新疆1961-2013年參考作物蒸散量時空變異

董 煜, 胡江玲, 王瑾杰, 陳學剛

(1.新疆師范大學 新疆干旱區湖泊環境與資源重點實驗室, 烏魯木齊830054; 2.新疆師范大學地理科學與旅游學院, 烏魯木齊830054; 3.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046)

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新疆1961-2013年參考作物蒸散量時空變異

董 煜1,2, 胡江玲1,2, 王瑾杰3, 陳學剛1,2

(1.新疆師范大學 新疆干旱區湖泊環境與資源重點實驗室, 烏魯木齊830054; 2.新疆師范大學地理科學與旅游學院, 烏魯木齊830054; 3.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046)

準確評估參考作物蒸散量的變化規律對新疆農業生產及水資源合理利用具有重要作用，采用Penman-Monteith公式以及55個氣象站的逐日氣象資料，計算了新疆1961—2013年參考作物蒸散量并分析其時空變化特征，運用多元回歸分析法對影響參考作物蒸散量變化的主導氣象因素進行了定量分析。結果表明：新疆ET0總體呈下降趨勢，年際變化率為-1.01 mm/a。在20世紀80年代之前ET0偏高，90年代減少到最大，2000年以來又逐漸增大。從季節來看，夏季、秋季的ET0與年ET0的減小趨勢一致，春季冬季ET0的減少趨勢不明顯。在不同年代際時間尺度，新疆全年及季節ET0的年際變化在空間上存在一定的分異。風速是全年及夏、秋季ET0變化的主導因素，而溫度是春季及冬季新疆區域蒸發量變化的主導因素。

參考作物蒸散量; Penman-Monteith公式; 時空變異; 新疆

參考作物蒸散(ET0)作為重要的農業和水文變量，在實際蒸散[1]、農業水資源利用[2-3]、相關的水文模擬[4]、生態系統過程建模[5]及評價區域干濕狀況[6-7]等方面是一個重要的計算因子，越來越受到各界關注。許多學者利用Penman-Monteith公式對中國不同區域參考作物蒸散量時空變化的研究表明，參考作物蒸散量空間差異十分明顯，過去數十年中國的參考作物蒸散量總體呈下降趨勢，但各地的變化及其成因具有區域性差異。而這些變化與溫度、日照時數、風速及相對濕度等氣候因子有密切的關系[8-9]。李志[10]分析了黃土高原ET0的空間變化和時間趨勢，提出ET0變化濕度和溫度是最重要的影響因素。蔡輝藝等[11]分析了淮河流域ET0對氣象因子的敏感性，提出淮河流域年參考蒸散發總量呈下降趨勢，造成這種變化的主要原因是太陽輻射量的減少和風速的降低。在華北平原參考蒸散發量呈下降主要受日照時數、相對濕度、溫度日較差和風速的綜合影響[12]。在干旱區半干旱區的西北地區，ET0的變化主要歸因于風速和氣溫[13]。因此，綜合分析不同地區的氣候要素對參考蒸散的影響，是指導合理利用水資源的重要前提。

新疆深居中緯度歐亞大陸腹地，遠離海洋，降水稀少，蒸發強烈，氣候干燥，水資源短缺是影響新疆生態安全和國民經濟持續穩定發展的主要制約因素。在新疆氣候由暖干向暖濕變化的背景下[14]，已有相關文獻對新疆蒸發皿及參考作物蒸散量的時間空間分布進行了研究。研究表明：新疆自20世紀60年代至2005年，年蒸發皿表現為明顯的下降趨勢，氣溫日較差、風速、低云量和降水是蒸發皿變化的主要原因[15]；新疆全年參考作物蒸散量呈減少趨勢，空間分布總體為南疆大于北疆、東部大于西部、盆(谷)地大于山區，氣溫上升、日照時數減少、風速減小、相對濕度增大是參考作物蒸散量減少的原因[16-18]，缺少對參考蒸散量的年代際、季節的時間尺度研究及氣候變化對參考作物蒸散量影響的定量分析。因此，本文用更新氣象數據分析新疆區域ET0的變化，基于新疆55個氣象站點的1961—2013年日氣象數據，采用FAO推薦的P-M公式計算新疆ET0，分析年際和季節變化特征，研究不同時間尺度時空變異規律，并采用多元線性回歸方法定量分析氣候變化對參考作物蒸散量的影響，以期能為該區的農業生產和水資源科學管理等提供參考依據。

1　數據與方法

1.1數據來源與處理

基于新疆的55個氣象站點(圖1)的實測氣象數據計算ET0。數據來源于中國氣象共享網(http:∥cdc.cma gov cn/)，為1961—2013年日序列的平均、最高和最低溫度(℃)、2 m高度的相對濕度(%)、10 m高度的風速(m/s)、日照時數(h)、氣壓(hPa)。根據聯合國糧農組織推薦的風廓線關系，10 m高度的風速被轉化為2 m高度的相應數值。少數缺失數據使用同站點其他年份的均值代替。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月—次年2月為冬季。

1.2參考作物蒸散量估算

參考作物蒸散量是指在一定氣象條件下水分供應不受限制時，陸面可能達到的最大蒸散發量。本文采用聯合國糧農組織推薦的Penman-Monteith公式計算各站的參考作物蒸散發量[19]，其中參考下墊面為植被高度0.12 m的草地，具有固定的表面阻力70 s/m，反照率為0.23。

(1)

式中：ET0——參考作物蒸散量(mm/d)；Rn——凈輻射[MJ/(m2·d)]；G——土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；γ——濕度計常數(kPa/℃)；U2——2 m處的風速(m/s)；es——計算溫度時的飽和水汽壓(kPa)；ea——計算溫度時的實際水汽壓(kPa)；Δ——飽和水汽壓溫度曲線上的斜率(kPa/℃)。凈輻射為太陽短波輻射與地面長波輻射之和，其中太陽輻射可按下式估算：

(2)

式中：Rs——太陽輻射(W/m2)；Ra為大氣頂層的太陽輻射；a，b——參數，as=0.23，bs=0.75；n——日照時數(h)；N——理論最大日照時數(h)。

圖1新疆氣象站點分布

1.3多元回歸分析方法

采用多元回歸分析方法對氣候因子對ET0變化的影響進行分析[20]，并研究各氣候因子對ET0變化相對貢獻率大小。各氣候因子進行標準化處理后，對標準化后的數據序列進行回歸分析，得到標準化序列的回歸方程，按照下式計算各氣候因子對ET0變化的貢獻率：

YET=aX1+bX2+cX3+dX4+…

(3)

(4)

式中：YET——ET0的標準化值；X1，X2，X3，…——氣候因子的標準化值；a，b，c，d，…——序列標準化后回歸系數；g1——X變化對Y變化的相對貢獻率。

2　結果與分析

2.1新疆年均及季節參考作物蒸散量的時空分析

1961—2013年新疆區域平均年ET0為1 165 mm。其中，春季為354.7 mm，夏季為556.2 mm，秋季為204.6 mm，冬季為49.6 mm，分別占全年的30.4%，47.7%，17.6%，4.3%。說明春、夏兩季ET0是一年中最多的，約占到全年的78.1%。新疆地區的年ET0的年際變化率為-10.1 mm/10 a，表明在全球變暖背景下，該區的ET0總體上呈明顯減小趨勢(R=0.386 2>R0.01,53=0.347 6，回歸顯著水平超過0.01)。從季節來看，春季的ET0的年際變化率為-1.216 mm/10 a，總體上春季ET0變化趨勢不明顯(R=0.105 8<0.226 2=R0.1,53，回歸顯著水平不到0.1)。夏季的ET0年際變化率為-6.42 mm/10 a，呈明顯減少趨勢(R=0.493 3>0.347 6=R0.01,53)。秋季的ET0年際變化率為-2.33 mm/10 a，呈明顯減少趨勢(R=0.396 1>0.347 6=R0.01,53)。冬季的ET0年際變化率為0.161 mm/10 a，變化趨勢不明顯(R=0.051 9<0.226 2=R0.1,53，回歸顯著水平不到0.1)。總體上，夏季、秋季的ET0與年ET0減小趨勢一致。

新疆ET0年分布具有明顯的空間分異特征。如圖2所示，塔里木盆地中部，奇臺、吐魯番、鐵干里克、若羌一線、哈密地區、克拉瑪依烏蘇地區的減小幅度較大，減幅為8～5 mm/a，其他地區如天山山區的減小幅度為0～3 mm/a，吐哈盆地的十三間房地區、皮山、民豐地區、準噶爾盆地東部呈增加趨勢，增加幅度為0～6 mm/a，整體而言，新疆南疆地區的減幅超過北疆，平原的減幅超過山區。就季節而言，夏季與秋季的ET0年際變化區域與全年的變化區域基本一致，其中塔里木盆地中部，奇臺、吐魯番、鐵干里克、若羌一線、哈密地區、克拉瑪依烏蘇地區的減小幅度相對較大，減幅為0.7～1.5 mm/a，其他地區如天山山區的幅度為0～3 mm/a，吐哈盆地的十三間房地區、皮山、民豐地區、準噶爾盆地東部呈增加趨勢，增加幅度為0.2～2.5 mm/a。春季與冬季的ET0總體變化不明顯，其變化趨勢微弱，少有明顯的增幅與減幅區域。冬季大部分區域呈微弱增加趨勢，增加幅度為0～0.35 mm/a，而塔里木盆地中部，哈密地區東部、天山山區中東部、精河綠洲、昆侖山區西部等地，減少幅度為0～0.2 mm/a。春季區域塔里木盆地中部、哈密地區東部、精河綠洲、奇臺、吐魯番、鐵干里克、若羌一線區域、莎車綠洲等地，減少幅度為0.3～0.8 mm/a。其余地區處于微弱增加趨勢，只有吐哈盆地的十三間房地區增加幅度達到1.4 mm/a。

圖2新疆參考作物蒸散量年及季節的變化率空間分布

2.2參考作物蒸散量的年代際空間變化分析

20世紀60年代，新疆區域年參考作物蒸散量變化差別明顯(圖3)，其中新疆塔克拉瑪干沙漠中部、新疆東南部、西北部平原區域增幅較大，增幅幅度為120～200 mm，天山山區、昆侖山區降幅為10～50 mm，此外，吐哈盆地的中部則存在一個降幅中心，減幅為50～180 mm。70年代，新疆東南部、皮山縣、民豐縣及吐哈盆地中部蒸發降幅明顯，平均為50～180 mm，東北部降幅為10～50 mm。其余地區增幅明顯，尤其是天山山區為10～100 mm，而哈巴河、克拉瑪依、烏蘇、呼圖壁、烏魯木齊一線的平原地區、塔克拉瑪干沙漠中部，增加幅度為150～200 mm，部分地區超過200 mm，增幅大于其他地區。80年代，新疆北部及天山山區年ET0高于多年平均，其平均增幅為50～200 mm，而吐哈盆地中部、塔克拉瑪干沙漠中部及昆侖山脈ET0低于多年平均，平均減幅為50～180 mm，其中在南疆西部喀什綠洲的減幅為10～50 mm，巴楚綠洲增幅大于200 mm。90年代，大部分地區的ET0高于多年平均,其中北疆地區增幅明顯高于南疆地區。新疆的東南部減幅為10～180 mm，北疆的平均增幅10～200 mm、南疆塔克拉瑪干沙漠的減小幅度為0～50 mm，而天山山區、阿爾泰山高于多年平均150～200 mm。2000—2013年，新疆絕大部分地區的年ET0低于多年平均，只有東部的吐哈盆地增幅為10～200 mm，其中十三間房地區增幅超過200 mm。南疆塔克拉瑪干沙漠減幅為50～-180 mm，天山山區、阿爾泰山、昆侖山區減幅為10～180 mm，北疆克拉瑪依、烏蘇、阿拉山口減幅為100～180 mm。

表1　ET0的年代際變化　mm

3　參考作物蒸散量變化的原因分析

ET0受各種因素綜合影響，主要有氣溫、風速、日照時數、相對濕度、飽和水汽壓等氣象要素。由于影響ET0變化的因素眾多，不同因素之間也相互影響，ET0的變化成因復雜。為研究新疆ET0變化的成因，選取6個氣象因子(風速代表動力因子，平均氣溫、日較差、日照時數代表熱力因子，相對濕度、降水代表濕度因子)，采用多元回歸分析方法來研究ET0與影響因子之間的相關性，以及影響其變化的主導因素。

圖320世紀60，70，80，90年代及2000-2013年的年參考作物蒸散量距平空間分布

如表2所示，不同氣候因子對ET0的影響程度不同，對年ET0影響較大的是平均溫度、風速、日照時數、日較差、相對濕度、降雨；對春季ET0影響較大的因素是平均溫度、風速、日照時數、日較差、相對濕度；夏季是風速、平均氣溫和相對濕度；秋季是風速、平均氣溫和相對濕度；冬季是平均溫度、風速和相對濕度。

表2　年及季節ET0與氣象因子的多元回歸系數及相對貢獻率

注：*，**，***分別表示通過0.1，0.05，0.01的置信度檢驗。

因為不同氣象因子的變化趨勢及其顯著程度有所不同，進而對ET0變化的影響程度具有差異性。通過氣象因子與ET0的相對貢獻率的計算，53 a中，全疆全年風速對ET0具有最高的相對貢獻率，溫度也具有較高的相對貢獻率。春季與冬季，平均溫度對ET0具有最高的相對貢獻率，風速具有較高的相對貢獻率。夏季與秋季，風速對ET0具有最高的相對貢獻率，而平均溫度具有較高的相對貢獻率。總體來看，風速是全年及夏季、秋季ET0變化的主導因素，溫度是春季及冬季新疆區域ET0變化的主導因素。

4　結 論

新疆的ET0變化趨勢存在較明顯的季節差異，夏季ET0變化最大，是ET0年變化的主要貢獻者。各季節ET0量的空間分布與年ET0的空間分布基本一致。在年代際時間尺度上，新疆全年及季節的ET0在90年代是減少最明顯的階段，在不同年代際時間尺度，新疆全年及季節ET0的年際變化在空間上存在一定的空間分異。風速是全年及夏季秋季ET0變化的主導因素，而溫度是春季及冬季新疆區域ET0變化的主導因素。其他因素對ET0的變化起增強或減弱作用。

本文主要研究了新疆區域ET0的年代際及季節的時空分布規律并定量研究各氣候因子對參考作物蒸散量變化的貢獻，對認識氣候變化對新疆水資源的影響具有現實意義。但由于新疆面積廣闊，氣象站點稀疏，特別是高海拔山區、沙漠盆地腹地鮮有站點，且這部分所占面積較大，直接影響了對高山區氣候及沙漠腹地的蒸散發變化的認識。研究高海拔山區及沙漠腹地的蒸散發變化規律及探究合理的空間插值方法，對在氣候變化下區域的參考作物蒸散量的變化具有幫助作用。在水資源受到限制條件下的干旱區研究氣候因子對蒸散發變化的貢獻，可為氣候變化下的干旱區流域水資源規劃和管理提供重要的科學參考。

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Study of Temporal and Spatial Variation of the Reference Crop Evapotranspiration in Xinjiang Uygur Autonomous Region During the Period from 1961 to 2013

DONG Yu1,2, HU Jiangling1,2, WANG Jinjie3, CHEN Xuegang1,2

(1.KeyLaboratoryofLakeEnvironmentandResourcesinAridZone,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China; 2.InstituteofGeographicScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China; 3.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China)

Study on characteristics of the spatial and temporal variation of reference crop evapotranspiration (ET0) is a very important for hydrology and agriculture in Xinjiang Uygur Autonomous Region. Based on the meteorological data of 55 stations in Xinjiang during the period from 1961 to 2013, the annual and seasonal reference crop evapotranspiration was calculated using the Penman-Monteith model and the tempo-spatial change characteristics was analyzed. The multiple regression analysis was used to quantitatively analyse the dominant factor affecting the reference crop evapotranspiration. The results indicated that annual ET0presented the decreasing tendency, the tendency rate of annual ET0was -1.01 mm/a. ET0was higher before 1980s than after 1980s, and experienced the process from the decrease during 1990s, while it showed an increasing tendency since 2000. The decreasing tendency of ET0in summer and autumn was quite similar to that of annual ET0, the decreasing tendency of ET0was not obvious in spring and winter. There was the marked geographical difference in ET0in different seasons. The wind speed and temperature were the dominant factors influencing ET0. The wind speed is main reason for the annual, summer and autumn variations of the ET0, temperature plays the major part in spring and winter variations of the ET0.

reference crop evapotranspiration; Penman-Monteith equation; temporal-spatial variability; Xinjiang Uygur Autonomous Region

2015-05-28

2015-06-10

國家自然科學基金(41161029,41461033);新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室基金(XJDX0909-2012-08,XJDX0909-2010-04)

董煜(1970—),男,河南長垣縣人,博士研究生,研究方向為干旱區水資源與環境研究。E-mail:dongyuxj@126.com

S161.4

A

1005-3409(2016)03-0304-05