新疆艾比湖綠洲潛在蒸散量年代際變化特征

譚 嬌，丁建麗※，董 煜，楊愛霞，張 喆

新疆艾比湖綠洲潛在蒸散量年代際變化特征

譚 嬌1,2，丁建麗1,2※，董 煜3，楊愛霞1,2，張 喆1,2

(1. 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2. 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046；3. 新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊830054)

潛在蒸散量在研究氣候變化、監(jiān)測農(nóng)業(yè)旱情、提高農(nóng)業(yè)水資源利用率等方面得到廣泛應(yīng)用。為研究新疆艾比湖綠洲潛在蒸散量年代際變化特征，該文使用1960—2013年艾比湖綠洲地區(qū)4個氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過Penman-Monteith公式計算年和季節(jié)潛在蒸散量，利用Cramer突變檢驗(yàn)分析和相關(guān)性分析與貢獻(xiàn)率計算其特征變化。結(jié)果表明：1）20世紀(jì)90年代的潛在蒸散量在研究時間尺度中達(dá)到最低，自2000年后開始增加。春季、夏季、秋季的潛在蒸散量與年潛在蒸散量變化趨勢一致，冬季無明顯變化；2）通過Cramer法檢驗(yàn)表明，春、夏、秋潛在蒸散量3季突變時間分別為1999年、1996年、1999年，冬季不存在突變，總體而言，潛在蒸散量突變均出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代；3）風(fēng)速是全年及季節(jié)潛在蒸散量的主導(dǎo)因素。研究可為艾比湖綠洲區(qū)域的水資源科學(xué)配置、農(nóng)業(yè)灌溉管理以及脆弱生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供依據(jù)。

蒸散量；氣候變化；回歸分析；Penman-Monteith方法；艾比湖綠洲；Cramer突變分析

0 引 言

蒸散作為一種連接水分運(yùn)移和能量轉(zhuǎn)換的紐帶，對貫穿水文循環(huán)過程的地表水的運(yùn)移以及物態(tài)轉(zhuǎn)化具有重要作用。潛在蒸散量（又稱參考作物蒸散量，evapotranspiration，ET0）是表征大氣蒸散能力的一個重要指標(biāo)，代表植被覆蓋下蒸發(fā)引起水分損失的上限。艾比湖綠洲地區(qū)是指征準(zhǔn)噶爾盆地生態(tài)變化的關(guān)鍵地區(qū)[1-2]，近年來，該區(qū)域的生態(tài)效應(yīng)受氣候條件及人類活動影響較大[3]，但針對該地區(qū)的潛在蒸散量研究相對較少。

潛在蒸散量的變化具有明顯的區(qū)域性特征。研究表明，新疆生長季及全年的ET0呈顯著減少趨勢[4-5]；隴東地區(qū)近50 a ET0呈下降趨勢，且夏季ET0減少明顯，日照時數(shù)是影響ET0變化的主要因素[6]；新疆的阿拉爾墾區(qū)近40 a ET0呈減少趨勢[7]；阿克蘇河流域ET0減少顯著，在高海拔地區(qū)主要受相對濕度影響，而在低海拔地區(qū)主要受風(fēng)速影響[8]。近期也有研究證實(shí)中國蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量自1990年后由減少轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著增加趨勢[9-10]；西北干旱區(qū)ET0在2000年后由下降逆轉(zhuǎn)為上升趨勢[11-14]；新疆氣候由暖干向暖濕變化[15]?，F(xiàn)有研究中大多是日值、月值數(shù)據(jù)計算潛在蒸散量以及使用M-K突變檢驗(yàn)來進(jìn)行分析，關(guān)于ET0的季節(jié)變換的研究鮮少報道。ET0的變化趨勢及主導(dǎo)原因在不同時期，不同季節(jié)存在差異[16]。另外，目前廣泛應(yīng)用的是聯(lián)合國推薦的Penman-Monteith公式計算ET0的常用公式，不少研究者采用這種方法對不同區(qū)域潛在蒸散量進(jìn)行了分析。中國區(qū)域廣闊，針對各地ET0的變化及歸因研究具有明顯的區(qū)域性特征[17-21]。

有關(guān)艾比湖流域氣候變化的研究，大部分針對短時期氣溫和降水量變化[22-23]，關(guān)于潛在蒸散量變化特征的研究較少。明確潛在蒸散量的分布特征對綠洲尺度水文循環(huán)和陸氣相互作用的認(rèn)識至關(guān)重要[24]。本文主要研究新疆艾比湖綠洲潛在蒸散量年代際變化特征（即潛在蒸散量的年、季節(jié)變化特征）及影響因素，以期為艾比湖綠洲區(qū)域的水資源科學(xué)配置、農(nóng)業(yè)灌溉管理以及脆弱生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

艾比湖綠洲位于西北干旱區(qū)、歐亞大陸腹地，是對氣候變化最為敏感的區(qū)域[25-26]。其地理位置位于天山西段北麓、準(zhǔn)噶爾盆地西南部，在43°38′～45°52′N、79°53′～85°02′E之間。由于三面環(huán)山，氣流被攔阻，該地區(qū)干旱少雨、蒸發(fā)量大、日照充足，屬溫帶大陸性干旱氣候，研究區(qū)由艾比湖盆地、博爾塔拉谷地構(gòu)成，包括博樂市、溫泉縣、精河縣和阿拉山口市（圖1），光熱資源充沛，降水稀少，蒸發(fā)旺盛，空氣干燥，多大風(fēng)天氣。研究區(qū)內(nèi)日平均氣溫6～8 ℃，年日照時數(shù)約為2 800 h，年平均降水量90.99 mm，年蒸發(fā)量3 790 mm以上。主要植物種類有胡楊、梭梭、蘆葦、鈴鐺刺、檉柳、黑果枸杞、小獐茅等。

圖1 艾比湖綠洲氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of meteorological stations in Ebinur Lake oasis

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要為氣象數(shù)據(jù)，源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。氣象數(shù)據(jù)分別為1960—2013年艾比湖綠洲地區(qū)溫泉站、博樂站、阿拉山口站以及精河站4個氣象站點(diǎn)的最值溫度、年平均溫度、年降水量、相對濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)的日值數(shù)據(jù)和大風(fēng)日8個氣象因子。相關(guān)數(shù)據(jù)及年均日照百分比如表1所示。

表1 研究區(qū)主要?dú)庀笠蛩財?shù)據(jù)Table1 Data for main meteorological factors in study area

2.2 研究方法

2.2.1 潛在蒸散量計算

以聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith公式計算ET0[27]：

式中ET0代表參考作物蒸散量，mm/d；Rn代表參考作物冠層表面凈輻射，MJ/(m2·d)；Δ代表飽和水氣壓與溫度曲線的斜率，kPa/℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃；T代表日平均氣溫，℃；G代表土壤熱通量， MJ/(m2·d)；ea代表實(shí)際水汽壓，kPa；es代表蒸發(fā)表面飽和水汽壓，kPa；U2代表風(fēng)速，m/s；Ra代表代表頂層太陽輻射，MJ/(m2·d)；δ代表波爾茲曼常數(shù)；n代表實(shí)際日照時數(shù)， h；N代表最大日照時數(shù)，h；Tmax代表最高絕對氣溫，K；Tmin最低絕對氣溫，K；as代表大氣外界輻射到達(dá)地面的分量；bs代表大氣外界輻射到達(dá)地面的分量；α為地表反射度，取值0.23[27]。Ti代表第i月的平均氣溫，Ti-1代表第i-1月的平均氣溫，K。

式中e0代表在溫度最高或最低時刻的飽和水氣壓，kPa。

2.2.2 距平分析法

距平分析法以氣象水文長時間序列的實(shí)測值與平均值的差值，反映氣象水文因素的長時間變化趨勢以及氣象水文因素與多年平均狀態(tài)的偏離程度。將某時間段n′內(nèi)距平值全部累加，然后與對應(yīng)時刻繪制曲線，根據(jù)曲線情況判定氣候水文因素在時間序列上的變化趨勢，或者根據(jù)曲線變化情況判斷因素變化的階段性特征。

式中CB為累積距平；Bj和B分別為某氣象水文因素的實(shí)測值和長時間序列的平均值。

2.2.3 突變分析方法

采用Cramer突變分析方法進(jìn)行檢驗(yàn)ET0突變。Cramer方法通過分析研究數(shù)據(jù)整體的均值與部分研究數(shù)據(jù)均值之間的分異，判斷其分異否具有顯著性來確定是否存在突變點(diǎn)，其計算方法見[27]。

2.2.4 偏相關(guān)分析與相對貢獻(xiàn)率計算

偏相關(guān)分析是相關(guān)分析的一種，通過偏相關(guān)系數(shù)表征在其他變量被控制的條件下，某2個變量之間的線性相關(guān)程度。偏相關(guān)系數(shù)越接近100%，這2個變量間相關(guān)程度越高。

利用多元回歸方法分析氣象因素對氣象水文要素變化影響的相對貢獻(xiàn)率。首先，對相關(guān)氣象水文因素數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)或者倒數(shù)的歸一化處理；然后，運(yùn)用SPSS統(tǒng)計軟件對歸一化的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到回歸方程。某一自變量對因變量的相對貢獻(xiàn)率即其對應(yīng)系數(shù)的絕對值與所有回歸系數(shù)絕對值之和的比值。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)ET0年代際動態(tài)變化

3.1.1 ET0的年代際變化

艾比湖綠洲年代際ET0及累積距平如表2所示。由表2可以看出，研究區(qū)在1960—2013年平均ET0為1 064 mm。研究區(qū)全年的ET0在1960—1989年為正距平，1990—1999年轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)距平，且在20世紀(jì)90年代負(fù)距平達(dá)到最低，至2000年后又轉(zhuǎn)為正距平。整體來看，1960—2013年研究區(qū)ET0呈下降趨勢，且趨勢較為明顯。

表2 1960—2013年研究區(qū)ET0及其累積距平Table2 ET0and accumulative anomaly (AA) in study area from 1960 to 2013

3.1.2 ET0的季節(jié)變化

表2表明，春季、夏季、秋季的ET0與全年ET0變化趨勢一致，冬季的ET0距平相對其他季節(jié)變化很小。1960—2013年研究區(qū)春季平均ET0為313 mm、夏季為552 mm、秋季為173 mm、冬季為25 mm，分別占全年的29%、52%、16%、3%。說明春、夏兩季對全年ET0貢獻(xiàn)最大，占全年的81%。從ET0的季節(jié)趨勢來看，在20世紀(jì)80年代春季和秋季的距平變化類似，均為負(fù)值；20世紀(jì)90年代，春季、夏季、秋季3個季節(jié)的累積距平均為負(fù)值。

3.2 ET0Cramer突變檢驗(yàn)

研究區(qū)年、季節(jié)ET0及Cramer法突變檢驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從全年來看，1960年至20世紀(jì)90年代中期，ET0明顯減少，但之后開始呈增加趨勢，這一趨勢符合其年代際距平的變化特征。Cramer法突變檢驗(yàn)表明，1997年t檢驗(yàn)統(tǒng)計值為-4.35，絕對值大于臨界值（-4.032）的絕對值，因此1960—2013年研究區(qū)ET0在1997年存在突變點(diǎn)。1960—1996年研究區(qū)ET0呈極顯著降低趨勢，平均遞減率為-2.81 mm/a（P＜0.01）；在1997—2013年研究區(qū)ET0呈極顯著上升趨勢，平均遞增率為3.43 mm/a（P＜0.01）。從不同季節(jié)看，Cramer法突變檢驗(yàn)表明春季確定突變點(diǎn)在1999年；夏季確定突變點(diǎn)在1996年；秋季確定突變點(diǎn)在1999年；而冬季不存在突變點(diǎn)。研究表明[28]，1990年是艾比湖流域年潛在蒸散量的突變點(diǎn)。與之不同，本研究表明，研究區(qū)全年ET0突變點(diǎn)出現(xiàn)在1997年，不同季節(jié)突變點(diǎn)稍有不同，但均出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代。

圖2 艾比湖綠洲ET0年、季節(jié)及Cramer突變檢驗(yàn)Fig.2 Annual and season variation and Cramer’s mutation test for ET0in Ebinur Lake oasis

3.3 研究區(qū)ET0的歸因分析

一般認(rèn)為，日照時數(shù)、風(fēng)速、日較差、平均氣溫、相對濕度和降水是影響ET0的主要因素，故本文進(jìn)行偏相關(guān)分析，并采用多元回歸方法計算各因子相對貢獻(xiàn)率，如表3所示。

表3 氣象因子與ET0的偏相關(guān)系數(shù)及其相對貢獻(xiàn)率Table3 Partial correlation coefficients (PC) between climate factors and ET0and relative contribution of each factor (CC) to ET0

由表3可知，不同氣候因子與ET0的偏相關(guān)系數(shù)差異較大，且各因子對ET0的影響程度不同。在1960—1996年間，偏相關(guān)系數(shù)最大的是風(fēng)速與相對濕度。在1997—2013年間，偏相關(guān)系數(shù)較高的是風(fēng)速、日照時數(shù)與相對濕度。不同時間段、不同季節(jié)的各氣象因子與ET0的偏相關(guān)系數(shù)也具有一定的差異。在1960—1998年間，春季ET0與風(fēng)速、相對濕度具有較高的相關(guān)性。在1999—2013年之間，春季ET0與平均溫度、風(fēng)速與日照時間具有較高的相關(guān)性。在1960—1995年與1996—2013年，夏季ET0與平均溫度、相對濕度、風(fēng)速、日照時間具有較高的相關(guān)性。在1960—1998年之間，秋季ET0與平均溫度、相對濕度、風(fēng)速具有較高的相關(guān)性；而1998年后，僅與風(fēng)速極顯著相關(guān)（P<0.01）。冬季ET0與平均溫度、相對濕度及風(fēng)速有較高的相關(guān)性。

ET0變化因受不同氣象因子變化趨勢的影響而具有差異性。一般而言，風(fēng)速增大，地表或植被表層的蒸汽壓降低，將促進(jìn)蒸散發(fā)生[29]。中國西北地區(qū)20世紀(jì)90年代平均風(fēng)速比20世紀(jì)50年代減少大約16%[30]。各因子對ET0的相對貢獻(xiàn)率表明（表3），研究區(qū)全年ET0在1997年發(fā)生突變，1960—1996年間和1997—2013年間的風(fēng)速對全年ET0具有最高的相對貢獻(xiàn)率，分別為79.65%和57.39%。相對于前一時間段，1997—2013年風(fēng)速的相對貢獻(xiàn)率逐漸減少，氣溫日較差的相對貢獻(xiàn)率逐漸增加。春季ET0在1999年突變，在1960—1998年和1999—2013年風(fēng)速對春季ET0依舊具有最高的相對貢獻(xiàn)率，分別為59.55%和45.51%，較全年來說，相對貢獻(xiàn)率有所降低；氣溫日較差的相對貢獻(xiàn)率分別為23.64%和30.93%，較全年來說，相對貢獻(xiàn)率有所增加。夏季ET0在1996年突變，在1960—1995年與1996—2013年，風(fēng)速對夏季ET0依舊具有最高的相對貢獻(xiàn)率，分別占70.98%和73.58%。秋季ET0在1999年突變，在1960—1998年與1999—2013年，風(fēng)速對秋季ET0依舊具有最高的相對貢獻(xiàn)率，分別占80.84%和80.93%，風(fēng)速的相對貢獻(xiàn)率達(dá)到最高。冬季1960—2013年風(fēng)速對ET0具有最高的貢獻(xiàn)率，其次為平均溫度。通過全年及季節(jié)ET0的氣象因子相對貢獻(xiàn)率研究，風(fēng)速是全年及季節(jié)ET0的主導(dǎo)因素，其次氣溫日較差對春季ET0貢獻(xiàn)較大，平均溫度對夏季、秋季與冬季ET0貢獻(xiàn)較大。

4 結(jié)論與討論

本文利用1960—2013年4個氣象站點(diǎn)的主要?dú)庀髷?shù)據(jù)，采用Penman-Monteith公式計算潛在蒸散量，從年代際時間尺度分析研究區(qū)全年及季節(jié)的潛在蒸散量及其變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）1960—2013年艾比湖綠洲年潛在蒸散量總體呈下降趨勢。從年變化來看，潛在蒸散量（evapotranspiration，ET0）在1990—1999年間是研究時間尺度中潛在蒸散量最小的。自2000年后開始增加。從季節(jié)變化來看，春、夏兩季ET0是全年中潛在蒸散量的相對貢獻(xiàn)率最大，春季、夏季、秋季3季的ET0與年ET0變化趨勢一致。

2）利用Cramer法進(jìn)行檢驗(yàn)確定1960—2013年艾比湖綠洲全年ET0突變發(fā)生在1997年。在1960—1996年處于極顯著減少趨勢，在1997—2013年為極顯著上升趨勢。季節(jié)性ET0檢驗(yàn)結(jié)果稍有差異，春季突變點(diǎn)在1999年，夏季突變點(diǎn)在1996年，秋季為1999年，而冬季不存在突變時間?？傮w而言，20世紀(jì)90年代ET0出現(xiàn)突變。

3）ET0的變化成因復(fù)雜且ET0變化的程度受不同氣象因子的影響不同。風(fēng)速是全年及季節(jié)ET0的主導(dǎo)因素，其次氣溫日較差對春季ET0貢獻(xiàn)較大，平均溫度對夏季、秋季與冬季ET0貢獻(xiàn)較大。

潛在蒸散量是假設(shè)存在參考作物前提下的計算結(jié)果，不同于實(shí)際蒸散量。所以在研究實(shí)際蒸散量的演變規(guī)律時，需要進(jìn)一步分析各類植被和下墊面的變化。

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Decadal variation of potential evapotranspiration in Ebinur Lake oasis of Xinjiang

Tan Jiao1,2, Ding Jianli1,2※, Dong Yu3, Yang Aixia1,2, Zhang Zhe1,2
(1. College of Resources and Environment Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China; 2. Key Laboratory of Oasis Ecology of Ministry of Education, Urumqi 830046, China; 3. College of Geographical Sciences and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China)

Evapotranspiration is one of the important parameters in hydrological and meteorological studies. Under the background of global warming, it is essential to accurately estimate the potential evapotranspiration (ET0) in arid and semiarid areas where the water resources are limited and excessively explored. In this study, we used the data of main daily meteorological factors such as temperature, relative humidity, wind speed and sunshine duration from 4 meteorological stations to calculate the ET0based on Penmen-Monteith equation for analyzing the spatial distribution and temporal change in the ET0in Xinjiang Ebinur Lake oasis during 1961-2013. The Cramer mutation analysis was used for determination of the mutation point of ET0, the partial correlation analysis was conducted, and the contribution of the main climatic factors to ET0was calculated. The results showed that: 1) the accumulative anomaly of ET0was positive in 1960-1989 and negative in 1990-1999. The ET0was the lowest in the 1990s and then increased since 2000. As a whole, the ET0in the study area decreased from 1960 to 2013. The change of ET0in the spring, summer and autumn was consistent with that of the whole year, and the change of ET0in the winter was not obvious. The average ET0calculated based on the whole year from 1960-2013 was 1 064 mm. The ET0in the spring, summer, autumn and winter accounted for 29%, 52%, 16% and 3% of the total, respectively, indicating that ET0in the spring and summer had the largest contribution to ET0; 2) the ET0mutation was in the year of 1997 based on the whole year data, in 1999 based on the spring data, in 1996 in the summer and in 1999 in the autumn. ET0was decreased at a rate of -2.81 mm/a from 1960 to 1996 and then increased at a rate of 3.43 mm/a since 1997 to 2013. There was no mutation in the winter; 3) the mean temperature, daily range of temperature, sunshine duration, wind speed, relative humidity and annual precipitation had different influence on the ET0. In the spring of 1960-1998, there was a high correlation between ET0and wind speed and relative humidity. In the spring of 1999-2013, ET0had a high correlation with mean temperature, wind speed and sunshine duration. In the summer of 1960-1995 and 1996-2013, ET0had a high correlation with the mean temperature, relative humidity, wind speed and sunshine duration. In the autumn of 1960 to 1998, ET0had a high correlation with the mean temperature, relative humidity and wind speed. However, after 1998, ET0only had a high correlation with wind speed. There was a high correlation between ET0and mean temperature, relative humidity and wind speed in the winter. According to the relative contribution of each factor to ET0, the wind speed was the main factor affecting ET0in the study area. In the spring, ET0was also affected by the daily range of temperature, and in the summer, autumn and winter it was also affected by the mean temperature. The results would provide valuable information for restoration of fragile ecological environment water resources allocation, agricultural irrigation and management science.

evapotranspiration; climate change; regression analysis; Penman-Monteith equation; Ebinur Lake oasis; Cramer mutation analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.021

S161.4

A

1002-6819(2017)-05-0143-06

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10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.021 http://www.tcsae.org

Tan Jiao, Ding Jianli, Dong Yu, Yang Aixia, Zhang Zhe. Decadal variation of potential evapotranspiration in Ebinur Lake oasis of Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(5): 143－148. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.05.021 http://www.tcsae.org

2016-07-06

2016-12-10

自治區(qū)科技支疆項(xiàng)目（201591101）；自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)基金（2016D03001、2014KL005）；國家自然科學(xué)基金（U1303381、41261090、41161063）；教育部促進(jìn)與美大地區(qū)科研合作與高層次人才培養(yǎng)項(xiàng)目

譚 嬌，女，新疆五家渠人，主要從事干旱區(qū)資源環(huán)境及遙感應(yīng)用研究。烏魯木齊 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，830046。

Email：tanjiao_gis@163.com

※通信作者：丁建麗，男，山東成武人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事干旱區(qū)資源環(huán)境及遙感應(yīng)用研究。烏魯木齊 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，830046。Email：watarid@xju.edu.cn