penman-Monteith公式，所以該公式又被稱為大葉模型。1998年FAO出版計(jì)算作物蒸散的指南[6]。

國內(nèi)蒸散研究工作始于20世紀(jì)50年代，朱崗昆等[7]應(yīng)用Penman方法計(jì)算了自然狀況下中國蒸發(fā)量的分布、季節(jié)變化等。陶祖文等[8]提出了用氣候資料計(jì)算旬、月可能蒸散和土壤水分不足情況下蒸散量的方法。自80年代以來，王健等[9]通過對不同作物農(nóng)田蒸散試驗(yàn)觀測研究，建立了適用于我國的農(nóng)田蒸發(fā)量測定方法和計(jì)算模式。辛?xí)灾轠10]提出了以熱紅外遙感信息為主的遙感地表水分蒸發(fā)模型。劉鈺[11]對FAO推薦的作物系數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

黃會(huì)平等[12]根據(jù)1957—2012年全國608個(gè)氣象站的逐日氣象資料利用Penman-Monteith公式計(jì)算了作物的潛在蒸散量，采用主成分分析方法對10大水資源一級分區(qū)潛在蒸散量的年代際變化進(jìn)行了分析，在ArcGIS中將4個(gè)主成分分別表示在空間分布圖上。但是，閻慈琳[13]研究證明采用主成分分析方法：(1)首先應(yīng)保證所提取的前幾個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到一個(gè)較高的水平，即保證相關(guān)的氣象因素對該地區(qū)潛在蒸散量有較大影響。這一條件并不是所有地區(qū)都滿足，且有地域差異。(2)主成分的解釋其含義一般多少帶有模糊性，不像原始變量的含義那么清楚、確切，因此采用這一方法，只能表示某一站點(diǎn)某一氣象因素有無影響，及這一氣象因素在這一站點(diǎn)相對于全國而言的影響程度，而不能準(zhǔn)確表示對于這一站點(diǎn)某一氣象因素的影響程度是多少。(3)這一方法是將一維數(shù)據(jù)做出的平面結(jié)果平鋪到GIS中，具有空間局限性。

綜合國內(nèi)外關(guān)于我國參考作物蒸散量分布時(shí)空變化的研究，由于數(shù)據(jù)不完整[14]、區(qū)域劃分不明確[15]、統(tǒng)計(jì)量大、計(jì)算繁雜等原因，大部分研究只反映了局部地區(qū)的參考作物蒸散量時(shí)空變化[16]，或只反映出近幾年的變化趨勢[17]，缺乏完整的全國范圍內(nèi)時(shí)空變化趨勢，缺乏不同地區(qū)參考作物蒸散量的時(shí)空演變趨勢對比，缺乏長期變化趨勢分析[18]。雖然黃會(huì)平等[12]的文章數(shù)據(jù)充足，空間范圍大，但是并不能準(zhǔn)確表示某一站點(diǎn)某一氣象因素的影響程度是多少。此外，一維數(shù)據(jù)具有空間局限性，而采用空間疊加能解決這一問題。本文將分析全國529個(gè)站點(diǎn)1961—2010年的數(shù)據(jù)，以便從時(shí)間的長期性和站點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整性兩方面彌補(bǔ)之前研究的不足，然后對每一個(gè)站點(diǎn)的影響因素做相關(guān)性分析，以便能明確、清晰地表示出每一個(gè)站點(diǎn)每一個(gè)氣象因素的影響程度是多少，繼而采用空間疊加的方法，以便表示出全國范圍內(nèi)每個(gè)站點(diǎn)潛在蒸散的主導(dǎo)影響因子，從而對全國蒸散量演變形勢與空間格局有更全面準(zhǔn)確的了解。

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1材料來源

分析所需的數(shù)據(jù)主要有如下兩個(gè)方面：(1)529個(gè)氣象站1961—2010年逐日基本氣象要素資料，包括日平均氣溫(℃)、最高最低氣溫(℃)、日照時(shí)數(shù)(h)、平均風(fēng)速(m/s)等；(2)1∶400萬的中國行政邊界圖層(由國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站提供)。所選站點(diǎn)的分布見圖1。

圖1　中國氣象站點(diǎn)分布

1.2研究方法

1.2.1FAO Penman-Monteith模型參考作物蒸散量的計(jì)算方法多種多樣。其中Penman-Monteith公式是基于能量平衡和水汽擴(kuò)散理論的算法，在充分了解植被生理特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化，計(jì)算出某一地區(qū)的參考作物蒸散量。由于理論依據(jù)充分，應(yīng)用性廣泛，計(jì)算誤差小，因此，該方法于1998年被聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦為計(jì)算參考作物蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)方法，直至今日仍然在各個(gè)地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用。本文也利用該公式進(jìn)行全國參考作物蒸散量的計(jì)算和分析。

(1)

式中：ET0(FAO-98)為參考作物蒸散量(mm/d)；Rn為地表凈輻射[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)](在逐日計(jì)算式中，G≈0)；T為2 m高度處平均氣溫(℃)；U2為2 m高度處風(fēng)速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓曲線斜率(kPa/℃)；V為干濕表常數(shù)(kPa/℃)。其中：

(2)

(3)

Rso=(0.75+2z×10-5)Ra

(4)

式中：T為反射率(無量綱)(本文取T=0.23)；Rs為地表短波輻射[MJ/(m2·d)]；e為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)4.903×10-9[MJ/(K4·m2·d)]；Tmax為日最高氣溫(K)；Tmin為日最低氣溫(K)；Rso為晴天地表短波輻射[MJ/(m2·d)]；as為陰天(n=0)地表短波輻射與大氣層外太陽輻射的比例系數(shù)；(as+bs)為晴天(n=N)地表短波輻射與大氣層外太陽輻射的比例系數(shù)；n為實(shí)際日照時(shí)數(shù)(h)；N為最大可能日照時(shí)數(shù)(h)；Ra為大氣層外太陽輻射[MJ/(m2·d)]；z為海拔高度(m)。本文取as=0.25，as+bs=0.75。

1.2.2氣候傾向率估算

(5)

1.2.3要素相關(guān)性判別標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算該序列的相關(guān)系數(shù)r的值時(shí)，在常規(guī)顯著性水平θ下，max{|r|θ}<0.6(r0.01,18=0.561 4小于0.6)，即此時(shí)所有閾值中的最大值均小于0.6。因此，當(dāng)相關(guān)系數(shù)滿足rβ≤|r|<0.6(且序列長度大于最小值20時(shí))，序列與時(shí)序t的相關(guān)性要高于上面已劃分的等級，本文將其趨勢變異程度劃為低度相關(guān)，以此類推得到表1。

表1　相關(guān)系數(shù)分級[19]

1.2.4參考作物蒸散量資料插補(bǔ)方法在所選529個(gè)站點(diǎn)中，并不是所有站點(diǎn)的資料都具有完整性，所以要對數(shù)據(jù)缺失年份的參考作物蒸散量進(jìn)行插補(bǔ)。本文所需數(shù)據(jù)為數(shù)值型，經(jīng)過比較之后，采用均值替換法。

2　結(jié)果與分析

2.1全國年平均參考作物蒸散量時(shí)間變化趨勢

1961—2010年我國參考作物蒸散量(圖2)總體呈下降趨勢，平均每年下降0.279 7 mm，下降幅度較小。然而不同年份的變化情況有所不同，總體來看，1961—1968年呈上升趨勢，1969—1991年總體呈下降趨勢，下降幅度較大，且均處于趨勢線以下，1992—2010年呈上升趨勢，且上升幅度較大。參考作物年蒸散量最大值出現(xiàn)在1978年，最大值為1 007.13 mm，最小值出現(xiàn)在1993年，數(shù)值為926.06 mm。

2.2年參考作物蒸散量空間分布與時(shí)空格局

我國1961—2010年多年平均參考作物蒸散量(附圖4)總體分布為西部多，東部少。其中，我國西北地區(qū)塔里木盆地蒸散量較大，吐魯番盆地達(dá)到最大值。海南島及雷州半島蒸散量達(dá)到最小值。1961—2010年我國年參考作物蒸散量(附圖5)呈西南部增加，西北部和東南大部減少。

圖2　1961-2010年年平均參考作物蒸散量變化趨勢

2.3年參考作物蒸散量年代際變化

由附圖6可知，與1960s相比，1970s我國大部分地區(qū)(青藏高原東部、內(nèi)蒙古高原中部和西部、東北平原北部)蒸散量呈增加趨勢，增加數(shù)值為27～49 mm；另外，準(zhǔn)噶爾盆地、長江中下游地區(qū)以南、華北平原北部等地蒸散量均減少18～42 mm。由附圖7A可知，與1970s相比，1980s我國大部分地區(qū)蒸散量有減少趨勢，減少數(shù)值為東部(長江中下游南部地區(qū)、東北平原大部)地區(qū)0～17 mm，西部(塔里木盆地東部)地區(qū)39～49 mm。由附圖7B可知，與1980s相比，1990s我國大部分地區(qū)蒸散量有減少趨勢，減少量為0～20 mm；另外，中部腹地、東北北部有增加趨勢，增加量為22～37 mm。由附圖7C可知，與1990s相比，2000s我國大部分地區(qū)蒸散量有增加趨勢，增加量為1～32 mm。

2.4參考作物蒸散量時(shí)空變化原因分析

為了分析出可能對參考作物蒸散量變化有影響的因素，對1961—2010年全國的多年平均參考作物蒸散量、氣溫、相對濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)做出了相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)等級分析，對比之后取每個(gè)站點(diǎn)的最大值(主要影響因素)，判斷其影響程度的大小。

氣溫對我國參考作物蒸散量的影響程度空間分布如下(圖3A)：東北平原東部、云貴高原低度相關(guān)；東北平原西部、東南丘陵大部、青藏高原東部、海南島顯著相關(guān)；準(zhǔn)噶爾盆地北部、華北平原局部高度相關(guān)。相對濕度對我國參考作物蒸散量的影響程度空間分布如下(圖3B)：長江中下游沿江地區(qū)、東南丘陵大部、黃土高原大部無相關(guān)關(guān)系；云貴高原大部、青藏高原東部顯著相關(guān)。風(fēng)速對我國參考作物蒸散量的影響程度空間分布如下(圖3C)：黃土高原北部、云貴高原東部、東南丘陵局部低度相關(guān)；其他大部分地區(qū)為顯著相關(guān)。日照時(shí)數(shù)對我國參考作物蒸散量的影響程度空間分布如下(圖3D)：東北平原南部、長江中下游局部、準(zhǔn)噶爾盆地西北部低度相關(guān)；東北平原西北部、四川盆地、青藏高原東部的局部地區(qū)顯著相關(guān)；其他大部分地區(qū)無相關(guān)關(guān)系。

圖3　1961-2010年中國ET0與氣溫、相對濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)的相關(guān)性

1961—2010年我國參考作物蒸散量的主要影響因素為(圖4)：就全國范圍來看，主要受氣溫和風(fēng)速的影響，這二者相比，氣溫影響范圍更廣，風(fēng)速影響程度更大。東北北部主要受日照影響，東北南部主要受氣溫和風(fēng)速影響，其中氣溫為主導(dǎo)因素；遼東半島主要受相對濕度影響；華北地區(qū)主要受氣溫和風(fēng)速影響；長江中下游及其以南的地區(qū)主要受風(fēng)速和氣溫影響，其中風(fēng)速為主導(dǎo)因素；云貴高原主要受相對濕度影響；黃土高原西部主要受日照影響；西北地區(qū)主要受氣溫影響。

3　結(jié) 論

1961—2010年，我國年參考作物蒸散量總體呈下降趨勢，平均每年下降0.279 7 mm，下降幅度較小。年平均參考作物蒸散量分布西部多，東部少。具體分布如下：我國西北地區(qū)塔里木盆地蒸散量較大，吐魯番盆地達(dá)到最大值，內(nèi)蒙古高原西部及中部蒸散量達(dá)到次大值。東北地區(qū)蒸散量較小，尤其東北平原以北(包括小興安嶺及大興安嶺東北部)的地區(qū)數(shù)值更小。海南島及雷州半島蒸散量達(dá)到最小值。

圖4　1961-2010年中國ET0的主要影響因素分布

對參考作物蒸散量的時(shí)空變化格局分析發(fā)現(xiàn)，1961—2010年，我國中部地區(qū)(包括青藏高原、吐魯番盆地、內(nèi)蒙古高原東部、西川盆地大部、秦嶺淮河地區(qū)、大興安嶺以西的地區(qū))的參考作物蒸散量有明顯的增加趨勢，其他地區(qū)則有不同程度的減小。

另外，近50年來，全國范圍內(nèi)的日照時(shí)數(shù)顯著減小，受此影響凈輻射亦大幅度減小，因此，作為蒸散能量來源的輻射能的減少，一方面導(dǎo)致蒸散能力減弱，另一方面導(dǎo)致大氣熱力層結(jié)較穩(wěn)定，湍流減弱，使蒸散量減少；近50年來，相對濕度減小，因而空氣較干燥，最高溫度有較大幅度的上升，這就使得蒸散量有回升的趨勢。

本文對我國參考作物蒸散量逐年的變化趨勢和空間分布做出了詳細(xì)分析，但仍有不足之處。(1)本文只是在FAO定義的Penman-Monteith模型基礎(chǔ)上做了相關(guān)分析，日后可以結(jié)合其他模型作對比分析；(2)本文只是根據(jù)年際變化來劃分時(shí)間區(qū)域，日后可根據(jù)作物的不同生育期來劃分時(shí)間區(qū)域；(3)還可通過對比不同作物的蒸散量作為參照，通過對比分析得出結(jié)論；(4)近幾年遙感、GIS等空間模擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，遙感對空間的模擬更精確，GIS對數(shù)據(jù)的插值處理更合理，日后可結(jié)合這些技術(shù)作相關(guān)分析。

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Research of Variation Trend and Spatial Pattern of Reference Crop Evapotranspiration During the Period from 1961 to 2010 in China

HUANG Juan1,4,SHEN Shuanghe2,LI Xinjian3,ZHANG Wenbin4

(1.College of Applied Meteorology,Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044,China; 2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disaster, Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China; 3.Xinjiang Agriculture Observatory, Urumqi 830002,China; 4.Institute of Desert Meteorology,China Meterological Administration,Urumqi 830002,China)

The annual reference crop evapotranspiration was estimated using Penman-Monteith model recommended by Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO)with the observation data from 529 meteorological sites during the period of 1961 to 2010,and the variation trend and spatial pattern of ET0were investigated in detail.The results indicated that: (1)through analysis of annual variation tendency for the reference crop evapotranspiration,it was found that during the period from 1961 to 2010,reference crop evapotranspiration declined (1961—1993),did not drop,and then slowly recovered (1994—2010); (2)through the reference crop evapotranspiration in recent 50 years,the average value on the temporal and spatial distribution analysis,it was found that the values in northwest China and southwest China were significantly greater than those of northeast area and the central hinterland; (3)the main factors affecting the spatial and temporal reference crop evapotranspiration were the wind speed and temperature distribution in China (Temperature had a wide range of influence,wind speed had a great effect on ET0).And meanwhile,China′s complex terrain,the vast area,latitude and longitude span,all weather conditions caused the differences in different crop evapotranspiration capacity.

Penman-Monteith model; reference crop evapotranspiration; change trend; temporal and spatial distribution

2015-09-14

2015-09-28

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)“干旱氣象科學(xué)研究——我國北方干旱致災(zāi)過程及機(jī)理”(GYHY201506001);國家重大科學(xué)研究計(jì)劃“干旱半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和水資源脆弱性評估及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估”(2012CB956204)

黃娟(1990—),女,新疆塔城人,碩士研究生,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)氣象研究。E-mail:1321265319@qq.com

申雙和(1957—),男,江蘇姜堰人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究。E-mail:yqzhr@nuist.edu.cn

S161.4; P311

A

1005-3409(2016)05-0240-05