云南省參考作物蒸發蒸騰量時空變化特征

韓煥豪，崔遠來，王樹鵬，黃 英，王 杰，張 雷(.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 43007；. 云南省水利水電科學研究院，昆明 6508)

0 引 言

參考作物蒸發蒸騰量(ET0)對于作物蒸發蒸騰的計算、灌區灌溉規劃管理、水循環規律研究等方面具有重要的意義。目前計算ET0的方法很多，其中以能量平衡法應用最為廣泛。根據能量平衡法研究得到的ET0公式有多種，被運用最多的是Penman-Monteith公式。

由于全球氣候變暖，大部分地區ET0呈下降趨勢[1]。在中國，受多種因素影響，ET0時空差異明顯，總體呈下降趨勢[2]。倪廣恒等[3]用GIS反距離空間插值法分析了中國200多個氣象站25 a的逐日ET0時空變化特性，表明干旱、半干旱和半濕潤地區ET0呈減少趨勢，濕潤地區則相對穩定。李祿[4]等運用統計檢驗法分析了太子河流域ET0的演變特征，認為太子河流域ET0呈緩慢下降趨勢。馬顯瑩[5]等采用Mann-Kendall方法對云南省4個氣象站的ET0進行年內年際變化特征分析，表明ET0隨海拔的增加而降低，隨緯度的增加而增加。張劉東[6]等分析昆明市近60 aET0與降水情況后得出，受氣候因素影響，自2009年以來昆明地區干旱特征顯著。

云南省地處我國西南邊陲，山多地少，立體氣候突出，區域差異較大，ET0的時空變化特征比較復雜，分析ET0的時空變化特征，有助于了解云南需水的分布與演變規律。本文利用云南省25個氣象臺站1960-2012年逐日氣象資料計算ET0，并在此基礎上用Mann-Kendall檢驗法(以下簡稱M-K檢驗)分析了其時空變化特性。

1 數據與方法

1.1 數 據

氣象數據來自于云南省25個氣象站，時間序列為1960-2012年，主要包括逐日最低氣溫和最高氣溫、相對濕度、降水量、風速和日照時數，此外有各站點的經緯度和海拔數據。

1.2 方 法

1.2.1ET0計算

采用FAO Penman-Monteith[7]公式計算ET0。

(1)

式中：ET0為參考作物蒸發蒸騰量，mm/d；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率，kPa/℃；Rn為作物冠層表面的凈輻射，MJ/(m2·d) ；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)，在逐日估算時取G=0；T為日平均氣溫，℃，按最高氣溫(Tmax)和最低氣溫(Tmin)的算術平均值計算；u2為2 m高度處的風速，m/s；ea為飽和水汽壓，kPa；ed為實際水汽壓，kPa；γ為干濕表常數，kPa /℃。

1.2.2Mann-Kendall檢驗法

采用Mann-Kendal檢驗對ET0的序列進行趨勢分析和突變分析。Mann-Kendall檢驗法是時間趨勢序列分析中被世界氣象組織推薦且已廣泛使用的非參數檢驗方法，被廣泛應用于分析降水、氣溫和水質等要素時間序列的趨勢變化。M-K檢驗法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾[8]，適用于分析實際中的非正態分布問題。在進行突變分析時還可以明確突變開始的時間，并指出突變區域[9]。

Mann-Kendal檢驗法原理如下[10]：

(1)非參數Mann-Kendall趨勢檢驗。

首先定義檢驗統計量S：

(2)

式中：sign()為符號函數，當小于、等于或是大于0時，sign(Xi-Xj)的值分別為-1、0和1；S為正態分布，均值為0。

M-K統計量S大于、等于或小于0時分別為：

(3)

其中，Z為正值表示增加趨勢，為負值時表示減少趨勢。Z的絕對值在大于等于1.28、1.64和2.32時表示分別通過了置信度90%、95%和99%顯著性檢驗。

(2)非參數Mann-Kendall突變檢驗。

構造序列Sk：

(4)

其中，αij=1,Xi>Xj

0,Xi≤Xj，1≤j≤i。

定義統計變量：

(5)

式中：E(Sk)=k(k+1)/4；Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72。

UFk為標準正態分布，給定顯著水平α，查正態分布表得到臨界值Uα，當|UFk|>Uα時，表明序列存在一個明顯的增長或減少趨勢，所有UFk將組成一條曲線l1，通過信度檢驗可知其是否具有趨勢。把此方法引用到逆序列中重復上述計算過程，使計算值乘以-1，得到UBk，UBk即為另一條曲線l2。分析繪出UFk和UBk曲線圖，若UFk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢；當它們超過信度線時，即表示存在明顯的上升或下降趨勢；若UFk和UBk的交點位于信度線之間，則此點就是突變開始的時刻。

2 結果及分析

2.1 ET0時間變化特征

根據氣候、地理及種植分區等因素將云南省分為滇中、滇東北、滇東南、滇西南及滇西北5個分區。由每個分區中各氣象站1960-2012年ET0年值，求平均值得到各分區近53 a來ET0的年均值(見圖1)。可知各分區多年平均ET0為872.5～1 240.0 mm，最大值為943.0～1 343.3 mm，最小值為817.7～1 114.5 mm。除極個別年份，5個區的年均ET0按從大到小排列的順序是滇中>滇西南>滇東北>滇東南>滇西北。其中滇中、滇西南地區年均ET0呈先減小后增加趨勢，滇東北和滇西北地區年均ET0變化較小，滇東南地區年均ET0呈不斷減小趨勢。

圖1 不同地區ET0年際變化

通過M-K突變檢驗得到統計量U的順序、逆序變化曲線UF和UB，取顯著水平0.05得到兩條臨界線y=±1.96，在臨界值之間UB和UF曲線的交點即為突變點。UF>0，表示序列呈上升趨勢；UF<0表明呈下降趨勢，UF>1.96或UF<-1.96，表示上升或下降趨勢明顯。

如圖2(a)所示為滇中地區ET0長系列年M-K突變檢驗結果，可知滇中地區年均ET0于1982年發生突變。1960-1982年UF值為0.50，1960-1990年UF值為-1.58，1960-2002年UF值為-4.43，1960-2012年UF值為-2.31，即M-K突變檢驗分別呈不顯著增加趨勢、不顯著減小趨勢、顯著減小趨勢和顯著減小趨勢，亦即ET0在時間序列上分別呈不顯著增加趨勢、不顯著減小趨勢、顯著減小趨勢和顯著減小的趨勢。2003-2012年UF值隨時間的增加呈增加的趨勢，顯著性隨時間的增加而減小。

圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)和圖2(e)分別為滇東北、滇東南、滇西南和滇西北ET0長系列的M-K檢驗結果，對其按照滇中地區分析方法進行分析統計，結果見表1。

表2為在年尺度上和季節尺度上平均ET0的M-K趨勢檢驗結果，對結果進行統計顯示在年尺度上40%的站點沒有顯著性變化，36%的站點顯著增加，24%的站點顯著減小。

圖2 不同地區平均ET0的Mann-Kendall檢驗

表1 不同地區平均ET0的Mann-Kendall檢驗結果

表2 季節和年均ET0 Mann-Kendall 趨勢檢驗

注：*表示通過0.05的顯著性檢驗。

在季節尺度上，春季76%的站點沒有顯著性變化，24%的站點顯著減小；夏季64%的站點沒有顯著性變化，24%的站點顯著增加，12%的站點顯著減小；秋季76%的站點沒有顯著性變化，20%的站點顯著增加，4%的站點顯著減小；冬季64%的站點沒有顯著性變化，24%的站點顯著增加，12%的站點顯著減小。總體表現為以沒有顯著變化為主，顯著增大的站點的數量要大于顯著減小的站點的數量。

把各站點4個季節ET0M-K趨勢檢驗結果分別和全年的進行對比發現，春季各站點的ET0變化趨勢和全年的相關性最高，全省25個站點中有22個站點的春季ET0變化趨勢和全年的是一致的，表明云南省春季蒸發蒸騰量較大，決定了全年蒸發蒸騰量的分布變化特征。

2.2 ET0空間變化特征

不同時間尺度Z值空間分布如圖3、圖4所示。

圖3 年尺度ET0變化

圖4 不同季節ET0空間變化

在年尺度上，ET0顯著增加趨勢的站點主要位于滇西南和滇西北地區，少部分位于滇中地區的東部和滇東北地區的西南部；ET0顯著減小趨勢的站點主要位于滇中地區，少部分位于滇東北和滇西南地區；滇東南地區、滇中地區和滇西南交接地區以及位于橫斷山脈的貢山沒有顯著變化的趨勢。

在季節尺度上，春季ET0無顯著增加站點，不顯著增加的站點主要位于滇西南和滇西北地區，部分位于滇中和滇東北地區；不顯著減小的站點主要位于滇中地區及滇西南和滇東南地區靠近滇中的區域；顯著減小的站點多靠近干熱河谷地帶，滇東北和滇東南部分站點也表現為顯著減小的趨勢。

夏季ET0顯著增加的站點主要位于滇西南和滇西北地區，部分站點位于滇東北地區；不顯著增加的站點分布于滇西南地區；不顯著減小的站點多分布于滇中地區以及滇西南和滇東南靠近滇中的區域；顯著減少的站點位于滇中的干熱河谷及滇東北和滇東南地區。

秋季ET0顯著增加的站點位于滇西南和滇東北；不顯著增加的站點分布于滇西南的東北部、滇西北、滇東北及滇西南地區；不顯著減小的站點位于滇中地區，滇西南、滇西北和滇東南零星分布；顯著減小的站點位于滇中地區。

冬季ET0顯著增加的站點位于滇西南、滇西北和滇中地區；不顯著增加的站點位于滇西北西北部、滇西南北部、滇東北西南部、滇東南西南部及滇中大部分地區；不顯著減小的站點位于滇中的西北部、滇東北及滇西南東部地區；顯著減小得站點位于滇中和滇西南靠近干熱河谷地區。

3 結 語

利用云南省25個氣象站1960-2012年的逐日氣象資料計算參考作物蒸發蒸騰量，分析云南省參考作物蒸發蒸騰量時空分布規律得，到得到以下結論。

(1)滇中、滇東北、滇東南、滇西南及滇西北5個分區多年平均ET0為872.5～1 240.0 mm，最大值為943.0～1 343.3 mm，最小值為817.7～1 114.5 mm。

(2)M-K突變分析顯示滇中平均ET0于1982年發生突變，滇東北于1968年和2008年的發生突變，滇東南于1971年發生突變，滇西南于2005年發生突變，滇西北于1965年和2001年發生突變；M-K趨勢分析顯示在年尺度上以沒有顯著變化為主，顯著增大的站點的數量要大于顯著減小的站點的數量。在季節尺度上，春季蒸發蒸騰量較大，決定了全年蒸發蒸騰量的分布變化特征。

(3)ET0呈增加趨勢的站點主要位于滇西南和滇西北地區，少部分位于滇中地區的東部和滇東北地區的西南部；呈減小趨勢的站點主要位于滇中地區，少部分位于滇東北和滇西南地區。

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