漢江上游流域潛在蒸散量敏感性分析

安 彬, 肖薇薇

(1.安康學院旅游與資源環境學院, 陜西 安康 725000; 2.安康市漢江水資源保護與利用工程技術研究中心,陜西 安康 725000; 3.秦巴國土資源利用與環境保護協同創新中心, 陜西 安康 725000;4. 陜南生態經濟研究中心, 陜西 安康 725000)

潛在蒸散量ET0作為區域實際蒸散量的理論上限，是地表水循環和熱量平衡的重要組成部分，對評價區域農業水資源利用、氣候干濕度等具有重要意義[1-3]。由于實際的蒸散量獲取較為困難，往往采用模型法進行近似計算。目前，應用最為廣泛的是聯合國糧農組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO)推薦的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith，P-M)方程，也是學界公認的高精度模型計算法[4]。基于此，諸多學者針對行政區[5-7]、流域[8-10]、地理分區[11-12]等不同空間尺度的ET0時序變化特征進行了大量研究，研究均表明ET0的變化具有復雜性、高度異質性[13]。此外，結合敏感性分析、偏相關分析等方法，國內外學者開展了ET0的變化成因研究[14-15]。發源于秦嶺南麓的漢江是長江最長支流，是南水北調中線工程的重要水源地，尤其是位于漢江上游的陜南地區，也是我國重要的生物多樣性保護生態區。在全球氣候變化的背景下，漢江上游流域呈現年降水減少、年均氣溫上升的趨勢[16-17]。為了解漢江上游ET0變化趨勢和原因，利用漢江上游典型氣象站逐日氣象數據，采用彭曼-蒙蒂斯方程計算逐日ET0，運用敏感分析法計算ET0對不同氣象因子的敏感系數，探討敏感系數與ET0的關系及ET0發生變化的原因，以期為合理調配南水北調中線工程水資源提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 數據來源

選擇漢江上游流域的漢中、石泉和安康3個氣象站，從中國氣象科學數據共享服務平臺http:∥data.cma.cn/獲取各站點1960—2015年逐日平均風速、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度和日照時數資料，各站點的位置、海拔等信息見表1。依據3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—次年2月為冬季的標準進行季節劃分。

1.2 研究方法

1.2.1ET0的計算

采用FAO推薦的彭曼-蒙蒂斯方程計算逐日ET0，此公式基于能量平衡和空氣動力學原理，在不同的環境和氣候背景下具有較強的廣泛適用性，可避免根據氣候條件進行參數校正[4]，公式為

(1)

式中：Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；Rn為作物表面的凈輻射量，MJ/m2；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為濕度計常數，kPa/℃；t為平均氣溫，℃；U2為2 m高處的風速，m/s；ea為飽和水汽壓，kPa；ed為實測水汽壓，kPa。

1.2.2 敏感性分析

研究ET0對氣象因子的敏感分析是通過設置不同氣候變化情景，假定其他氣象因子不變，分析單個氣象因子變化引起ET0的變化，進而量化ET0變率對氣象因子變率響應程度的方法[4,9,18]。利用Mccuen[19]提出的無量綱相對敏感系數，以表征ET0對氣候因素變化的敏感性，且便于不同量綱的氣象因子變量進行排序、評價，其計算公式為

(2)

式中：SX為ET0對氣候要素X的敏感系數；ΔX為氣候要素的變化；ΔET0為ΔX導致的ET0變化。

研究最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、平均風速、日照時數5個氣象因子變量分別變化±10%的情況下，依次計算ET0對各氣象因子的敏感系數。SX為正值表明ET0與氣象因子X變化一致，負值則變化相反。|SX|越大表明氣象因子變量對ET0的影響越大，如SX=-0.1，代表氣象因子X減少(增加)10%，在其他氣象因子不變的情況下，ET0將增加(減少)1%。同時參照Lenhart等[20]將敏感系數分為4個等級，記為Sd：當|SX|<0.05時，Sd為忽略等級；當0.05≤|SX|<0.20時，Sd為中等；當0.20≤|SX|<1.00時，Sd為高；當|SX|≥1時，Sd為非常高。

1.2.3 氣象因子對ET0的貢獻率

根據尹云鶴等[21]提出的氣象因子對ET0的貢獻率計算方法，將敏感系數與氣象因子的多年相對變化相乘，由此得到氣象因子引起氣候要素的變化程度，計算公式為

CX=SXRX

其中

(3)

ET0變化趨勢采用線性回歸模型法進行計算、檢驗[22]，以上計算、統計工作均在SPSS 22 中完成，圖件采用OriginPro 8.5 繪制。

表1 漢江上游流域典型氣象站點位置及氣象因子年均值

2 結果分析

2.1 ET0及氣象因子的變化特征

圖1為1960—2015年3個氣象站(漢中、石泉和安康)5個氣象因子(最高氣溫、最低氣溫、日照時數、相對濕度、風速)及ET0的均值年內逐日變化。由圖1可見，漢江上游不同氣象因子及ET0的年內變化趨勢不一致，這是受太陽周年運動及地形等地理要素的共同影響。從圖1(a)(b)可以看出，3站點的最高氣溫和最低氣溫年內變化呈單峰型，其峰值均出現在7月下旬至8月上旬，谷值則出現在1月。日照時數年內波動變化明顯，呈雙峰型分布，秋冬季日照處于較小幅度變化的低谷區，最大峰值出現在夏季7—8月，次峰值在春末夏初(圖1(c))，兩次峰值之間的谷值與漢江上游此時正處于梅雨季節有關。從相對濕度的年內逐日變化(圖1(d))可看出，3站均呈余弦函數形狀，最大值出現在9月、最小值出現在冬末春初；漢中站相對濕度最小值大于安康、石泉站。風速年內變化呈現不顯著的正弦函數形狀，3月為最大值，9月為最小值(圖1(e))。ET0年內逐日變化與日照時數相似，呈現雙峰型、最大峰值出現在8月，次峰值出現在6月，最小值則出現在12月(圖1(f))。

圖2為1960—2015年3個氣象站ET0的逐年變化，表2為1960—2015年3個氣象站氣象因子變化率。由圖2可見，漢江上游多年平均ET0為826.23～909.82 mm，其空間上自東向西遞減。各站點ET0的年際變化均呈下降趨勢，其中石泉年ET0呈顯著減小趨勢，達到-1.436 mm/a，漢中和安康年ET0呈不顯著減小趨勢，變化率分別為-0.289 mm/a、-0.715 mm/a。各站年代際ET0均值呈波動變化，1960 s的ET0最大，1980s的ET0最小，1990 s后有所增加，至2000年后又開始下降。由表2可見，3站點的最高氣溫和最低氣溫均呈顯著上升趨勢，漢中站平均氣溫亦呈顯著上升趨勢；日照時數方面，漢中和石泉站呈顯著下降趨勢，安康站呈不顯著下降趨勢；相對濕度除漢中站呈顯著下降趨勢外，石泉和安康站均為顯著上升趨勢；石泉站風速表現為顯著下降趨勢。

(a)最高氣溫

(b)最低氣溫

(c)日照時數

(d)相對濕度

(e)風速

(f)ET0

圖1 1960—2015年3個氣象站5個氣象因子及ET0的均值年內逐日變化

(a)漢中

(b)石泉

(c)安康

2.2 ET0對氣象因子的敏感性

2.2.1敏感系數的年際變化

表3為ET0對氣象因子敏感系數多年均值及敏感程度。從表3可以看出，ET0對相對濕度的敏感程度最高，對風速的敏感程度最低，各站敏感程度排序基本一致。ET0對最高氣溫、最低氣溫、相對濕度的年均敏感系數均為負值，表明ET0隨著這3個氣象因子的增加而下降。對最低氣溫敏感程度除漢中為“中”外，其他均達到了“高”。ET0對日照時數和風速的年均敏感系數均為正值，對日照時數敏感程度除安康達到“高”外，其他均為“中”。

圖3為ET0對3個氣象站5個氣象因子敏感系數的年際變化。由圖3可見，3個氣象站的ET0對5個氣象因子的敏感程度均為“中”以上等級，敏感程度從小到大依次為風速、日照時數、最低氣溫、最高氣溫、相對濕度。ET0對各氣象因子敏感系數的年際變化趨勢不同，可能與各站點的植被類型、海拔和下墊面綜合情況有關。漢江上游ET0對相對濕度最為敏感，這與長江流域[23]、瀾滄江流域[24]、關中渭惠渠[14]、甘肅[25]、黃土地區[26]等區域最為敏感的氣象因子相同。

2.2.2 敏感系數的年內變化

圖4為ET0對3個氣象站5個氣象因子敏感系數的年內變化。由圖4可見，除風速外的3站各氣象因子敏感系數年內分布相近。最高氣溫、最低氣溫和相對濕度的敏感系數均為負值，變化分別介于-0.419～-0.112、-0.449～ -0.048、-0.924～ -0.157，表明ET0隨著這3個氣象因素的增大而減少。日照和風速敏感系數則為正值，為0.034～0.428和0.000～0.242。最高氣溫、最低氣溫和風速的年內敏感系數均呈開口向上拋物線分布，其中最高氣溫和最低氣溫敏感系數峰值發生在9月、谷值發生在1月，而風速敏感系數峰值發生在1月、谷值發生在9月。ET0對日照時數敏感系數9月份達到最大，12月份為最小，呈單峰型變化。就相對濕度敏感系數而言，其變化幅度大，最大值出現在8月、最小值均出現在12月，年內呈雙峰型分布。

表2 1960—2015年3個氣象站氣象因子年變化水平

注：*、**表示線性趨勢分別通過0.05、0.01置信水平檢驗。

表3 ET0對氣象因子敏感系數多年均值及敏感程度

注：A、B、a、b依次表示敏感系數的變化趨勢呈顯著上升、顯著下降、上升、下降。

(a)漢中

(b)石泉

(c)安康

2.3 氣象因子對ET0的貢獻率

為了定量探究漢江上游ET0對氣候變化的響應，計算漢中、石泉、安康站5個氣象因子的多年相對變化及其對ET0的貢獻率(表4)，進而確定引起各站ET0變化的成因。由表4可知，1960—2015年最高氣溫、最低氣溫相對變化率均為正值，因其敏感系數為負值，導致兩個氣象因子對ET0的貢獻率小于0。日照時數相對變化率呈負值，相對濕度、風速相對變化率各站正負表現不一，這是因為ET0與溫度、濕度、風速、日照等氣象因子以及地形、植被、實際蒸散發之間呈現復雜的非線性關系[21,27-28]。漢中日照時數相對變化率最大，高達-31.461%，石泉和安康風速相對變化率最大，分別為-16.845%和-8.330%。從各項氣象因子對ET0的貢獻率來看，漢中站日照時數貢獻率最大，達到-6.219%，即日照時數是引起該站ET0變化的主導氣象因子，這與其日照時數的相對變化率較大有關。相對濕度是石泉和安康ET0變化的主導氣象因子，其貢獻率分別為-3.783%和-1.752%。

(a)漢中

(b)石泉

(c)安康

表4 3個氣象站氣象因子的多年相對變化及其對ET0的貢獻率 %

注：a表示ET0變化的主導氣象因子。

3 結 論

a. 1960—2015年漢江上游流域多年平均ET0為826.23～909.82mm，呈下降趨勢，空間上自東向西遞減。最高氣溫和最低氣溫年內變化呈單峰型、ET0和日照時數呈雙峰型、相對濕度呈余弦函數形、風速呈正弦函數形分布。

b. 1960—2015年漢江上游流域ET0對氣象因子的敏感系數多數呈顯著下降趨勢，敏感程度均達到“中”以上等級。其中，ET0對相對濕度最為敏感。最高氣溫、最低氣溫和風速的年內敏感系數均呈拋物線分布，日照時數和相對濕度則分別為單峰型、雙峰型分布。

c. 日照時數是漢中站ET0變化的主導氣象因子，石泉和安康站主導氣象因子是相對濕度。