云貴高原參考作物蒸散量時空特征及成因分析

劉泉杉，吳宗俊，崔寧博,2,3*，朱世丹，鄭順生

(1. 四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065; 2. 南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點實驗室，四川 成都 610066; 3. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)田灌溉研究所農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物需水與調(diào)控重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453000)

spatial and temporal distribution characteristics;contribution rate

參考作物蒸散量(reference crop evapotranspiration，ET0)作為估算作物需水量的基礎，是連接地表能量循環(huán)和水循環(huán)的紐帶，也是熱量、水分平衡的重要組成部分.ET0是影響灌溉決策的關鍵因素，對提高農(nóng)田水分利用效率、實現(xiàn)精準灌溉有重要作用[1-3].氣象變化是影響ET0變化的重要因素，然而全球氣候劇烈變化，自然災害愈加頻發(fā)，已成為制約經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸，將給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的挑戰(zhàn).因此研究氣象因子變化的作用機制和規(guī)律，以探索其對ET0的影響，在應對氣候變化方面具有重要意義，能夠緩解氣候變化導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的負面影響[4].

針對中國不同區(qū)域氣象因子時空變化，已有大量的研究成果[5-6].近百年來，中國陸地平均增溫速率高于全球平均值，達到0.9～1.5 ℃，導致蒸散量和水分循環(huán)發(fā)生了明顯變化.云貴高原地處中國西南部，地形復雜，氣候多樣，災害性天氣種類較多，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害嚴重.近年來受全球氣候變暖影響，高溫天氣引起的少雨、干旱氣候事件時有發(fā)生，特別是汛期嚴重少雨干旱天氣造成人畜飲水困難，作物減產(chǎn)甚至絕收，對生態(tài)安全造成明顯威脅[7].謝銳敏等[8]研究發(fā)現(xiàn)，1961—2013年中國糧食主產(chǎn)區(qū)年內(nèi)ET0均呈鋸齒狀下降，且ET0在四季呈現(xiàn)出在夏季最大，春季、秋季、冬季依次減小的特征.相關研究[9]表明地表溫度上升有望加速水文循環(huán)并增加ET0，但很多地區(qū)溫度呈上升趨勢，ET0卻呈顯著下降趨勢[10].對于“蒸散發(fā)悖論”，有學者認為氣象要素變化是導致其變化的主要原因[11-12].PATLE等[13]研究認為日照時數(shù)和風速減少是引起ET0變化的主要氣象因子.GUAN等[14]研究發(fā)現(xiàn)黃淮河流域平均氣溫升高削弱了風速和輻射量對ET0的響應強度，使流域ET0增加.

氣候變化和人類活動對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響日益加劇，探究云貴高原ET0與氣象因子的時空變化特征及成因對當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)與灌溉十分必要.文中基于中國42個氣象站點近56 a(1961—2016年)的風速、太陽輻射、相對濕度和平均氣溫等數(shù)據(jù)，對云貴高原主要氣象因子及ET0的變化特征進行定量分析，探究其時空變化特征，揭示影響ET0變化的主要氣象因子.以期研究結果可為云貴高原氣候變化對水循環(huán)的影響、農(nóng)業(yè)需水預測和農(nóng)業(yè)灌溉管理等研究提供基礎參考；并制定相關農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防災措施，為規(guī)避可能的氣候風險和農(nóng)業(yè)保產(chǎn)提供科學指導.

1 材料與方法

1.1 研究概況與數(shù)據(jù)來源

云貴高原是中國四大高原之一，位于100°～111°E，22°～30°N，海拔為400～3 500 m；屬亞熱帶濕潤區(qū)，太陽輻射年總量徑向分布差異大，東部為3 400～3 800 MJ/m2，西部為5 000～6 000 MJ/m2，年平均氣溫為5～24 ℃，年降水量為600～2 000 mm，風速為1.1～3.2 m/s.

選取云貴高原的42個氣象站點1961—2016年逐日氣象資料數(shù)據(jù)，包括2 m處風速(u2)、太陽輻射(Rs)、相對濕度(RH)以及日平均氣溫(Tmean)等.研究區(qū)域站點分布如圖1所示(H為高程)，云貴高原氣象站點數(shù)據(jù)資料來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http://data.cma.cn).根據(jù)中國氣象季節(jié)劃分方法為標準，以3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12—2月為冬季.

圖1 云貴高原氣象站點分布示意

1.2 研究方法

1.2.1 Penman-Monteith模型

Penman-Monteith模型基于空氣動力學和水量平衡原理，理論嚴謹且計算精度高，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦為計算參考作物蒸散量的標準，PM模型具體表達式為

(1)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm/d；Rn為作物表面上的凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；Tmean為空氣平均氣溫，℃；u2為2 m高處的風速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓曲線的傾率；γ為濕度計常數(shù)，詳細內(nèi)容參照文獻[1].

1.2.2 Mann-Kendal檢驗

Mann-Kendall是基于秩的非參數(shù)檢驗方法.該方法用于檢測氣象時間序列數(shù)據(jù)的變化，可有效減少異常值干擾，并且可定量分析時間變化趨勢，得到的結果更加準確[15]，已獲得廣泛使用.MK統(tǒng)計量為

(2)

式中：S為檢驗統(tǒng)計量；xk和xt為時間序列X的樣本數(shù)據(jù)值；n為數(shù)據(jù)集合的長度；t為時間序列.

sgn的定義為

(3)

式中：θ為xk-xt.

當n≥30時，統(tǒng)計量S大致服從正態(tài)分布，均值為0，方差為

(4)

標準化計算過程如式(5)和(6)所示.

(5)

(6)

式中：1

1.2.3 貢獻率計算

利用多元回歸方法計算氣象因子對ET0的貢獻率[8].計算方法：對主要氣象因子及ET0進行離差標準化處理；以ET0為因變量，進行多元回歸分析.貢獻率具體計算方法如式(7)和(8)所示.

YET0=a1X1+a2X2+a3X3+…+anXn，

(7)

(8)

式中：YET0為標準化后的參考作物蒸散量；X1，X2，X3，…，Xn分別為標準化氣象因子值；a1，a2，a3，…，an為回歸系數(shù)；Wi為某一氣象因子對ET0的貢獻率.

2 結果與分析

2.1 氣象因子在年尺度時空的變化特征

2.1.1 氣象因子年際變化

圖2為云貴高原近56 a(1961—2016年)氣象要素年際變化.由圖可知，u2和Tmean呈逐年上升趨勢，Rs和RH呈下降趨勢.圖2a顯示u2的線性趨勢為0.001 2 (m·s-1)/a，年均值為1.17 m/s，在1961—1969年和1992—2000年出現(xiàn)先減小后陡然增大的變化，整體呈平緩上升趨勢.圖2b顯示Rs的線性趨勢為-0.007 3 (MJ·m-2·d-1)/a，年均值為14.17 MJ/(m2·d)，年際間呈波動下降趨勢，下降趨勢達到顯著(P<0.05)，這可能是由于空氣污染致使大氣中氣溶膠和懸浮粒子增加，加強了對Rs的吸收、反射和散射作用[16].圖2c表明RH的線性趨勢為-0.074 6%/a，年均值為81%，整體呈極顯著下降趨勢(P<0.01)，可能與云貴高原氣溫升高引起大氣水汽含量減少有關.圖2d顯示Tmean的線性趨勢為0.018 ℃/a，年均值為22.8 ℃，呈極顯著波動式上升趨勢(P<0.01).綜上，受全球變暖影響，云貴高原氣候變暖顯著，近56 a來平均上升了約1 ℃，整體呈干熱化趨勢.

圖2 云貴高原近56 a(1961—2016年)氣象要素年際變化

2.1.2 Mann-Kendal檢驗

云貴高原近56 a各氣象因子Mann-Kendall突變結果如圖3所示，圖中TSD為時間序列數(shù)據(jù).圖3a顯示u2在1964—1968年和1995—2000年呈局部下降趨勢，其余年份均呈上升趨勢.突變點發(fā)生在1969，1996和2001年；1969年突變后u2明顯增大，1976—1997年增幅達到顯著(P<0.05)；1996年突變后u2下降趨勢明顯，到2001年又出現(xiàn)緩增趨勢.

圖3 云貴高原近56 a(1961—2016年)各氣象要素Mann-Kendal驗證結果

由圖3b可知，Rs整體下降趨勢明顯，1988年后降幅達到顯著(P<0.05).Rs在1977年附近存在突變點，突變后降幅增大，可能與人類活動導致大氣中氣溶膠排放量增加，以及日照時數(shù)減少有關.

由圖3c可知，RH在1967—1973年呈局部緩增的趨勢，1973年后下降趨勢明顯，1988—1998年、2005年后降幅達到顯著(P<0.05).突變點發(fā)生在2001年，突變后降幅驟增，可能是由于全球變暖引起大氣環(huán)流系統(tǒng)的水汽輸送異常.

由圖3d可知，Tmean整體上升趨勢明顯，1972年后增幅變大，1998年出現(xiàn)突變點，突變后增幅達顯著(P<0.05)，說明由于城市化進程等人類活動引起氣候變暖，導致云貴高原氣溫顯著上升.

2.1.3 氣象因子空間變化特性

圖4為云貴高原近56 a(1961—2016年)各氣象因子空間分布特征.由圖4a可知，云貴高原地區(qū)u2空間變化不連續(xù)，貴州中部地勢平緩，云南東部為高原迎風坡，受到地形條件影響，該區(qū)域u2較大，故云南西南部則較小.由圖4b可知，云貴高原Rs空間差異明顯，呈西部(云南)大東部(貴州)小的分布，云南緯度低且山地氣候顯著，Rs較大；貴州地處低緯山區(qū)，大部分地區(qū)云量占到80%，全年日照時數(shù)不超過1 400 h，輻射量較小.圖4c表明處于背風坡的云南西南部的RH較大，并且受西南季風影響，所帶來的水汽遇到高原山脈受到阻斷；貴州除西北部地區(qū)RH較小外，其余地區(qū)空間差異不明顯.圖4d顯示云貴高原作為高原型亞熱帶季風區(qū)，Tmean呈現(xiàn)出南高北低、西南最高、西北最低的分布，研究區(qū)Tmean主要受到大氣環(huán)流、地形等因素的影響，地域溫差較大.

圖4 云貴高原近56 a(1961—2016年)各氣象因子空間分布特征

2.2 ET0時空變化特征

2.2.1ET0年際變化

圖5為云貴高原近56 a(1961—2016年)ET0年際變化特征.由圖5a可知，研究區(qū)ET0整體呈波動上升趨勢，線性趨勢為0.287 1 mm/a，年均值為1 081 mm，變化范圍為1 029～1 151 mm.圖5b顯示ET0在1961—1980年平緩波動，1980—2003年呈現(xiàn)下降趨勢，1993—2003年降幅顯著(P<0.05)，2003年后ET0呈明顯的上升趨勢.研究區(qū)ET0在1962，1963和2009年發(fā)生突變，2009年突變后ET0增幅明顯.1961—1993年Rs和RH明顯下降，而Tmean上升較緩，該階段云貴高原ET0呈顯著下降趨勢，1993年后Tmean升高達到顯著，因此ET0出現(xiàn)快速上升趨勢.

圖5 云貴高原近56 a(1961—2016年)ET0年際變化特征和Mann-Kendal驗證結果

2.2.2ET0空間變化特征

基于反距離權重插值法對云貴高原近56 a 多年和四季ET0的空間分布進行插值分析，如圖6和7所示.由圖6可知，云貴高原ET0呈現(xiàn)出西高東低的分布.貴州全境多年ET0為843～950 mm/a，云南多年ET0為1 100～1 200 mm/a，僅有南部少數(shù)站點多年ET0達到1 200 mm/a以上.在云南西北部ET0明顯較小，因為該地區(qū)海拔一般為3 000～4 000 m，終年積雪，氣溫較低，影響蒸散量.云南南部的元江、蒙自和屏邊站點是ET0較大的地區(qū)，其大值中心位于元江站點，多年平均值達到1 400～1 510 mm/a，因該地區(qū)Rs和Tmean均較大，進而影響ET0.云南地處低緯度地區(qū)，是典型的亞熱帶季風氣候區(qū)，全年平均氣溫較高，太陽輻射較強，獲得更多能量的同時也存在更多的熱量交換，故云南ET0較高.

由圖7可知，云貴高原春、秋、冬季ET0均呈西高東低、夏季ET0呈西低東高的分布，因夏季西部輻射量大于東部，進而影響ET0分布.春季ET0較大區(qū)域位于云南中東部高原迎風坡，夏季ET0較大區(qū)域位于貴州東部平原，秋季ET0較大區(qū)域位于云南西南部的高原背風坡，冬季西部ET0較大.由于云南季風氣候特征明顯，雨熱同季，降雨集中在5—10月，降雨量達到全年的85%左右，冬春季多日照、氣溫高、輻射較大，所以春冬季ET0呈明顯西高東低的分布；貴州屬亞熱帶濕潤季風氣候，夏季Tmean較云南高，冬季平均氣溫較云南低，4—9月集中了全年70%以上的日照和太陽輻射，故貴州在夏季ET0較大.綜上所述，ET0在云貴高原出現(xiàn)明顯的季節(jié)性時空分布特征.

2.3 氣象要素貢獻率分析

研究[16]表明氣候變化會較大程度影響ET0，且氣候特點不同，氣象因子對ET0的影響程度也有差異.表1為氣象要素與云貴高原四季ET0的回歸方程系數(shù)a；R2為擬合系數(shù).由表可知，四季的u2，Rs和Tmean與ET0呈正相關，RH與ET0呈負相關，且影響云貴高原四季ET0的主導因素是Rs和Tmean，其R2均在0.99以上，并達顯著水平.

表1 氣象要素與云貴高原四季ET0的回歸方程系數(shù)

表2為氣象要素對云貴高原四季ET0的貢獻率τ.

表2 氣象要素對云貴高原四季ET0的貢獻率

由表2可知，春季Rs對ET0變化貢獻率為0.412，是影響ET0的主要氣象因子；影響夏季ET0變化的主要因素是Tmean，貢獻率為0.435；在秋、冬季，Rs對ET0變化仍占主導地位，貢獻率分別為0.431和0.442.針對全年而言，Rs貢獻率最大，為0.597，u2貢獻率最小，為0.004.綜上所述，Rs是影響云貴高原多年ET0變化的主導驅動因子.

2.4 氣象因子相關性分析

研究發(fā)現(xiàn)近56 a云貴高原u2和Tmean呈逐年上升趨勢，Rs和RH整體呈下降趨勢.氣象要素的變化成因復雜，且氣象因子間存在復雜的作用機制.對各氣象因子進行相關性分析，得到結果見表3和4.

表3 云貴高原四季各氣象因子相關系數(shù)

表4 云貴高原全年各氣象因子相關系數(shù)

由表3可知，春季RH與u2呈極顯著負相關；Rs與u2呈極顯著正相關，與Tmean呈顯著正相關，與RH呈極顯著負相關，說明春季日照時間變長，Tmean升高，Rs增大，而由于u2增大有利于大氣中氣溶膠擴散，并影響水汽壓差變化使得RH下降，因此進一步增大了地表輻射.夏季RH與u2呈顯著負相關，與Rs呈極顯著負相關；Tmean與u2呈極顯著負相關，與Rs呈顯著正相關，因為此時云貴高原處于濕季，西南風帶來充足的水汽，RH增大從而減小地表輻射，但由于Tmean的顯著升高，減小了RH對Rs的影響.秋季u2與RH呈顯著負相關，與Tmean呈極顯著負相關，而Tmean與RH呈顯著正相關，說明云貴高原當夏季風向冬季風轉換時u2會影響Tmean的變化，同時也帶走水汽，RH減小.冬季RH與Rs呈極顯著負相關，此時云貴高原處于干季，盛行西北風，RH較低，地面太陽輻射增大；Rs與Tmean呈極顯著正相關，說明在冬季云貴高原日照減少，Tmean降低，云量增加引起輻射減小.

由表4可知，RH與u2和Tmean呈極顯著負相關，是因為u2變大和Tmean升高使水汽壓差發(fā)生顯著變化引起RH減?。籾2與Tmean呈顯著正相關，常年盛行的季風帶來了更多的水熱能量使得風速變大的同時Tmean也因此升高；Rs與其余3個氣象因子均不相關，且Rs呈逐年下降趨勢，說明可能是由于云量變大或人類活動導致的空氣污染嚴重而致Rs減小.

3 討 論

研究中發(fā)現(xiàn)，Rs是影響云貴高原近56 a春、秋、冬季ET0的主導驅動因子，Tmean是影響夏季ET0的主導驅動因子.各氣象因子間具有相關性且相互作用，在春、冬季，Rs受RH影響最大，相關系數(shù)分別為-0.849(α<0.01)和-0.644(α<0.01)，說明春冬季濕度低，空氣中水汽對輻射的折射等損失減小，增大了到達地面的Rs.在夏季，u2對Tmean影響最大，相關系數(shù)為-0.471(α<0.01)，由于云貴高原夏季盛行西南風，大量水汽使其降水豐富.在秋季，Rs與各氣象因子均不相關，可能受云量或降水影響更大.

研究中還發(fā)現(xiàn)，云貴高原的ET0在近56 a呈波動上升趨勢，增幅為0.287 1 mm/a，在一定程度上會導致作物灌溉需水量增加，需要采取相應的節(jié)水灌溉措施提高農(nóng)業(yè)用水效率.由表2可知，春季氣象因子貢獻率按因子排序由大到小為Rs，Tmean，RH，u2，這是因為云貴高原冬春干季多日照，氣溫升高，RH較低，Rs增大，因此Rs和Tmean對春季ET0變化影響較大.在夏季貢獻率按因子排序由大到小為Tmean，Rs，RH，u2，這是由于云貴高原雨熱同季，并且Tmean升高明顯，所以Tmean是影響夏季ET0變化的主要因子.秋、冬季貢獻率按因子排序由大到小為Rs，Tmean，u2，RH，這是由于干濕季季風轉換，u2顯著影響云貴高原的Tmean和Rs.縱觀全年，云貴高原各氣象因子貢獻率按因子排序由大到小為Rs，Tmean，u2，RH，這是因為云貴高原地形以高原山地為主，表現(xiàn)出明顯的季風和低緯氣候，雨熱同季、干濕季分明，受季風和鋒面的影響，云層厚且降水較多，Rs總量較少.因此，Rs是影響云貴高原ET0變化的主導因子.

4 結 論

文中研究基于云貴高原42個代表性站點近56 a(1961—2016年)逐日氣象數(shù)據(jù)，利用Mann-Kendall檢驗分析探究主要氣象因子的時空變化規(guī)律，運用多元回歸方法定量研究了各氣象因子對ET0的貢獻率.得到主要結論如下：

1) 各氣象因子年際變化趨勢較明顯，風速(u2)和氣溫(Tmean)呈逐年上升趨勢，增幅分別為0.001 2 (m·s-1)/a和0.018 ℃/a，太陽輻射(Rs)和相對濕度(RH)整體呈下降趨勢，降幅分別為0.007 3 (MJ·m-2·d-1)/a和0.074 6%/a.

2) 云貴高原近56 aET0整體呈波動上升趨勢，增幅為0.287 1 mm/a，在1961和2009年出現(xiàn)局部突變，2009年后ET0增幅明顯.云貴高原ET0空間分布特征顯著，東部大部分ET0分布區(qū)間為1 100～1 200 mm/a，西部ET0的分布區(qū)間為843～950 mm/a，整體呈西高東低的分布；云貴高原東西部春季ET0范圍分別為236～363和363～489 mm/a，夏季ET0范圍分別為340～400和274～340 mm/a，秋季ET0范圍分別為170～230和230～305 mm/a，冬季ET0范圍分別為97～195和200～301 mm/a，整體呈西高東低的分布，春、秋、冬季ET0西高東低，而夏季ET0東高西低.

3) 全年各氣象因子對ET0貢獻率按因子排序由大到小為Rs，Tmean，RH，u2；春季其貢獻率按因子排序由大到小為Rs，Tmean，u2，RH；夏季其貢獻率按因子排序由大到小為Tmean，Rs，RH，u2；秋、冬季其貢獻率按因子排序由大到小為Rs，Tmean，u2，RH.