環(huán)塔里木盆地參考作物騰發(fā)量演變與周期分析

張 慧 宋 蕾 馬鐵成

(新疆維吾爾自治區(qū)灌溉排水發(fā)展中心，新疆 烏魯木齊 830000)

參考作物騰發(fā)量(ET0)是研究作物需水量的重要參數(shù)，在內(nèi)陸干旱、半干旱灌溉型農(nóng)業(yè)區(qū)，水資源供給量將直接決定當?shù)剞r(nóng)牧業(yè)發(fā)展規(guī)模和水平。因此，在有限的水量條件下合理確定作物需水量顯得尤為重要。

國內(nèi)外學(xué)者選用不同方法對區(qū)域ET0變化展開研究，郝振純等[1]以淮河中上游為例，采用M-K檢驗法對多年區(qū)域ET0變化進行分析，研究得出大部分觀測點年ET0出現(xiàn)顯著下降趨勢，以淮河中上游流域西北部夏季尤為突出，其他季節(jié)下降趨勢略緩的結(jié)論；陳石磊等[2]采用GIS分析了黑河流域1960—2012年氣象和ET0的變化，研究得出黑河流域參考作物騰發(fā)量與風速、相對濕度、凈輻射等呈減少趨勢，氣溫為增加趨勢；倪廣恒等[3]和Thomas et al.[4]通過對全國百余氣象站資料的分析計算，發(fā)現(xiàn)南方地區(qū)參考作物騰發(fā)量較大，東北、四川盆地較小，夏季分布決定了全年分布規(guī)律，并表現(xiàn)出干旱、半干旱、半濕潤區(qū)域逐年減少而濕潤區(qū)較穩(wěn)定趨勢；周和平等[5]等用PM方法計算出新疆1952—2008年ET0，研究得出ET0峰值在6月，歷史呈現(xiàn)3個波動周期，并隨海拔、緯度增減呈交互多樣性變化趨勢，風速是影響其變化的主要因素。

由于在極端干旱地區(qū)參考作物騰發(fā)量對當?shù)剞r(nóng)業(yè)指導(dǎo)意義重大，相關(guān)領(lǐng)域文獻較少。因此，本文以環(huán)塔里木盆地ET0為研究對象，分析其周期性規(guī)律及變化趨勢，以期為當?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉用水提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

我國最大的內(nèi)陸盆地塔里木盆地位于西北地區(qū)天山和昆侖山間，屬暖溫帶干旱氣候，海拔800～1300m，面積約40萬km2，中部為塔克拉瑪干沙漠，主要有葉爾羌、克孜勒、和田、阿克蘇等河流。盆地腹部干旱少雨，動植物很難生存，耕種居住區(qū)以環(huán)盆地為主。本次選取環(huán)塔里木盆地具有典型地貌氣候特征的巴楚、沙雅、若羌、民豐四個縣的ET0為研究對象。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文以環(huán)塔盆地范圍內(nèi)有代表性的4個站點1952—2019年長系列氣象觀測資料為基礎(chǔ)，選取緯度、高程、平均氣溫、水汽壓、2m處風速、日照時數(shù)6項指標為計算因子，采用修正的彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)公式計算出ET0值并分析其變化規(guī)律，選擇線性傾向估計法進行變化趨勢分析，小波分析法進行時間序列變化周期分析，并對參與ET0計算的氣象要素展開相關(guān)性分析。典型氣象站點信息見表1。

表1 典型氣象站信息要素

2 結(jié)果與分析

2.1 ET0年際變化分析

通過6項因子計算出ET0，并繪制環(huán)塔里木盆地1952—2019年參考作物騰發(fā)量趨勢圖形，線性傾向估計法表示ET0趨勢變化時采用一元線性方程擬合，具體見圖1。

由圖1可見各環(huán)塔里木盆地典型氣象站ET0變化趨勢，除民豐縣參考作物騰發(fā)量呈現(xiàn)出逐年增加趨勢外，巴楚縣、沙雅縣、若羌縣均呈現(xiàn)出遞減趨勢，沙雅縣和若羌縣為顯著相關(guān)性。其中，巴楚縣ET0變化線性斜率為-0.029mm/10a，均值為1.59mm/d，最大值出現(xiàn)在1960年，為2.06mm/d，在1992年達到最小值1.20mm/d后，呈現(xiàn)出階段性上升趨勢，ET0極值相差1.72倍；沙雅縣ET0變化線性斜率為-0.066mm/10a，均值為1.64mm/d，最大值出現(xiàn)在1972年，為2.29mm/d，在1988年達到最小值1.21mm/d，之后呈現(xiàn)小幅振蕩變化趨勢，ET0極值相差1.89倍；若羌縣ET0變化線性斜率為-0.076mm/10a，均值為2.50mm/d，最大值出現(xiàn)在1980年和1981年，均為3.02mm/d，在2008年開始出現(xiàn)顯著下降趨勢，2014年達到最小值1.73mm/d，ET0極值相差1.75倍；民豐縣ET0變化線性斜率為0.046mm/10a，均值為1.78mm/d，在1995—2002年間增幅較大，最大值出現(xiàn)在2002年，為2.28mm/d，在1961年達到最小值1.45mm/d，ET0極值相差1.57倍。

圖1 環(huán)塔里木盆地典型氣象站ET0變化趨勢

2.2 ET0周期變化分析

通過小波分析法研究環(huán)塔里木盆地1952—2019年不同時間尺度參考作物騰發(fā)量周期特點[6]。圖2是巴楚縣年ET0周期變化趨勢圖。由圖2(a)可以看出，ET0在時間周期上主要存在8～12年、18～25年兩種尺度周期規(guī)律，其中，中心時間尺度約10年的7次交替變化出現(xiàn)在1969—2015年間，中心時間尺度約22年的4次交替變化出現(xiàn)在1960—1992年間；22年時間尺度變化幅度最強、周期趨勢明顯，是主要周期變化規(guī)律。由圖2(b)可以看出，巴楚縣年ET0小波方差圖存在10年和22年兩個明顯的周期峰值。其中，22年時間尺度對應(yīng)的峰值大、振蕩強，為第一主周期，10年為第二主周期。這兩個周期波動控制著巴楚縣參考作物騰發(fā)量68年內(nèi)的變化規(guī)律。

圖2 巴楚縣年ET0周期變化趨勢

圖3是沙雅縣年ET0周期變化趨勢圖。由圖3(a)可以看出，ET0在時間周期上主要存在5～7年、9～12年、24～27年3種尺度周期規(guī)律。其中，中心6年的兩次交替變化出現(xiàn)在1979—1983年間，中心10年的6次交替變化出現(xiàn)在1973—2001年間，中心26年的1次交替變化出現(xiàn)在2000—2005年間；26年時間尺度變化幅度最強、周期趨勢明顯，是主要周期變化規(guī)律。由圖3(b)可以看出，沙雅縣年ET0小波方差圖存在3年和10年兩個明顯周期峰值。其中10年時間尺度所對應(yīng)的峰值大、振蕩強，為第一主周期；3年為第二主周期。這兩個周期波動控制著沙雅縣參考作物騰發(fā)量68年內(nèi)的變化規(guī)律。

圖3 沙雅縣年ET0周期變化趨勢

圖4是若羌縣年ET0周期變化趨勢圖。由圖4(a)可以看出，ET0在時間周期上主要存在4～7年、10～15年兩種尺度周期，其中，中心5年的兩次交替變化出現(xiàn)在1984—1992年間，中心13年的8次交替出現(xiàn)在1958—2006年間，周期趨勢明顯，是主要周期變化規(guī)律。從周期圖可以發(fā)現(xiàn)，中心時間尺度30年雖然趨勢明顯但均未完全閉合。由圖4(b)可以看出，若羌縣年ET0小波方差圖存在3個峰值，周期分別為4年、7年和13年。其中，13年時間尺度對應(yīng)的峰值大、振蕩強，為第一主周期，4年和7年為第二、第三主周期。這3個周期波動控制著若羌縣參考作物騰發(fā)量68年內(nèi)的變化規(guī)律。

圖4 若羌縣年ET0周期變化趨勢

圖5是民豐縣年ET0周期變化趨勢圖。由圖5(a)可以看出，ET0在時間周期上主要存在5～10年、15～22年兩種尺度周期。其中，中心7年的兩次交替出現(xiàn)在1982—1989年間，中心18年的3次交替出現(xiàn)在1965—1992年間；18年時間尺度變化幅度最強、周期趨勢明顯，是主要周期變化規(guī)律。由圖5(b)可以看出，民豐縣年ET0小波方差圖存在8年和19年兩個明顯周期峰值。其中，19年時間尺度對應(yīng)的峰值大、振蕩強，為第一主周期，8年為第二主周期。這兩個周期波動控制著民豐縣參考作物騰發(fā)量68年內(nèi)的變化規(guī)律。

圖5 民豐縣年ET0周期變化趨勢

2.3 ET0構(gòu)成因素分析

由于參與計算ET0的變量較多，各要素間又互有影響，為了更好地研究影響ET0變化的主要因素和潛在規(guī)律，采用相關(guān)性分析法并擬合特征回歸方程，選擇參與ET0計算的平均氣溫(X1)、水汽壓(X2)、2m處風速(X3)、日照時數(shù)(X4)4個氣象要素為自變量進行顯著性分析。方程關(guān)系式為

ET0=K+β1X1+β2X2+β3X3+β4X4

(1)

式中：K為常數(shù)；β1、β2、β3、β4為回歸系數(shù)。

由表2可以看出，回歸方程決定系數(shù)R和F值均在允許范圍內(nèi)，方程擬合度較好且存在相關(guān)性。常數(shù)K、β1、β2、β4均呈現(xiàn)出正負相關(guān)交替現(xiàn)象；通過顯著性檢驗分析發(fā)現(xiàn)，平均氣溫和風速對ET0影響較大。

表2 相關(guān)性分析與方程擬合

3 研究結(jié)論

選擇新疆環(huán)塔里木盆地4個典型區(qū)多年氣象資料，用彭曼公式計算參考作物騰發(fā)量，分析其變化趨勢與周期規(guī)律，擬合回歸方程并分析因子相關(guān)性，得出以下結(jié)論：

a.通過線性分析發(fā)現(xiàn)除民豐縣外均為減小趨勢，各站ET0變化斜率為民豐縣>巴楚縣>沙雅縣>若羌縣，最大值多在1960—1980年間，最小值在1988—2014年間。

b.通過小波法分析發(fā)現(xiàn)各典型站均出現(xiàn)2～3種尺度周期，小尺度以10年以內(nèi)為主，大尺度在13～26年之間，大尺度周期趨勢顯著是其主要變化規(guī)律；小波方差分析發(fā)現(xiàn)各站均有2～3個明顯峰值，小峰值均出現(xiàn)在10年內(nèi)，最大周期均大于10年且振蕩最強為第一主周期。

c.對參與ET0計算的主要氣象因子進行回歸方程擬合和相關(guān)性分析，方程較好反映了ET0與各要素間的關(guān)系，平均氣溫、風速、日照時數(shù)均為極顯著相關(guān)。