1959—2018年內(nèi)蒙古參考作物騰發(fā)量時(shí)空變化特征分析

王 斌,喬帥帥,劉繼發(fā)

(1.廣東中灝勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司,廣東 肇慶 526040;2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;3.托克托縣新營子鎮(zhèn)綜合保障和技術(shù)推廣中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010200)

參考作物騰發(fā)量(ET0)是水文系統(tǒng)中的重要參數(shù),在作物需水量估算、水文模擬、灌排設(shè)計(jì)、干旱風(fēng)險(xiǎn)和評價(jià)以及氣候變化等方面發(fā)揮著重要作用[1-3]。聯(lián)合國糧農(nóng)組織將其定義為:“假設(shè)作物高度為0.12 m,反照率為0.23,冠層阻力70 s/m,相當(dāng)于生長旺盛,冠層可以完全覆蓋地面,而且有充足的水分供應(yīng)的開闊綠葉草地蒸散”[4]。ET0主要特點(diǎn)為只受氣象條件影響,不受作物品種、地表狀況和土壤水分狀況的影響[5],是一種假想狀態(tài)下的作物冠層蒸散。其次,受地域限制和氣象條件不同的影響,不同地方ET0的時(shí)空表現(xiàn)特征及氣象要素貢獻(xiàn)程度均不一致。

目前,關(guān)于計(jì)算參考作物騰發(fā)量的計(jì)算公式很多,如Thornthwaite、Hargreaves、McCloud和Penman-Monteith公式,其中Penman-Monteith的計(jì)算對氣象條件要求較高,包含了日平均氣溫,日最高氣溫、日最低氣溫、風(fēng)速等較為全面的氣象要素。因此,使用Penman-Monteith計(jì)算參考作物騰發(fā)量,能夠得到較為精確的計(jì)算結(jié)果,且無論是在干旱還是濕潤的氣候環(huán)境中,此方法都較為適用[6]。在氣候變化背景下,近些年來對于參考作物騰發(fā)量和以此為基礎(chǔ)的作物需水和氣象干旱指標(biāo),相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。如佟長福等[7]利用1981—2012年逐月氣象數(shù)據(jù)計(jì)算了內(nèi)蒙古不同氣候區(qū)的參考作物騰發(fā)量。湯英等[8]計(jì)算了1951—2009年寧夏自治區(qū)參考作物騰發(fā)量,多年平均值為982 mm,呈增加趨勢。溫日紅等[9]基于Penman-Monteith公式評估了1961—2015年遼寧省的全年和四季的參考作物騰發(fā)量,結(jié)果發(fā)現(xiàn)均呈減少的變化趨勢。聶堂哲等[10-11]通過計(jì)算以參考作物騰發(fā)量為基礎(chǔ)的作物需水量,分析了黑龍江省春玉米和水稻不同生育階段的有效降雨、作物需水和灌溉需水規(guī)律。張玉靜等[12]選取標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI分析了近50年來華北地區(qū)的干旱變化趨勢,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著氣溫升高,華北平原暖干旱將進(jìn)一步加劇。秦鵬程等[13]發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)的干旱風(fēng)險(xiǎn)突出,地區(qū)差異性顯著。這些結(jié)果豐富了參考作物騰發(fā)量在生態(tài)環(huán)境等各方面的應(yīng)用。

內(nèi)蒙古地區(qū)東西跨度長,橫跨東北、華北、西北三大地理區(qū)域,植被主要以草原為主,是中國重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)主要以旱作農(nóng)業(yè)為主,隨著氣候變化的影響,內(nèi)蒙古地區(qū)成為受氣候變化影響敏感的地區(qū)之一[14],而參考作物作物騰發(fā)量是研究氣候變化眾多指標(biāo)的基礎(chǔ)。本文利用內(nèi)蒙古50個(gè)氣象站點(diǎn)計(jì)算了內(nèi)蒙古參考作物騰發(fā)量,分析了內(nèi)蒙古全區(qū)及年內(nèi)四季參考作物騰發(fā)量時(shí)空分布特征;在對內(nèi)蒙古氣候分區(qū)的基礎(chǔ)上,探討了不同氣候區(qū)的參考作物騰發(fā)量年代際變化;最后分析了年際參考作物騰發(fā)量周期性變化。此研究可為內(nèi)蒙古地區(qū)水資源分配及干旱風(fēng)險(xiǎn)評估提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古地帶狹長,位于中國北部邊疆,自東北向西南分布,介于北緯37°30′～53°20′,東經(jīng)97°10′～126°29′[14](圖1)。東西長達(dá)2 400 km,南北寬約1 700 km,平均海拔為1 000 m左右。地區(qū)面積可達(dá)118.3萬km2。該地區(qū)地貌復(fù)雜,平原、山地和高原鑲嵌分布,主要以高原為主,特殊的地形地貌影響著水熱資源的分布。內(nèi)蒙古屬于溫帶大陸性氣候,四季分明,春季升溫快,多風(fēng);夏季氣溫高,且短促;秋季降溫快,霜凍影響顯著;冬季寒冷且漫長,多寒潮天氣。

圖1 內(nèi)蒙古地區(qū)站點(diǎn)分布

1.2 氣象數(shù)據(jù)

研究所需氣象數(shù)據(jù)均來自于中國氣象數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn),主要包括1959—2018年50個(gè)站點(diǎn)的日平均溫度(℃)、日最高溫度(℃)、日最低溫度(℃)、高程(m)、經(jīng)緯度、日照時(shí)數(shù)(h)、風(fēng)速(m/s)、降雨量(mm)和相對濕度(%)。其中,對缺測數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ),若缺測數(shù)據(jù)小于等于5日,采用線性插值替代,若缺測數(shù)據(jù)大于5日,缺測數(shù)據(jù)采用近幾年數(shù)據(jù)的平均值代替。

1.3 參考作物騰發(fā)量(ET0)計(jì)算

對于內(nèi)蒙古每個(gè)氣象站點(diǎn)的參考作物騰發(fā)量(Reference Crop Evapotranspiration,ET0),本文采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith方法進(jìn)行計(jì)算[4],見式(1):

(1)

式中 ET0——參照作物需水量,mm;T——計(jì)算時(shí)段內(nèi)的平均氣溫,℃;Δ——飽和水汽壓-溫度曲線上的斜率,kPa/℃;Rn——太陽凈輻射,MJ/m2/d;G——土壤熱通量,MJ/m2/d;γ——溫度計(jì)常數(shù),kPa/℃;es——飽和水汽壓,kPa;ed——實(shí)際水汽壓,kPa;U2——離地面2 m高處的平均風(fēng)速,m/s。

利用ArcGIS10.2中自帶的空間分析工具對參考作物騰發(fā)量及其氣象傾斜率的空間分布進(jìn)行繪制。

1.4 氣候傾斜率、變異系數(shù)和突變檢驗(yàn)

本文采用一次線性方程描述ET0的時(shí)間變化趨勢[10],見式(2):

y=at+b

(2)

式中y——?dú)庀笠氐臅r(shí)間序列值;t——y相對應(yīng)的年份;a、b——回歸系數(shù)。

以10 a表示氣象要素每10 a的變化速率,其正值表示該氣象要素呈增加趨勢,負(fù)值則表示該氣象要素呈減少趨勢。

參考作物騰發(fā)量的時(shí)間變異性采用變異系數(shù)(Cv)來表示[15]。其區(qū)間Cv≤0.1、0.1

Mann-Kendal檢驗(yàn)法能很好地反映某一事物在時(shí)間尺度上的變化趨勢及突變檢驗(yàn),目前已廣泛在水文、降雨和氣溫等領(lǐng)域得到應(yīng)用[16-18]。Mann-Kendall檢驗(yàn)是一種非參數(shù)檢驗(yàn),其統(tǒng)計(jì)變量Z值分別大于等于1.64、2.32、2.56時(shí),表示該要素趨勢變化通過了95.0%、99.0%和99.9%的顯著性檢驗(yàn)。對于時(shí)間序列的參考作物騰發(fā)量,通過分別繪制UF、UB兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量的曲線圖,其交點(diǎn)對應(yīng)的年份則為參考作物騰發(fā)量的突變年份。

1.5 小波分析

小波分析通過對某一信號或者函數(shù)進(jìn)行小波函數(shù)逼近,將時(shí)間序列分解成時(shí)域和頻域,可以用來分析氣候變化的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和不同時(shí)間尺度上的周期性變化[19]。小波函數(shù)的選擇至關(guān)重要,本文采用Morlet小波函數(shù)分析內(nèi)蒙古地區(qū)參考作物騰發(fā)量的周期變化,其表達(dá)式為:

φ(t)=eict·e-t2/2

(3)

式中t——復(fù)數(shù);c——常數(shù)。

對于離散型時(shí)間序列進(jìn)行Morlet小波變化,見式(4):

(4)

式中a、b——小波的周期長度和時(shí)間平移;Wf(a,b)——小波變化系數(shù)。

同時(shí)計(jì)算小波方差,確定參考作物騰發(fā)量變化的主周期,見式(5):

(5)

1.6 氣候區(qū)劃分

干燥度指數(shù)能夠綜合反映干濕氣候?qū)嶋H狀況。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)將干燥度指數(shù)指數(shù)定義為年平均降雨量與年平均潛在騰發(fā)量的比值。利用干燥度指數(shù)對內(nèi)蒙古50個(gè)氣象站點(diǎn)進(jìn)行氣候區(qū)劃分,將內(nèi)蒙古大致分為特干旱氣候區(qū)(UNEP≤0.08),干旱氣候區(qū)(0.08

2 結(jié)果

2.1 參考作物騰發(fā)量時(shí)空變化

內(nèi)蒙古ET0及其氣候傾斜率時(shí)空變化見圖2。由圖2a可知,在空間分布上,內(nèi)蒙古全區(qū)ET0為566～1 682 mm,ET0自西向東總體表現(xiàn)為減少的趨勢。其中,ET0高值區(qū)主要分布在巴彥淖爾盟的海力素、阿拉善盟的阿拉善右旗、額濟(jì)納旗、吉柯德和拐子胡附近,其平均ET0在1 402 mm以上,拐子胡的ET0值最大。低值區(qū)主要分布在呼倫貝爾地區(qū)的博客圖、額爾古納、小二溝,圖里河和興安盟的阿爾山附近,其平均ET0均小于678 mm,圖里河的平均ET0最小。內(nèi)蒙古ET0氣候傾向率空間分布由圖2b可知,ET0氣候傾斜率在-30～47 mm/10a。其中,包頭、集寧、達(dá)茂旗和寶國吐下降趨勢較大,其值在12 mm/10以上。上升趨勢較大的地區(qū)主要分布在錫林浩特、滿洲里、呼和浩特、海力素、拐子胡和吉柯德等地區(qū),其值在20 mm/10a以上?？臻g分布上整體表現(xiàn)為中西部地區(qū)和東南部地區(qū)呈下降趨勢,其余地區(qū)呈上升趨勢。內(nèi)蒙古ET0時(shí)間變化趨勢見圖2c,1959—2018年ET0平均值為1 018 mm,最大值為1 102 mm,出現(xiàn)年份為2017年。最小值為921 mm,出現(xiàn)年份為1959年。通過5 a滑動(dòng)平均ET0可知,ET0在1959—1981年一直處于緩慢上升趨勢,ET0由921 mm上升為1 014 mm,上升幅度為10%。1981—2001年,ET0先表現(xiàn)為下降趨勢后表現(xiàn)為上升趨勢,ET0值由1 014 mm下降為958 mm之后再次上升為1 060 mm,2001年之后變化較小。1959—2018年ET0氣候傾斜率平均值為4.2 mm/10a,整體表現(xiàn)為上升趨勢,且趨勢顯著(p<0.01)。由變異性分析可知,ET0在時(shí)間序列上表現(xiàn)為弱變異性,利用Mann-Kendall對ET0進(jìn)行突變檢驗(yàn),由圖2d可知,1959—1990年,UF曲線大于0,表明該時(shí)期ET0呈增加趨勢,1991—2006年UF曲線小于0,ET0呈減少趨勢,2006年之后呈增加趨勢。雖然UF曲線和UB曲線存在多個(gè)交點(diǎn),但是UF曲線的上升和下降趨勢并未超過顯著水平的臨界值,因此ET0不存在突變點(diǎn)。

2.2 內(nèi)蒙古ET0季節(jié)空間變化

內(nèi)蒙古不同季節(jié)ET0空間變化見圖3。其中春季ET0空間分布見圖3a,其值范圍為185～511 mm,平均值為332 mm,低值區(qū)分布在額爾古納、阿爾山和圖里河附近,高值區(qū)主要分布在吉柯德和拐子胡附近,春季ET0約占全年ET0的33%。夏季ET0空間范圍值為285 ～750 mm,平均值為457 mm,低值區(qū)主要分布在博客圖、圖里河和阿爾山附近,高值區(qū)分布與春季相似,夏季ET0約占全年ET0的45%(圖2b)。秋季ET0空間范圍值在82～348 mm,平均ET0為189 mm,低值區(qū)主要分布在呼倫貝爾的阿爾山、小二溝、額爾古納和圖里河附近,高值區(qū)分布與春季相似,秋季ET0約占全年ET0的18%(圖2c)。冬季ET0空間分布最大值為99 mm,最小值為7 mm,平均ET0為40 mm,低值區(qū)分布在海拉爾、圖里河、小二溝和額爾古納附近,高值區(qū)主要分布在阿拉善的阿拉善左旗、吉蘭太、拐子胡和阿拉善右旗,約占全年ET0的4%。在空間分布上,除冬季外,春、夏、秋季空間分布與年值分布相似,自西向東呈減少的趨勢。其次,春、夏、秋季為作物生長主要生育期,ET0所占比例較大,約占總ET0的96%。

a)春季

2.3 不同氣候區(qū)ET0變化

內(nèi)蒙古全區(qū)及不同氣候區(qū)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表1,特干旱氣候區(qū)ET0平均值最大(1 458 mm),濕潤半濕潤氣候區(qū)ET0平均值最小(636 mm)。隨著氣候區(qū)由特干旱氣候區(qū)到濕潤半濕潤氣候區(qū)轉(zhuǎn)變,ET0呈逐漸減少的變化趨勢。不同氣候區(qū)ET0變異系數(shù)均小于0.1,變異系數(shù)較小,呈弱變異性,極差均小于0.05,年際變化不強(qiáng)烈。1959—2018年內(nèi)蒙古不同氣候區(qū)年均ET0時(shí)間變化見圖4,特干旱氣候區(qū)ET0最大值出現(xiàn)在1987年,為1 562 mm,最小值出現(xiàn)在1996年,為1 332 mm。干旱氣候區(qū)ET0最大值為1 318 mm,出現(xiàn)年份為1972年,最小值為1 105 mm,出現(xiàn)年份為1964年。半干旱區(qū)最大值為1 074 mm,出現(xiàn)日期為2017年,最小值為906 mm,出現(xiàn)日期為1992年。干旱半濕潤氣候區(qū)ET0最大值為857 mm,出現(xiàn)年份為2017年,最小值為691 mm,出現(xiàn)年份為1960年。濕潤半濕潤氣候區(qū)ET0最大值和最小值分別為734、564 mm,出現(xiàn)年份分別為2007、1984年。在時(shí)間尺度上,各氣候區(qū)有較為相似的變化趨勢。

表1 內(nèi)蒙古不同氣候區(qū)參考騰發(fā)量基本統(tǒng)計(jì)參數(shù)

圖4 內(nèi)蒙古不同氣候區(qū)ET0時(shí)間變化特征

通過計(jì)算內(nèi)蒙古不同氣候區(qū)1959—2018年6個(gè)年代際的累計(jì)正負(fù)距平值及年數(shù),結(jié)果見表2,不同氣候區(qū)均在20世紀(jì)90年代末發(fā)生突變,1989—1998年累計(jì)距平值均為負(fù)值,負(fù)距平值年數(shù)為6～10 a。1999年以后至今各氣候區(qū)累計(jì)負(fù)距平再次轉(zhuǎn)為正距平值,正距平年數(shù)出現(xiàn)回升,為5～10 a。特干旱氣候區(qū)在1959—1969年為累計(jì)負(fù)距平,之后在1969—1988年轉(zhuǎn)為累計(jì)正距平值,在1989—1998年轉(zhuǎn)為負(fù)距平,正距平年數(shù)出現(xiàn)回落,之后再次轉(zhuǎn)為負(fù)距平。干旱氣候區(qū)、干旱半濕潤氣候區(qū)和濕潤半濕潤氣候區(qū)年代際變化表現(xiàn)較為相似,1999年之前,除干旱區(qū)外負(fù)距平累計(jì)值(64～368 mm)均大于正距平累計(jì)值,負(fù)距平出現(xiàn)年數(shù)為5～10 a,在此之后轉(zhuǎn)為累計(jì)正距平值。在1979年之前,半干旱氣候區(qū)累計(jì)距平均表現(xiàn)為正值(157～180 mm),正距平年數(shù)為5～7 a,在1979—1998年累計(jì)距平由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值,之后再次轉(zhuǎn)為正值,正距平年數(shù)為6～7 a。

表2 內(nèi)蒙古不同氣候區(qū)ET0年代際變化特征

2.4 年際ET0周期性變化

趨勢分析和突變檢驗(yàn)在時(shí)間尺度上很難看出ET0周期性變化,因此對ET0進(jìn)行小波分析變化見圖5,該圖清楚地表達(dá)了內(nèi)蒙古近60 a ET0在時(shí)間尺度上的周期變化趨勢特點(diǎn)。由圖可知,ET0周期性檢驗(yàn)結(jié)果明顯存在以59、24、14、7、4 a時(shí)間尺度的周期規(guī)律。其中在59 a時(shí)間尺度上少-多循環(huán)交替變化出現(xiàn)在1959—2018年;中心時(shí)間尺度為24 a的3次交替變化主要出現(xiàn)在1970—2018年;中心時(shí)間尺度為14 a的7次循環(huán)交替變化出現(xiàn)在1959—2018年;中心時(shí)間尺度為7、4 a時(shí)間尺度的循環(huán)交替較多,主要出現(xiàn)在1959—2018年。ET0小波方差圖表明在59、14、24 a周期峰值比較明顯,在7、4 a周期峰值較弱,其中在59 a處峰值最大,周期震蕩最強(qiáng)為第一主周期,14 a處為第二主周期,24 a處為第三主周期。這3個(gè)主周期控制著內(nèi)蒙古地區(qū)ET0近60 a的變化規(guī)律。

3 結(jié)論與討論

鄭磊等[21]和佟長福等[7]分別統(tǒng)計(jì)了內(nèi)蒙古不同時(shí)期氣象站點(diǎn)和不同氣候分區(qū)下的ET0,本文在此基礎(chǔ)上基于1959—2018年近60 a氣象資料分析了內(nèi)蒙古區(qū)域ET0年和季尺度時(shí)空變化特征;分析了不同氣候區(qū)的年代際變化規(guī)律;最后分析了ET0周期性變化。與現(xiàn)有研究相比,增加了ET0空間趨勢變化和周期變化,同時(shí)利用統(tǒng)計(jì)方法分析了不同氣候區(qū)ET0的年代際變化,對ET0趨勢變化描述更為準(zhǔn)確。通過與鄭磊等[21]相關(guān)研究進(jìn)行比較,ET0最大值和最小值極差為0.01～0.05,相差較小。由于統(tǒng)計(jì)時(shí)段不同,不同氣候區(qū)的ET0差值為-31～18 mm,保證了該研究計(jì)算結(jié)果的正確性。主要結(jié)論如下。

a)內(nèi)蒙古地區(qū)近60 a來ET0年平均值為1 018 mm,其范圍為566～1 682 mm,空間分布上自西向東表現(xiàn)為減少的分布趨勢,氣候傾斜率為4.22 mm/10a,整體呈顯著上升趨勢。

b)內(nèi)蒙古不同季節(jié)ET0從大到小依次為:夏、春、秋、冬季。春、夏、冬季等作物生長季的總ET0約占全年總值的95%,空間分布與年值相似。

c)隨著氣候區(qū)由特干旱氣候區(qū)向濕潤半濕潤氣候區(qū)移動(dòng),ET0呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢,各氣候區(qū)的變異系數(shù)較小(0.044～0.072),極值比小于0.30。特干旱氣候區(qū)年代際變化表現(xiàn)為累計(jì)距平值由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值再次正值,而干旱氣候區(qū)、干旱半濕潤氣候區(qū)和濕潤半濕潤氣候區(qū)時(shí)間變化相似,表現(xiàn)為負(fù)值到正值再到負(fù)值的變化,半干旱氣候區(qū)則表現(xiàn)為由正值到負(fù)值的變化趨勢。

d)小波分析法表明在內(nèi)蒙古ET0在實(shí)間尺度上存在多個(gè)周期性變化,其中,在59、14、24 a左右時(shí)間尺度上周期性最強(qiáng),在7、4 a時(shí)間尺度上周期性較弱。

在氣候變化背景下,內(nèi)蒙古增溫速率為0.38℃/10a,明顯高于全球變化趨勢[22-23],內(nèi)蒙古濕潤氣候區(qū)范圍較小,干旱區(qū)范圍較大,氣溫升高帶來的干旱風(fēng)險(xiǎn)將進(jìn)一步增大。由于空間降雨不均,導(dǎo)致ET0與干旱發(fā)生頻率不協(xié)調(diào),內(nèi)蒙古東部地區(qū)ET0少,干旱發(fā)生頻率高,西部地區(qū)ET0大,干旱頻率低,西部地區(qū)干旱整體呈減輕趨勢,東部地區(qū)干旱有加劇趨勢[24-25]。因此,在應(yīng)對氣候變化帶來的影響時(shí),應(yīng)當(dāng)注意內(nèi)蒙古地區(qū)間的差異,保證自然資源的合理利用。