內(nèi)蒙古興安盟參考作物蒸散量時(shí)空變化及敏感性分析

高紅霞，唐紅艷，李 敏（.內(nèi)蒙古興安盟氣象局，內(nèi)蒙古烏蘭浩特 37400；2.內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 0005）

農(nóng)田土壤蒸發(fā)和植物蒸騰的總耗水量稱為蒸散量，是農(nóng)田水分平衡的重要組成部分，但實(shí)際蒸散資料的獲取較為困難，常需要借助參考作物蒸散量（ET0）確定。ET0是平坦地面被矮桿綠色作物全部遮蔽、土壤充分濕潤(rùn)情況下的蒸散量，是實(shí)際蒸散量的理論上限，它僅受氣象要素影響，反映了不同地區(qū)、不同時(shí)期大氣的蒸散能力，與作物種類、土壤類型等無(wú)關(guān)［1］。ET0是作物需水量預(yù)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)，可根據(jù)作物蒸散量的變化情況開(kāi)展節(jié)水灌溉，提高農(nóng)業(yè)水資源的利用率［2-3］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)ET0的變化及影響因素進(jìn)行了大量研究。王鵬濤等［4］研究表明，華北平原ET0的主導(dǎo)因子為日照時(shí)數(shù)，平均風(fēng)速次之；GOY?AL［5］分析全球變暖形勢(shì)下印度Rajasthan干旱區(qū)的ET0對(duì)平均氣溫、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、水汽壓的敏感性，發(fā)現(xiàn)其對(duì)氣溫最為敏感；李思思等［6］對(duì)北疆地區(qū)生長(zhǎng)季ET0的研究指出，對(duì)ET0變化貢獻(xiàn)率最大的因子是平均風(fēng)速；曾麗紅等［7］對(duì)東北地區(qū)ET0的敏感性分析表明，氣溫變化對(duì)ET0的影響最為明顯，其次是平均相對(duì)濕度；劉小莽等［8］對(duì)海河流域的研究表明，ET0對(duì)水汽壓的變化最為敏感；梁麗喬等［9］在松嫩平原的研究表明，該地區(qū)ET0對(duì)相對(duì)濕度響應(yīng)最為敏感；李鵬飛等［10］對(duì)京津冀地區(qū)近50 a潛在蒸散量的變化分析表明，整個(gè)地區(qū)潛在蒸散量都在減少，東南部減少得更快；GONG等［11］研究表明長(zhǎng)江流域ET0對(duì)相對(duì)濕度的變化最為敏感；趙福年等［12］認(rèn)為1960—2009年石羊河流域ET0變化的主要決定因素是空氣飽和差；環(huán)海軍等［13］研究表明，魯中地區(qū)ET0蒸散量呈減少趨勢(shì)，3—6月、9—10月ET0的最敏感氣象要素為相對(duì)濕度，1—2月、11—12月為風(fēng)速，7—8月為日照率。以上研究表明，不同區(qū)域氣象要素對(duì)ET0的影響存在較大差異。目前關(guān)于內(nèi)蒙古地區(qū)ET0變化特征及成因的研究較少。筆者探討了氣候變暖背景下，內(nèi)蒙古興安盟生長(zhǎng)季參考作物蒸散量的時(shí)空變化及其對(duì)主要?dú)庀笠氐拿舾行裕云跒樯羁陶J(rèn)識(shí)氣候暖干化對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響、合理利用水資源以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況與研究方法

1.1 區(qū)域概況

興安盟位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部（44°14′～47°39′N，119°28′～123°38′E），屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。選取興安盟8個(gè)國(guó)家氣象站1973—2017年逐日氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)（圖1），包括平均氣溫、最高與最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量、風(fēng)速和水汽壓等要素，計(jì)算各站點(diǎn)逐日參考蒸散量。以4—9月作為作物生長(zhǎng)季，研究該時(shí)段興安盟ET0的時(shí)空變化特征及其對(duì)主要?dú)庀笠氐拿舾行浴?/p>

圖1 興安盟氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution map of meteorological observation stations in Xing′an League

1.2 研究方法

1.2.1 參考作物蒸散量計(jì)算公式

1998年修訂的Penman?Monteith公式對(duì)干旱和濕潤(rùn)區(qū)的ET0估算值都較為接近實(shí)測(cè)作物需水量［4］，得到了廣泛應(yīng)用，其計(jì)算公式為

式（1）中，ET0為參考作物蒸散量，mm·d-1；Rn為地表凈輻射，MJ·m-2·d-1；Gi為土壤熱通量，MJ·m-2·d-1；γ為干濕表常數(shù)，kPa·℃-1；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa·℃-1；T為平均氣溫，℃；U2為2 m高度處的平均風(fēng)速，m·s-1；Es為飽和水汽壓，kPa；Ea為實(shí)際水汽壓，kPa。

利用上述公式計(jì)算興安盟8個(gè)站點(diǎn)的逐日參考蒸散量，再計(jì)算歷年生長(zhǎng)季各站點(diǎn)的ET0日平均值，得出全盟歷年生長(zhǎng)季日ET0。

1.2.2 基于偏導(dǎo)數(shù)的氣象要素敏感性分析

敏感性分析法是目前常用的一種數(shù)據(jù)分析方法，可定量描述模型輸入變量對(duì)輸出變量的重要性程度［14］。由于Penman?Monteith公式是多參數(shù)模型，每個(gè)參數(shù)的量綱和取值范圍不同，該研究采用ET0對(duì)各氣候因子的偏導(dǎo)數(shù)，將氣象因子對(duì)ET0的影響程度進(jìn)行無(wú)量綱化處理［15-16］。具體計(jì)算方法為

式（2）中，vi為氣象因子；Svi為相應(yīng)氣象因子的敏感系數(shù)，正值表示隨著vi的增加，ET0也增加，反之亦然。Svi絕對(duì)值越大，表明vi對(duì)ET0的影響程度越大，ET0對(duì)該參數(shù)的變化越敏感。考慮到平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫之間的關(guān)系，采用3者敏感系數(shù)的平均值表征ET0對(duì)氣溫的敏感性。下文中STE、SWI、SSH、SWP分別表示氣溫、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和平均水汽壓的敏感系數(shù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析方法

氣候要素的趨勢(shì)系數(shù)變化常采用一次線性方程表示，其斜率的10倍表示氣候要素的變化傾向率［17］，氣候變化傾向率為正值表示要素序列為上升趨勢(shì)，負(fù)值表示下降趨勢(shì)。筆者采用該方法對(duì)生長(zhǎng)季主要?dú)庀笠睾蛥⒖甲魑镎羯⒘康臅r(shí)間變化特征進(jìn)行分析。采用反距離加權(quán)（inverse distance weighted，IDW）插值法對(duì)各站點(diǎn)主要?dú)庀笠氐拿舾邢禂?shù)進(jìn)行空間插值，畫圖工具為ArcGIS 10.2軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長(zhǎng)季主要?dú)庀笠蜃幼兓?/h3>

對(duì)全盟8個(gè)國(guó)家站點(diǎn)1973—2017年生長(zhǎng)季內(nèi)主要?dú)庀笠厝∑骄担L制氣候變化傾向率曲線（圖2）。

圖2 1973—2017年興安盟生長(zhǎng)季主要?dú)庀笠仄骄的觌H變化Fig.2 Interannual change of main meteorological elements average in Xing′an League during the 1973-2017 growing season

通過(guò)圖2可知，全盟生長(zhǎng)季平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫呈明顯上升趨勢(shì)，上升速率分別為0.42、0.35和0.54 ℃·（10 a）-1，變化趨勢(shì)均通過(guò)α=0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，表明在全球氣候變化的影響下興安盟存在顯著變暖趨勢(shì)。平均風(fēng)速呈下降趨勢(shì)，下降速率為0.06 m·s-1·（10 a）-1，日照時(shí)數(shù)和平均水汽壓呈上升趨勢(shì)，上升速率分別為0.03 h·（10 a）-1和0.04 Pa·（10 a）-1，后3者變化趨勢(shì)均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

2.2 生長(zhǎng)季參考作物蒸散量時(shí)空分布特征

近45 a來(lái)興安盟生長(zhǎng)季ET0平均值為765.9 mm。阿爾山、索倫、胡爾勒、音德?tīng)枴跆m浩特、突泉、巴彥呼舒和高力板生長(zhǎng)季多年ET0平均值為600.9、729.0、743.2、795.1、786.9、863.3、871.8和737.0 mm。ET0大于800 mm的區(qū)域主要分布在突泉縣大部以及科右中旗中部，小于650 mm的區(qū)域主要分布在阿爾山市西北部，其余地區(qū)ET0均在700～800 mm之間。

興安盟生長(zhǎng)季平均日ET0呈上升趨勢(shì)（圖3），上升速率為0.07 mm·（10 a）-1，上升趨勢(shì)不顯著，生長(zhǎng)季日平均ET0最小值出現(xiàn)在1983年，為3.64 mm·d-1；最大值出現(xiàn)在2001年，為4.86 mm·d-1；均值為

圖3 興安盟生長(zhǎng)季日平均ET0年際變化Fig.3 Interannual variation of average daily ET0growing season of Xing′an League

2.3 興安盟主要站點(diǎn)生長(zhǎng)季參考作物蒸散量變化特征

從興安盟8個(gè)國(guó)家站點(diǎn)中選出分布于不同旗縣的6個(gè)站點(diǎn)作為主要站點(diǎn)，其生長(zhǎng)季內(nèi)主要?dú)庀笠丶叭誆T0歷年平均值見(jiàn)表1。由表1可知，歷年生長(zhǎng)季日平均ET0值由西北向東南逐漸增加，最小值4.19 mm·d-1。

由生長(zhǎng)季平均日ET0累積距平曲線（圖4）可以看出，興安盟1973—2017年生長(zhǎng)季日平均ET0大致可劃分為5個(gè)特征明顯的階段：1973—1978年累積距平變化較小，說(shuō)明這個(gè)時(shí)期生長(zhǎng)季日平均ET0較為穩(wěn)定；1978—1998年累積距平處于急劇下降階段，說(shuō)明該階段生長(zhǎng)季日平均ET0低于歷年平均值，為低蒸散時(shí)期；1998—2011年累積距平處于急劇上升階段，說(shuō)明該階段生長(zhǎng)季日平均ET0高于歷年平均值，為高蒸散時(shí)期；2011—2015年累積距平有所下降，表明該階段生長(zhǎng)季日平均ET0較前一階段略有減小，且低于歷年平均值；2015—2017年累積距平再次上升，表明近2 a生長(zhǎng)季日平均ET0開(kāi)始增加，其趨勢(shì)與生長(zhǎng)季日平均ET0年際變化趨勢(shì)基本一致。出現(xiàn)在阿爾山，為3.3 mm·d-1，最大值出現(xiàn)在巴彥呼舒，為4.8 mm·d-1。

圖4 興安盟生長(zhǎng)季日平均ET0累積距平曲線Fig.4 Average daily ET0cumulative anomaly curve of Xing′an League during growing season

由圖5可知，近45 a來(lái)阿爾山、索倫、巴彥呼舒生長(zhǎng)季日平均ET0呈顯著增加趨勢(shì)，均通過(guò)α=0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，突泉?dú)v年日平均ET0變化趨勢(shì)不明顯，音德?tīng)柡蜑跆m浩特呈弱下降趨勢(shì)。

表1 興安盟主要站點(diǎn)生長(zhǎng)季內(nèi)主要?dú)庀笠嘏c日ET0的平均值Table 1 Main meteorological elements and daily ET0of main stations in Xing′an League during growing season

2.4 生長(zhǎng)季參考作物蒸散量對(duì)氣候因子的敏感性分析

2.4.1 敏感系數(shù)的時(shí)間變化特征

由圖6可知，歷年各氣候因子的敏感系數(shù)均呈一定幅度波動(dòng)，其中氣溫、平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)敏感系數(shù)為正值，表明ET0隨著這3者的增加而增加，ET0僅對(duì)平均水汽壓表現(xiàn)為負(fù)敏感。對(duì)其敏感系數(shù)絕對(duì)值進(jìn)行比較，|STE|＞ |SWP|＞ |SSH|＞ |SWI|，表明ET0對(duì)氣溫最敏感，對(duì)平均風(fēng)速的敏感性較低。從年際變化上看，各要素敏感系數(shù)線性變化趨勢(shì)系數(shù)均接近于0，表明各要素敏感系數(shù)年際變化不大。

圖5 1973—2017年興安盟主要站點(diǎn)生長(zhǎng)季日平均ET0變化Fig.5 Average daily ET0change curve of main stations in Xing′an League during the 1973-2017 growing season

圖6 1973—2017年興安盟生長(zhǎng)季ET0對(duì)主要?dú)庀笠氐拿舾邢禂?shù)變化Fig.6 The sensitivity curve of ET0to major meteorological factors in Xing′an League during the 1973-2017 growing season

2.4.2 敏感系數(shù)的空間分布特征

從ET0對(duì)各氣象要素敏感系數(shù)的空間分布（圖7）看，STE、SSH和SWP的高值區(qū)基本一致，主要分布在興安盟東部和南部地區(qū)，表明上述地區(qū)是ET0對(duì)氣溫、日照時(shí)數(shù)和水汽壓的敏感區(qū)。其中STE最高值出現(xiàn)在突泉，為2.69，最低值出現(xiàn)在阿爾山，為1.44；SSH最高值出現(xiàn)在高力板，為0.23，最低值出現(xiàn)在阿爾山，為0.18；SWP高值區(qū)出現(xiàn)在巴彥呼舒和高力板，絕對(duì)值均為0.37，最低值出現(xiàn)在阿爾山，絕對(duì)值為0.28。SWI高值區(qū)主要分布在興安盟北部大部以及東南角，上述地區(qū)為ET0對(duì)風(fēng)速敏感區(qū)，SWI最高值出現(xiàn)在高力板，為0.17，最低值出現(xiàn)在突泉，為0.05。

圖7 興安盟生長(zhǎng)季主要?dú)庀笠孛舾邢禂?shù)的空間分布Fig.7 Spatial distribution of sensitive coefficients of main meteorological elements in Xing′an League during growing season

3 結(jié)論

利用內(nèi)蒙古興安盟1973—2017年逐日地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了興安盟地區(qū)近45 a生長(zhǎng)季ET0的時(shí)空變化特征，并采用基于偏導(dǎo)數(shù)的敏感性分析法初步探討了其對(duì)主要?dú)庀笠氐拿舾行浴＝Y(jié)果表明：

（1）研究時(shí)段內(nèi)氣溫、日照時(shí)數(shù)、水汽壓及ET0均呈上升趨勢(shì)，其中氣溫上升趨勢(shì)最為顯著，說(shuō)明區(qū)域內(nèi)ET0受氣溫升高影響，也呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，但由于受水汽壓上升產(chǎn)生的負(fù)影響，區(qū)域內(nèi)ET0增加趨勢(shì)并不顯著。

（2）近45 a來(lái)興安盟生長(zhǎng)季ET0平均值為765.9 mm，高值區(qū)主要分布在突泉縣大部以及科右中旗中部，低值區(qū)主要分布在阿爾山市西北部。其中1973—1978年為ET0穩(wěn)定期，1978—1998年為低蒸散時(shí)期，1998—2011年為高蒸散時(shí)期，2011—2015年ET0較前一階段減小，且低于歷年平均值，2015—2017年ET0開(kāi)始增加。阿爾山、索倫和巴彥呼舒生長(zhǎng)季平均日ET0呈顯著增加趨勢(shì)，突泉變化趨勢(shì)不明顯，音德?tīng)柡蜑跆m浩特呈弱的下降趨勢(shì)。

（3）興安盟生長(zhǎng)季ET0對(duì)各氣候因子的敏感系數(shù)均呈一定幅度波動(dòng)。其中氣溫、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)敏感系數(shù)為正值，表明ET0隨著這3者的增加而增加，ET0僅對(duì)水汽壓負(fù)敏感，且對(duì)氣溫最敏感，其次是平均水汽壓，對(duì)風(fēng)速敏感性較低。各要素敏感系數(shù)年際變化不大。

（4）STE、SSH和SWP的高值區(qū)基本一致，主要分布在興安盟東部和南部地區(qū)；SWI高值區(qū)主要分布在興安盟北部大部以及東南角。

筆者從局部探討了ET0對(duì)單一氣象要素的敏感性，但其變化受多種氣象要素共同影響，因此未來(lái)需進(jìn)一步研究各要素交互作用對(duì)ET0的影響。