天山北坡潛在蒸發量時空分布特征

劉 琳, 張正勇, 顏 巧

(石河子大學 理學院, 新疆 石河子 832000)

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天山北坡潛在蒸發量時空分布特征

劉 琳, 張正勇, 顏 巧

(石河子大學 理學院, 新疆 石河子 832000)

利用研究區10個氣象站1960—2010年的逐日氣象資料，采用FAO Penmarr Monteith模型計算研究區潛在蒸發量，運用氣候傾向率和統計學原理分析了研究區潛在蒸發量的時間變化趨勢，并在ArcGIS環境下通過Spline插值法分析了潛在蒸發量變化的空間分異，最后運用多元回歸分析法對影響潛在蒸發量變化的主導因素進行了探討，結果表明：近50年研究區年潛在蒸發量總體呈增加趨勢，其年際變化傾向率為1.291 mm/10 a；年潛在蒸發量自20世紀60年代逐漸減少，80年代減少到最低，90年代以后逐漸增加，且增加幅度較大；從季節來看，夏季的潛在蒸發量呈減小的趨勢，其他季節呈增加的趨勢，其中秋季的增加幅度最大(1.635 mm/10 a)；空間分布來看，東、西部地區潛在蒸發量低于中部地區；最低氣溫和平均風速是影響研究區潛在蒸發量變化的主要因素。

潛在蒸發量; 時空分異; 天山北坡; Penman-Monteith 模型

潛在蒸散(發)是指充分供水條件下的區域蒸散發能力，是實際蒸散量的理論上限，通常也是計算實際蒸散量的基礎，廣泛應用于氣候干濕狀況分析、水資源合理利用和評價、農業作物需水和生產管理、生態環境(如荒漠化)等研究中。在我國開展的全國水資源綜合評價中，潛在蒸散量是水資源評價關注的主要內容之一[1-4]。近50年來全球平均氣溫呈顯著升高趨勢，但目前研究結果表明，自20世紀50年代至21世紀初全球潛在蒸發量普遍減少，這種預期值與觀測值的相悖現象，Michael等[5]稱之為“蒸發悖論”(pan evaporation paradox)。“蒸發悖論”在印度、委內瑞拉以及我國不少區域都得到了驗證[6-10]。近年，一些學者就新疆及天山山區的氣候變化特征進行了許多研究，劉波[11]、張明軍[12]、胡偉[13]、霍文[14]等也曾對新疆及天山山區的潛在蒸發量進行了分析，其中張明軍等[12]認為近50年來該區域潛在蒸發量總體上呈減小趨勢，除秋季外其他季節亦為減小趨勢，風速是影響潛在蒸發量變化的主導因素。天山北坡經濟帶是新疆社會經濟和農業發展的重點區域，但缺少對天山北坡潛在蒸發量的時空分異研究。

天山北坡系天山山脈中段博格達山、依連哈比尕山和婆羅克努山分水嶺以北的區域，是一個大幅度、多層次而有規律的典型的“山盆系統”。其區域生態環境特點是立體型結構，山地、綠洲、荒漠共同構成了天山北坡相互依存和相互作用的完整生態系統，而維護這個生態系統的相對穩定，對于維護綠洲的生態平衡和實現社會經濟的可持續發展具有不可估量的作用。所以，分析天山北坡潛在蒸發量的時空變化特征，是研究天山北坡氣候、水文循環和人類活動之間相互作用規律的基礎，可以為正確制定天山北坡區域發展戰略，保護和治理天山北坡生態環境提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據基礎

以天山北坡1960—2010年10個氣象站的逐日氣象資料(平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時數、平均相對濕度、平均風速、氣壓)為基礎數據，數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.nmic.cn/)。

1.2 研究方法

計算潛在蒸發量的模型包括：Penman模型、Thornthwaite模型、Selianinov模型等[15-17]。本研究應用模擬效果比較精確的經世界糧農組織(FAO)1998年修正的Penman-Monteith模型計算研究區潛在蒸發量。分別計算出各氣象站的日潛在蒸發量，計算公式如下[11]：

(1)

式中：ET0——潛在蒸發量(mm/d)；Rn——凈輻射[MJ/(m2·d)]；G——土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；γ——干濕常數(kPa/℃)；U2——2 m高處的風速(m/s)；es——平均飽和水汽壓(kPa)；ea——實際水汽壓(kPa)；T——平均氣溫(℃)。

(2)

式中：Rn——大氣頂層的太陽輻射[MJ/(m2·d)]；N——最大日照時數(h)；n——實際日照時數(h)；Q——波爾茲曼常數(4.903×10-9MJ/(K4·m2·d)]；Tmax,k——最高絕對氣溫(K)；Tmin,k——最低絕對氣溫(K)；as——云全部遮蓋下(n=0)大氣外界輻射到達地面的分量；bs——晴天(n=N)大氣外界輻射到達地面的分量；a——地表反射度，取值0.23。據侯光良等[18]對中國多年實測輻射數據的經驗回歸系數，研究區的as，bs分別取值0.207，0.725。

G=0.14(Ti-Ti-1)

(3)

式中：Ti——第i月的平均氣溫；Ti-1——第i-1月的平均氣溫。

(4)

(5)

λ=2.501-0.002631T

(6)

式中：P——大氣壓(kPa)；CP——標準大氣壓下的特定熱量值；λ——蒸發的潛熱系數；ξ——水蒸氣和干空氣的分子重量比，取值0.622；h——海拔高度(m)；T——平均氣溫(℃)。

(7)

平均飽和水汽壓(es)的計算公式如下：

(8)

(9)

(10)

式中：e0(Tmax)——氣溫為Tmax時的飽和水汽壓(kPa)；e0(Tmin)——氣溫為Tmin時的飽和水汽壓(kPa)；Tmax——最高絕對氣溫(℃)；Tmin——最低絕對氣溫(℃)。

實際水汽壓的計算公式如下：

(11)

式中：Rh——相對濕度。

那么，什么是“危機意識”呢？ 在此，就必須與徐復觀先生所提出的“憂患意識”進行對比分析。 所謂“憂患意識”，首先，它不是來源于對人所無法解決的末日的恐怖與對神的拯救的祈求，而是通過現實的人的行為去尋求解決當前困境或即將發生的困境的思路，以一種預見或假設的方式為其規劃自己尚未實行的實際行為以求得對困境的解決。 正因為有著現實存在的社會憂患，身為當事者的人才會對此進行一種反應，并在不斷的預設中發現自身行為對結果所產生的影響。 從而產生出對自身行為及行為所能夠引發的結果的重視，即責任感。[5]85-89

(12)

式中：Gsc——太陽常數，取值0.082 MJ/(m2·min)；dr——日地距離訂正；ωs——日落時角(弧度)；φ——緯度(弧度)；δ——太陽高度角(弧度)。

(13)

基于公式(1)—(13)計算逐日潛在蒸發量數據，進行月、季、年潛在蒸發量的統計，并進行氣候傾向率的時空分布特征分析。季節的劃分采用氣象季節，即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—2月為冬季。接著基于ArcGIS的spline插值法進行空間分布特征分析；最后采用回歸分析法進行研究區潛在蒸發量變化原因分析。

2 結果與分析

天山北坡多年平均年潛在蒸發量為813～1 291 mm，溫泉地區潛在蒸發量最低，為813～983 mm；阿拉山口、克拉瑪依、烏蘇地區潛在蒸發量最高，為1 095～1 288 mm；石河子、烏魯木齊、達阪城、奇臺地區的潛在蒸發量為983～1 095 mm。總體上，潛在蒸發量與海拔呈負相關，研究區東部、西部潛在蒸發量低于中部地區，季潛在蒸發量與年潛在蒸發量的空間分布基本一致，春季多年平均潛在蒸發量為193～303 mm，夏季為397～575 mm，秋季為175～270 mm，冬季為39～73 mm，分別占年潛在蒸發量的24%，50%，21%，5%。

2.1 時間變化特征

2.1.1 年代際變化 天山北坡年潛在蒸發量在各年代變化不同(表1、圖1)，1960s，1970s，1980s，1990s和2000—2010年分別與多年平均年潛在蒸發量相差7，3，-18，-13，18 mm，表明年潛在蒸發量自1960s逐漸減少，1980s減少到最低，1990s以后逐漸增加，且增加幅度較大。季潛在蒸發量變化與年潛在蒸發量變化略有不同，春季、夏季的潛在蒸發量變化與年潛在蒸發量的變化基本一致，秋季的潛在蒸發量自1960s以來一直偏低，1990s以后才逐漸偏高。冬季的潛在蒸發量則呈現在多年年平均潛在蒸發量附近平穩波動的狀態。

表1 研究區年及季節潛在蒸發量的年代際變化 mm

2.1.2 年際變化 近51年來研究區潛在蒸發量呈現略微上升的趨勢(圖1)，年際氣候傾向率為1.291 mm/10 a，51 a共增加6.584 1 mm，相對變化量為1.2%。年潛在蒸發量在1960—1962年呈現上升趨勢，1962—1982年基本穩定，1982—1993年波動下降，1993—1997年波動上升，1993—2010年基本穩定。從季節來看，春季、夏季、秋季、冬季潛在蒸發量的氣候傾向率分別為0.912，-1.881，1.635，0.625 mm/10 a。表明夏季的年均潛在蒸發量呈減小趨勢，且趨勢較顯著；春季、秋季、冬季的年均潛在蒸發量呈增加趨勢，增加趨勢不顯著。

圖1 天山北坡1960-2010年年、季節潛在蒸發量的年際變化趨勢

除春季與年潛在蒸發量的變化趨勢一致外，其他季節與年變化趨勢有所不同，夏季在1960—1962年上升，增幅達50 mm/a，1962—1972年波動下降，1972—1974年又上升，增幅為30 mm/a，1974—1993年波動下降，且在1993年降到夏季年際變化最小值。1993—2010年，略有增加，基本穩定。秋季呈波動增加，波動的最小值出現在1992年。冬季呈波動小幅增加趨勢，在1963年出現波動的最大值，在1984年出現波動的最小值。研究區四季和年潛在蒸發量氣候傾向率均表現出較為明顯的變化趨勢，變化的強烈程度依次為夏季>秋季>春季>冬季，說明天山北坡在全球變暖背景下夏季和秋季潛在蒸發量變化更敏感。

2.2 空間變化特征

2.2.2 年際空間變化 研究區年潛在蒸發量的年際變化在絕大部分地區呈增加趨勢(圖3)，其中石河子、阿拉山口、達阪城、蔡家湖等地區的增加幅度較大，增幅在0.07～0.32 mm/a。就季節而言，春季的年際變化呈增加趨勢，其中阿拉山口以南部分地區、蔡家湖以北地區、克拉瑪依、烏蘇、石河子大部分地區增加幅度最大，增幅在0.11～0.24 mm/a；溫泉以東地區、烏魯木齊及其周圍地區呈減小趨勢，減幅為0.08～0.27 mm/a。夏季的年際變化在絕大部分區域呈減小趨勢，減幅在0.08～0.27 mm/a，其中烏魯木齊的減小幅度最大。秋季的年際變化呈增加趨勢，增加幅度為0～0.19 mm/a，其中克拉瑪依以北、石河子以東、蔡家湖以北、奇臺大部地區增加幅度較大，增幅為0.19～0.32 mm/a。冬季的年際變化在絕大部分地區呈增加趨勢，但增加幅度不大，增幅為0～0.15 mm/a，而精河、蔡家湖呈減小趨勢，減幅為0～0.22 mm/a。總體來說，阿拉山口、達阪城、石河子地區季、年的潛在蒸發量年際變化趨勢均表現為增加趨勢；其他地區季、年的潛在蒸發量年際變化表現為增加或減少的趨勢。

圖2 天山山區的年潛在蒸發量距平空間分布

2.3 變化成因分析

潛在蒸散過程主要受能量供給條件和水汽輸送條件兩方面物理因素的影響。蒸散的能量供給條件主要源于太陽凈輻射，受日照時數及氣溫等影響；水汽輸送條件取決于飽和差及風速的大小。

為了探討研究區潛在蒸發量變化的原因，分別對7個常規氣象因子(日照百分率、平均溫度、最高氣溫、最低氣溫、平均風速、相對濕度、氣壓)進行了標準化處理，并采用多元回歸分析法來研究潛在蒸發量與氣象因子之間的相關性，進而確定影響其變化的主導因素。從潛在蒸發量與氣候因子的偏回歸系數看(表2)，日照百分率、最高氣溫、最低氣溫、均溫、平均風速與潛在蒸發量正相關，而相對濕度、氣壓與潛在蒸發量負相關。不同氣候因子對潛在蒸發量的影響程度不同，對春季潛在蒸發量影響較大的因素是日照百分率、最低氣溫和平均風速。夏季是相對濕度、氣壓和平均風速。秋季是最低氣溫、日照百分率和平均風速。冬季是最低風速、平均風速和日照百分率。全年是最低氣溫、平均風速和相對濕度。

圖3 天山北坡1960-2010年潛在蒸發量傾向率空間分布

從研究區近年各氣候因子的變化趨勢來看(表3)，不同氣候因子的變化趨勢及其顯著程度有所不同，進而對潛在蒸發量的影響也不同。春季，日照百分率、最低氣溫和平均風速的增加趨勢較顯著，導致潛在蒸發量增大，表明日照百分率和最低氣溫是造成春季潛在蒸發量增加的主要原因；夏季，日照百分率和最高氣溫均為減小趨勢，導致潛在蒸發量在夏季表現為遞減趨勢；秋季，最低氣溫、日照百分率和平均風速的增加趨勢最顯著，導致潛在蒸發量明顯遞增，表明最低氣溫和日照百分率是造成秋季潛在蒸發量增加的主要原因；冬季，最低氣溫、平均風速和日照百分率的增加趨勢顯著，導致潛在蒸發量增大，可見最低氣溫和平均風速是造成冬季潛在蒸發量增加的主要原因；全年，最低氣溫、平均風速和相對濕度是導致潛在蒸發量增加的主要原因。總體來看，最低氣溫和平均風速是影響天山北坡潛在蒸發量的主要因素，另外，日照百分率和相對濕度對其變化影響也較大。

3 討論與結論

3.1 討 論

“蒸發悖論”在國外以及我國不少區域都得到了驗證，即研究區潛在蒸發量在全球變暖的背景下總體呈現下降趨勢。在國內外大部分研究區潛在蒸發量總體呈現下降趨勢的背景下，也有學者發現在研究區的少數區域季、年潛在蒸發量的變化中出現上升或下降幅度減小的趨勢。

表2 天山北坡潛在蒸發量與氣候因子的多元回歸系數

注：*，**分別表示通過0.05，0.001的置信度檢驗。

表3 天山北坡氣候因子的年及季節變化率

Peterson等[19]研究，在北半球蒸發皿觀測的蒸發量在過去幾十年中的減少趨勢具有普遍性，但也有一些地區例外。李林等[20]對黃河流域蒸散量進行了分析，結果表明黃河流域上游地區蒸散量以31.25 mm/a 的速度上升；高歌等[2]對1956—2000年中國潛在蒸發量變化趨勢進行研究，在總體呈下降趨勢的情況下，北方松花江流域四季潛在蒸散量均呈現增加的趨勢，導致年潛在蒸散量也呈現增加趨勢。張明軍等[12]對中國天山山區的潛在蒸發量進行了分析，得出天山地區年潛在蒸發量的年際變化在絕大部分地區呈減小趨勢，但在七角井地區除外。而本文關于天山北坡近51年潛在蒸發量總體呈上升趨勢的結論與“蒸發悖論”相反，由于在對影響潛在蒸發量氣候因子的分析中，各區域的氣候因子在時空上的差異，且選取的動力因子、熱力因子、濕度因子根據區域的氣候特征而有所不同。所以，不同氣候因子在區域間對潛在蒸發量的影響程度也有所差異。賀晉云等[21]提出新疆近50年來氣溫呈上升趨勢，平均增長率為0.27℃/10 a，最低氣溫上升明顯。袁玉江等[22]對天山山區近40年秋季氣候變化特征中指出：秋季最低溫度增溫率在3大區域的大小對比而言，天山山區最大，北疆居中，南疆最小。而秋季平均溫度的增溫率，北疆和天山山區大致相近。從同一區域看，天山山區和北疆秋季最低溫度的增溫率均大于平均溫度的增溫率。所以，最低氣溫成為影響天山北坡潛在蒸發量的主導因素也是有據可循的。所以，天山北坡近年潛在蒸發量總體上呈增加趨勢，該結論有其存在的合理性及現實意義，需對這一區域導致潛在蒸發量增加的原因進行更深入分析。

3.2 結 論

(1) 研究區多年平均年潛在蒸發量為813～1 291 mm，且東、西部地區低于中部地區；近50年研究區年潛在蒸發量總體呈增加趨勢，其年際變化傾向率為1.291 mm/10 a；在不同的季節，潛在蒸發量的年際變化在空間上存在區域差異。

(2) 近50年研究區的年代際潛在蒸發量的距平值分別為：7，3，-18，-13，18 mm，表明年潛在蒸發量自1960s逐漸減少，1980s減少到最低，1990s以后逐漸增加，且增加幅度較大。在不同年代，潛在蒸發量變化存在一定的空間分異。

(3) 最低氣溫和平均風速是影響天山北坡潛在蒸發量的主要因素，日照百分率和相對濕度對其變化影響也較大。

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Spatiotemporal Changes of Potential Evaporation of the Northern Slope in Tianshan Mountains

LIU Lin, ZHANG Zhengyong, YAN Qiao

(CollegeofGeographyScience,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832000,China)

Based on the daily data of 10 meteorological stations from 1960 to 2010, potential evapotranspiration was calculated using the Penman-Monteith Method recommended by FAO. The time changing trend of potential evaporation on the northern slope of Tianshan Mountains was analyzed. Using the method of spline under ArcGIS, the spatial distribution of potential evaporation was drawn in order to research regional difference. And the multivariate regression method was used to examine the dominant factor influencing potential evaporation. The results indicated that there was an increasing trend in general because the changing rate of annual potential evaporation varied at 1.291 mm/10 a; Annual potential evaporation declined since the 1960s, reached to the minimum in 1980s, gradually increased in later part of 1990s and the increase was significant; The potential evaporation decreased in summer, however, increased in other seasons especially in autumn (1.635 mm/10 a). The minimum temperature and average wind speed are the main factors affecting the potential evaporation on northern slope of Tianshan Mountains.

potential evaporation; spatiotemporal pattern; the northern slope of the Tianshan Mountains; Penman-Monteith model

2014-11-04

2014-12-15

國家自然科學基金(41461086,41361025);校級團隊創新項目子課題(2011ZRKXTD-05)

劉琳(1981—),女,湖南衡陽人,副教授,碩士,主要從事GIS及其應用研究。E-mail:liulin779@163.com

張正勇(1978—),男,甘肅景泰人,副教授,在讀博士,主要從事氣候變化與環境資源研究。E-mail:zyz0815@163.com

P426.2

1005-3409(2015)05-0306-06