1982—2019年河北省寬城縣潛在蒸散量變化特征

唐麗彬 劉勝堯 韓翔洋 董澤亮 朱自平

摘??? 要：以河北省寬城縣1982—2019年日氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Penman-Monteinl方程對該區(qū)域近38年來潛在蒸散量的變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算并分析。結(jié)果表明，寬城縣潛在蒸散量的年變化和各季變化均呈增加趨勢，除夏季外，年和其他各季的潛在蒸散量增加趨勢明顯;潛在蒸散量的年、季變化均發(fā)生了時(shí)間序列變化上的突變，除夏季外，年際和其他季節(jié)的突變顯著;潛在蒸散量的年變化存在8～12 a的周期性變化規(guī)律，夏季潛在蒸散量的變化存在8～10 a的周期性變化規(guī)律，其他季節(jié)潛在蒸散量的周期性變化不明顯。河北省寬城縣潛在蒸散量的增加將進(jìn)一步增加作物對灌溉量的需求，這需要引起河北省寬城縣農(nóng)業(yè)管理人員對合理灌溉的進(jìn)一步重視。

關(guān)鍵詞：潛在蒸散量;趨勢變化;Mann-Kendall突變檢驗(yàn);Morlet小波分析

中圖分類號(hào)：S161?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.02.017

Variation Characteristics of Potential Evapotranspiration in Kuancheng County， Hebei Province from 1982 to 2019

TANG Libin1， LIU Shengyao2， HAN Xiangyang3， DONG Zeliang3， ZHU Ziping4

（1.Kuancheng Manchu Autonomous County Meteorological Bureau， Chengde， Hebei 067600， China;2. Agricultural Information and Economic Research Institute， Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Shijiazhuang， Hebei 050051， China;3.Xinji Meteorological Bureau， Xinji， Hebei 052360， China;4. Langfang Academy of Agricultural and Forestry Sciences， Langfang， Hebei 065000， China）

Abstract： According to the daily meteorological data from 1982 to 2019 in Kuancheng County， Hebei Province， the variation of potential evapotranspiration in the region in recent 38 years were calculated and analyzed through Penman-Monteinl equation. The results showed that the annual and seasonal variations of potential evapotranspiration in Kuancheng County had an increasing trend， the variations were obvious except summer. The annual and seasonal variations of potential evapotranspiration had abrupt changes in time series， and the abrupt changes were significant except for summer. The annual variation of potential evapotranspiration showed a periodic variation pattern of 8-12 years， and that of potential evapotranspiration in summer showed a periodic variation pattern of 8-10 years， while the periodic variation pattern of potential evapotranspiration in other seasons was not obvious. The increase of potential evapotranspiration in Kuancheng County of Hebei Province will further increase the demand of crop irrigation amount， which requires the agricultural management personnel to pay more attention to rational irrigation.

Key words： potential evapotranspiration;trend change;Mann-Kendalltest;Morlet wavelet analysis

潛在蒸散量是指在供水條件充足下的區(qū)域蒸散能力[1]。目前，該項(xiàng)指標(biāo)已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田灌溉、作物需水量等水資源管理的研究[2-3]中，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理具有重要的指導(dǎo)意義。在潛在蒸散量模型的研究中，毛飛等[4]利用3種潛在蒸散模型在泰安和西峰兩地做了對比分析，認(rèn)為世界糧農(nóng)組織（FAO）推薦的彭曼-蒙蒂斯（Penman- Monteith）模型具有很好的適用性。高歌等[5]采用世界糧農(nóng)組織推薦的彭曼-蒙蒂斯公式，對中國十大流域近45年的潛在蒸散量變化趨勢進(jìn)行了分析，認(rèn)為近45年中除松花江流域外，全國絕大多數(shù)流域的年和四季的潛在蒸散量均呈現(xiàn)減少趨勢。李鵬飛等[6]利用京津冀地區(qū)22個(gè)氣象站1960—2010年逐日的氣象要素觀測資料，采用彭曼-蒙蒂斯公式計(jì)算該地區(qū)近50年逐日的潛在蒸散量，認(rèn)為京津冀地區(qū)潛在蒸散量的減少，緩解了一部分干旱化的趨勢。

河北省寬城滿族自治縣（以下簡稱寬城縣）位于河北省東北部，承德市東南部，地理位置在北緯40°17′至40°45′和東經(jīng)118°10′至119°10′之間，屬于暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風(fēng)型燕山山地氣候。該地四季分明、雨熱同季，獨(dú)特的地質(zhì)地貌和氣候特征促生了高品質(zhì)蘋果和高品質(zhì)板栗，是優(yōu)質(zhì)蘋果和板栗生產(chǎn)地。針對該縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對灌溉的需求，同時(shí)結(jié)合當(dāng)前不同作物需水量的研究進(jìn)展，本文以潛在蒸散量作為研究對象，分析討論了1982—2019年寬城縣潛在蒸散量的變化規(guī)律，以期為該地農(nóng)業(yè)灌溉提供定量的理論指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 資料來源

本文采用寬城縣氣象局氣象觀測站（東經(jīng)：118°29′，北緯：40°36′，海拔高度：304.7 m）1982—2019年的日氣溫（含最高、最低）、降水、日照、風(fēng)速、相對濕度等氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，按照3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月至次年2月為冬季的劃分方式進(jìn)行季節(jié)的劃分。

1.2 研究方法

1.2.1 模型公式的選取 采用世界糧農(nóng)組織推薦的作物需水量計(jì)算指南（FAO-56）中建議的彭曼-蒙蒂斯（Penman-Monteinl）潛在蒸散量公式[8]作為模型計(jì)算公式：

ETo=■（1）

式中，ETo是潛在蒸散量;Rn是冠層凈輻射;G是土壤熱通量，其數(shù)值在本文忽略不計(jì)[9];T是日平均氣溫;es是飽和水汽壓;ea是實(shí)際水汽壓;△是飽和水汽壓-氣溫關(guān)系曲線在T處的切線斜率;γ是濕度計(jì)常數(shù);U2是2 m高處的日平均風(fēng)速。所有的參數(shù)依據(jù)作物需水量計(jì)算指南（FAO-56）[8]中關(guān)于潛在蒸散量各參數(shù)的介紹公式進(jìn)行數(shù)據(jù)程序編寫，程序計(jì)算軟件采用Microsoft Excel2003的宏編程。

1.2.2 分析方法 利用趨勢方程進(jìn)行趨勢變化分析，方程式：

Y=ax+b（2）

式中，y為樣本數(shù)為x的變量;a為趨勢系數(shù);b為趨勢常數(shù)。趨勢傾向由趨勢系數(shù)a的正負(fù)反映，a的數(shù)值為正，表明變量y呈上升趨勢，a為負(fù)，表明變量y呈下降趨勢。a值的大小反映了變量y變化趨勢的速率[10-11]。

利用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)（以下簡稱M-K突變檢驗(yàn)）進(jìn)行時(shí)間序列的突變分析。M-K法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，是將具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列構(gòu)造一個(gè)秩序列，通過正算和反算的形式得到UB和UF兩個(gè)時(shí)間序列，UB或者UF的正負(fù)表示了上升或下降趨勢，如它們超過了由顯著性檢驗(yàn)確定的臨界值（本文設(shè)定0.05的顯著性檢驗(yàn)，值為

±1.96），表明趨勢明顯，如果兩者在臨界值范圍內(nèi)存在交點(diǎn)，則其對應(yīng)的時(shí)間即為突變開始的時(shí)間[10-11]。

用Morlet小波進(jìn)行季節(jié)、年際的周期變化分析。小波分析的思想和公式源于傅立葉分析，是對傅立葉分析方法的突破性發(fā)展[10-11]，通過對計(jì)算圖像的正負(fù)閉合曲線的分析，確定周期變化特征。

利用Microsoft Excel 2003進(jìn)行趨勢變化分析，利用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，利用Fortran軟件進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)分析和Morlet小波分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 潛在蒸散量的趨勢變化

1982—2019年寬城縣潛在蒸散量多年平均值為860.6 mm，最高出現(xiàn)2017年，值為1 033.8 mm，最低出現(xiàn)在2006年，值為755.9 mm，該縣多年年潛在蒸散量隨時(shí)間序列的變化呈增加趨勢，趨勢變化量為3.238 7 mm·a-1，近38年來趨勢增加量增加了123.1 mm，趨勢變化通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)（圖1-A），趨勢增加明顯。

在潛在蒸散量的季節(jié)變化中，1982—2019年寬城縣春季潛在蒸散量的多年平均值為286.6 mm，最高出現(xiàn)2017年，值為374.2 mm，最低出現(xiàn)在2007年，值為250.2 mm，多年春季潛在蒸散量隨時(shí)間序列的變化呈增加趨勢，趨勢變化量為1.351 1 mm·a-1，近38年來趨勢增加量增加了51.3 mm，趨勢變化通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)（圖1-B），增加趨勢明顯;夏季潛在蒸散量的多年平均值為360.4 mm，最高出現(xiàn)2016年，值為394.5 mm，最低出現(xiàn)在2006年，值為320.9 mm，多年夏季潛在蒸散量隨時(shí)間序列的變化呈增加趨勢，趨勢變化量為0.331 5 mm·a-1，近38年來趨勢增加量增加了12.6 mm，趨勢變化沒有通過0.05的顯著性檢驗(yàn)（圖1-C），增加趨勢不明顯;秋季潛在蒸散量的多年平均值為154.3 mm，最高出現(xiàn)2019年，值為207.5 mm，最低出現(xiàn)在2003年，值為137.7 mm，多年秋季潛在蒸散量隨時(shí)間序列的變化呈增加趨勢，趨勢變化量為0.774 2 mm·a-1，近38年來趨勢增加量增加了29.4 mm，趨勢變化通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)（圖1-D），增加趨勢明顯;冬季潛在蒸散量的多年平均值為59.1 mm，最高出現(xiàn)2019年，值為91.4 mm，最低出現(xiàn)在1985年，值為40.4 mm，多年冬季潛在蒸散量隨時(shí)間序列的變化呈增加趨勢，趨勢變化量為0.768 4 mm·a-1，近38年來趨勢增加量增加了29.2 mm，趨勢變化通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)（圖1-E），增加趨勢明顯。

2.2 潛在蒸散量的突變分析

對潛在蒸散量的時(shí)間序列進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)分析（圖2）。寬城縣年潛在蒸散量隨時(shí)間的變化出現(xiàn)了一次突變，突變時(shí)間發(fā)生在2015年，2018年UF線突破0.05水平的檢驗(yàn)線，變化趨勢顯著（圖2-A）;春季潛在蒸散量隨時(shí)間變化出現(xiàn)了一次突變，突變時(shí)間發(fā)生在2015年，2018年UF線突破0.05水平的檢驗(yàn)線，變化趨勢顯著（圖2-B）;夏季潛在蒸散量隨時(shí)間變化出現(xiàn)了3次了突變，突變時(shí)間發(fā)生在2015年、2018年和2019年，但UF線未突破0.05水平的檢驗(yàn)線，變化趨勢不顯著（圖2-C）;秋季潛在蒸散量的隨時(shí)間變化發(fā)生了突變，突變時(shí)間發(fā)生在2016年，2016年UF線突破0.05水平的檢驗(yàn)線，變化趨勢顯著（圖2-D）;冬季潛在蒸散量隨時(shí)間的變化發(fā)生了突變，突變時(shí)間發(fā)生在2014年，2013年UF線突破0.05水平的檢驗(yàn)線，變化趨勢顯著（圖2-E）。2.3 潛在蒸散量的周期變化分析

通過對寬城縣1982—2019年潛在蒸散量變化Morlet小波分析可知，寬城縣潛在蒸散量的年變化存在8～12 a的周期性變化規(guī)律（圖3-A）;春季潛在蒸散量的周期性變化不明顯（圖3-B）;夏季潛在蒸散量的3 結(jié)論與討論

本研究利用寬城縣1982—2019年的日氣象數(shù)據(jù)計(jì)算并分析了該縣近38年來潛在蒸散量的變化規(guī)律，通過分析得出結(jié)論：寬城縣潛在蒸散量的年變化、各季變化均呈增加趨勢，除夏季外，年潛在蒸散量和其他季節(jié)潛在蒸散量的增加趨勢明顯; 寬城縣潛在蒸散量的年變化趨勢和各季變化趨勢均發(fā)生了突變，除夏季外，年和其他各季變化趨勢顯著; 寬城縣潛在蒸散量的年變化存在8～12 a的周期性規(guī)律;夏季存在8～10 a的周期性規(guī)律;春季、秋季、冬季的周期性規(guī)律不明顯。

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，寬城縣的潛在蒸散量整體呈增長的趨勢，這與趙玲玲等[12]的認(rèn)為“北京1951—2009年年均潛在蒸散量呈顯著上升趨勢”的結(jié)論相近。潛在蒸散量的增加會(huì)在一定程度上增加地表的干燥程度，從而加重作物對灌溉量的需求，此外，寬城縣潛在蒸散量主要的增幅出現(xiàn)在2018年以后，這需要引起寬城縣農(nóng)業(yè)管理人員對合理灌溉的進(jìn)一步重視。

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