1960-2019年河南省參考作物蒸散量時空演變與成因分析

張志高，鄭美潔，蔡茂堂，尹紀媛，李歡歡，王怡文

（1.安陽師范學院資源環(huán)境與旅游學院，河南安陽455000；2.沈陽大學環(huán)境學院區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室，沈陽110044；3.中國地質科學院地質力學研究所，北京100081）

0 引 言

20世紀以來，全球氣候顯著變暖，聯(lián)合國氣候變化專門委員會（IPCC）在仁川發(fā)布的《全球變暖1.5 ℃的特別報告》指出自1860年代以來，人為造成的全球變暖已經(jīng)達到0.87 ℃，變暖速度如果保持不變，預計2030-2052年將達到1.5 ℃[1，2]。全球變暖將會導致大氣組成成分和大氣環(huán)流發(fā)生變化，改變水資源的時空分布，進而深刻影響全球水循環(huán)[3]。蒸散發(fā)（Evapotranspiration，ET）是水循環(huán)最重要的基本組成部分，也是連接水分運移和能量轉換的重要紐帶[4]。參考作物蒸散量（即潛在蒸散量，Evapotranspiration，ET0）指水分供應不受限制時某一固定下墊面可能達到的最大蒸散量，為實際蒸散量的理論上限[5]。參考作物蒸散量是表征大氣蒸散能力的重要指標，同時也是作物需水量計算和水資源供需平衡的重要參數(shù)之一，在地球的大氣圈—水圈—生物圈中發(fā)揮著重要作用[6，7]。在全球氣候變暖背景下，國內(nèi)外學者對ET0變化及影響因素研究日益深入。研究結果表明，近幾十年來，全球大多數(shù)地區(qū)參考作物蒸散量普遍呈遞減趨勢，包括中國[8]、美國[9]、印度[10]和澳大利亞[11]等地，中國不同地區(qū)和流域參考作物蒸散量亦呈減小趨勢[12-16]。蒸散互補、太陽輻射減少和風速減小被認為是引起ET0減小的主要原因[8,17]，然而由于ET0的變化是風速、氣溫、濕度和太陽輻射等多種氣象要素共同作用的結果，因此不同地區(qū)的ET0變化及其成因具有明顯的區(qū)域差異[18-20]。

河南省位于黃河中下游，是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大省和國家糧食生產(chǎn)核心區(qū)，被譽為“中原糧倉”，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位，2019年，河南省糧食總產(chǎn)量達到669.54 億kg，為中國糧食供應和糧食安全做出了巨大貢獻。然而由于河南省地處南北氣候過渡帶和山區(qū)到平原的過渡帶，對氣候變化的適應能力較弱，加之農(nóng)業(yè)基礎條件薄弱，受氣候變化、水資源短缺以及氣象災害影響較為嚴重[21，22]。在氣候變暖的背景下，河南省各氣象要素均發(fā)生了不同程度的變化[23，24]，這必將導致河南省ET0產(chǎn)生變化。因此，本文基于河南省1960-2019年氣象觀測數(shù)據(jù)，利用Penman-Monteith 模型、Mann-Kendall檢驗、敏感性分析等方法分析近60年來河南省ET0時空變化特征，定量研究各氣象要素對ET0變化的貢獻，以期為深入理解氣候變化對河南省水分循環(huán)的影響、區(qū)域農(nóng)業(yè)資源開發(fā)和利用以及水資源優(yōu)化配置提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

河南省17 個地面氣象站（如圖1所示）1960年1月至2020年2月的逐日日照時數(shù)、平均風速、相對濕度、逐日平均氣溫、最高和最低氣溫等氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov）中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。根據(jù)中國氣象季節(jié)劃分方法：3-5月為春季、6-8月為夏季、9-11月為秋季、12-2月為冬季。

1.2 ET0計算方法

利用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith 公式對河南省ET0進行計算，計算公式如下：

式中：ET0代表參考作物蒸散量，mm/d；Rn代表作物表面的凈輻射量，MJ/(m2·d)；G表示土壤熱通量，MJ/(m2·d)；u2表示2 m 高處的日平均風速，m/s；es表示飽和水汽壓，kPa；ea表示實際水汽壓（kPa）；Δ表示飽和水汽壓與溫度關系曲線的斜率，kPa/℃；γ表示干濕表常數(shù)，kPa/℃。

1.3 敏感系數(shù)和貢獻率

ET0和各氣象因子之間關系極為密切，為定量描述各氣象因子對ET0變化的影響，本文利用敏感系數(shù)計算河南省ET0對各氣象因子變化的敏感程度，具體計算為[8]：

式中：Sx為ET0對某氣象因子x的敏感系數(shù)，ΔET0和Δx分別為ET0和氣象因子的變化值，Sx為正（負）表示ET0變化趨勢與該氣象因子變化趨勢方向相同（相反），敏感系數(shù)的絕對值越大，則氣象因子對ET0影響越大[25]。

ET0變化對某一氣象因子的敏感系數(shù)與氣象因子相對變化相乘表示該氣象因子變化對ET0變化的貢獻率，用來衡量近60年來該因子變化對ET0變化的影響程度。貢獻率計算為[8]：

式中：Cx為氣象因子對ET0變化的貢獻率；Rcx為氣象因子的多年變化率；Trendx為氣象因子x的年氣候傾斜率，由趨勢分析法算出；P為氣象因子的多年平均值；n為分析的年數(shù)，文中為60；由于Sx為無量綱，Rcx以百分比為單位，因此貢獻率的單位為百分比。Cx為正（負）表示氣象因子變化引起ET0增加（減少）。

此外，采用回歸分析法分析河南省ET0和各氣象因子的長期變化趨勢，采用非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法Mann-Kendall 檢驗法[26]對ET0序列進行突變檢驗，運用Morlet 小波分析方法對河南省ET0序列進行周期分析，基于ArcGIS平臺，運用克里金插值對河南省ET0等相關指標進行空間插值。

2 河南省ET0時空變化特征

2.1 河南省ET0的年際變化特征

根據(jù)Penman-Monteith 公式計算河南省17 個氣象站近60年ET0，各站點取平均值可得河南省年ET0變化如圖2所示。由圖2可知，1960-2019年河南省ET0多年平均值為1 050.11 mm/a，最大為1966年的1 219.66 mm/a，最小為1989年的920.22 mm/a，總體呈現(xiàn)下降趨勢，變化率為-14.81 mm/10a，這與中國[8]及華北地區(qū)[27]ET0減小趨勢一致。

2.2 河南省ET0的突變分析

采用Mann-Kendall 檢驗法對河南省1960-2019年年平均ET0進行突變檢驗，結果如圖3所示。河南省ET0正序列UF曲線整體呈下降趨勢，1969年后，正序列UF＜0，并于1975年越過了α=0.05 的信度線，下降趨勢更為明顯。ET0正序列UF和反序列UB曲線相交于1971年，且交點處于±1.96臨界線之間，表明1971年河南省ET0發(fā)生突變，突變后1971-2019年河南省ET0平均為1 056.23 mm，較突變前減少80.73 mm。

2.3 河南省ET0的周期特征

1960-2019年河南省ET0小波分析結果如圖4所示。由小波變換系數(shù)實部等值線[圖4（a）]可以看出，河南省ET0存在28 a、13 a 和5 a 左右的周期變化，且小尺度周期變化嵌套在較大尺度變化中，其中28 a左右的周期變化具有全域性，13 a左右的周期主要存在于1960-1975年，8 a 左右的周期主要存在于1967年之前。從ET0的小波方差[圖4（b）]可以看出，汛期降水在28 a 左右小波方差極值表現(xiàn)最為顯著，為第一主周期，說明河南省ET0在28年左右會經(jīng)歷一個由多到少的變化過程。

2.4 河南省四季ET0的時間變化特征

1960-2019年河南省四季ET0變化如圖5所示，近60年來河南省春季ET0均值為312.82 mm，最低為1991年的248.49 mm，最高為2017年的402.88 mm，相差154.39 mm；夏季ET0在346.57～512.84 mm 之間，其中2003年最低，1966年最高，多年平均為413.15 mm；秋季ET0在165.05～264.70 mm 之間，其中2011年最低，1966年最高，多年平均為211.85 mm；冬季ET0均值為112.29 mm，最低為1989年的76.57 mm，最高為1962年的152.02 mm。春季、夏季、秋季和冬季ET0分別占全年的29.79%、39.34%、20.17%和10.69%。從ET0變化趨勢來看，河南省各季ET0的變化不盡相同，春季ET0呈小幅上升趨勢，傾向率為2.01 mm/10a，夏季、秋季和冬季ET0均呈下降趨勢，傾向率分別為-11.85 mm/10a、-3.32 mm/10a 和-1.66 mm/10a。

2.5 河南省ET0的空間變化特征

河南省多年平均ET0及傾向率空間分布特征如圖6所示。由圖6（a）可知，河南省多年平均ET0區(qū)域差異明顯，變化范圍介于979.12～1 145.49 mm/a 之間，其中西北部三門峽和孟津高達1 139.14 mm/a 以上，南部桐柏最低僅為979.12 mm/a。總體上看，河南省多年平均ET0呈東南向西北遞增的趨勢，東南部潛在蒸散量較低，一般在979.12～1 038.21 mm/a，西北部較高在1 053.83～1 145.49 mm/a之間。從河南省多年平均ET0傾向率分布來看[圖6（b）]，河南省大多數(shù)站點呈現(xiàn)出下降趨勢，新鄉(xiāng)和西峽兩站呈小幅上升趨勢，傾向率分別為0.61 mm/10a、3.95 mm/10a，其余站點均呈下降趨勢，其中永城下降趨勢最明顯，傾向率為-32.63 mm/10a。

2.6 四季ET0空間變化特征

對河南省各季節(jié)ET0多年平均數(shù)據(jù)進行空間插值，結果如圖7所示。春季ET0在287.04～348.57 mm之間，西北部三門峽、孟津和安陽形成高值中心，東南部桐柏、固始和信陽形成低值中心。夏季ET0在393.70～454.06 mm 之間，西北部三門峽和孟津形成高值中心，東南部桐柏和駐馬店明顯低于其他地區(qū)。秋季ET0在196.67～228.59 mm 之間，空間分布較其他季節(jié)明顯不同，形成多個高值中心，開封、永城、固始、孟津和寶豐5站均超過217.17 mm，桐柏最低。冬季ET0在101.06～135.21 mm 之間，西北部為高值區(qū)，主要包括三門峽、孟津和寶豐3站，桐柏、商丘和安陽3站明顯低于其他地區(qū)。整體上看，河南省四季ET0空間分布差異較大，其中春夏兩季ET0空間分布情況與全省多年平均ET0的空間分布情況較為接近，說明春夏兩季平均ET0對年均ET0的空間分布起決定性作用，而秋冬兩季則差異較大。

3 河南省ET0影響因素分析

3.1 ET0對氣象因子的敏感性分析

根據(jù)前述ET0敏感性計算方法，河南省主要氣象因子（日照時數(shù)、平均風速、相對濕度、最高氣溫和最低氣溫）對ET0變化的敏感系數(shù)空間分布如圖8所示。整體上看，各氣象因子對ET0變化的敏感系數(shù)大小與空間分布都存在較大的差異，日照時數(shù)、平均風速、最高氣溫和最低氣溫對ET0變化表現(xiàn)為正敏感，相對濕度表現(xiàn)為負敏感。日照時數(shù)的敏感系數(shù)在0.394～0.523之間，平均為0.444，西部三門峽最高，開封最低。平均風速對ET0變化的敏感系數(shù)平均為0.172，其空間分布特征為“中部高，北部次之、南部少”，其中鄭州、開封和孟津一線相對較高，敏感系數(shù)分別為0.215、0.214 和0.204，南部桐柏最低僅為0.113。最高氣溫的敏感系數(shù)在0.257～0.376 之間，大致呈中部相對較高，向四周遞減的分布特征，其中開封、鄭州為高值區(qū)，敏感系數(shù)達0.376 及0.367，南部固始、桐柏和西部三門峽較小，其敏感系數(shù)分別為0.257、0.261和0.267。最低氣溫對ET0變化的敏感系數(shù)在0.074～0.106 之間，平均為0.090，西南部三門峽、桐柏等地敏感系數(shù)較低，分別為0.074和0.075，東部開封、永城以及南部固始敏感系數(shù)較大，分別為0.106、0.096 和0.104。相對濕度的敏感系數(shù)平均為-0.645，由東南向西北遞增，東南部固始、永城相對較低，敏感系數(shù)分別為-0.913和-0.800，西北部三門峽和孟津為高值中心，敏感系數(shù)分別為-0.322和-0.506。

綜合來看，河南省ET0對各氣象因子的敏感性排序為相對濕度（-0.645）＞日照時數(shù)（0.444）＞最高氣溫（0.323）＞平均風速（0.172）＞最低氣溫（0.090）。西南部地區(qū)日照時數(shù)敏感系數(shù)較高，最低氣溫敏感系數(shù)較低，是日照時數(shù)對ET0變化的高影響地區(qū)，最低氣溫對ET0變化的低影響地區(qū)。中部地區(qū)是平均風速、最高氣溫和最低氣溫對ET0變化的高影響地區(qū)。東南部地區(qū)最低氣溫敏感系數(shù)較高，相對濕度敏感程度較高，是最低氣溫和相對濕度對ET0變化的高影響地區(qū)。

3.2 各氣象因子對ET0變化的貢獻分析

貢獻率分析有助于揭示河南省潛在蒸散量變化的主導因子[8]，各站點氣象因子對ET0的貢獻如表1所示。由表1可知，日照時數(shù)對ET0變化的貢獻率絕對值最大，平均為-12.841%，為河南省ET0變化的主導因子，其次為平均風速，平均貢獻率為-7.426%，這與前人研究結果一致[8,20]。整體上看，河南省所有17 個站點日照時數(shù)的減少和16 個站點平均風速的減小對ET0為負貢獻，而15個站點相對濕度的減少和所有站點最高溫度和最低溫度的升高則引起河南省ET0的增加，但ET0的增加遠低于日照時數(shù)和平均風速對ET0的負貢獻，因此過去60年河南省ET0呈減少趨勢。分站點來看，河南省15 個站點ET0呈減少趨勢，其中日照時數(shù)為主導因子的站點有13 個，開封和永城ET0減少的主要原因是平均風速的減小。新鄉(xiāng)和西峽2 站ET0呈增加趨勢，主導因子分別為日照時數(shù)和相對濕度。

表1 各站點氣象因子對ET0的貢獻率%Tab.1 Contribution rate of climate factors to ET0 of meteorological stations in Henan

4 討論與結論

4.1 討 論

近60年來河南省ET0以-14.81 mm/10a 的傾向率呈波動下降趨勢，這與中國[8]、華北地區(qū)[27]及山東等地[20]ET0減小趨勢相一致。敏感性分析表明，河南省ET0變化對相對濕度表現(xiàn)為負敏感，對日照時數(shù)、平均風速、最高氣溫和最低氣溫表現(xiàn)為正敏感，這與山東、河北等地研究結果相一致[20，25]，但各地區(qū)ET0變化對各氣象因子的敏感程度有所差異，可能跟不同地區(qū)不同的氣候背景條件有關。

主導氣象因子空間變化與敏感系數(shù)空間格局并不對應，安陽等14 個站點ET0的變化主導因素為日照時數(shù)，開封和永城兩地主導因素為平均風速，西峽主導因素為相對濕度。研究結果有助于揭示河南省不同地區(qū)ET0變化成因及各氣象因子影響程度，可為河南省各地增強農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應對氣候變化適應能力以及充分開發(fā)利用水資源提供參考依據(jù)。

ET0變化不僅受各氣象要素變化的影響，還受下墊面性質及經(jīng)濟社會發(fā)展等人為因素的影響，這些因素對河南省ET0變化的影響有待進一步研究。

4.2 結 論

（1）1960-2019年河南省多年平均ET0為1 050.11 mm/a，以-14.81 mm/10a 的傾向率呈下降趨勢，15 個氣象站點ET0呈下降趨勢，僅有新鄉(xiāng)和西峽兩站呈小幅上升趨勢，空間上，河南省ET0呈東南向西北遞增的趨勢。

（2）近60年來河南省四季ET0均值分別為312.82 mm、413.15 mm、211.85 mm 和112.29 mm，分別占全年的29.79%、39.34%、20.17%和10.69%。春季ET0呈小幅上升趨勢，傾向率為2.01 mm/10a，夏季、秋季和冬季ET0均呈下降趨勢，傾向率分別為-11.85 mm/10a、-3.32 mm/10a和-1.66 mm/10a。四季ET0空間分布差異較大，其中春夏兩季ET0空間分布情況與全省多年平均ET0的空間分布情況較為接近，對全省年均ET0的空間分布起決定性作用。

（3）Mann-Kendall 檢驗表明河南省ET0于1971年發(fā)生突變，1971年后ET0較突變前減少80.73mm，小波分析結果表明，河南省ET0存在28 a、13 a 和5 a 左右的周期變化，其中28 a左右的周期變化具有全域性，為第一主周期。

（4）ET0變化對日照時數(shù)、平均風速、最高氣溫和最低氣溫變化表現(xiàn)為正敏感，相對濕度表現(xiàn)為負敏感，敏感程度依次為相對濕度（-0.645）＞日照時數(shù)（0.444）＞最高氣溫（0.323）＞平均風速（0.172）＞最低氣溫（0.090）。

（5）日照時數(shù)、平均風速、相對濕度、最高氣溫和最低氣溫與對ET0的貢獻率分別為-12.841%、-7.426%、3.045%、1.321%和1.800%，日照時數(shù)和平均風速的減少對河南省ET0為負貢獻，為過去60年河南省ET0呈減少趨勢的主導因子，其他要素變化引起ET0的增加遠低于日照時數(shù)和平均風速對ET0的負貢獻。