阿勒泰地區不同時間尺度參考作物蒸散量的時空變化及影響*

康麗娟，巴特爾·巴克，羅那那，薛亞榮，王孟輝

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阿勒泰地區不同時間尺度參考作物蒸散量的時空變化及影響*

康麗娟，巴特爾·巴克**，羅那那，薛亞榮，王孟輝

（新疆農業大學草業與環境科學學院，烏魯木齊 830052）

基于阿勒泰地區7個氣象站1961?2016年逐日氣象數據和聯合國糧農組織推薦的Penman-Monteith公式，估算該區域近56a參考作物蒸散量（ET0），利用氣候傾向率和反距離加權插值法分析ET0及主要氣象因子的時空變化特征，并采用相關系數和多元回歸分析相結合的方法對不同尺度ET0變化成因進行分析。結果表明：阿勒泰地區年平均ET0為928.46mm，其氣候傾向率為?10.90mm·10a?1（P＜0.01）。季節ET0平均值由大到小依次為夏季、春季、秋季和冬季，夏季、秋季ET0呈極顯著降低趨勢（P＜0.01），冬季ET0呈顯著增加趨勢（P＜0.05）。6?7月ET0最大，1月和12月ET0最小，年內變化呈拋物線形。總體來看，各時間尺度ET0空間分布特征基本一致，且呈現中西部地區ET0顯著減少趨勢，年ET0減少是夏季ET0減少所致。各尺度ET0變化主要貢獻因子不一，但平均風速的極顯著降低對ET0減少的影響最大。

參考作物蒸散量；時空變化；貢獻率；氣候變化；阿勒泰地區

參考作物蒸散量（reference crop evapotranspirati on，ET0）可表征大氣蒸散能力，是各種作物需水量估算的基礎參數，是評價某一地區氣候干濕程度、植被耗水量、生產潛力以及水資源供需平衡的重要指標之一[1-3]，是農業生產中實現合理調配水土資源及緩解水資源虧缺的重要參考。FAO[4]推薦了基于氣象要素的Penman-Monteith公式計算ET0，成為公認的干旱和濕潤氣候區運用效果最好的方法而被廣泛使用[5-7]。近年來，有關氣候變化對參考作物蒸散量影響的研究受到學術界越來越廣泛的關注[8-17]，研究表明，不同研究區域得到的ET0變化趨勢有所差異，且ET0變化與主要氣象因子關系密切，由于氣象因子在不同地域的變化趨勢不同，所以對不同地域ET0變化的影響程度也不盡相同。因此，研究不同尺度地域ET0變化特征及主要氣象因子對ET0變化的影響程度具有重要意義。

阿勒泰地區地處亞洲大陸腹地，屬中溫帶大陸性氣候區，是西風帶天氣影響中國的上游門戶，是新疆維吾爾自治區重要的畜牧業和種植業基地，ET0不僅對當地農業水資源供需平衡有影響，而且對天然草場干旱、天然林的分布及生長等自然生態系統均有重要影響。目前對北疆地區年尺度ET0時空變化特征研究較多，本研究基于氣象因子和FAO推薦的P-M公式，研究阿勒泰地區不同時間尺度ET0的時空變化及主要影響因素，估算和分析作物需水量，以期為農業合理灌溉提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

氣象數據由新疆維吾爾自治區氣象局和中國氣象局國家信息中心提供，選取研究區7個氣象站點1961? 2016年逐日氣象資料，包括平均氣溫、降水量、日照時數、平均風速、相對濕度，數據經過嚴格的質量檢驗，對缺測、漏測數據利用5d滑動平均法進行插補。

1.2 研究方法

1.2.1 參考作物蒸散量計算

將各站點逐日氣象資料代入FAO推薦的P-M方程[18]，計算日參考作物蒸散量（ET0，mm），其中土壤熱通量（G）取值為0，到達地面的凈輻射（Rn）值參照有關公式計算得到；逐日ET0累加計算得到月、四季以及年尺度的ET0值序列。

1.2.2 趨勢檢驗

采用最小二乘法計算氣候要素以及不同時間尺度ET0值的變化趨勢[19]，以一元線性回歸方程回歸系數的10倍作為氣候要素傾向率。

1.2.3 氣象因子對ET0貢獻率

利用SPSS軟件的描述統計對各氣象因子進行標準化處理，采用多元回歸法分析各氣象因子對ET0變化的影響，并探討其相對貢獻率的大小[20]。計算方法為

式中，YET為參考作物蒸散量的標準化值，X1、X2、X3、…、Xn分別為氣候因子的標準化值，a1、a2、a3、…、an為氣候因子序列標準化后對應的回歸系數，g1為某因子（X1）變化對YET變化的相對貢獻率。

1.2.4 數據統計分析及空間插值

所有數據統計分析均在Excel中進行，SPSS 進行相關性分析，數值差異顯著性采用 ANOVA 進行分析，P＜0.05、P＜0.01時認為分別存在顯著性、極顯著性差異。采用Arcgis10.2運用反距離加權法對阿勒泰地區年參考作物蒸散量及氣候傾向率進行空間插值，分析其空間變化的差異性。

2 結果與分析

2.1 年尺度參考作物蒸散量的時空變化和影響

2.1.1 年ET0變化

將7個站點歷年ET0值平均，得到研究區近56a內ET0年值系列，結果見圖1。由圖可見，整體上看，阿勒泰地區年ET0在846.28～1056.70mm，多年平均值為928.46mm；1983年以前數值偏大，以正距平為主，1983年以后以負距平居多，整個研究期呈極顯著下降趨勢，氣候傾向率為?10.90mm·10a?1（P＜0.01）。

圖1 1961?2016年阿勒泰地區參考作物蒸散量年值變化

采用反距離加權法對7個站點ET0多年平均值及氣候傾向率進行空間插值，結果見圖2。由圖2a可見，1961?2016年阿勒泰地區年ET0在799.86～1006.74mm，其空間分布總體呈現西部高、東部低，南部高、北部低的特征，東部的青河和富蘊兩縣ET0較低，為799.86～895.50mm，中部的布爾津縣和阿勒泰市895.51～938.46mm，西部吉木乃和哈巴河縣為938.47～976.49mm，靠近準噶爾盆地腹地的福?？hET0較高，在976.50～1006.74mm。

由圖2b可見，近56a來，阿勒泰地區中西部各站點（吉木乃、布爾津、哈巴河和阿勒泰4縣市）年ET0呈極顯著下降趨勢，阿勒泰市ET0下降速率最大，為2.45mm·10a?1，而其它3站的線性變化趨勢不顯著。

圖2 1961?2016年阿勒泰地區年參考作物蒸散量（a）及其氣候傾向率（b）的空間分布

2.1.2 氣象因子變化

將7個站點歷年平均氣溫、降水量、日照時數、相對濕度和風速值平均，得到整個研究區年值系列，結果見圖3。由圖可見，阿勒泰地區平均氣溫和降水量（圖3a）氣候傾向率分別為0.4℃·10a?1和23.5mm·10a?1，均呈極顯著上升趨勢（P＜0.01）；日照時數和相對濕度（圖3b）變化趨勢則不顯著；平均風速（圖3c）氣候傾向率為?0.2m·s?1·10a?1（P＜0.01），呈極顯著下降趨勢。

采用反距離加權法對7個站點各氣象因子的多年平均值進行空間插值，結果見圖4。由圖4a可見，1961?2016年阿勒泰地區年均溫在1.0～5.0℃，其空間分布總體呈現西、北高，東、南低的特征，這與ET0空間分布趨勢基本一致，東部的青河和富蘊兩縣年均溫較低，為1.0～3.5℃，中部的布爾津縣和阿勒泰市以及西部的吉木乃和哈巴河縣年均溫較高，在4.3～5.0℃，阿勒泰市年均溫呈顯著上升趨勢，其它站點均呈現出極顯著的上升趨勢。由圖4b可見，1961?2016年阿勒泰地區降水量在123.7～197.1mm，其空間分布總體呈現中南部低，西部高的特征，南部福海縣和中部布爾津縣降水量較少，西部的吉木乃和哈巴河縣以及中部的阿勒泰市降水量較多，全區各站降水量均呈現極顯著上升趨勢。由圖4c可見，阿勒泰地區年日照時數在2730.5～3097.6h，其空間分布總體呈現西部低、東部高的特征，東部地區的青河縣和富蘊縣日照時數分別呈極顯著和顯著下降趨勢，其它地區日照時數變化趨勢不顯著。由圖4d可見，1961?2016年阿勒泰地區相對濕度在40%～64%，阿勒泰市相對濕度最低，布爾津縣最高，空間分布總體呈現出中部較四周低，東部較西部低的特征，其中東部地區（青河縣和富蘊縣）相對濕度呈現極顯著的下降趨勢，其它地區相對濕度變化趨勢不顯著。由圖4e可見，1961?2016年阿勒泰地區風速在1.4～3.8m·s?1，其空間分布特征與年均溫空間分布特征基本一致，呈現東、南低，西、北高的特征，東部地區（青河縣和富蘊縣）風速呈現顯著的下降趨勢，其它地區風速均呈現極顯著的下降趨勢。

圖4 1961?2016年阿勒泰地區氣象因子年平均值的空間分布

2.1.3 氣象因子變化的貢獻

采用Person相關系數法和多元回歸法分別分析7個站點和全區各氣象因子與年ET0的相關性及其對年ET0貢獻的大小。如表1所示，全區和各站點ET0與相對濕度、日照時數和平均風速均呈極顯著相關關系，與氣溫和降水量的相關性存在一定差異，東部（富蘊縣和青河縣）和南部地區（福?？h）ET0與氣溫相關性顯著，西部和中部地區ET0與氣溫無顯著相關性，富蘊縣ET0與降水的相關性不顯著，其它地區ET0與降水呈極顯著相關。在全區范圍及東部地區（富蘊縣和青河縣），相對濕度貢獻率最大，其次是平均風速，西部、中部和南部3個地區平均風速貢獻率最大，日照時數和相對濕度的貢獻率也較大。

2.2 季尺度參考作物蒸散量的時空變化和影響

2.2.1 季ET0值變化

如表2所示，1961?2016年阿勒泰地區四季ET0表現為夏季最高，為466.41mm，冬季最低，為26.73mm，夏季和秋季ET0呈極顯著減少趨勢（P＜0.01），冬季ET0呈顯著增加趨勢（P＜0.05），春季ET0變化趨勢不顯著。

春季，南部地區（福海縣）ET0最高，其次是中西部地區（阿勒泰、布爾津、哈巴河、吉木乃），東部地區（富蘊縣和青河縣）ET0最低，各地ET0變化趨勢均不顯著。夏季，ET0最高值仍位于南部地區（福海縣），ET0最低值位于東部地區的青河縣，中西部地區ET0下降趨勢極顯著，南部地區ET0下降趨勢顯著，東部地區ET0變化趨勢不顯著。秋季ET0變化表現為西部高，東部低，中西部地區ET0下降趨勢極顯著，東部和南部地區ET0變化不顯著。冬季ET0變化與秋季基本一致，呈現出西高東低的特征，東部和南部地區ET0呈極顯著上升趨勢，中西部地區則變化趨勢不明顯。

表1 阿勒泰地區氣象因子與年ET0間的Person相關系數（R）及其對年ET0的貢獻率（CR）

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平上相關顯著。T為平均氣溫，P為降水量，SD為日照時數，RH為相對濕度，WS為風速。下同。

Note：*is P＜0.05,**is P＜0.01. T is temperature, P is precipitation, SD is solar duration, RH is relative humidity, WS is wind speed. The same as below.

表2 阿勒泰地區1961?2016年季ET0平均值（μ，mm）及其氣候傾向率（Y，mm·10a?1）

結合年和四季ET0氣候傾向率發現，年ET0變化趨勢呈極顯著下降的4個縣（市），均表現為夏季氣候傾向率的絕對值最大且呈極顯著下降趨勢，表明夏季ET0降低是該4縣（市）年ET0下降的主要原因，年ET0變化趨勢不顯著的3個縣，其夏季和秋季ET0變化均不顯著，表明主要受夏秋兩季ET0變化的影響，總體來看，研究區年ET0變化主要是由于夏季ET0變化所致。

2.2.2 氣象因子變化的貢獻

采用Person相關系數法和多元回歸法分析季氣象因子與季ET0的相關性及其對季ET0貢獻的大小，如表3所示。春季，平均氣溫對ET0貢獻最大，且呈極顯著正相關關系，平均風速對ET0貢獻次之，降水量對ET0貢獻最小。夏季，平均風速對ET0貢獻最大，且呈極顯著正相關關系，相對濕度對ET0貢獻次之，呈極顯著負相關關系，降水量對ET0貢獻最小。秋季，平均風速和相對濕度對ET0貢獻較大，降水量和日照時數對ET0貢獻較小。冬季，平均氣溫對ET0貢獻最大，且呈極顯著正相關關系，相對濕度對ET0貢獻次之，呈極顯著負相關關系，平均風速對ET0貢獻最小，相關性不顯著。

表3 阿勒泰地區氣象因子與季ET0間的Person相關系數（R）及其對季ET0的貢獻率（CR）

2.3 月尺度參考作物蒸散量的時空變化和影響

2.3.1 月ET0值變化

從圖5可見，研究期內阿勒泰地區1?12月月平均ET0呈類似拋物線變化趨勢。6月和7月處于分水嶺位置，ET0值最高，1月和12月ET0值最低，2?6月呈逐漸升高趨勢，7?12月ET0月均值逐漸降低。

從表4可見，1961?2016年阿勒泰地區ET0在1?3月呈顯著增加趨勢，5?10月呈顯著的減小趨勢，4、11和12月變化趨勢不顯著。

1?3月和11?12月ET0的空間變化趨勢特征基本一致，東部、南部地區ET0呈顯著增加趨勢，其中東部地區增速最大，西部地區ET0變化趨勢不顯著。4月各地ET0變化趨勢均不顯著。5月和6月，西部地區ET0呈顯著降低趨勢，東部ET0變化趨勢則不顯著。7?10月，中部、西部地區ET0呈顯著降低趨勢，東部、南部地區ET0變化趨勢不顯著。

圖5 1961?2016年阿勒泰地區參考作物蒸散量月均值的變化

表4 各站1961?2016年月參考作物蒸散量的變化趨勢（mm·10a?1）

2.3.2 氣象因子變化的貢獻

采用Person相關系數法和多元回歸法分析月氣象因子與月ET0的相關性及其對月ET0貢獻的大小，如表5所示。1?5月和12月，平均氣溫對ET0貢獻最大，且呈極顯著正相關關系，相對濕度的貢獻也較大，且呈顯著負相關關系。6?10月平均風速對ET0貢獻最大，其中9月的相關性顯著，其它4個月的相關性極顯著。11月相對濕度對ET0貢獻最大，且呈極顯著負相關關系。1月平均風速對ET0貢獻最小，2?12月降水量對ET0貢獻最小，其中4?10月呈極顯著負相關關系。

表5 阿勒泰地區氣象因子與月ET0間的Person相關系數（R）及其對月ET0的貢獻率（CR）

3 結論與討論

就年尺度而言，阿勒泰地區ET0以10.90mm·10a?1的傾向率呈顯著下降趨勢，1983年是年ET0由多變少的轉折點，這一結論與一些學者[2,17,21]研究結果一致。年ET0的變化隨平均氣溫、日照時數和平均風速的增加而增加，隨降水量、相對濕度的增加而減小，是氣象因子綜合作用的結果，但平均風速和相對濕度對年ET0的貢獻較大，其次是日照時數，平均氣溫和降水量貢獻最小。研究區年ET0變化存在空間差異性，大致呈西高東低，南高北低，中西部地區年ET0呈顯著下降趨勢，其它地區變化趨勢不顯著的特征，主要是由于西部地區風速最大且呈極顯著下降趨勢，東部地區風速最小且下降趨勢顯著，雖然氣溫、降水均有顯著上升趨勢，但對年ET0的影響很小。

季節尺度上，ET0平均值由高到低的順序依次是夏季、春季、秋季、冬季，夏季和秋季ET0呈極顯著降低趨勢，冬季呈顯著增加趨勢，春季變化趨勢不顯著，這一研究結果與環海軍等[22-23]研究結果基本一致。春季和夏季阿勒泰地區ET0表現為南部最高，東部較低，秋季和冬季西部高東部低。春季，平均氣溫、平均風速和相對濕度對ET0貢獻較大，夏秋季，平均風速和相對濕度對其貢獻較大，冬季，平均氣溫和相對濕度對ET0貢獻較大，這與董煜等[24]研究結果相似。

月尺度上，ET0在1?12月的平均值呈拋物線形分布，1月和12月ET0最低，6月和7月ET0最高，1961?2016年ET0在1?3月呈顯著增加趨勢，5?10月呈顯著減少趨勢。阿勒泰西部地區在5?10月呈顯著降低趨勢，中部地區在7?10月呈顯著降低趨勢?？傮w而言，平均風速、平均氣溫和相對濕度對月ET0貢獻較大，降水量對月ET0貢獻率最小。

平均氣溫對阿勒泰地區冬、春季ET0貢獻較大，但對年ET0貢獻較小，而平均風速和相對濕度對年ET0貢獻較大，出現這種差異的主要原因是平均風速和相對濕度對夏季ET0貢獻較大，年ET0變化主要受夏季ET0變化的影響，冬、春季ET0對年ET0變化影響很小，因此，平均氣溫對年ET0貢獻小，相對濕度和平均風速的貢獻大。

前人對新疆[21, 24?26]、北疆[2,17,27]ET0變化已有部分研究，并且基于年和季節尺度研究較多，針對月尺度分析的較少，本研究基于年、季節和月尺度對阿勒泰地區ET0變化特征進行分析，并結合相關分析和因子貢獻率方法，分析溫度、風速、降水量、日照時數、相對濕度對ET0的不同貢獻。近年來，“蒸發悖論”現象在很多地區得到廣泛的關注和驗證[28-29]，它是指全球增溫背景下蒸發量減少事實與預期增加之間的矛盾[30]，“蒸發悖論”只是單獨考慮了氣溫對蒸散的影響，而忽略了其它氣候因子的作用。雖然近56a來阿勒泰地區氣溫呈上升趨勢，但其對ET0變化貢獻較小，降水量呈極顯著增加趨勢，但對ET0變化的貢獻也很小，而平均風速對ET0變化貢獻最大且呈極顯著下降趨勢，相對濕度和日照時數對ET0變化的貢獻相對較高，但其變化趨勢均不顯著，對ET0的影響較平均風速小，所以在各氣象因子綜合作用影響下，ET0并未隨著溫度的上升而增加，反而呈現減少趨勢。但本研究僅考慮了氣候要素對ET0變化的影響，并未探討經、緯度和海拔等地理要素的作用，下一步將作深入研究。

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Spatio-Temporal Variation and Influencing Factors of Reference Crop Evapotrans- piration at Different Time Scales in Altay Region

KANG Li-juan, Batur Bake, LUO Na-na, XUE Ya-rong, WANG Meng-hui

(College of Pratacultural and Environmental Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

Based on the daily data of 7 meteorological stations inAltay region from 1961 to 2016，spatio-temporal change characteristics of ET0and meteorological factors were analyzed with climate change rate and inverse distance weighted interpolation method after calculation with the Penman-Monteith model.Then the multiple regression analysis method were combined with the correlation coefficient to study the causes of change of different time scales of ET0. The results showed that the average annual ET0of Altay Region was 928.46mm, the climate change rate of annual ET0was ?10.90mm·10y?1(P＜0.01). The seasonal average ET0from high to low was summer, spring, autumn and winter, summer ET0and autumn ET0showed a significant decrease trend(P＜0.01), andwinter ET0showed a significant increase(P＜0.05). The maximum monthly average ET0appeared at June and July, the minimum value appeared at January and December, and annual distribution presented parabolic shape. Overall, the spatial distribution characteristics of ET0in difference time scales were basically consistent, and showed a significant decrease in ET0in the middle and west region, and the decrease in annual ET0was caused by the decrease of ET0in summer. The main contribution factor of different time scales of ET0change was different,but the significant decrease of average wind speed had the greatest effect on ET0reduction.

Reference crop evapotranspiration; Spatio-temporal variation; Contribution rate; Climate change; Altay region

2018?01?14

。E-mail: bateerbake@163.com

國家國際科技合作計劃項目“亞洲中部干旱區應對氣候變化的生態系統管理”（2010DFA92720-13）

10.3969/j.issn.1000?6362.2018.08.002

康麗娟,巴特爾·巴克,羅那那,等.阿勒泰地區不同時間尺度參考作物蒸散量的時空變化及影響[J].中國農業氣象,2018,39(8):502?511

康麗娟（1993?），女，碩士生，研究方向為干旱區生態與環境。E-mail: kanglijuanyb5887@163.com