塔里木河流域潛在蒸散發(fā)特征分析

王婷婷，劉冬燕，蔡玙瀟

(上海師范大學(xué) 環(huán)境與地理科學(xué)學(xué)院，上海 200233)

1 引言

潛在蒸散發(fā)(potentialevapotranspiration，ET0)指下墊面供水條件不受限制時(shí)的蒸發(fā)量[1]，作為蒸散發(fā)的理論上限，是流域水文循環(huán)和能量循環(huán)的重要組成部分，是流域干濕情況的決定因子之一[2，3]。研究表明，全球60%的降水以蒸散發(fā)的形式再次回到大氣[4]，對研究區(qū)的潛在蒸散發(fā)特征進(jìn)行深入研究，可更好地理解氣候?qū)λ牡挠绊戇^程從而分析潛在蒸散發(fā)變化的原因，對實(shí)現(xiàn)水資源的科學(xué)管理有重要的意義。目前，常用Hargreaves[5]、Priestley-Taylor[6]、Hamon[7]、Thomthwaite[8]、Rohwer[9]、Penman-Monteith方法[1]來估算潛在蒸散發(fā)。其中世界糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith方法具有廣泛的適用性，在干旱半干旱地區(qū)的蒸散發(fā)計(jì)算中具有較高的精度[10]。20世紀(jì)90年代以來氣候變化和人類活動對其水文循環(huán)過程產(chǎn)生了劇烈影響，深入了解ET0的時(shí)空變化特征對塔里木河流域水資源的合理配置有重要意義。

2 研究區(qū)概況

塔里木河流域位于新疆南部，塔克拉瑪干沙漠北部，四周為山地，介于北緯34°20′～43°39′，東經(jīng)71°39′～93°45′(圖1)，流域的面積達(dá)103萬km2，約為新疆面積的61.27%。塔里木河流域遠(yuǎn)離海洋，年降水量小于120 mm[11]，具有典型的大陸性氣候特征[12]。

圖1 塔里木河流域氣象站分布

3 數(shù)據(jù)來源與方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

本文在中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)下載了流域及周邊40個(gè)氣象站1970～2019年氣象數(shù)據(jù)。塔里木河流域數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)及氣象站點(diǎn)分布情況如圖1所示。根據(jù)逐日氣象數(shù)據(jù)計(jì)算日潛在蒸散發(fā)量，再統(tǒng)計(jì)月、季節(jié)、年尺度的潛在蒸散發(fā)，并通過ArcGIS對各站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到塔里木河流域潛在蒸散發(fā)的時(shí)空特征。

3．2 方法

3.2.1 潛在蒸散發(fā)的計(jì)算方法

本文采用Penman-Monteith方法計(jì)算潛在蒸散發(fā)，其計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中：ET0表示潛在蒸散發(fā)量，mm/d；Rn表示凈輻射,MJ/(mm2·d)；Δ表示飽和水汽壓斜率，kPa/℃；G表示土壤通熱量，MJ/mm2·d；λ表示汽化潛熱，MJ/kg；γ表示干濕常數(shù)，kPa/℃；T表示平均溫度,℃；U2表示兩米高風(fēng)速，m/s;es表示飽和水氣壓，kPa；ea表示實(shí)際水氣壓，kPa。

3.2.2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法；

本文采用反距離加權(quán)法(Inverse distance weighting，IDW)[13]對塔里木河流域40個(gè)站點(diǎn)的潛在蒸散發(fā)值進(jìn)行空間插值得到塔里木河流域潛在蒸散發(fā)分布變化的空間特征，采用Man-Kendall趨勢檢驗(yàn)法(MK)[14]分析塔里木河流域1970～2019年潛在蒸散發(fā)時(shí)空變化特征及顯著性變化，并運(yùn)用Pearson相關(guān)性分析不同站點(diǎn)蒸散發(fā)與氣象因素之間的關(guān)系。

4 結(jié)果與分析

4.1 潛在蒸散發(fā)時(shí)間特征

如圖2所示，塔里木河流域1970～2019年ET0多年平均值為1169.89 mm,波動范圍為1061.45～1244.82 mm，總體上呈現(xiàn)下降趨勢，下降速率為0.58 mm/a，階段變化表現(xiàn)為先減少后增加的特點(diǎn),轉(zhuǎn)折點(diǎn)為1993年，1970～1993年以5.58 mm/a的速率呈減少趨勢，1993～2019年以4.03 mm/a的速率呈上升趨勢。對塔里木河流域季節(jié)尺度潛在蒸散量的變化趨勢進(jìn)行分析，如圖3所示，季節(jié)上，流域多年潛在蒸散量表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季，流域夏季、春季和秋季ET0呈下降趨勢,冬季呈上升趨勢。

圖2 塔里木河流域年潛在蒸散發(fā)

4.2 潛在蒸散發(fā)空間分布特征

塔里木河流域1970～2019年ET0的空間分布規(guī)律如圖4和圖5所示。由圖4可知，流域ET0空間差異較為明顯，總體表現(xiàn)為東高西低,多年平均蒸散量最大的站為七角井站(1893.333 mm),最小量為巴音布魯克站(665.723 mm)，有11個(gè)站點(diǎn)蒸散發(fā)達(dá)到了1200 mm以上，主要分布在流域東部。在季節(jié)分布上，由圖5可知，四個(gè)季節(jié)潛在蒸發(fā)量的空間分布也有所不同，其中，春季與秋季潛在蒸散發(fā)空間分布相似，表現(xiàn)為東部和南部蒸散發(fā)量較大。春季潛在蒸散發(fā)量在199.52～475.08 mm之間，平均值為371.65 mm；秋季潛在蒸散發(fā)量在127.59～303.05 mm之間，平均值為240.12 mm。夏季除西北阿圖什地區(qū)外，其余蒸散發(fā)量大的站點(diǎn)主要在流域東部，夏季潛在蒸散發(fā)量在320.01～754.71 mm之間，平均值為590.86 mm；冬季則主要表現(xiàn)為南部區(qū)域蒸發(fā)量比北部區(qū)域大，潛在蒸散發(fā)量在19.75～91.08 mm之間，平均值為67.75 mm。

圖3 塔里木河流域季節(jié)潛在蒸散發(fā)

圖4 塔里木河流域潛在蒸散發(fā)年空間分布

4.3 潛在蒸散發(fā)變化趨勢

圖6和圖7為運(yùn)用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法計(jì)算出的塔里木河流域潛在蒸散發(fā)多年和各季節(jié)的趨勢變化。由圖6可知，在變化的空間分布中，年尺度和4個(gè)季節(jié)尺度的分布均表現(xiàn)為流域東北和西部呈增加趨勢，中部呈減少趨勢。在年尺度上，流域潛在蒸散發(fā)整體呈下降趨勢，潛在蒸散發(fā)下降的站點(diǎn)多于增加的站點(diǎn)，23個(gè)站點(diǎn)年潛在蒸散發(fā)呈減少趨勢，17個(gè)呈增加趨勢。其中，有15個(gè)站點(diǎn)減少趨勢顯著(p<0.05)，12個(gè)站點(diǎn)增加趨勢顯著。季節(jié)趨勢變化上，春季有18個(gè)站點(diǎn)呈上升趨勢，其中13個(gè)站點(diǎn)ET0增加趨勢顯著(p<0.05)，12站點(diǎn)減少趨勢顯著；夏季有17個(gè)站點(diǎn)呈增加趨勢，23個(gè)站點(diǎn)呈減少趨勢，在增加的站點(diǎn)中，8個(gè)增加顯著，顯著減少的站點(diǎn)有17個(gè)；秋季和冬季呈增加趨勢的站點(diǎn)分別有18和21個(gè)，其中顯著增加的均為10個(gè)。顯著下降的點(diǎn)，冬季有5個(gè),秋季為14個(gè)。

圖5 塔里木河流域潛在蒸散發(fā)季節(jié)空間分布

圖6 塔里木河流域潛在蒸散發(fā)年空間變化特征

4.4 影響因素分析

以往研究顯示，不同區(qū)域ET0與氣象因子之間的關(guān)系也會存在不同[14～16]。本文通過站點(diǎn)ET0與氣象因子的相關(guān)關(guān)系，對塔里木河流域潛在蒸散發(fā)變化的影響因素進(jìn)行分析。如表1所示，在月尺度上，塔里木河流域潛在蒸散發(fā)量與風(fēng)速、溫度、太陽輻射和日照時(shí)數(shù)存在正相關(guān)關(guān)系，其中與太陽輻射相關(guān)系數(shù)最大。潛在蒸散發(fā)與氣壓、相對濕度存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖7 塔里木河流域潛在蒸散發(fā)季節(jié)空間變化特征

表1 塔里木河流域潛在蒸散發(fā)與氣象因子相關(guān)系數(shù)

5 結(jié)語

(1)近50年來，塔里木河流域潛在蒸散發(fā)呈減少趨勢(0.58 mm/a)，存在蒸發(fā)悖論現(xiàn)象，這與高歌等[17]和劉敏等[18]研究的中國潛在蒸散發(fā)減少趨勢有相似的結(jié)論。階段呈先下降后上升的趨勢，潛在蒸散發(fā)時(shí)空差異明顯。

(2)在季節(jié)上，塔里木河流域潛在蒸散發(fā)春季、夏季和秋季呈下降趨勢，冬季呈增加趨勢。

(3)塔里木河領(lǐng)流域潛在蒸散發(fā)與氣象因子存在顯著的相關(guān)性，尤其是太陽輻射和溫度與潛在蒸散發(fā)相關(guān)性最為顯著。