新疆1961-2013年參考作物蒸散量時(shí)空變異

董 煜, 胡江玲, 王瑾杰, 陳學(xué)剛

(1.新疆師范大學(xué) 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊830054; 2.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 烏魯木齊830054; 3.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046)

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新疆1961-2013年參考作物蒸散量時(shí)空變異

董 煜1,2, 胡江玲1,2, 王瑾杰3, 陳學(xué)剛1,2

(1.新疆師范大學(xué) 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊830054; 2.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 烏魯木齊830054; 3.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046)

準(zhǔn)確評(píng)估參考作物蒸散量的變化規(guī)律對(duì)新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及水資源合理利用具有重要作用，采用Penman-Monteith公式以及55個(gè)氣象站的逐日氣象資料，計(jì)算了新疆1961—2013年參考作物蒸散量并分析其時(shí)空變化特征，運(yùn)用多元回歸分析法對(duì)影響參考作物蒸散量變化的主導(dǎo)氣象因素進(jìn)行了定量分析。結(jié)果表明：新疆ET0總體呈下降趨勢(shì)，年際變化率為-1.01 mm/a。在20世紀(jì)80年代之前ET0偏高，90年代減少到最大，2000年以來(lái)又逐漸增大。從季節(jié)來(lái)看，夏季、秋季的ET0與年ET0的減小趨勢(shì)一致，春季冬季ET0的減少趨勢(shì)不明顯。在不同年代際時(shí)間尺度，新疆全年及季節(jié)ET0的年際變化在空間上存在一定的分異。風(fēng)速是全年及夏、秋季ET0變化的主導(dǎo)因素，而溫度是春季及冬季新疆區(qū)域蒸發(fā)量變化的主導(dǎo)因素。

參考作物蒸散量; Penman-Monteith公式; 時(shí)空變異; 新疆

參考作物蒸散(ET0)作為重要的農(nóng)業(yè)和水文變量，在實(shí)際蒸散[1]、農(nóng)業(yè)水資源利用[2-3]、相關(guān)的水文模擬[4]、生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程建模[5]及評(píng)價(jià)區(qū)域干濕狀況[6-7]等方面是一個(gè)重要的計(jì)算因子，越來(lái)越受到各界關(guān)注。許多學(xué)者利用Penman-Monteith公式對(duì)中國(guó)不同區(qū)域參考作物蒸散量時(shí)空變化的研究表明，參考作物蒸散量空間差異十分明顯，過(guò)去數(shù)十年中國(guó)的參考作物蒸散量總體呈下降趨勢(shì)，但各地的變化及其成因具有區(qū)域性差異。而這些變化與溫度、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速及相對(duì)濕度等氣候因子有密切的關(guān)系[8-9]。李志[10]分析了黃土高原ET0的空間變化和時(shí)間趨勢(shì)，提出ET0變化濕度和溫度是最重要的影響因素。蔡輝藝等[11]分析了淮河流域ET0對(duì)氣象因子的敏感性，提出淮河流域年參考蒸散發(fā)總量呈下降趨勢(shì)，造成這種變化的主要原因是太陽(yáng)輻射量的減少和風(fēng)速的降低。在華北平原參考蒸散發(fā)量呈下降主要受日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、溫度日較差和風(fēng)速的綜合影響[12]。在干旱區(qū)半干旱區(qū)的西北地區(qū)，ET0的變化主要?dú)w因于風(fēng)速和氣溫[13]。因此，綜合分析不同地區(qū)的氣候要素對(duì)參考蒸散的影響，是指導(dǎo)合理利用水資源的重要前提。

新疆深居中緯度歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候干燥，水資源短缺是影響新疆生態(tài)安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的主要制約因素。在新疆氣候由暖干向暖濕變化的背景下[14]，已有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)新疆蒸發(fā)皿及參考作物蒸散量的時(shí)間空間分布進(jìn)行了研究。研究表明：新疆自20世紀(jì)60年代至2005年，年蒸發(fā)皿表現(xiàn)為明顯的下降趨勢(shì)，氣溫日較差、風(fēng)速、低云量和降水是蒸發(fā)皿變化的主要原因[15]；新疆全年參考作物蒸散量呈減少趨勢(shì)，空間分布總體為南疆大于北疆、東部大于西部、盆(谷)地大于山區(qū)，氣溫上升、日照時(shí)數(shù)減少、風(fēng)速減小、相對(duì)濕度增大是參考作物蒸散量減少的原因[16-18]，缺少對(duì)參考蒸散量的年代際、季節(jié)的時(shí)間尺度研究及氣候變化對(duì)參考作物蒸散量影響的定量分析。因此，本文用更新氣象數(shù)據(jù)分析新疆區(qū)域ET0的變化，基于新疆55個(gè)氣象站點(diǎn)的1961—2013年日氣象數(shù)據(jù)，采用FAO推薦的P-M公式計(jì)算新疆ET0，分析年際和季節(jié)變化特征，研究不同時(shí)間尺度時(shí)空變異規(guī)律，并采用多元線性回歸方法定量分析氣候變化對(duì)參考作物蒸散量的影響，以期能為該區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源科學(xué)管理等提供參考依據(jù)。

1　數(shù)據(jù)與方法

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

基于新疆的55個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算ET0。數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象共享網(wǎng)(http:∥cdc.cma gov cn/)，為1961—2013年日序列的平均、最高和最低溫度(℃)、2 m高度的相對(duì)濕度(%)、10 m高度的風(fēng)速(m/s)、日照時(shí)數(shù)(h)、氣壓(hPa)。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的風(fēng)廓線關(guān)系，10 m高度的風(fēng)速被轉(zhuǎn)化為2 m高度的相應(yīng)數(shù)值。少數(shù)缺失數(shù)據(jù)使用同站點(diǎn)其他年份的均值代替。季節(jié)的劃分采用氣象季節(jié)，即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。

1.2參考作物蒸散量估算

參考作物蒸散量是指在一定氣象條件下水分供應(yīng)不受限制時(shí)，陸面可能達(dá)到的最大蒸散發(fā)量。本文采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算各站的參考作物蒸散發(fā)量[19]，其中參考下墊面為植被高度0.12 m的草地，具有固定的表面阻力70 s/m，反照率為0.23。

(1)

式中：ET0——參考作物蒸散量(mm/d)；Rn——凈輻射[MJ/(m2·d)]；G——土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；γ——濕度計(jì)常數(shù)(kPa/℃)；U2——2 m處的風(fēng)速(m/s)；es——計(jì)算溫度時(shí)的飽和水汽壓(kPa)；ea——計(jì)算溫度時(shí)的實(shí)際水汽壓(kPa)；Δ——飽和水汽壓溫度曲線上的斜率(kPa/℃)。凈輻射為太陽(yáng)短波輻射與地面長(zhǎng)波輻射之和，其中太陽(yáng)輻射可按下式估算：

(2)

式中：Rs——太陽(yáng)輻射(W/m2)；Ra為大氣頂層的太陽(yáng)輻射；a，b——參數(shù)，as=0.23，bs=0.75；n——日照時(shí)數(shù)(h)；N——理論最大日照時(shí)數(shù)(h)。

圖1新疆氣象站點(diǎn)分布

1.3多元回歸分析方法

采用多元回歸分析方法對(duì)氣候因子對(duì)ET0變化的影響進(jìn)行分析[20]，并研究各氣候因子對(duì)ET0變化相對(duì)貢獻(xiàn)率大小。各氣候因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行回歸分析，得到標(biāo)準(zhǔn)化序列的回歸方程，按照下式計(jì)算各氣候因子對(duì)ET0變化的貢獻(xiàn)率：

YET=aX1+bX2+cX3+dX4+…

(3)

(4)

式中：YET——ET0的標(biāo)準(zhǔn)化值；X1，X2，X3，…——?dú)夂蛞蜃拥臉?biāo)準(zhǔn)化值；a，b，c，d，…——序列標(biāo)準(zhǔn)化后回歸系數(shù)；g1——X變化對(duì)Y變化的相對(duì)貢獻(xiàn)率。

2　結(jié)果與分析

2.1新疆年均及季節(jié)參考作物蒸散量的時(shí)空分析

1961—2013年新疆區(qū)域平均年ET0為1 165 mm。其中，春季為354.7 mm，夏季為556.2 mm，秋季為204.6 mm，冬季為49.6 mm，分別占全年的30.4%，47.7%，17.6%，4.3%。說(shuō)明春、夏兩季ET0是一年中最多的，約占到全年的78.1%。新疆地區(qū)的年ET0的年際變化率為-10.1 mm/10 a，表明在全球變暖背景下，該區(qū)的ET0總體上呈明顯減小趨勢(shì)(R=0.386 2>R0.01,53=0.347 6，回歸顯著水平超過(guò)0.01)。從季節(jié)來(lái)看，春季的ET0的年際變化率為-1.216 mm/10 a，總體上春季ET0變化趨勢(shì)不明顯(R=0.105 8<0.226 2=R0.1,53，回歸顯著水平不到0.1)。夏季的ET0年際變化率為-6.42 mm/10 a，呈明顯減少趨勢(shì)(R=0.493 3>0.347 6=R0.01,53)。秋季的ET0年際變化率為-2.33 mm/10 a，呈明顯減少趨勢(shì)(R=0.396 1>0.347 6=R0.01,53)。冬季的ET0年際變化率為0.161 mm/10 a，變化趨勢(shì)不明顯(R=0.051 9<0.226 2=R0.1,53，回歸顯著水平不到0.1)?？傮w上，夏季、秋季的ET0與年ET0減小趨勢(shì)一致。

新疆ET0年分布具有明顯的空間分異特征。如圖2所示，塔里木盆地中部，奇臺(tái)、吐魯番、鐵干里克、若羌一線、哈密地區(qū)、克拉瑪依烏蘇地區(qū)的減小幅度較大，減幅為8～5 mm/a，其他地區(qū)如天山山區(qū)的減小幅度為0～3 mm/a，吐哈盆地的十三間房地區(qū)、皮山、民豐地區(qū)、準(zhǔn)噶爾盆地東部呈增加趨勢(shì)，增加幅度為0～6 mm/a，整體而言，新疆南疆地區(qū)的減幅超過(guò)北疆，平原的減幅超過(guò)山區(qū)。就季節(jié)而言，夏季與秋季的ET0年際變化區(qū)域與全年的變化區(qū)域基本一致，其中塔里木盆地中部，奇臺(tái)、吐魯番、鐵干里克、若羌一線、哈密地區(qū)、克拉瑪依烏蘇地區(qū)的減小幅度相對(duì)較大，減幅為0.7～1.5 mm/a，其他地區(qū)如天山山區(qū)的幅度為0～3 mm/a，吐哈盆地的十三間房地區(qū)、皮山、民豐地區(qū)、準(zhǔn)噶爾盆地東部呈增加趨勢(shì)，增加幅度為0.2～2.5 mm/a。春季與冬季的ET0總體變化不明顯，其變化趨勢(shì)微弱，少有明顯的增幅與減幅區(qū)域。冬季大部分區(qū)域呈微弱增加趨勢(shì)，增加幅度為0～0.35 mm/a，而塔里木盆地中部，哈密地區(qū)東部、天山山區(qū)中東部、精河綠洲、昆侖山區(qū)西部等地，減少幅度為0～0.2 mm/a。春季區(qū)域塔里木盆地中部、哈密地區(qū)東部、精河綠洲、奇臺(tái)、吐魯番、鐵干里克、若羌一線區(qū)域、莎車(chē)綠洲等地，減少幅度為0.3～0.8 mm/a。其余地區(qū)處于微弱增加趨勢(shì)，只有吐哈盆地的十三間房地區(qū)增加幅度達(dá)到1.4 mm/a。

圖2新疆參考作物蒸散量年及季節(jié)的變化率空間分布

2.2參考作物蒸散量的年代際空間變化分析

20世紀(jì)60年代，新疆區(qū)域年參考作物蒸散量變化差別明顯(圖3)，其中新疆塔克拉瑪干沙漠中部、新疆東南部、西北部平原區(qū)域增幅較大，增幅幅度為120～200 mm，天山山區(qū)、昆侖山區(qū)降幅為10～50 mm，此外，吐哈盆地的中部則存在一個(gè)降幅中心，減幅為50～180 mm。70年代，新疆東南部、皮山縣、民豐縣及吐哈盆地中部蒸發(fā)降幅明顯，平均為50～180 mm，東北部降幅為10～50 mm。其余地區(qū)增幅明顯，尤其是天山山區(qū)為10～100 mm，而哈巴河、克拉瑪依、烏蘇、呼圖壁、烏魯木齊一線的平原地區(qū)、塔克拉瑪干沙漠中部，增加幅度為150～200 mm，部分地區(qū)超過(guò)200 mm，增幅大于其他地區(qū)。80年代，新疆北部及天山山區(qū)年ET0高于多年平均，其平均增幅為50～200 mm，而吐哈盆地中部、塔克拉瑪干沙漠中部及昆侖山脈ET0低于多年平均，平均減幅為50～180 mm，其中在南疆西部喀什綠洲的減幅為10～50 mm，巴楚綠洲增幅大于200 mm。90年代，大部分地區(qū)的ET0高于多年平均,其中北疆地區(qū)增幅明顯高于南疆地區(qū)。新疆的東南部減幅為10～180 mm，北疆的平均增幅10～200 mm、南疆塔克拉瑪干沙漠的減小幅度為0～50 mm，而天山山區(qū)、阿爾泰山高于多年平均150～200 mm。2000—2013年，新疆絕大部分地區(qū)的年ET0低于多年平均，只有東部的吐哈盆地增幅為10～200 mm，其中十三間房地區(qū)增幅超過(guò)200 mm。南疆塔克拉瑪干沙漠減幅為50～-180 mm，天山山區(qū)、阿爾泰山、昆侖山區(qū)減幅為10～180 mm，北疆克拉瑪依、烏蘇、阿拉山口減幅為100～180 mm。

表1　ET0的年代際變化　mm

3　參考作物蒸散量變化的原因分析

ET0受各種因素綜合影響，主要有氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、飽和水汽壓等氣象要素。由于影響ET0變化的因素眾多，不同因素之間也相互影響，ET0的變化成因復(fù)雜。為研究新疆ET0變化的成因，選取6個(gè)氣象因子(風(fēng)速代表動(dòng)力因子，平均氣溫、日較差、日照時(shí)數(shù)代表熱力因子，相對(duì)濕度、降水代表濕度因子)，采用多元回歸分析方法來(lái)研究ET0與影響因子之間的相關(guān)性，以及影響其變化的主導(dǎo)因素。

圖320世紀(jì)60，70，80，90年代及2000-2013年的年參考作物蒸散量距平空間分布

如表2所示，不同氣候因子對(duì)ET0的影響程度不同，對(duì)年ET0影響較大的是平均溫度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、日較差、相對(duì)濕度、降雨；對(duì)春季ET0影響較大的因素是平均溫度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、日較差、相對(duì)濕度；夏季是風(fēng)速、平均氣溫和相對(duì)濕度；秋季是風(fēng)速、平均氣溫和相對(duì)濕度；冬季是平均溫度、風(fēng)速和相對(duì)濕度。

表2　年及季節(jié)ET0與氣象因子的多元回歸系數(shù)及相對(duì)貢獻(xiàn)率

注：*，**，***分別表示通過(guò)0.1，0.05，0.01的置信度檢驗(yàn)。

因?yàn)椴煌瑲庀笠蜃拥淖兓厔?shì)及其顯著程度有所不同，進(jìn)而對(duì)ET0變化的影響程度具有差異性。通過(guò)氣象因子與ET0的相對(duì)貢獻(xiàn)率的計(jì)算，53 a中，全疆全年風(fēng)速對(duì)ET0具有最高的相對(duì)貢獻(xiàn)率，溫度也具有較高的相對(duì)貢獻(xiàn)率。春季與冬季，平均溫度對(duì)ET0具有最高的相對(duì)貢獻(xiàn)率，風(fēng)速具有較高的相對(duì)貢獻(xiàn)率。夏季與秋季，風(fēng)速對(duì)ET0具有最高的相對(duì)貢獻(xiàn)率，而平均溫度具有較高的相對(duì)貢獻(xiàn)率?？傮w來(lái)看，風(fēng)速是全年及夏季、秋季ET0變化的主導(dǎo)因素，溫度是春季及冬季新疆區(qū)域ET0變化的主導(dǎo)因素。

4　結(jié) 論

新疆的ET0變化趨勢(shì)存在較明顯的季節(jié)差異，夏季ET0變化最大，是ET0年變化的主要貢獻(xiàn)者。各季節(jié)ET0量的空間分布與年ET0的空間分布基本一致。在年代際時(shí)間尺度上，新疆全年及季節(jié)的ET0在90年代是減少最明顯的階段，在不同年代際時(shí)間尺度，新疆全年及季節(jié)ET0的年際變化在空間上存在一定的空間分異。風(fēng)速是全年及夏季秋季ET0變化的主導(dǎo)因素，而溫度是春季及冬季新疆區(qū)域ET0變化的主導(dǎo)因素。其他因素對(duì)ET0的變化起增強(qiáng)或減弱作用。

本文主要研究了新疆區(qū)域ET0的年代際及季節(jié)的時(shí)空分布規(guī)律并定量研究各氣候因子對(duì)參考作物蒸散量變化的貢獻(xiàn)，對(duì)認(rèn)識(shí)氣候變化對(duì)新疆水資源的影響具有現(xiàn)實(shí)意義。但由于新疆面積廣闊，氣象站點(diǎn)稀疏，特別是高海拔山區(qū)、沙漠盆地腹地鮮有站點(diǎn)，且這部分所占面積較大，直接影響了對(duì)高山區(qū)氣候及沙漠腹地的蒸散發(fā)變化的認(rèn)識(shí)。研究高海拔山區(qū)及沙漠腹地的蒸散發(fā)變化規(guī)律及探究合理的空間插值方法，對(duì)在氣候變化下區(qū)域的參考作物蒸散量的變化具有幫助作用。在水資源受到限制條件下的干旱區(qū)研究氣候因子對(duì)蒸散發(fā)變化的貢獻(xiàn)，可為氣候變化下的干旱區(qū)流域水資源規(guī)劃和管理提供重要的科學(xué)參考。

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Study of Temporal and Spatial Variation of the Reference Crop Evapotranspiration in Xinjiang Uygur Autonomous Region During the Period from 1961 to 2013

DONG Yu1,2, HU Jiangling1,2, WANG Jinjie3, CHEN Xuegang1,2

(1.KeyLaboratoryofLakeEnvironmentandResourcesinAridZone,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China; 2.InstituteofGeographicScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China; 3.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China)

Study on characteristics of the spatial and temporal variation of reference crop evapotranspiration (ET0) is a very important for hydrology and agriculture in Xinjiang Uygur Autonomous Region. Based on the meteorological data of 55 stations in Xinjiang during the period from 1961 to 2013, the annual and seasonal reference crop evapotranspiration was calculated using the Penman-Monteith model and the tempo-spatial change characteristics was analyzed. The multiple regression analysis was used to quantitatively analyse the dominant factor affecting the reference crop evapotranspiration. The results indicated that annual ET0presented the decreasing tendency, the tendency rate of annual ET0was -1.01 mm/a. ET0was higher before 1980s than after 1980s, and experienced the process from the decrease during 1990s, while it showed an increasing tendency since 2000. The decreasing tendency of ET0in summer and autumn was quite similar to that of annual ET0, the decreasing tendency of ET0was not obvious in spring and winter. There was the marked geographical difference in ET0in different seasons. The wind speed and temperature were the dominant factors influencing ET0. The wind speed is main reason for the annual, summer and autumn variations of the ET0, temperature plays the major part in spring and winter variations of the ET0.

reference crop evapotranspiration; Penman-Monteith equation; temporal-spatial variability; Xinjiang Uygur Autonomous Region

2015-05-28

2015-06-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(41161029,41461033);新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室基金(XJDX0909-2012-08,XJDX0909-2010-04)

董煜(1970—),男,河南長(zhǎng)垣縣人,博士研究生,研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)水資源與環(huán)境研究。E-mail:dongyuxj@126.com

S161.4

A

1005-3409(2016)03-0304-05