1982—2019年河北省寬城縣潛在蒸散量變化特征

唐麗彬 劉勝堯 韓翔洋 董澤亮 朱自平

摘??? 要：以河北省寬城縣1982—2019年日氣象數據為基礎，利用Penman-Monteinl方程對該區域近38年來潛在蒸散量的變化規律進行計算并分析。結果表明，寬城縣潛在蒸散量的年變化和各季變化均呈增加趨勢，除夏季外，年和其他各季的潛在蒸散量增加趨勢明顯;潛在蒸散量的年、季變化均發生了時間序列變化上的突變，除夏季外，年際和其他季節的突變顯著;潛在蒸散量的年變化存在8～12 a的周期性變化規律，夏季潛在蒸散量的變化存在8～10 a的周期性變化規律，其他季節潛在蒸散量的周期性變化不明顯。河北省寬城縣潛在蒸散量的增加將進一步增加作物對灌溉量的需求，這需要引起河北省寬城縣農業管理人員對合理灌溉的進一步重視。

關鍵詞：潛在蒸散量;趨勢變化;Mann-Kendall突變檢驗;Morlet小波分析

中圖分類號：S161?????? 文獻標識碼：A????? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.02.017

Variation Characteristics of Potential Evapotranspiration in Kuancheng County， Hebei Province from 1982 to 2019

TANG Libin1， LIU Shengyao2， HAN Xiangyang3， DONG Zeliang3， ZHU Ziping4

（1.Kuancheng Manchu Autonomous County Meteorological Bureau， Chengde， Hebei 067600， China;2. Agricultural Information and Economic Research Institute， Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Shijiazhuang， Hebei 050051， China;3.Xinji Meteorological Bureau， Xinji， Hebei 052360， China;4. Langfang Academy of Agricultural and Forestry Sciences， Langfang， Hebei 065000， China）

Abstract： According to the daily meteorological data from 1982 to 2019 in Kuancheng County， Hebei Province， the variation of potential evapotranspiration in the region in recent 38 years were calculated and analyzed through Penman-Monteinl equation. The results showed that the annual and seasonal variations of potential evapotranspiration in Kuancheng County had an increasing trend， the variations were obvious except summer. The annual and seasonal variations of potential evapotranspiration had abrupt changes in time series， and the abrupt changes were significant except for summer. The annual variation of potential evapotranspiration showed a periodic variation pattern of 8-12 years， and that of potential evapotranspiration in summer showed a periodic variation pattern of 8-10 years， while the periodic variation pattern of potential evapotranspiration in other seasons was not obvious. The increase of potential evapotranspiration in Kuancheng County of Hebei Province will further increase the demand of crop irrigation amount， which requires the agricultural management personnel to pay more attention to rational irrigation.

Key words： potential evapotranspiration;trend change;Mann-Kendalltest;Morlet wavelet analysis

潛在蒸散量是指在供水條件充足下的區域蒸散能力[1]。目前，該項指標已被廣泛應用于農田灌溉、作物需水量等水資源管理的研究[2-3]中，對農業生產的管理具有重要的指導意義。在潛在蒸散量模型的研究中，毛飛等[4]利用3種潛在蒸散模型在泰安和西峰兩地做了對比分析，認為世界糧農組織（FAO）推薦的彭曼-蒙蒂斯（Penman- Monteith）模型具有很好的適用性。高歌等[5]采用世界糧農組織推薦的彭曼-蒙蒂斯公式，對中國十大流域近45年的潛在蒸散量變化趨勢進行了分析，認為近45年中除松花江流域外，全國絕大多數流域的年和四季的潛在蒸散量均呈現減少趨勢。李鵬飛等[6]利用京津冀地區22個氣象站1960—2010年逐日的氣象要素觀測資料，采用彭曼-蒙蒂斯公式計算該地區近50年逐日的潛在蒸散量，認為京津冀地區潛在蒸散量的減少，緩解了一部分干旱化的趨勢。

河北省寬城滿族自治縣（以下簡稱寬城縣）位于河北省東北部，承德市東南部，地理位置在北緯40°17′至40°45′和東經118°10′至119°10′之間，屬于暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風型燕山山地氣候。該地四季分明、雨熱同季，獨特的地質地貌和氣候特征促生了高品質蘋果和高品質板栗，是優質蘋果和板栗生產地。針對該縣農業生產對灌溉的需求，同時結合當前不同作物需水量的研究進展，本文以潛在蒸散量作為研究對象，分析討論了1982—2019年寬城縣潛在蒸散量的變化規律，以期為該地農業灌溉提供定量的理論指導。

1 材料和方法

1.1 資料來源

本文采用寬城縣氣象局氣象觀測站（東經：118°29′，北緯：40°36′，海拔高度：304.7 m）1982—2019年的日氣溫（含最高、最低）、降水、日照、風速、相對濕度等氣象觀測數據進行模型的統計計算，按照3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月至次年2月為冬季的劃分方式進行季節的劃分。

1.2 研究方法

1.2.1 模型公式的選取 采用世界糧農組織推薦的作物需水量計算指南（FAO-56）中建議的彭曼-蒙蒂斯（Penman-Monteinl）潛在蒸散量公式[8]作為模型計算公式：

ETo=■（1）

式中，ETo是潛在蒸散量;Rn是冠層凈輻射;G是土壤熱通量，其數值在本文忽略不計[9];T是日平均氣溫;es是飽和水汽壓;ea是實際水汽壓;△是飽和水汽壓-氣溫關系曲線在T處的切線斜率;γ是濕度計常數;U2是2 m高處的日平均風速。所有的參數依據作物需水量計算指南（FAO-56）[8]中關于潛在蒸散量各參數的介紹公式進行數據程序編寫，程序計算軟件采用Microsoft Excel2003的宏編程。

1.2.2 分析方法 利用趨勢方程進行趨勢變化分析，方程式：

Y=ax+b（2）

式中，y為樣本數為x的變量;a為趨勢系數;b為趨勢常數。趨勢傾向由趨勢系數a的正負反映，a的數值為正，表明變量y呈上升趨勢，a為負，表明變量y呈下降趨勢。a值的大小反映了變量y變化趨勢的速率[10-11]。

利用Mann-Kendall突變檢驗（以下簡稱M-K突變檢驗）進行時間序列的突變分析。M-K法是一種非參數統計檢驗方法，是將具有n個樣本量的時間序列構造一個秩序列，通過正算和反算的形式得到UB和UF兩個時間序列，UB或者UF的正負表示了上升或下降趨勢，如它們超過了由顯著性檢驗確定的臨界值（本文設定0.05的顯著性檢驗，值為

±1.96），表明趨勢明顯，如果兩者在臨界值范圍內存在交點，則其對應的時間即為突變開始的時間[10-11]。

用Morlet小波進行季節、年際的周期變化分析。小波分析的思想和公式源于傅立葉分析，是對傅立葉分析方法的突破性發展[10-11]，通過對計算圖像的正負閉合曲線的分析，確定周期變化特征。

利用Microsoft Excel 2003進行趨勢變化分析，利用SPSS軟件進行數據的相關性分析，利用Fortran軟件進行M-K突變檢驗分析和Morlet小波分析。

2 結果與分析

2.1 潛在蒸散量的趨勢變化

1982—2019年寬城縣潛在蒸散量多年平均值為860.6 mm，最高出現2017年，值為1 033.8 mm，最低出現在2006年，值為755.9 mm，該縣多年年潛在蒸散量隨時間序列的變化呈增加趨勢，趨勢變化量為3.238 7 mm·a-1，近38年來趨勢增加量增加了123.1 mm，趨勢變化通過了0.01的顯著性檢驗（圖1-A），趨勢增加明顯。

在潛在蒸散量的季節變化中，1982—2019年寬城縣春季潛在蒸散量的多年平均值為286.6 mm，最高出現2017年，值為374.2 mm，最低出現在2007年，值為250.2 mm，多年春季潛在蒸散量隨時間序列的變化呈增加趨勢，趨勢變化量為1.351 1 mm·a-1，近38年來趨勢增加量增加了51.3 mm，趨勢變化通過了0.01的顯著性檢驗（圖1-B），增加趨勢明顯;夏季潛在蒸散量的多年平均值為360.4 mm，最高出現2016年，值為394.5 mm，最低出現在2006年，值為320.9 mm，多年夏季潛在蒸散量隨時間序列的變化呈增加趨勢，趨勢變化量為0.331 5 mm·a-1，近38年來趨勢增加量增加了12.6 mm，趨勢變化沒有通過0.05的顯著性檢驗（圖1-C），增加趨勢不明顯;秋季潛在蒸散量的多年平均值為154.3 mm，最高出現2019年，值為207.5 mm，最低出現在2003年，值為137.7 mm，多年秋季潛在蒸散量隨時間序列的變化呈增加趨勢，趨勢變化量為0.774 2 mm·a-1，近38年來趨勢增加量增加了29.4 mm，趨勢變化通過了0.01的顯著性檢驗（圖1-D），增加趨勢明顯;冬季潛在蒸散量的多年平均值為59.1 mm，最高出現2019年，值為91.4 mm，最低出現在1985年，值為40.4 mm，多年冬季潛在蒸散量隨時間序列的變化呈增加趨勢，趨勢變化量為0.768 4 mm·a-1，近38年來趨勢增加量增加了29.2 mm，趨勢變化通過了0.01的顯著性檢驗（圖1-E），增加趨勢明顯。

2.2 潛在蒸散量的突變分析

對潛在蒸散量的時間序列進行M-K突變檢驗分析（圖2）。寬城縣年潛在蒸散量隨時間的變化出現了一次突變，突變時間發生在2015年，2018年UF線突破0.05水平的檢驗線，變化趨勢顯著（圖2-A）;春季潛在蒸散量隨時間變化出現了一次突變，突變時間發生在2015年，2018年UF線突破0.05水平的檢驗線，變化趨勢顯著（圖2-B）;夏季潛在蒸散量隨時間變化出現了3次了突變，突變時間發生在2015年、2018年和2019年，但UF線未突破0.05水平的檢驗線，變化趨勢不顯著（圖2-C）;秋季潛在蒸散量的隨時間變化發生了突變，突變時間發生在2016年，2016年UF線突破0.05水平的檢驗線，變化趨勢顯著（圖2-D）;冬季潛在蒸散量隨時間的變化發生了突變，突變時間發生在2014年，2013年UF線突破0.05水平的檢驗線，變化趨勢顯著（圖2-E）。2.3 潛在蒸散量的周期變化分析

通過對寬城縣1982—2019年潛在蒸散量變化Morlet小波分析可知，寬城縣潛在蒸散量的年變化存在8～12 a的周期性變化規律（圖3-A）;春季潛在蒸散量的周期性變化不明顯（圖3-B）;夏季潛在蒸散量的3 結論與討論

本研究利用寬城縣1982—2019年的日氣象數據計算并分析了該縣近38年來潛在蒸散量的變化規律，通過分析得出結論：寬城縣潛在蒸散量的年變化、各季變化均呈增加趨勢，除夏季外，年潛在蒸散量和其他季節潛在蒸散量的增加趨勢明顯; 寬城縣潛在蒸散量的年變化趨勢和各季變化趨勢均發生了突變，除夏季外，年和其他各季變化趨勢顯著; 寬城縣潛在蒸散量的年變化存在8～12 a的周期性規律;夏季存在8～10 a的周期性規律;春季、秋季、冬季的周期性規律不明顯。

通過計算發現，寬城縣的潛在蒸散量整體呈增長的趨勢，這與趙玲玲等[12]的認為“北京1951—2009年年均潛在蒸散量呈顯著上升趨勢”的結論相近。潛在蒸散量的增加會在一定程度上增加地表的干燥程度，從而加重作物對灌溉量的需求，此外，寬城縣潛在蒸散量主要的增幅出現在2018年以后，這需要引起寬城縣農業管理人員對合理灌溉的進一步重視。

參考文獻：

[1] 劉昌明， 孫睿. 水循環的生態學方面： 土壤—植被—大氣系統水分能量平衡研究進展[J]. 水科學進展， 1999， 10（3）： 251-259.

[2] PETERSON T C， GOLUBEV V S， GROISMAN P Y. Evaporation losing its strength[J]. Nature， 1995， 377： 687-688.

[3] LIU C， ZENG Y. Changes of Pan evaporation in the recent 40 years in the Yellow River Basin[J]. Water International， 2004， 29（4）： 510-516.

[4] 毛飛， 張光智， 徐祥德. 參考作物蒸散量的多種計算方法及其結果的比較[J]. 應用氣象學報， 2000， 11（Z1）： 128-136.

[5] 高歌， 陳德亮， 任國玉， 等. 1956～2000年中國潛在蒸散量變化趨勢[J]. 地理研究， 2006， 25（3）： 378-387.

[6] 李鵬飛， 劉文軍， 趙昕奕. 京津冀地區近50年氣溫、降水與潛在蒸散量變化分析[J]. 干旱區資源與環境， 2015， 29（3）： 137-143.

[7] 劉鈺， PEREIRA L S. 對FAO推薦的作物系數計算方法的驗證[J]. 農業工程學報， 2000， 16（5）： 26-30.

[8] ALLEB R G， PEREIRA L S， RAES D， et al. Cropevapotranspiration guidelines for computing crop requirements. FAO Irrig. Drain. Report modeling and application[J]. Journal of Hydrology， 1998， 285：19-40.

[9] 吳紹洪， 尹云鶴， 鄭度， 等. 近30年中國陸地表層干濕狀況研究[J]. 中國科學D輯， 2005， 35（3）： 276-283.

[10] 黃嘉佑. 氣象統計分析與預報方法[M]. 北京： 氣象出版社， 2004： 28-30.

[11] 魏鳳英. 現代氣候統計診斷與預測技術[M]. 北京： 氣象出版社， 1999： 69-72.

[12] 趙玲玲， 夏軍， 王中根， 等. 北京潛在蒸散發量年內-年際的氣候變化特征及成因辨識[J]. 自然資源學報， 2013， 28（11）： 1911-1921.