近56年來新疆策勒縣潛在蒸散量變化及影響因子分析

吉小芳，馬 倩，楊少敏，王至美

(新疆師范大學 地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054)

【研究意義】蒸散是地表熱量和水量相互間均衡的重要內(nèi)容，是影響氣候干濕狀況的關鍵要素[1]，其對于了解土壤水分運動、植被水分傳遞、植物與大氣之間的水汽交換以及植被層的熱量平衡具有重要的意義[2]。目前對于蒸散量數(shù)據(jù)的直接獲取尚未成熟大都通過估算獲得。潛在蒸散量是衡量區(qū)域蒸發(fā)能力的重要指標，也是評價氣候干濕狀況及農(nóng)業(yè)灌溉水分資源的關鍵參量[3]，在氣候變化背景下開展各區(qū)域潛在蒸散量時間和空間變化機制研究，具有迫切而現(xiàn)實意義[4-5]。【前人研究進展】張彩霞等[6]發(fā)現(xiàn)，河西地區(qū)ET0表現(xiàn)為上升趨勢，其中溫度貢獻率最大；曹永強等[7]研究了1965-2014年遼寧省潛在蒸散量的變化趨勢及其對氣象要素的敏感性，得出該區(qū)ET0呈下降趨勢且對水汽壓較為敏感；楊振常等[8]計算和分析了中國北方半干旱典型沙區(qū)潛在蒸散量的變化特征及驅(qū)動因素；相關研究[9-11]表明不同區(qū)域潛在蒸散量的變化趨勢及主要影響因子存在明顯差異?！颈狙芯壳腥朦c】新疆ET0的研究，其區(qū)域主要為較大空間范圍區(qū)域，對于較小區(qū)域ET0的研究較少。有關策勒縣的研究主要集中在風沙方面相關研究[12-17]，然而對于長時間尺度的ET0變化特征研究甚少。【擬解決的關鍵問題】本文利用相關方法研究策勒縣ET0的變化趨勢及主導因素，為科學認識該區(qū)域ET0對氣候變化的響應、評價其干濕演變特征及水資源的合理利用提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

策勒縣位于新疆最南部，其地理坐標為35°18′ ～ 39°18′N，80°03′ ～82°10′E，東西分別與于田縣和洛浦縣相鄰，西南與和田縣接壤，其北部區(qū)域延伸至塔克拉瑪干沙漠中部，是典型的綠洲荒漠過渡區(qū)。氣候夏季干旱炎熱，日照充足、晝夜溫差較大，風沙天氣多，空氣極端干燥，極端最高氣溫達42.1 ℃，極端最低氣溫低至-23.9 ℃，年均降水量為35.1 mm，最大風速10 m/s，屬于典型的暖溫帶荒漠氣候。降水量少，蒸發(fā)量大，干旱是制約當?shù)貐^(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。

1.2 資料來源

選取策勒縣氣象站(37°01′N，80°48′E，海拔高度為1336.5 m)1960-2016年2月日最高氣溫、平均氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)、降水量、平均風速、相對濕度等地面氣象數(shù)據(jù)，季節(jié)的劃分即春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月，冬季為12月至翌年1、2月。

1.3 研究方法

1.3.1 Penman-Monteith 模型 迄今，在潛在蒸散量估算方面，精確度較高且被廣泛使用的方法是世界糧農(nóng)組織 (FAO) 1998年修正的Penman-Monteith模型計算公式，該公式適用于不同氣候類型區(qū)域[18]。本文選用此模型利用 Excel及Spss軟件計算日潛在蒸散量，并進行逐月，逐年的統(tǒng)計，具體公式如下：

(1)

式中：ET0表示潛在蒸散量(mm/d)；△表示飽和水汽壓曲線斜率，Rn表示凈輻射MJ/(m2·d)；G表示土壤熱通量MJ/(m2·d)；γ表示干濕常數(shù)kPa/℃；T表示平均氣溫℃；U2表示距地面2 m高處的風速(m/s)；ea表示實際水汽壓(kPa)；es表示平均飽和水汽壓(kPa)。

(2)

式中：a取值0.23，表示地表反射度；本文采用祝昌漢[19]推薦的適用于西北干旱區(qū)的系數(shù),as、bs分別賦值0.225、0.525；n、N分別表示實際日照時數(shù)及最大日照時數(shù)(h)；Ra代表大氣頂層的太陽輻射MJ/(m2·d)；Q=4.903×10-9MJ/(K4· m2· d)為波爾茲曼常數(shù)；Tmax,K與Tmin,K分別表示最高絕對溫標與最低絕對溫標(K)；上述值可由基本日氣象要素計算得到。

1.3.2 線性回歸 一般運用氣候傾向率法和滑動平均法分析氣候變化趨勢[20]，假設公式y(tǒng)=at+b，式中，y表示特定時間序列下氣候要素的變化趨勢，t為年序，a表示一元線性方程的斜率，即為氣象要素的線性變化趨勢，a為正時，表示氣候要素呈增加趨勢，a為負時，表示氣候要素呈減小趨勢。

1.3.3 Mann-Kendall法 Mann-Kendall法是世界氣象組織推薦運用的一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法[21-22]，它的優(yōu)點是不需要樣本服從一定的分布,也不會受到個別異常值的影響，計算也較為便捷，不僅能表明突變開始的時間，同時能指出相應發(fā)生突變的區(qū)域[23]，本文利用此方法檢驗研究區(qū)ET0是否發(fā)生突變。

1.3.4 小波分析 Morlet小波分析法不僅能在不同時間尺度上探討過去氣候的變化周期，而且是分析氣象要素長期變化的主要手段[24]，本文采用此方法對新疆策勒縣1960-2015年潛在蒸散量進行周期分析，計算過程詳見參考文獻[25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 年潛在蒸散量變化特征

通過P-M公式，計算研究區(qū)每日潛在蒸散量，后累計轉(zhuǎn)換為年潛在蒸散量，分析其變化特征(圖1)，經(jīng)計算，策勒縣1960-2015年年均潛在蒸散量為784.23 mm，近56年來年ET0的變化表現(xiàn)出波動下降趨勢(圖1)，并通過0.05顯著性檢驗，年ET0最大值出現(xiàn)在1974年，1992年出現(xiàn)最低值，波動范圍為1048.61～510.11 mm，極差為538.5 0 mm，遞減傾向率約為-4.83 mm/年，減小速率高于和田地區(qū)-2.74 mm/年[26]，從5年滑動平均來看，年潛在蒸散量在1974-1992年表現(xiàn)為顯著下降趨勢并達到谷底，1993-2001表現(xiàn)為回升趨勢，2002年后又逐漸下降?？傮w上研究區(qū)1960-2015年潛在蒸散量變化為增加-減少-增加-減少趨勢。

圖1 策勒縣潛在蒸散量年際變化Fig.1 The inter-annual variation of ET0 in Cele county

研究區(qū)ET0年代際變化上，1960s-1970s潛在蒸散量呈上升趨勢并至最大值，1970s后至1990s潛在蒸散量顯著減少至最低值，其中1970-1979年潛在蒸散量最大為941.87 mm，相比20世紀60年代ET0上升96.03 mm，高出56年平均值157.64 mm，1990-1999年潛在蒸散量最低為670.07 mm，較56年平均值低114.16 mm，進入2000年以后，潛在蒸散量緩慢回升至718.45 mm。

圖2 策勒縣平均潛在蒸散量年代際變化Fig.2 The inter-decadal variation of ET0 in Cele county

2.2 潛在蒸散量季節(jié)變化特征

由策勒縣各月潛在蒸散量值，統(tǒng)計其1960-2015年各季節(jié)平均潛在蒸散量，由圖3可知，研究區(qū)潛在蒸散量的季節(jié)變化均呈現(xiàn)出減小趨勢，春夏秋冬四季變化傾向率依次為-1.60、-1.42、-1.29、-0.52 mm/年，均通過0.05顯著性檢驗，其中春季ET0對年ET0的減小貢獻最多。四季高低值與年的基本一致，夏季平均潛在蒸散量最大為339.24 mm，約占全年平均ET0的43 %，其次依次為春季與秋季，分別為289.19和99.44 mm，占全年潛在蒸散量的37 %和13 %，冬季平均ET0值56.29 mm為四季之中最小值，約占年平均ET0的7 %，對年潛在蒸散量的貢獻最小。

圖3 策勒縣潛在蒸散量季節(jié)變化Fig.3 The seasonal variation of ET0 in Cele county

2.3 潛在蒸散量突變分析

運用Mann-Kendall法分析策勒縣近56年潛在蒸散量的突變特征，如圖4所示，UF表示年ET0的順序統(tǒng)計曲線，其逆序統(tǒng)計曲線用UB表示，臨界值為±1.96；56年中有18年UF曲線為正值，其余均為負值，其中UF曲線大體經(jīng)過3個階段變化，即1960-1974年UF曲線呈波動上升趨勢，并于1971年突破信度為95 %(ɑ=0.05)的置信線1.96，UF曲線在1975-1997年呈明顯下降趨勢，并于1988年突破信度為95 %(ɑ=0.05)的置信線-1.96，1998-2005年UF曲線呈緩慢上升趨勢，2006年后又緩慢下降。UF和UB曲線分別于1986、1998、2005年3次相交，1998和2005年明顯不是突變點，只有1986年1個交點處于信度為0.05置信線±1.96之內(nèi)，同時該區(qū)年累計距平曲線(圖5)中1986年存在明顯的拐點并開始呈下降趨勢，可認為1986年是突變年。通過對1986年前后潛在蒸散量的計算，發(fā)現(xiàn)1986-2015年平均均潛在蒸散量(698.04 mm)比1960-1985年(883.68 mm)下降了185.64 mm。

圖4 策勒縣年潛在蒸散量Mann-Kendall檢驗Fig.4 The Mann-Kendall test of annual ET0 in Cele county

圖5 策勒縣潛在蒸散量累計距平Fig.5 Accumulative anomalies of the annual ET0 in Cele county

2.4 潛在蒸散量周期性變化

圖6反映了研究區(qū)ET0的時間序列變化，正值區(qū)用實線表示，即為潛在蒸散量偏高期，負值區(qū)用虛線表示，即為潛在蒸散量偏低期，該區(qū)潛在蒸散量存在9、21、29年的周期變化，其中21、29年周期貫穿于1960-2015年整個時段內(nèi)，9年的周期主要存在于1962-1985年，圖中小波系數(shù)等值線在時間尺度18～23,26～30年較為密集，周期震蕩較為明顯，出現(xiàn)小波系數(shù)低值與高值中心循環(huán)變動的現(xiàn)象，表明56年中潛在蒸散量經(jīng)歷了偏高、偏低的交替變化。研究區(qū)潛在蒸散量小波方差圖7顯示，在21和29年時間尺度上存在明顯波峰，29年時間尺度上波峰最高，為強顯著周期。其次為次第2主周期。

2.5 潛在蒸散量變化的氣象因子分析

潛在蒸散量的變化受降水量、氣溫、風速、濕度等綜合氣象因子影響，主導因子不同，其變化趨勢及規(guī)律也表現(xiàn)出顯著差異。本文選取P-M公式中用到的7個氣象因子，運用主成分分析法(PCA)研究潛在蒸散量與氣象因子的相關性。主成分分析是將原有數(shù)個變量，進行線性變化，在變量彼此互不相關的前提下，通過計算變量方差的大小，選取起主導作用的成分。在進行分析之前，對原有數(shù)據(jù)進行了Bartlett球度測試及KMO檢驗，確定分析的可行性，具體載荷矩陣見表1。

圖6 策勒縣1960-2015年潛在蒸散量小波分析Fig.6 The wavelet analysis of ET0 from 1960 to 2015 in Cele county

圖7 策勒縣1960-2015年潛在蒸散量小波方差圖Fig.7 The wavelet variance of ET0 from 1960 to 2015 in Cele county

主成分1主成分2主成分3平均氣溫0.988-0.079-0.012最高氣溫0.978-0.109-0.089最低氣溫0.963-0.0050.103相對濕度-0.3230.728-0.143平均風速0.226-0.1790.831日照時數(shù)0.325-0.288-0.699降水量0.1450.8030.132

通過分析，第1主成分在前3個指標上載荷系數(shù)較大，依次為0.988、0.978、0.963；總體來看，它在整個主成分矩陣中方差貢獻率最大(46.339 %)，其中只有相對濕度載荷系數(shù)為負值，與潛在蒸散量表現(xiàn)為負相關。因此該主成分在可視為影響ET0上升的重要因子，計算表明近56年策勒縣年平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫分別以0.37、0.23、0.64 ℃/10a的速率呈明顯上升趨勢。第2主成分是次關鍵的影響因子，占總方差貢獻率的18.44 %，該成分除降水量及相對濕度貢獻較大，載荷系數(shù)相對較高外，其余各值均明顯偏低，反映了制約研究區(qū)ET0上升的因子為降水量與相對濕度。第3主成分在平均風速上載荷系數(shù)較大，對總方差的貢獻率為16.447 %，該主成分反應了平均風速在策勒縣潛在蒸散量變化中起著重要作用，計算可知研究區(qū)年平均風速以-0.12 m/s/10a的呈下降趨勢，與潛在蒸散量呈明顯正相關，通過對兩者變化趨勢分析，發(fā)現(xiàn)其變化保持同步，且高低值的變動基本一致(圖8)，呈顯著相關(ɑ=0.01)，相關系數(shù)為0.992，表明風速的減小是該區(qū)域ET0減少的關鍵因子。

3 結(jié) 論

(1)新疆策勒縣近56年來潛在蒸散量的變化呈顯著波動下降趨勢，遞減傾向率為-4.83 mm/年。ET0在1960s-1970s呈上升趨勢，1970s-1990s呈顯著下降趨勢，21世紀以來又表現(xiàn)為緩慢上升。

圖8 潛在蒸散量與平均風速趨勢圖Fig.8 The trend of ET0 and average wind speed in Cele county

(2)研究區(qū)四季潛在蒸散量的變化與年同步，都呈減小的變化趨勢，春季、夏季、秋季、冬季四季分別占全年潛在蒸散量的37 %、43 %、13 %、7 %，變化傾向率依次為1.60、-1.42、-1.29、-0.52 mm/a，其中對年潛在蒸散量變化影響最大的為春季。

(3)Mann-Kendall突變分析表明研究區(qū)潛在蒸散量在1986年發(fā)生一次明顯的減少突變，1986-2015年平均均潛在蒸散量比1960-1985年下降了185.64 mm。小波分析結(jié)果顯示，研究區(qū)1960-2015年潛在蒸散量的變化存在9、21、29年的震蕩周期，其中21、29年周期存在于近56年研究時段，9年的周期主要存在于1962-1985年，且29年為最強主周期。

(4)主成分分析表明，風速的明顯減少是影響研究區(qū)潛在蒸散發(fā)減小的主導因子，除此之外降水的增加也是ET0減少的因素之一。

4 討 論

董煜[27]和張山清[28]的研究表明，風速是影響新疆潛在蒸散量變化的主要原因，這與本文所得結(jié)論一致。近期“蒸發(fā)悖論”在很多地域得到了重視與驗證[29]，雖然研究區(qū)3個溫度指標都呈上升趨勢，但潛在蒸散量的變化沒有隨溫度的升高而增加，究其原因很大程度上是氣溫單方面增加的部分被風速等其他因素導致的減小所抵消，因此氣溫的變化與潛在蒸散量變化不同步。研究發(fā)現(xiàn)，策勒縣年均氣溫及降水量均表現(xiàn)為增加，氣候變化有暖濕化的趨勢，干旱的氣候條件有所緩解，這將對當?shù)卮嗳跎鷳B(tài)環(huán)境的改善產(chǎn)生正面影響。潛在蒸散量的變化是多種氣候要素綜合作用的結(jié)果，且要素具有復雜性，本文未能對站點位置、大氣壓、太陽輻射、云量、氣溫日較差等更多因素進行分析，今后還需近一步探討其相關關系。本研究揭示了主要氣候因子對策勒縣潛在蒸散量變化的貢獻率，為氣候變化背景下該區(qū)未來水資源管理與農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供一定的參考。