基于氣候分區的甘肅省參考作物蒸發蒸騰量時空分布特征

鄭 健， 馬 靜， 王 燕， 向 鵬， 齊興赟， 李永春

(1.蘭州理工大學 能源與動力工程學院， 甘肅 蘭州，730050； 2.蘭州理工大學 西部能源與環境研究中心， 甘肅 蘭州，730050；3.甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室，甘肅 蘭州，730050； 4.西北低碳城鎮支撐技術協同創新中心， 甘肅 蘭州 730050)

1 研究背景

參考作物蒸發蒸騰量(ET0)是指高度在8～15 cm、生長狀態良好、不缺水且完全覆蓋地面的綠色矮稈作物的蒸發蒸騰量[1]。ET0是作物需水量計算的重要參數，對其進行研究在水文循環、農業灌溉制度和水資源高效利用與轉化等方面具有重要意義。國內外學者開展了大量研究[2-5]，Dinpashoh等[6]研究了伊朗的參考作物蒸發蒸騰量，結果表明伊朗ET0在年尺度和月尺度均有顯著的增減趨勢，且增長趨勢比下降趨勢更為明顯，并且除冬季外，風速是影響ET0的最主要因素。韓洋等[7]研究發現河南省參考作物蒸發蒸騰量ET0在1951-2016年總體呈下降趨勢，多年平均ET0在917～1007 mm/a之間，在空間上呈從西北向東南先遞增后遞減的趨勢。吳文玉等[8]研究表明安徽省參考作物蒸發蒸騰量ET0在時間尺度上整體呈下降趨勢，空間上呈北高南低的趨勢，且平原較大、山區較小。Wang等[9]認為新疆北部ET0的空間分布從東北、西南向中部逐漸增大；東南和西部的差異略大，具有顯著的地區差異，區域內日照時數和風速是影響ET0的主要氣象因素。王瀟瀟等[10]研究了內蒙古地區的ET0變化特征，結果表明該地區ET0在空間分布上由西向東逐漸降低，該區域ET0主要影響因素是風速，其次是日平均溫度和相對濕度。宋悅等[11]對陜西省ET0研究表明陜西省ET0值在空間上呈現出自南向北逐漸增加的變化規律。康燕霞等[12]采用云模型對甘肅省的ET0進行了研究，結果表明甘肅省l951-2013年ET0呈現出增長趨勢，ET0空間分布總體上呈現為西北地區大于東南地區。佟長福等[13]對內蒙古依據全球干旱指數進行分區研究其ET0時空變化，結果表明越濕潤的地區ET0越小。

上述對ET0的研究已取得了大量的研究成果，但研究中考慮地形和氣候分區對ET0影響的分析研究還顯欠缺。

甘肅省位于我國西北部，農業在其經濟發展中居于十分重要的地位，但甘肅省屬于水資源極度匱乏且分布不均衡的地區，水資源短缺限制了全省的農業發展[14]。同時，甘肅省境內山脈縱橫交錯，地形地貌復雜，獨特的地理位置和地形條件形成了甘肅省多種自然生態環境和氣候類型[15]。受氣候因子和地形地貌的影響，甘肅省不同區域的ET0的變化趨勢和變化程度具有明顯差異。因此，研究甘肅省ET0的時空分布特征對于全省提高水資源利用率、制定農業灌溉制度和農業可持續發展具有重要的科學意義。

李棟梁等[15]根據甘肅省氣候區的溫度指標和干燥度指標以及地理特征將甘肅省分為甘南高寒濕潤區、祁連山高寒半干旱半濕潤區、河西西部暖溫帶干旱區、河西走廊冷溫帶干旱區、隴中北部冷溫帶半干旱區、隴中南部冷溫帶半濕潤區、隴南北部暖溫帶濕潤區和隴南南部河谷北亞熱帶濕潤8個氣候區 ，但其中氣候帶劃分較細，國家氣象站點未完全覆蓋所有氣候帶，且祁連山地帶終年積雪，是難以耕作之地。因此，本文僅針對甘肅省的地理特征和干濕程度將甘肅省分為隴南-甘南濕潤區、隴中南部半濕潤區、隴中北部半干旱區和河西干旱區4個區域，利用26個國家氣象站點1980-2015年內逐日的氣象資料，采用聯合國糧農組織提出的FAO-56 Penman-Monteith方程計算逐日、逐年和多年的ET0，分析甘肅省及4個氣候分區的ET0時空分布特征和影響因素，以期為甘肅省水資源合理規劃和農業結構調整提供科學的參考依據。

2 材料與方法

2.1 研究區域概況及分區

甘肅省在我國大陸部分的地理中心，黃河上游，地域遼闊，介于北緯32°31′～ 42°57′、東經92°13′～108°46′之間。全省總土地面積45.44×104km2，海拔在1 000～3 000 m。地勢自西南向東北傾斜，地形狹長。圖1為甘肅省氣候分區與氣象站點分布圖，圖2 為甘肅省地形分布圖。

圖1 甘肅省氣候分區與氣象站點分布圖 圖2 甘肅省地形分布圖

2.2 數據來源

本文采用的數據來源于中國氣象科學數據共享服務網，包含甘肅省26 個國家級氣象站點1980-2015 年的逐日的日平均風速U、日照時數N、日最高氣溫Tmax、日最低氣溫Tmin、平均相對濕度RH、日平均氣溫Tmean和海拔等氣象資料。

2.3 研究方法

2.3.1ET0計算方法 參考作物蒸發蒸騰量ET0的計算方法有很多種，現在普遍認為由聯合國糧農組織灌溉排水叢書第56分冊推薦的FAO-56 Penman - Monteith公式[16]具有廣泛的運用性，其基于能量平衡和空氣動力學建立，被驗證具有較高精度[17-18]。公式如下：

ET0=

(1)

式中：ET0為參考作物蒸發蒸騰量，mm/a；ea為實際水氣壓，kPa；es為飽和水汽壓，kPa；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；Rn為作物表面的凈輻射，MJ/(m2·d)；T為平均氣溫，℃；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率，kPa/℃；U2為距地面2 m高處的日平均風速，m/s；γ為濕度計常數，kPa/℃。

2.3.2 反距離權重空間插值法 反距離權重空間插值法(Inverse Distance Weighted，簡稱IDW)是一種加權平均內插法，該方法假定每個觀測值都有著局部影響，這種影響隨著距離的增大而減小[19-21]。采用ArcGIS 10.0軟件中的空間分析模塊IDW空間插值工具，對甘肅省參考作物蒸發蒸騰量ET0和氣象因子進行空間插值。

2.3.3 偏相關分析 偏相關系數是指校正其他變量后，衡量多個變量中某兩個變量之間的線性相關程度[22-23]。偏相關系數的絕對值越接近1，表明變量之間的線性相關程度愈高，偏相關系數絕對值愈小，表明變量之間的線性相關程度愈低。

本文應用SPSS 軟件，計算日平均風速U、日照時數N、日最高氣溫Tmax、平均相對濕度RH、日最低氣溫Tmin、日平均氣溫Tmean與參考作物蒸發蒸騰量ET0的偏相關系數，進而分析各氣象因子對ET0的影響程度。

3 結果與分析

3.1 ET0時間變化特征

3.1.1 各分區ET0的年際變化 采用Penman-Monteith公式計算出甘肅省26個氣象站點1980 - 2015年的ET0，并繪制各分區ET0的逐年變化、ET0線性趨勢線和6 a移動平均圖，結果如圖3所示。

由圖3(a)可看出，隴南-甘南濕潤區各年ET0最小值出現在1989年，最大值出現在2006年，最大值與最小值相差463.99 mm/a，均值為937.14 mm/a，各年ET0在平均值上下波動。由6 a移動平均ET0可知，隴南-甘南濕潤區ET0在1980-1991年呈下降趨勢，降幅為3.5%，在1991-2015年呈上升趨勢，增幅為10.3%。由ET0線性趨勢線可知隴南-甘南濕潤區ET0整體上隨年際變化而呈上升趨勢，傾向率為3.36 mm/a。

由圖3(b)可知，隴中南部半濕潤區ET0均值為944.23 mm/a，比隴南-甘南濕潤區ET0均值增大了7.09 mm/a，最小值出現在1989年，最大值出現在2004年，最大值與最小值相差180.5 mm/a，各年ET0在平均值上下波動且波動較小。由6 a移動平均ET0可知，在1980-1991年呈下降趨勢，降幅為6.2%，在1991-2015年呈上升趨勢，增幅為9.0%。由ET0線性趨勢線可知隴中南部半濕潤區ET0整體上隨年際變化而呈上升趨勢，傾向率為2.18 mm/a。

由圖3(c)可知，隴中北部半干旱區多年ET0值為1 034.04 mm/a，比隴中南部半濕潤區ET0增加了89.81 mm/a，最小、最大值出現在1992年和2004年，最大值約為最小值的1.2倍，波動較小。由6 a移動平均ET0可知，在1980-1991年呈下降趨勢，降幅為7.7%，在1991-2015年呈上升趨勢，增幅為12%。由ET0線性趨勢線可知隴中北部半干旱區ET0整體上隨年際變化而呈上升趨勢，傾向率為2.76 mm/a。

由圖3(d)可知，河西干旱區多年ET0最小值出現在1993年，最大值出現在2013年，均值為1 143.24 mm/a，比隴中北部半干旱區ET0增加了10%，最大值約為最小值的1.16倍。由6 a移動平均ET0可知，在1980-1991年呈下降趨勢，降幅為7.0%，1991-2015年呈上升趨勢，增幅為9.9%。由ET0線性趨勢線可知河西干旱區ET0整體上隨年際變化而呈上升趨勢，傾向率為1.53 mm/a。

圖3 1980-2015年甘肅省各氣候分區ET0逐年變化、ET0線性趨勢線和6 a移動平均

3.1.2 甘肅省ET0的年際變化 圖4為1980-2015年甘肅省ET0逐年變化、線性趨勢線和6 a移動平均，分析圖4可知，甘肅省各年ET0最小值出現在1989年，最大值出現在2013年，均值為1 056.46 mm/a，最大值為最小值的1.2倍，波動較小。由6 a移動平均可知，甘肅省ET0在1980-1991年呈下降趨勢，降幅為6.5%，在1991-2015年呈上升趨勢，增幅為9.4%。由ET0線性趨勢線可知甘肅省ET0整體上隨年際變化而呈上升趨勢，傾向率為2.34 mm/a。

圖4 1980-2015年甘肅省ET0逐年變化、ET0線性趨勢線和6 a移動平均

3.2 ET0空間變化特征

為進一步揭示甘肅省ET0空間分布特征，根據甘肅省的26個國家氣象站點36 a的逐日氣象資料計算各地區多年平均ET0，利用ArcGIS 10.0的反距離權重插值法繪制了甘肅省的ET0和主要因素的分布圖，圖5為甘肅省多年平均風速、日照時數、平均氣溫和平均相對濕度空間分布圖，圖6為甘肅省1980-2015年ET0空間分布圖。

由圖6可知，甘肅省ET0總體特征為自東南向西北逐漸增加，即依次為隴南-甘南濕潤區、隴中南部半濕潤區、隴中北部半干旱區、河西干旱區，最小值為864.68 mm/a，最大值為1 309.46 mm/a。由圖5可知甘肅省多年平均風速和日照時數總體呈東南向西北逐漸增加趨勢，與ET0變化規律一致；多年平均相對濕度自東南向西北逐漸減少，在38%～75%之間變化，河西地區最小，隴中地區次之，隴南-甘南地區最大，與ET0變化趨勢正好相反；除個別站點外平均氣溫隨緯度的增加而減小，呈現自東南向西北，由盆地、河谷向高原、高山逐漸遞減，但規律不明顯，其中武都緯度高，河川、盆地相間，平均氣溫最高。綜上所述，說明甘肅省ET0空間分布受平均風速、日照時數、平均相對濕度和平均氣溫等的綜合影響。

圖5 甘肅省多年平均風速、日照時數、平均氣溫和平均相對濕度空間分布圖

圖6 1980-2015年甘肅省ET0空間分布圖

同時，可以看出甘肅省參考作物蒸發蒸騰量ET0的空間分布還受地形、植被等因素影響。從圖2甘肅省地形分布圖中可以看出甘肅省區域呈“啞鈴”狀，南北跨度大，地域遼闊、山脈交錯、地形復雜、氣候多樣，由東南部的濕潤氣候逐漸過渡到西北部的干旱氣候，自然植被自東南向西北呈現出森林-草原-荒漠的水平分布[15]，植被減少導致ET0降低，形成了甘肅省ET0自東南向西北逐漸增加的趨勢。

上述分析表明，參考作物蒸發蒸騰量ET0受多種因素的綜合影響，但每個因素在不同地區對ET0的影響程度不盡相同。位于甘肅西北部的河西干旱區地勢平坦，綠洲與沙漠、戈壁相間分布[24]，光熱充足，其多年ET0值在1 060.96～1 231.14 mm/a之間波動，明顯高于其他區域，這主要是因為河西干旱區是甘肅省平均風速最大的地區，導致平均相對濕度最小，故多年ET0最大；位于東南部的隴南-甘南濕潤區多年ET0值在840.15～1 020.50 mm/a之間波動，明顯低于其他區域，主要原因是該區域日照時數偏低，且甘南地區地勢高，氣候濕潤，導致該區域ET0最小。

3.3 ET0時空變化影響因素的偏相關分析

為進一步探討甘肅省參考作物蒸發蒸騰量時空變化規律形成的原因，對影響ET0的氣象因子進行了偏相關分析，由表1甘肅省各氣象站點日參考作物蒸發蒸騰量ET0與各氣象因子的偏相關系數和顯著性結果可知，26個站點的ET0與日平均風速U均表現為極顯著正相關，偏相關系數在0.225～0.802之間，均值為0.682，表明甘肅省日平均風速U對ET0影響很大；各站點ET0與日照時數N均表現為極顯著正相關，偏相關系數在0.317～0.834之間，均值為0.617，表明甘肅省日照時數N對ET0影響也較為顯著；各站點ET0與日最高氣溫Tmax均表現為極顯著正相關，偏相關系數在0.228～0.496之間，均值為0.383，表明甘肅省日最高氣溫Tmax對ET0影響較大；各站點ET0與平均相對濕度RH均表現為極顯著負相關，偏相關系數在-0.669～-0.080之間，均值為-0.350，表明甘肅省平均相對濕度RH對ET0影響較大；除榆中、平涼2站的ET0與日平均氣溫Tmean表現為顯著負相關，山丹、永昌、合作表現為不顯著相關，其他21個站點均表現為極顯著正相關，偏相關系數在-0.01～0.141之間，均值為-0.075，表明甘肅省日平均氣溫Tmean對ET0影響很??；除榆中、平涼和岷縣3站的ET0與日最低氣溫Tmin表現為不顯著相關，其中榆中和平涼表現為不顯著負相關，岷縣為不顯著正相關，其他23個氣象站點均表現為極顯著正相關，偏相關系數在-0.059～0.257之間，均值為0.12，表明甘肅省日最低氣溫Tmin對ET0影響較小。

表1 甘肅省各氣象站點日參考作物蒸發蒸騰量ET0與各氣象因子的偏相關系數和顯著性

注：*為顯著，?=0.05；**為極顯著，?=0.01。

總體分析表明，甘肅省的ET0與日平均風速U、日照時數N、日最高氣溫Tmax、日最低氣溫Tmin、日平均氣溫Tmean均表現為極顯著正相關，與平均相對濕度RH表現為極顯著負相關。影響甘肅省整體ET0的氣象因子的順序為：日平均風速U>日照時數N>日最高氣溫Tmax>平均相對濕度RH>日最低氣溫Tmin>日平均氣溫Tmean。而對甘肅省各分區統計可得出，影響隴南-甘南濕潤區ET0的氣象因子的順序為：日照時數N>日平均風速U>日最高氣溫Tmax>平均相對濕度RH>日最低氣溫Tmin>日平均氣溫Tmean；影響隴中南部半濕潤區ET0的氣象因子的順序為：日照時數N>日平均風速U>平均相對濕度RH>日最高氣溫Tmax>日最低氣溫Tmin>日平均氣溫Tmean；影響隴中北部半干旱區ET0的氣象因子的順序為：日平均風速U>日照時數N>日最高氣溫Tmax>平均相對濕度RH>日最低氣溫Tmin>日平均氣溫Tmean；影響河西干旱區ET0的氣象因子的順序為：日平均風速U>日照時數N>日最高氣溫Tmax>平均相對濕度RH>日最低氣溫Tmin>日平均氣溫Tmean。

4 結 論

(1)隴南-甘南濕潤區、隴中南部半濕潤區、隴中北部半干旱區和河西干旱區的多年ET0值依次增加，從937.14 mm/a上升至1 143.24 mm/a；各區域的ET0值在1980-1991年呈下降趨勢，1991-2015年上升趨勢，但總體為上升趨勢，其中隴南-甘南濕潤區傾斜率最大，上升趨勢最顯著；甘肅省ET0的空間分布總體自東南向西北逐漸增加，且變化程度較明顯，最小值與最大值相差440.34 mm/a。

(2)甘肅省的ET0與日平均風速U、日照時數N、日最高氣溫Tmax、日最低氣溫Tmin、日平均氣溫Tmean均表現為極顯著正相關，與平均相對濕度RH表現為極顯著負相關。

(3)影響甘肅省及各分區ET0的氣象因子順序分別為，甘肅?。篣>N>Tmax>RH>Tmin>Tmean；隴南-甘南濕潤區：N>U>Tmax>RH>Tmin>Tmean；隴中南部半濕潤區：N>U>RH>Tmax>Tmin>Tmean；隴中北部半干旱區和河西干旱區：U>N>Tmax>RH>Tmin>Tmean。即平均風速和日照時數是對ET0變化影響最大的因素，與段春鋒等[3]對西北地區ET0主要影響因素研究結果相近。

氣候變暖和農業水資源缺口不斷增大，使得農業水資源的科學利用成為研究熱點，而模擬和預測氣候變化對ET0的影響可為農業水資源高效利用和農業種植結構調整提供理論支撐和科學指導。甘肅省地處西部欠發達地區，農業在國民經濟中的地位不容忽視，科學地分析甘肅省ET0的時空分布特征，可為甘肅省農業供給結構優化、農業發展方式轉變、農作物的空間布局優化、農業生態環境保護提供科學依據。同時，有助于合理分配甘肅省有限的水資源，緩解水資源短缺和分布不均衡的問題，促進甘肅省農業的發展。

本文初步探究了甘肅省和各分區現狀ET0及其時空分布規律，但并未涉及氣候變化條件下甘肅省ET0的預測工作，在后續的研究中本團隊將對氣候變化條件下的甘肅省ET0變化開展研究。