甘肅省不同氣候區(qū)1961-2020年蒸散發(fā)時(shí)空變化及其影響因子

胡曉萌，張 鑫，雒舒琪，張曉鵬，閆 彩，孫 媛

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.河北天和咨詢(xún)有限公司，石家莊 050000）

1 研究背景

地表蒸散發(fā)（Evapotranspiration，ET）是指植物蒸騰和土壤蒸發(fā)的總和[1,2]，作為生態(tài)環(huán)境和水資源評(píng)估的重要環(huán)節(jié)，蒸散發(fā)是用來(lái)評(píng)估區(qū)域氣候變化、地表能量和水分平衡的主要指標(biāo)。由于地表水向大氣層的輸送有近乎3/4 的降水將以蒸散發(fā)形式進(jìn)行[3]，而且通過(guò)對(duì)地表水的蒸發(fā)降低了當(dāng)?shù)貧鉁兀哉羯l(fā)在全球水文循環(huán)的過(guò)程中發(fā)揮著連接水熱循環(huán)的巨大作用[4,5]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)潛在蒸散發(fā)研究在蒸散發(fā)模型估算、蒸散發(fā)數(shù)據(jù)應(yīng)用、時(shí)空特征與影響因子方面，段浩[6]等探討了冠層截留對(duì)PML 蒸散發(fā)模型的影響，提高了模型對(duì)潛在蒸散發(fā)的模擬精度；黃瑾[7]等利用衛(wèi)星觀(guān)測(cè)的逐月蒸散發(fā)數(shù)據(jù)探討了云貴地區(qū)的蒸散發(fā)時(shí)空變化規(guī)律。通過(guò)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)地區(qū)蒸散發(fā)進(jìn)行準(zhǔn)確的時(shí)空特征分析及其影響因子分析，有助于對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)水源保護(hù)和水資源的優(yōu)化利用及其合理配置提供理論指導(dǎo)[8,9]。

甘肅省位處全國(guó)生態(tài)脆弱和氣候敏感的多復(fù)雜地形區(qū)域[10,11]，跨越多個(gè)不同氣候帶，目前對(duì)甘肅省潛在蒸散發(fā)的研究還僅僅是在一些有典型特點(diǎn)的氣候區(qū)及氣候站點(diǎn)[12,13]，無(wú)法概括整個(gè)甘肅省不同氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)特征的整體情況。故本研究通過(guò)將甘肅省進(jìn)行氣候區(qū)的劃分（8 個(gè)氣候區(qū)：A：河西西部暖溫帶干旱區(qū)；B：河西冷溫帶干旱區(qū)；C：祁連山高寒半干旱區(qū)；D：隴中北部冷溫帶半干旱區(qū)；E：隴中南部溫帶半濕潤(rùn)區(qū)；F：甘南高寒濕潤(rùn)區(qū)；G：隴南北部暖溫帶濕潤(rùn)區(qū)；H：隴南南部河谷亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)），通過(guò)劃分區(qū)域，對(duì)每個(gè)氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)時(shí)空特征分析和影響因子的研究，以期得到各氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)特點(diǎn)及甘肅省全省的蒸散發(fā)特征，為甘肅省的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)環(huán)境涵養(yǎng)、區(qū)域水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的匹配發(fā)展等提供合理科學(xué)依據(jù)[14,15]。

2 數(shù)據(jù)資料及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

選取甘肅省內(nèi)24 個(gè)、省外7 個(gè)氣象站點(diǎn)(見(jiàn)圖1)的1961-2020年逐日氣象數(shù)據(jù)（相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫等），本研究氣象站數(shù)據(jù)從國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.cma.cn/）處下載，將逐日數(shù)據(jù)匯成月尺度、季尺度和年尺度數(shù)據(jù)，季節(jié)劃分為：冬季（上年12-2月）、春季（3-5月）、夏季（6-8月）、秋季（9-11月），以此數(shù)據(jù)處理完成后進(jìn)行潛在蒸散發(fā)的時(shí)空特征和影響因子相關(guān)分析。

圖1 甘肅省區(qū)域不同氣候分區(qū)概況及氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Regional overview and distribution map of meteorological stations in Gansu Province

2.2 研究方法

2.2.1 潛在蒸散發(fā)計(jì)算公式

本研究通過(guò)使用潛在蒸散發(fā)Penman-Monteith[16]計(jì)算公式來(lái)對(duì)甘肅省的8個(gè)不同氣候區(qū)進(jìn)行潛在蒸散法的估算：

式中：△為飽和水汽壓-溫度曲線(xiàn)斜率，kPa/oC；Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；G為地表熱通量，MJ/(m2·d)；T為平均溫度，oC；γ為干濕計(jì)常數(shù)，kPa/oC；u2為2 m 處風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓/kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa。

2.2.2 克里金空間插值法

克里金空間插值法是利用已知的空間樣本信息的基本原理，用已知點(diǎn)擬合出一合適函數(shù)式推求未知點(diǎn)的數(shù)值，通過(guò)此函數(shù)式，構(gòu)建空間泰森多邊形以實(shí)現(xiàn)空間相關(guān)關(guān)系的建立，就實(shí)現(xiàn)了離散站點(diǎn)數(shù)據(jù)向整個(gè)研究區(qū)面數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，這種插值方法在各領(lǐng)域多有應(yīng)用[17]，計(jì)算公式為：

2.2.3 趨勢(shì)分析法

通過(guò)基于像元的一元線(xiàn)性回歸方法[18]，得到1961-2020年時(shí)間段的像元數(shù)據(jù)的潛在蒸散發(fā)變化趨勢(shì)，以此來(lái)反映變化整體的變化特征，計(jì)算公式：

式中：a為線(xiàn)性?xún)A向率；n為研究時(shí)間段（n=60）；ETi為各像元在第i年的潛在散發(fā)，mm。a＞0 說(shuō)明該區(qū)潛在蒸散發(fā)呈正向增長(zhǎng)趨勢(shì)；a=0 說(shuō)明蒸散發(fā)趨勢(shì)為0，蒸散發(fā)無(wú)年際變化；a＜0 說(shuō)明該區(qū)潛在蒸散發(fā)呈負(fù)向減少趨勢(shì)，其值大小則表征趨勢(shì)的強(qiáng)弱程度。

2.2.4 偏相關(guān)分析

通過(guò)利用Spss 軟件進(jìn)行潛在蒸散發(fā)與各氣象因子的偏相關(guān)分析。該方法的原理是控制其他氣象因子不變，求潛在蒸散發(fā)與某一氣象因子的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算公式為：

式中：x為潛在蒸散量；y、z為氣象因子；Rxy,z為控制其他氣象因子的情況下，潛在蒸散發(fā)與該氣象因子的偏相關(guān)系數(shù)，偏相關(guān)系數(shù)的值介于-1～1 之間，當(dāng)Rxy,z≥0 時(shí)，說(shuō)明該氣象因子與潛在蒸散發(fā)呈正相關(guān)關(guān)系，反之則為負(fù)相關(guān)關(guān)系，Rxy,z絕對(duì)值的大小表征相關(guān)程度的大小，當(dāng)P＜0.05 時(shí)，則認(rèn)為潛在蒸散發(fā)與該氣象因子相關(guān)關(guān)系顯著。

3 結(jié)果與分析

3.1 甘肅省不同氣候類(lèi)型區(qū)氣象因素變化

選取對(duì)甘肅省不同氣候類(lèi)型區(qū)1961-2020年潛在蒸散發(fā)可能具有較大影響的7種氣候因素（相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)長(zhǎng)、降雨量、平均溫度、最高溫度、最低溫度）進(jìn)行一元線(xiàn)性回歸分析，分別得出不同氣候區(qū)的氣象因子變化趨勢(shì)圖（見(jiàn)圖2）。

圖2 甘肅省各氣候區(qū)氣象因子60 a年際變化Fig.2 Interannual variation of meteorological factors in different climate regions of Gansu Province in 60 Years

通過(guò)一元系數(shù)來(lái)表征氣象因子變化速率（見(jiàn)表1）。1961-2020年各氣候區(qū)平均溫度、最高溫度、最低溫度均極顯著上升（P＜0.01，上升速率在0.13～0.24 ℃/5 a之間）；相對(duì)濕度除C 區(qū)為顯著上升外（P＜0.05），其他類(lèi)型區(qū)均有不同程度顯著下降；相對(duì)風(fēng)速除G區(qū)為極顯著上升外（P＜0.05），其他氣候區(qū)無(wú)明顯變化；日照總時(shí)數(shù)趨勢(shì)穩(wěn)定，各氣候區(qū)均無(wú)明顯變化；B、C氣候區(qū)年降水量均顯著增加（P＜0.05）。

表1 甘肅省各氣候區(qū)氣象因子60 a年際變化一元系數(shù)及顯著性Tab.1 The univariate coefficient and significance of the 60-year interannual variation of meteorological factors in each climatic region of Gansu Province

3.2 甘肅省潛在蒸散發(fā)空間分布格局

從1961-2020年甘肅省各氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)分布格局來(lái)看（見(jiàn)圖3），年均潛在蒸散發(fā)、春季潛在蒸散發(fā)、夏季潛在蒸散發(fā)、秋季潛在蒸散發(fā)在空間分布上均呈現(xiàn)出A、B、C 區(qū)西部高，其他區(qū)低的特點(diǎn)，高值區(qū)域日照時(shí)數(shù)的充足和高氣溫和風(fēng)速是造成潛在蒸散量偏高的主要原因，冬季年均潛在蒸散發(fā)空間分布則略有不同，冬季潛在蒸散發(fā)高值區(qū)在以武都站點(diǎn)為代表的H 區(qū)，由東南向西北遞減；由于甘肅省地理環(huán)境復(fù)雜，氣象因素差異較大，因此不同氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)差異較大，數(shù)值在710～1 363 mm 之間波動(dòng)，其中各氣候區(qū)多年平均潛在蒸散發(fā)為：A 區(qū)（1 237 mm）、B 區(qū)（1 094 mm）、C 區(qū)（790 mm）、D 區(qū)（996 mm）、E 區(qū)（873 mm）、F 區(qū)（740 mm）、G 區(qū)（842 mm）、H 區(qū)（1 027 mm）；各氣候區(qū)的季節(jié)蒸散發(fā)貢獻(xiàn)度排名為夏季＞春季＞秋季＞冬季。

圖3 1961-2020年甘肅省各氣候區(qū)年均與各季節(jié)潛在蒸散發(fā)的空間變化特征Fig.3 Spatial variation characteristics of annual average and seasonal potential evapotranspiration in different climate zones in Gansu Province from 1961 to 2020

3.3 甘肅省潛在蒸散發(fā)時(shí)間變化特征

1961-2020年甘肅省各氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)變化率為-2.57～3.31 mm/a，整體呈現(xiàn)出小幅上升的趨勢(shì)（見(jiàn)圖4），其中除A、D、F 氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)呈減少趨勢(shì)外，其他氣候區(qū)均呈現(xiàn)不同程度上升趨勢(shì)，82%的區(qū)域的潛在蒸散發(fā)表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，其中增幅較大的區(qū)域主要分布在馬鬃山和酒泉站點(diǎn)附近，達(dá)到了3.31 mm/a，而呈下降趨勢(shì)的站點(diǎn)集中在以安西站為代表的河西地區(qū)和以皋蘭和景泰站點(diǎn)為代表的隴中干旱區(qū)。通過(guò)對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（見(jiàn)圖4），甘肅省有26.58%的區(qū)域的潛在蒸散發(fā)趨勢(shì)未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)（P＞0.05），該區(qū)域大部分分布在A(yíng) 區(qū)、B 區(qū)中部、D 區(qū)、E 區(qū)及H 區(qū)；其中有13.4%區(qū)域潛在蒸散發(fā)趨勢(shì)通過(guò)了95%顯著性趨勢(shì)檢驗(yàn)（P＜0.05），60%區(qū)域的潛在蒸散發(fā)趨勢(shì)通過(guò)99%顯著性趨勢(shì)檢驗(yàn)（P＜0.01），甘肅省超過(guò)73.42%的區(qū)域潛在蒸散發(fā)呈現(xiàn)出顯著的變化趨勢(shì)，這與氣候變化和植被/覆被、土地利用方式改變等人類(lèi)活動(dòng)有密不可分的聯(lián)系。

圖4 1961-2020年甘肅省各氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)的變化趨勢(shì)及顯著性Fig.4 Variation trend and significance of potential evapotranspiration in different climate zones in Gansu Province from 1961 to 2020

3.4 潛在蒸散量影響因子分析

影響潛在蒸散量的因素十分復(fù)雜，一般與氣象因素影響甚大。因此本文選取平均氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、降水5 個(gè)氣象要素與甘肅省8 個(gè)氣候區(qū)年均蒸散量并取各氣候區(qū)的典型站點(diǎn)進(jìn)行偏相關(guān)和顯著性分析（見(jiàn)圖5和表2）。結(jié)果表明：近60 a來(lái)，甘肅省各氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)對(duì)5個(gè)氣象因子相關(guān)性的空間分布不一致。8個(gè)氣候區(qū)的潛在蒸散量對(duì)平均溫度的相關(guān)系數(shù)變化范圍為0.89～0.94，其中A、B、C、D 區(qū)受平均溫度相關(guān)性更高；潛在蒸散發(fā)變化對(duì)風(fēng)速相關(guān)程度在空間上有較強(qiáng)的差異性，以敦煌站點(diǎn)為代表的A 區(qū)高值區(qū)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.72，和以華家?guī)X為代表的E區(qū)相關(guān)系數(shù)0.11的低值區(qū)域，其他區(qū)域?qū)︼L(fēng)速的相關(guān)系數(shù)在0.5 范圍附近，差異不大；潛在蒸散發(fā)變化對(duì)日照時(shí)數(shù)的相關(guān)系數(shù)范圍為0.38～0.73，其中D、E、F、G、H 區(qū)對(duì)日照時(shí)數(shù)相關(guān)性高，而以敦煌、馬鬃山為代表站點(diǎn)的A、B 氣候區(qū)和祁連山高寒半干旱C氣候區(qū)對(duì)氣象因子日照時(shí)數(shù)的相關(guān)程度要略低；甘肅省所有氣候區(qū)均對(duì)相對(duì)濕度呈現(xiàn)出不同程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中除甘肅省東北各氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)對(duì)相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)較低以外，其他站點(diǎn)對(duì)相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)在0.5 范圍左右；通過(guò)偏相關(guān)分析，氣象因子降雨對(duì)潛在蒸散發(fā)的變化未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系。

圖5 1961-2020年甘肅省各氣候區(qū)對(duì)氣象因子偏相關(guān)分析圖Fig.5 Partial correlation analysis of meteorological factors in each climatic region of Gansu Province from 1961 to 2020

表2 甘肅省各氣候區(qū)典型氣象站點(diǎn)潛在蒸散發(fā)與各氣象因素的偏相關(guān)分析Teb.2 Partial correlation analysis of potential evapotranspiration and meteorological factors from typical meteorological stations in different climate regions of Gansu Province

4 結(jié) 論

（1）1961-2020年各氣候區(qū)平均溫度、最高溫度、最低溫度均極顯著上升（P＜0.01，上升速率在0.13～0.24 ℃/5 a 之間）；相對(duì)濕度除C 區(qū)為顯著上升外（P＜0.05），其他類(lèi)型區(qū)均有不同程度顯著下降；相對(duì)風(fēng)速除G 區(qū)為極顯著上升外（P＜0.05），其他氣候區(qū)無(wú)明顯變化；日照總時(shí)數(shù)趨勢(shì)穩(wěn)定，各氣候區(qū)均無(wú)明顯變化；B、C 氣候區(qū)年降水量均顯著增加（P＜0.05）。隨著氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)，近60 a 來(lái)甘肅省各氣候區(qū)氣溫都逐步上升，且除祁連山高寒氣候區(qū)外，其他氣候區(qū)濕度有變干的趨勢(shì)，未來(lái)甘肅省氣候正朝著熱、干趨勢(shì)發(fā)展。

（2）甘肅省年均、春季、夏季和秋季潛在蒸散發(fā)均呈現(xiàn)出A、B 區(qū)高、其他氣候區(qū)低的分布特征，冬季則表現(xiàn)為E、G、H 區(qū)高、其他氣候區(qū)低的特征，在空間潛在蒸散量的貢獻(xiàn)上來(lái)看，河西地區(qū)對(duì)潛在蒸散發(fā)做出較大貢獻(xiàn)，然而潛在蒸散發(fā)空間分布不均且差異較大，年均潛在蒸散發(fā)波動(dòng)范圍在710～1 363 mm，在季節(jié)尺度上，各氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)大小表現(xiàn)為夏季＞春季＞秋季＞冬季。

（3）1961-2020年甘肅省各氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)的趨勢(shì)變化率為-2.57～3.31 mm/a，超過(guò)73.42%的區(qū)域潛在蒸散發(fā)呈現(xiàn)出顯著的變化趨勢(shì)，A 區(qū)、D 區(qū)西部、E 區(qū)西部呈不顯著下降趨勢(shì)，其中除在A(yíng)區(qū)、B區(qū)中部、C區(qū)中部及東部、D區(qū)東部、E區(qū)西部以及H 區(qū)無(wú)顯著趨勢(shì)（P＞0.05）外，其他區(qū)域部分均顯著上升或下降（P＜0.05），相對(duì)濕度的減少和溫度升高、風(fēng)速增大等綜合作用會(huì)持續(xù)促進(jìn)研究區(qū)潛在蒸散發(fā)的變化趨勢(shì)。

（4）通過(guò)對(duì)各氣候區(qū)的潛在蒸散發(fā)與氣象因子的相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)各氣候區(qū)對(duì)氣象因子的響應(yīng)差距較大，集中體現(xiàn)在氣溫、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)上。潛在蒸散發(fā)對(duì)氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中甘肅省西北區(qū)域（A、B、C、D 區(qū)）對(duì)平均氣溫的相關(guān)系數(shù)明顯高于東南區(qū)域的（E、F、G、H 區(qū)）；A、B、C、D、G、H 區(qū)的潛在蒸散發(fā)受風(fēng)速影響的相關(guān)性大于E、F 區(qū)域；甘肅省所有氣候區(qū)潛在蒸散發(fā)均對(duì)相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中除D、E、G 區(qū)東部潛在蒸散發(fā)對(duì)相對(duì)濕度的響應(yīng)不太明顯外，其他各區(qū)域潛在蒸散發(fā)對(duì)相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)在-0.5 范圍左右；通過(guò)偏相關(guān)分析，氣象因子降雨對(duì)潛在蒸散發(fā)的變化未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系。