變化環(huán)境下橫斷山區(qū)參考作物蒸散量時(shí)空分布及成因分析

申官正，王 龍，余 航，魏 瓊

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，昆明 650201)

0 引 言

近百年來(lái)，伴隨人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，全球自然氣候也隨之劇變[1]。據(jù)IPCC第5次評(píng)估報(bào)告所述，1880-2012年全球增溫0.85 ℃[2]，近30年而言，全球氣溫處于近1 400 年來(lái)的最高值。全球升溫趨勢(shì)儼然成為全球氣候變化的重要誘因[3]。隨著溫度的升高，水資源的變化必然首當(dāng)其沖，水資源的變化將會(huì)作用于各個(gè)國(guó)家的農(nóng)業(yè)、林業(yè)及社會(huì)等方方面面[4]。因此，對(duì)氣候變化的研究勢(shì)在必行[5]。

蒸發(fā)為地球水循環(huán)中不可或缺的一環(huán)，其重要性不言而喻。但是，由于實(shí)際蒸散量觀測(cè)值等氣象資料的缺失[6]，人們通常通過(guò)使用潛在蒸散量代替實(shí)際蒸散量進(jìn)行研究，也稱參考作物蒸散量。參考作物蒸散量不僅是氣候變化、水資源利用、計(jì)算作物生產(chǎn)潛力等的指標(biāo)。而且對(duì)農(nóng)業(yè)水資源利用、能源供應(yīng)及生態(tài)環(huán)境意義非凡[7-11]。

橫斷山區(qū)位于我國(guó)地形第一階梯與第二階梯交界處，即地處青藏高原向云貴高原和四川盆地的過(guò)渡地帶[12]。近年來(lái)，隨著對(duì)青藏高原氣候變化的深入研究，青藏高原被認(rèn)為世界氣候的“第三極”，其對(duì)于世界范圍內(nèi)氣候變化意義得以驗(yàn)證。但對(duì)橫斷山區(qū)的研究相去甚遠(yuǎn)，因此，深入系統(tǒng)的研究橫斷山區(qū)潛在蒸散量時(shí)空變化及其成因，對(duì)橫斷山區(qū)水資源合理配置、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展及區(qū)域社會(huì)穩(wěn)定等意義重大[13-17]。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

橫斷山區(qū)幅員遼闊，其范圍包括青藏高原東南緣，川滇藏境內(nèi)山川東西并列，南北縱橫的廣大地區(qū)。位于我國(guó)第二地形階梯，因其為云貴高原及四川盆地的過(guò)渡區(qū)，故而地形以高原與盆地為主，是我國(guó)最典型的南北向山系。研究區(qū)內(nèi)季節(jié)干濕分明，大氣環(huán)流在本研究區(qū)作用明顯。研究區(qū)內(nèi)地勢(shì)險(xiǎn)峻，地表結(jié)構(gòu)對(duì)研究區(qū)的差異性自然分區(qū)起不可或缺的作用。研究區(qū)內(nèi)降水分布極不均勻，西南部的高黎貢山西部年降水達(dá)到1 300 mm以上，但是在巴塘得榮一線降水僅為300 mm左右。在考慮地形地勢(shì)因素及氣象站氣象資料基礎(chǔ)上，本文暫定研究區(qū)范圍為：北線為昌都-甘孜-若爾蓋一線，西線為昌都-察隅-騰沖-思茅一線，南線為思茅-江城一線，東線為元江-鹽源-若爾蓋一線，研究區(qū)界定如圖1所示[12]。

圖1 研究區(qū)范圍及站點(diǎn)分布Fig.1 Study area and site distribution

1.2 ET0的計(jì)算

利用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的彭曼公式如下所示[18]：

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/d；Rn為冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d);Δ為飽和水汽壓曲線在氣溫為T時(shí)的斜率，kPa/℃；T為日平均氣溫，℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa；U2為距地面2 m處的風(fēng)速，m/s；ea為飽和水汽壓，kPa；es為實(shí)際水汽壓，kPa。

1.3 ET0的分析方法

本文采用MATLAB編程計(jì)算出了1960-2013年橫斷山區(qū)逐月參考作物蒸散量，通過(guò)SPSS軟件分析橫斷山區(qū)參考作物蒸散量空間與時(shí)間尺度下的相關(guān)性及顯著性，通過(guò)MORLET小波分析、EOF分析及MANN-KENDELL突變性分析等方法揭示了橫斷山區(qū)參考作物蒸散量時(shí)空分布規(guī)律及成因[19-23]。

2 橫斷山區(qū)參考作物蒸散量空間分布

2.1 橫斷山區(qū)參考作物蒸散量空間分布特征

橫斷山區(qū)1960-2013年平均參考作物蒸散量為945.20 mm，年平均參考作物蒸散量值相較全國(guó)同期均值偏高。研究區(qū)內(nèi)年平均參考作物蒸散量空間分布極不均勻，年平均參考作物蒸散量在720.0～1 403.8 mm間浮動(dòng)，其空間分布格局表現(xiàn)為圖2所示，研究區(qū)北部低于南部，西部低于東部，差異顯著。研究區(qū)東北部毗鄰四川盆地，若爾蓋-都江堰一線為研究區(qū)年平均參考作物蒸散量低值區(qū)，最低值為727.0 mm(若爾蓋)，高值區(qū)為小金一帶；研究區(qū)西北部地接青藏高原，昌都-甘孜-稻城一線年平均參考作物蒸散量多分布于800～1 100 mm之間，區(qū)域差異性不明顯，高值出現(xiàn)在巴塘一帶，表明巴塘一帶蒸散發(fā)強(qiáng)烈；研究區(qū)中南部地處云貴高原，香格里拉-元江一線為研究區(qū)年平均參考作物蒸散量高值區(qū)，蒸散發(fā)現(xiàn)象強(qiáng)烈，最高值為1 403.8 mm(元江)，低值為江城一帶。

圖2 橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量分布Fig.2 Average annual reference crop evapotranspiration in Hengduan Mountains

2.2 橫斷山區(qū)參考作物蒸散量空間分布成因分析

對(duì)研究區(qū)31個(gè)氣象站點(diǎn)1960-2013年平均參考作物蒸散量與各氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度及海拔進(jìn)行相關(guān)性分析，分析研究區(qū)年平均蒸散量變化與經(jīng)緯度及海拔的關(guān)系，如表1所示。

表1 橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量與海拔及經(jīng)緯度相關(guān)性分析Tab.1 Correlation analysis of annual average referenceevapotranspiration and altitude and latitude andlongitude in Hengduan Mountains

研究區(qū)31個(gè)氣象站點(diǎn)海拔分布差異性明顯，海拔與橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量相關(guān)性明顯，通過(guò)a=0.05的顯著性檢驗(yàn)，呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.514 4，表明海拔越高，平均參考作物蒸散量越低，表現(xiàn)為高海拔地區(qū)年平均參考作物蒸散量低于低海拔地區(qū)，山區(qū)低于盆谷地；研究區(qū)31個(gè)氣象站點(diǎn)位于北緯22°～34°之間，橫跨12°。緯度與橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量相關(guān)性最高，通過(guò)a=0.05的顯著性檢驗(yàn)，呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.624，表明緯度越高，年平均參考作物蒸散量越低，表現(xiàn)為研究區(qū)北部年平均蒸散量低于南部，高值區(qū)多集中于北緯22°～28°之間；研究區(qū)31個(gè)氣象站點(diǎn)位于東經(jīng)95°～105°之間。經(jīng)度與年平均參考作物蒸散量相關(guān)性不顯著，相關(guān)系數(shù)僅為-0.087 9。

利用多元逐步回歸法對(duì)橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量和海拔、經(jīng)緯度等地理要素進(jìn)行回歸分析，得到回歸方程式：

ET0=1 802.12-0.023 1h-23.06N-1.56E

(R2=0.398 8)

(1)

式中：ET0為年平均參考作物蒸散量，mm；h為海拔高度，m；N為緯度，(°)；E為經(jīng)度，(°)。

式(1)將年平均參考作物蒸散量與海拔、經(jīng)緯度的關(guān)系定量化。該式表明，研究區(qū)內(nèi)，海拔每升高100 m年平均參考作物蒸散量減少2.3 mm，緯度向北偏移1°年平均參考作物蒸散量減少23.06 mm，經(jīng)度向東偏移1°年平均參考作物蒸散量減少1.56 mm。

橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量空間分布差異性明顯，為深入分析導(dǎo)致差異性頻現(xiàn)的內(nèi)在原因，現(xiàn)對(duì)橫斷山區(qū)31個(gè)站點(diǎn)1960-2013年平均參考作物蒸散量與年平均溫度、年平均相對(duì)濕度、年平均風(fēng)速、年平均日照時(shí)數(shù)、年平均最低溫度、年平均最高溫度和年平均降雨等氣象資料進(jìn)行相關(guān)性及貢獻(xiàn)率分析，結(jié)果如表2所示。

表2 橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量與氣象要素相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis of annual average referenceevapotranspiration and meteorological factors in Hengduan Mountains

橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量與年平均相對(duì)濕度及年平均降水呈顯著負(fù)相關(guān)，并通過(guò)了a=0.05的顯著性檢驗(yàn)，年平均相對(duì)濕度對(duì)橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量變化貢獻(xiàn)值最高，達(dá)17.95%。橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量與年平均溫度、年平均最低溫度、年平均最高溫度及年平均日照時(shí)數(shù)呈顯著正相關(guān)，并通過(guò)了a=0.05的顯著性檢驗(yàn)，其中年平均最高溫度對(duì)橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量變化貢獻(xiàn)值最高，達(dá)16.87%。橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量與年平均風(fēng)速及年平均最低溫度相關(guān)性不顯著，但二者作用仍不可忽視。

對(duì)以上7種氣象要素與年參考作物蒸散量進(jìn)行多元逐步回歸分析，將7種氣象要素與年平均參考作物蒸散量之間關(guān)系定量化，得到下列公式：

ET0=469.38+22.86T1-3.70e+43.42U+46.36S+

3.93T2+8.83T3-0.04RR2=0.947 6

(2)

式中：ET0為年參考作物蒸散量，mm；T1為年平均溫度；e為年平均相對(duì)濕度；U為年平均風(fēng)速；S為年平均日照時(shí)數(shù)；T2為年平均最低溫度；T3為年平均最高溫度；R為年平均降水。

式(2)可推廣運(yùn)用于橫斷山區(qū)參考作物蒸散量的計(jì)算，其代表的含義為，橫斷山區(qū)內(nèi)，年平均氣溫每上升1°，年平均參考作物蒸散量增加22.86 mm；年平均相對(duì)濕度每上升1%，年平均

參考作物蒸散量減少3.70 mm；年平均風(fēng)速每增加1 m/s，年參考作物蒸散量增加43.42 mm；年平均日照時(shí)數(shù)每增加1 h，年平均參考作物蒸散量上升46.36 mm；年平均最低氣溫每上升1°，年平均參考作物蒸散量增加3.93 mm；年平均最高氣溫每上升1°，年平均參考作物蒸散量增加8.83 mm；年平均降雨量每增加100 mm，年平均參考作物蒸散量降低4 mm。

2.3 橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量EOF分析

通過(guò)對(duì)橫斷山區(qū)1960-2013年31個(gè)氣象站點(diǎn)逐年平均參考作物蒸散量矢量及平滑處理，對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行EOF分解，得到各載荷向量，表3給出前4個(gè)載荷向量的解釋方差、方差貢獻(xiàn)率及方差累積貢獻(xiàn)率。由表中結(jié)論可知，橫斷山區(qū)年均參考作物蒸散量EOF分解收斂性顯著，前四載荷向量累積貢獻(xiàn)率為84.13%，其中第一載荷向量最大，方差貢獻(xiàn)率達(dá)42.30%。因第五荷載向量方差貢獻(xiàn)率小于3%，故認(rèn)定前四方差貢獻(xiàn)為主成分。對(duì)各站點(diǎn)進(jìn)行EOF分解，其前四載荷向量空間分布如圖3所示。

表3 前四載荷向量方差分析Tab.3 Load vector variance analysis

橫斷山區(qū)年均參考作物蒸散量EOF分解第一主成分方差貢獻(xiàn)率為42.30%，解釋方差達(dá)49.458。如圖3(a)所示：全區(qū)時(shí)間系數(shù)第一模態(tài)空間場(chǎng)分布均大于0，表明橫斷山區(qū)參考作物蒸散量變化保持高度區(qū)域一致性，盡管研究區(qū)幅員遼闊，海拔高低不同，氣候變化萬(wàn)千，但全區(qū)參考作物蒸散量分布保持較高的一致性。高值區(qū)多分布于研究區(qū)東北部若爾蓋-松潘一線及新龍-小金一線、研究區(qū)中部維西-鹽源一線及研究區(qū)南部元江一帶。表明上述區(qū)域?yàn)槟昶骄鶇⒖甲魑镎羯⒘扛?dòng)變化強(qiáng)烈區(qū)域，低值區(qū)多分布于研究區(qū)西北部昌都-巴塘一線及研究區(qū)中南部大理-保山一線，全區(qū)分布呈間斷狀分布；橫斷山區(qū)年均參考作物蒸散量EOF分解第二主成分方差貢獻(xiàn)率為24.049%，解釋方差達(dá)28.118 8。如圖3(b)所示：全區(qū)時(shí)間系數(shù)第二模態(tài)空間分布均小于0，時(shí)間系數(shù)高值區(qū)多分布于第一模態(tài)恰好相反，更能說(shuō)明空間斷狀分布特征顯著；橫斷山區(qū)年均參考作物蒸散量EOF分解第三與第四主成分方差貢獻(xiàn)率分別為12.259 1%與5.522 2%。如圖3(c)及圖3(d)所示：其空間分布極為相似。其空間分布均存在兩條“零線”，一為甘孜-九龍-貢山一線，該線將研究區(qū)北部分為西北部及東北部差異性顯著的兩個(gè)區(qū)域，即西北部干旱少雨而東北部相對(duì)較為濕潤(rùn)；二為保山-大理-景東一線，該線恰將研究區(qū)中部與南部隔斷，局部變異性明顯。

圖3 橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量前四載荷向量空間分布Fig.3 Spatial distribution of the first four years of the reference crop evapotranspiration in Hengduan Mountains

3 橫斷山區(qū)參考作物蒸散量時(shí)間分布

3.1 橫斷山區(qū)參考作物蒸散量時(shí)間分布

橫斷山區(qū)1960-2013年平均參考作物蒸散量遞增趨勢(shì)明顯，如圖4(a)傾向率為4.5 mm/10 a。為分析54年間參考作物蒸散量階段性變化特征，引入累積距平這一個(gè)概念，橫斷山區(qū)參考作物蒸散量累積距平是1960-2013年逐年參考作物蒸散量與均值偏差的累積值。從累積距平曲線圖4(b)可得，1969、1984及2004年為參考作物蒸散量的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。1960-1969年是參考作物蒸散量偏少的階段，以負(fù)距平為主，呈現(xiàn)較小的減少趨勢(shì)，其傾向率為-1.74 mm/10 a;1970-1984年是參考作物蒸散量偏多的階段，以正距平為主，呈現(xiàn)微弱的增長(zhǎng)趨勢(shì)，其傾向率為0.28 mm/10 a;1985-2004年為參考作物蒸散量偏少的階段，以負(fù)距平為主，呈現(xiàn)微弱的增長(zhǎng)趨勢(shì)，其傾向率為0.41 mm/10 a;2005-2013年為參考作物蒸散量偏多的階段，以正距平為主，呈現(xiàn)較大的增長(zhǎng)趨勢(shì)，其傾向率為35 mm/10 a。近54年來(lái)，最小距平值(-43.88 mm)出現(xiàn)在2000年，最大距平值(52.27 mm)出現(xiàn)在2013年。

圖4 橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量及距平曲線Fig.4 Mean annual reference crop evapotranspiration and its anomaly curve in Hengduan Mountains

3.2 橫斷山區(qū)參考作物蒸散量周期性分析

3.2.1 橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量周期性分析

基于橫斷山區(qū)31個(gè)氣象站點(diǎn)1960-2013年平均參考作物蒸散量時(shí)間序列的距平基礎(chǔ)上，并對(duì)序列距平結(jié)果進(jìn)行連續(xù)Morlet小波變換，求得年平均參考作物蒸散量多時(shí)間尺度周期變化規(guī)律。如圖5所示：小波系數(shù)實(shí)部反映出時(shí)間尺度信號(hào)在不同尺度下位相及強(qiáng)烈程度兩方面的信息，正位相代表年平均參考作物蒸散量偏多的時(shí)期，負(fù)位相代表年平均參考作物蒸散量偏少的時(shí)期。

橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量小波分析圖存在25～30 a左右的強(qiáng)周期位相變化，表明橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量主周期為27 a。在橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量主周期內(nèi)，1970-1983年及1994-2002年兩時(shí)段為正位相，表明上述兩時(shí)段內(nèi)橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量較大；而1960-1969年、1984-1993年及2003-2009年內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)相位，表明上述三時(shí)段內(nèi)橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量較小。與上文結(jié)論相符。

圖5 橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量小波分析Fig.5 Wavelet analysis of annual average reference crop evapotranspiration in Hengduan Mountains

3.2.2 橫斷山區(qū)四季平均參考作物蒸散量周期性分析

橫斷山區(qū)四季平均參考作物蒸散量除冬季出現(xiàn)21 a的次周期外，其余均保持與橫斷山區(qū)年參考作物蒸散量主周期一致，如圖6所示。表明橫斷山區(qū)冬季平均參考作物蒸散量變化劇烈，需更多重視冬季農(nóng)業(yè)用水，防止干旱的發(fā)生。

圖6 橫斷山區(qū)四季平均參考作物蒸散量小波分析Fig.6 Wavelet analysis of average reference crop evapotranspiration in Hengduan Mountains

4 結(jié) 論

4.1 空間特征

橫斷山區(qū)1960-2013年年平均參考作物蒸散量為945.20 mm，高于全國(guó)同期參考作物蒸散量均值；其空間分布呈現(xiàn)“南部高于北部，東部高于西部，盆谷地高于山地”，造成上述特征的內(nèi)因?yàn)楹０?、?jīng)緯度及各氣象要素的共同作用，換言之，即：海拔低、緯度低、平均溫度高、日照相對(duì)充足、風(fēng)速大、相對(duì)濕度小及降水少的區(qū)域，參考作物蒸散量相應(yīng)較大，反之較?。煌ㄟ^(guò)對(duì)橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量進(jìn)行EOF分析表明，橫斷山區(qū)西北部與東北部反向變化趨勢(shì)明顯，保山-大理一線與南部及中部空間變異性顯著。

4.2 時(shí)間特征

橫斷山區(qū)1960-2013年平均參考作物蒸散量遞增趨勢(shì)明顯，傾向率為4.5 mm/10 a；1969、1984及2004年為橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；橫斷山區(qū)年平 均參考作物蒸散量主周期為27a，橫斷山區(qū)四季平均參考作物蒸散量除冬季外均保持與橫斷山區(qū)年平均參考作物蒸散量周期一致性。

□

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