54年來和田地區潛在蒸散量的變化特征及影響因素

胡雪瑛，武勝利，劉強吉，房 靚

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

54年來和田地區潛在蒸散量的變化特征及影響因素

胡雪瑛1，2，武勝利1，2，劉強吉1，2，房 靚1，2

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

為了在全球氣候變暖的背景下，探討和田地區干濕狀況的變化，為該區水資源的合理利用及保護脆弱的生態環境提供科學依據。應用Penman-Monteith模型計算潛在蒸散量，采用Mann-Kendall突變檢驗、小波分析等方法分析了潛在蒸散量的變化特征，結合相關性分析探討了氣候因子對其影響強度。結果表明：1960—2013年和田地區潛在蒸散量呈“增加—減小—增加”的變化趨勢，年際變化傾向率為-2.74 mm/a，總體上呈減小趨勢；四季潛在蒸散量表現出夏季＞春季＞秋季＞冬季，均呈減小趨勢，其中春季的減小趨勢最顯著；潛在蒸散量最大值出現在6月，最小值出現在12月；潛在蒸散量在1980年發生一次減少突變，并存在21年的第一主周期和12年的第二主周期；平均風速的減小和降水量的增加是導致潛在蒸散量減小的主要原因。

和田地區；潛在蒸散量；Penman-Monteith模型；氣候因子

氣候變暖已成為不爭的事實，隨著氣溫上升，全球及區域干濕狀況也將發生變化，進而對各地社會、經濟、農牧業產生深刻影響[1]。同時在干旱、半干旱區，水資源短缺、水庫和灌溉的潛在蒸發損失極大、洪澇或干旱災害也時有發生，嚴重威脅著作物的生長[2]。因此，氣候的干濕變化已經得到了越來越多的關注，尤其是西北地區的干濕狀況成為研究熱點。蒸散是水文循環過程中十分重要的環節，是影響一個地區水熱平衡的重要氣候因子和參數，在很大程度上影響氣候的干濕狀況[3]。潛在蒸散量，又稱參考作物蒸散量或最大可能蒸散量，是表征大氣蒸發能力的一個量度，它標志大氣中存在著一種控制充分濕潤下墊面蒸發過程的能力，通常是利用氣象要素計算得出[4]。Penman-Monteith法是聯合國糧食及農業組織（FAO）推薦計算潛在蒸散量的唯一標準方法，該方法有較充分的理論依據，所計算的潛在蒸散量僅受制于當地氣候條件，與作物種類、土壤類型等無關，是目前公認的無論在干旱還是濕潤地區計算潛在蒸散量精度都較高的方法之一[5-6]。

近年來，利用Penman-Monteith模型作為研究氣候干濕狀況的工具得到了廣泛的應用。黃會平等[7]研究表明1957—2012年中國各分區潛在蒸散量均呈減小趨勢，西北諸河區減小趨勢最顯著；王瓊等[8]研究發現1961—2011年長江流域潛在蒸散量呈減小趨勢，年際變化傾向率為-0.34 mm/a，且夏季的減小趨勢最顯著；王允等[9]研究得到近50 a中國西南地區有變干趨勢，且各年代變干幅度大于變濕幅度；而黃小燕等[10]研究得到近50 a中國西北地區有變濕趨勢，潛在蒸散量明顯減小；普宗朝等[11]研究表明新疆烏昌地區1961—2009年潛在蒸散量呈減小趨勢、干濕指數呈增大趨勢，氣候總體上有較明顯的變濕特征；謝姆斯葉·艾尼瓦爾等[12]研究認為塔里木盆地有暖濕化的趨勢，其南、北緣潛在蒸散量均在波動中減小，南緣遞減速度比北緣快。應用Penman-Monteith模型來分析區域干濕狀況的變化規律，對評價氣候干旱程度，估算農作物需水量，提高水資源利用效率，保護生態環境等具有十分重要的現實意義[13-14]。

和田地區深居內陸，遠離海洋、氣候干旱、沙漠廣布、自然條件十分惡劣、生態環境極為脆弱、水資源非常短缺、是典型的少、邊、窮地區[15]。目前對和田地區氣候變化的研究比較多，但針對潛在蒸散量的研究很少，因此本文探討氣候變化背景下潛在蒸散量的變化特征及影響因素，既可以揭示中高緯度西風帶控制下干旱區潛在蒸散量的變化規律，也可以為該區水資源合理開發與利用以及生態環境保護提供科學依據。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

和田地區位于新疆維吾爾自治區南端，東部與巴音郭楞蒙古自治州毗連，西部連喀什地區，南越昆侖山抵藏北高原，北部深入塔克拉瑪干腹地，與阿克蘇地區相鄰。西部、北部的帕米爾高原、天山阻擋了西伯利亞的冷空氣，南部的昆侖山、喀喇昆侖山阻隔了來自印度洋的暖濕氣流，形成夏季炎熱、冬季寒冷、降水稀少、蒸發強烈的極端干旱荒漠氣候。農業用地基本集中在僅有的一些綠洲區域，發源于昆侖山、喀喇昆侖山的各大小河流縱穿綠洲是灌溉農田的唯一水源[16]。

1.2 數據基礎與方法

本文數據來自國家氣象地面基準站，選取和田地區5個氣象站1960—2013年逐日氣象數據（平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數、平均風速、相對濕度），其中安德河站的氣象數據是從1960—1988年。計算出各站點的日潛在蒸散量，然后進行月、季、年潛在蒸散量的統計。其中，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月至翌年2月為冬季。

1.3 研究方法

本文采用世界糧農組織（FAO）1998年修正的Penman-Monteith模型來計算潛在蒸散量，見計算公式（1）—（2）[17-18]。

式中：ET0為潛在蒸散量（mm/d）；Rn為凈輻射[MJ/（m2·d）]；G為土壤熱通量[MJ/（m2·d）]；γ為干濕常數（k Pa/℃）；Δ為飽和水汽壓曲線斜率（k Pa/℃）；U2為2 m高處的風速（m/s）；es為平均飽和水汽壓（kPa）；ea為實際水汽壓（k Pa）；T為平均氣溫（℃）。

式中：Ra為大氣頂層的太陽輻射[MJ/（m2·d）]；a為地表反射度，取值0.23；Q為波爾茲曼常數4.903×10-9MJ/（K4·m2·d）；N為最大日照時數（h）；n為實際日照時數（h）；Tmax為最高絕對氣溫（K）；Tmin為最低絕對氣溫（K）；as為云全部遮蓋下（n=0）大氣外界輻射到達地面的分量；bs為晴天（n=N）大氣外界輻射到達地面的分量。as，bs采用祝昌漢[19]推薦的適合于西北干旱區的系數，分別取值0.225，0.525。

運用一元線性回歸法對年、季潛在蒸散量進行趨勢分析；采用Mann-Kendall突變檢驗法和Morlet小波分析法對年潛在蒸散量進行突變檢驗和周期分析；結合SPSS相關分析探討影響潛在蒸散量的氣候因子。

2 結果與分析

2.1 潛在蒸散量的年代際、年際變化

由表1可知，和田地區潛在蒸散量年代際變化趨勢明顯，20世紀70年代潛在蒸散量最高，達到912.8 mm，90年代最低，為671.4 mm。60，70年代及2000—2013年潛在蒸散量為正距平，分別比多年均值高54.4，86.1，0.6 mm；80，90年代為負距平，分別比多年均值低33，155.3 mm。季節潛在蒸散量變化與年潛在蒸散量變化基本一致，均表現為60，70年代和2000年以后偏高，80，90年代偏低，呈“多—少—多”的變化特點。其中，60年代春季的增加趨勢最明顯，70—80年代夏季的減小趨勢最明顯，90年代之后夏季又轉為明顯的增加趨勢。

由圖1可知，1960—2013年和田地區平均年潛在蒸散量為817.8 mm，1970年達到最高值，為996.3 mm，1996年達到最低值，為627.6 mm，極差為368.7 mm。年潛在蒸散量以-2.74 mm/a的速率呈明顯的減小趨勢，減小速率低于塔里木盆地（-2.9 mm/a）[20]；但高于西北地區（-1.2 mm/a）[7]。5 a滑動曲線顯示，和田地區年潛在蒸散量1960—1969年呈上升趨勢，1970—1992呈持續明顯下降趨勢，1993—2013年又呈明顯上升趨勢。分析發現，各站點潛在蒸散量有較明顯的空間分異，年潛在蒸散量表現出安德河＞和田＞民豐＞皮山＞于田，分別為1 008.4 mm，911.1 mm，819.4 mm，755.2 mm，731.9 mm。

表1 和田地區年及季節潛在蒸散量的年代際變化 mm

圖1 和田地區潛在蒸散量年際變化趨勢

2.2 潛在蒸散量的季節變化

由圖2可知，1960—2013年，和田地區春、夏、秋、冬四季平均潛在蒸散量分別為283.4 mm，351.3 mm，136.9 mm和46.0 mm，是夏季＞春季＞秋季＞冬季。且四季均呈減小趨勢，變化速率分別為-1.05 mm/a，-0.81 mm/a，-0.71 mm/a，-0.17 mm/a，春季減小幅度最大，冬季最小?？梢姡瑢δ隄撛谡羯⒘康臏p小來說，春季的貢獻最大，冬季最小。5 a滑動曲線顯示，四季潛在蒸散量在1970年左右達到高值，在1995年左右達到低值，均呈“增加—減小—增加”的變化趨勢。

2.3 潛在蒸散量的月變化

由圖3A可知，全區平均月潛在蒸散量為11.0～129.8 mm，呈現單峰型，最大值出現在6月，為129.8 mm，最小值出現在12月，為11.0 mm，1—6月潛在蒸散量持續上升，7月以后不斷下降，在12月達到最小。各月潛在蒸散量均呈減小趨勢，減小速率為0.04～0.43 mm/a，4月的減小速率最大，12月最小。各氣象站的逐月變化趨勢與全區平均基本一致（圖3B），安德河略有差異，在5月、7月均為較大，呈雙峰型，月最高潛在蒸散量表現為安德河＞和田＞民豐＞皮山＞于田。

2.4 潛在蒸散量的突變分析

圖4A中UF代表年潛在蒸散量的順序統計曲線，UB為年潛在蒸散量的逆序列統計曲線，并給定顯著性水平，當α=0.05，即臨界值為±1.96。由圖4A可以看出，曲線UF和UB在1980年相交，且交點在兩條臨界線之間，同時圖4B顯示，對應的累積距平曲線也在1980年存在明顯的拐點，且從1980年開始表現為明顯的下降趨勢。說明潛在蒸散量時序數據在1980年發生了一次減少突變，即潛在蒸散量由偏高時期進入偏低時期，此次突變具體表現為：全區1960—1980年的年均潛在蒸散量為897.27 mm，1981—2013年的年均潛在蒸散量為767.15 mm，后者比前者減少了130.12 mm。分析發現，春季潛在蒸散量在1981年發生突變，夏季為1977年，秋季為1982年，冬季為1980年。

2.5 潛在蒸散量的周期分析

通過對年潛在蒸散量進行Morlet小波變換，得到小波系數實部等值線圖（圖5A），圖中實線表示取正值的小波系數等值線，代表潛在蒸散偏高的時期，虛線表示小波系數取負值的等值線，代表潛在蒸散量偏低的時期，黑粗實線表示小波系數取零值的等值線，代表潛在蒸散量發生急劇變化的時期。從圖5A可以看出，潛在蒸散量存在7 a、12 a左右的周期變化外，還存在著21 a左右的長周期變化。其中，12 a和21 a左右的周期變化貫穿于54 a當中，而7 a左右的周期變化只存在于60年代至80年代。小波系數符號表現為正負交替震蕩過程，表明潛在蒸散量在1960—2013年經歷了偏低、偏高的循環交替過程，特別是80，90年代以偏低期為主，與潛在蒸散量的年代際變化結果相符。

為了確定一個對潛在蒸散量變化規律最有影響力的時間尺度，需要通過小波方差來鑒定，根據小波方差曲線圖（圖5B），在32 a以內時間尺度上，潛在蒸散量表現出兩個明顯的波峰，分別是在12 a和21 a的時間尺度上，小波方差在時間尺度為21 a的時候取得了最大值，表明潛在蒸散量在21 a的振蕩周期最強烈，為時序變化的第一主周期，第二主周期為12 a。

圖2 和田地區四季潛在蒸散量變化趨勢

圖3 全區及各站點潛在蒸散量月變化

圖4 潛在蒸散量的Mann-Kendall突變檢驗及累積距平

2.6 潛在蒸散量變化的成因

潛在蒸散量受多種氣候因子的綜合影響，如氣溫、降水、風速、日照時數、相對濕度等。由于影響因素眾多，且氣候因子的變化趨勢各不相同，所以潛在蒸散量的變化成因十分復雜。為了探討和田地區潛在蒸散量變化的成因，選取平均風速代表動力因子，平均氣溫、日照時數代表熱力因子，相對濕度、降水量代表濕度因子，探討潛在蒸散量與以上5個氣候因子的關系，以探究影響其變化的主導因素。從表2看出，季節潛在蒸散量、年潛在蒸散量與各氣候因子的相關性基本一致，即平均風速、平均氣溫、日照時數與潛在蒸散量呈正相關，這些氣候因子的增加會導致潛在蒸散量的增加，而相對濕度、降水量與潛在蒸散量呈負相關，這些氣候因子的增加會導致潛在蒸散量的減少。

圖5 和田地區1960-2013年潛在蒸散量的Morlet小波系數實部等值線及方差變化

表2 和田地區年及季節潛在蒸散量與氣候因子相關性分析

從氣候因子變化趨勢來看（圖6），1960—2013年平均風速以-2.74 m/（s·a）的速率呈下降趨勢，且與潛在蒸散量的年際變化基本一致，都表現為60年代呈上升趨勢，70年代至90年代中期呈下降趨勢，之后又呈上升趨勢，且二者在α=0.01水平上呈顯著正相關，相關系數為0.96，說明平均風速的減小是影響潛在蒸散量減小的重要原因。眾多研究表明[21-22]，風速是影響潛在蒸散量變化的主導因素；近54 a來氣溫以0.04℃/a的速率呈明顯的上升趨勢，尤其是90年代中期以后呈加速上升之勢，氣溫與潛在蒸散量無顯著相關；近54 a來日照時數以0.01 h/a的速率呈上升趨勢，也在90年代中期以后呈加速上升之勢，日照時數與潛在蒸散量無顯著相關；1960—2013年平均相對濕度呈下降趨勢，但變化趨勢不明顯，相對濕度與潛在蒸散量在α=0.01水平上顯著負相關，相關系數為-0.47；近54 a來降水量以0.27 mm/a的速率呈明顯上升趨勢，且80年代中期至2013年間的降水量明顯高于80年代中期以前，降水量與潛在蒸散量在α=0.05的水平上顯著負相關，相關系數為-0.34。

圖6 潛在蒸散量與各氣候因子之間的關系

綜上所述，雖然近54 a和田地區平均氣溫和日照時數呈上升趨勢，但由于平均風速的減小，降水量的增加，受其綜合影響54 a來潛在蒸散量總體呈減小趨勢。自20世紀90年代中期以后雖然降水量呈上升趨勢，但平均風速、平均氣溫和日照時數也都呈明顯的上升趨勢，這是導致和田地區潛在蒸散量于90年代中期后由持續減少轉為增多的根本原因。

3 結論與討論

（1）和田地區潛在蒸散量在20世紀60，70年代偏高，80年代以來偏低，90年代達到最低，2000年以后明顯回升。年潛在蒸散量在1960—2013年總體呈減小趨勢，減小速率為2.74 mm/a，最大值出現在1970年，比多年均值高178.5 mm，最小值出現在1996年，比多年均值低190.2 mm。

（2）四季潛在蒸散量春夏較大、秋冬較小，均呈減小趨勢，減小速率分別為-1.05 mm/a，-0.81 mm/a，-0.71 mm/a，-0.17 mm/a。年內潛在蒸散量最大值出現在6月，最小值出現在12月，各月潛在蒸散量均呈減小趨勢，4月變化速率最大，12月最小。

（3）年潛在蒸散量在1980年發生了一次減少突變，春季潛在蒸散量在1981年發生突變，夏季為1977年，秋季為1982年，冬季為1980年。潛在蒸散量在21 a的振蕩周期最強烈，為時序變化的第一主周期，第二主周期為12 a。

（4）潛在蒸散量的變化是風速、氣溫、日照時數、降水量等綜合作用的結果，平均風速的減小和降水量的增加是造成和田地區潛在蒸散量減小的主要原因，90年代中期以后，平均風速、平均氣溫和日照時數的增加，使和田地區潛在蒸散量由持續減少轉為增多。

（5）近54 a在潛在蒸散量下降的同時，溫度以0.04℃/a的速率上升，降水量以0.27 mm/a的速率增加，可以認定1960—2013年和田地區氣候有暖濕化的特征，氣候暖濕化對改善和田地區脆弱的生態環境、增加植被覆蓋度、促進農業生產及經濟發展都將產生積極的作用。

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Variation Characteristics and Influence Factors of Potential Evapotranspiration in Hotan Region in Recent 54 Years

HU Xueying1，2，WU Shengli1，2，LIU Qiangji1，2，FANG Liang1，2
（1.College of Geographical Science and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi830054，China；2.Xinjiang Key Laboratory of Lake Environment and Resources，Xinjiang Normal University，Urumqi830054，China）

The paper aims to explore the change of dry-wet conditions in Hotan region under the background of the global warming，so as to provide the scientific reference for the effective use of water resources and protect the fragile ecological environment.Based on the daily meteorological data from 1960 to 2013 provided by 5 meteorological stations in Hotan region，the Penman-Monteith model was used to calculate potential evapotranspiration，and the variations of potential evapotranspiration were analyzed by the methods of Mann-Kendall abrupt test，Morlet wavelet function and so on，and the correlation analysis was used to discuss the dominant factor affecting the potential evapotranspiration.The results indicated that the variation trends of annual potential evapotranspiration was‘increase—decrease—increase’from 1960s，there was a decreasing trend in general because the changing rate varied at-2.74 mm/year.Seasonal potential evapotranspiration decreased in the order：summer＞spring＞autumn＞winter，and decreased in each seasons especially in spring.The maximum value of potential evapotranspiration was observed in June，the minimum value was found in December.Change of potential evapotranspiration had the 12-year and 21-year periods，and the abrupt change happened in 1980.The decrease of wind speeds and a significant increase of precipitation in Hotan region in recent 54 years were the dominating factors leading to the decrease of potential evapotranspiration.

Hotan region；potential evapotranspiration；Penman-Monteith model；climatic factors

S161.4

A

1005-3409（2017）01-0145-06

2016-05-06

2016-06-17

國家自然科學基金項目“艾比湖流域拋物線沙丘形成與演變研究”（41161004）；國家自然科學基金委員會—新疆維吾爾自治區人民政府聯合基金重點項目“新疆博斯騰湖環境演變及對氣候變化的響應”（U1138302）；新疆干旱區湖泊與資源重點實驗室基金項目“500年來博斯騰湖流域怪柳沙堆年層沉積及其環境記錄”（XJDX0909-2012-03）

胡雪瑛（1992—），女，新疆吉木薩爾縣人，碩士研究生，研究方向為干旱區環境演變與災害防治。E-mail：519288698＠qq.com

武勝利（1977—），男，河南西平縣人，教授，博士，主要從事干旱區環境演變與災害防治研究。E-mail：wushengli77＠126.com