塔里木河流域潛在蒸散發特征分析

王婷婷，劉冬燕，蔡玙瀟

(上海師范大學 環境與地理科學學院，上海 200233)

1 引言

潛在蒸散發(potentialevapotranspiration，ET0)指下墊面供水條件不受限制時的蒸發量[1]，作為蒸散發的理論上限，是流域水文循環和能量循環的重要組成部分，是流域干濕情況的決定因子之一[2，3]。研究表明，全球60%的降水以蒸散發的形式再次回到大氣[4]，對研究區的潛在蒸散發特征進行深入研究，可更好地理解氣候對水文的影響過程從而分析潛在蒸散發變化的原因，對實現水資源的科學管理有重要的意義。目前，常用Hargreaves[5]、Priestley-Taylor[6]、Hamon[7]、Thomthwaite[8]、Rohwer[9]、Penman-Monteith方法[1]來估算潛在蒸散發。其中世界糧農組織(FAO)推薦的Penman-Monteith方法具有廣泛的適用性，在干旱半干旱地區的蒸散發計算中具有較高的精度[10]。20世紀90年代以來氣候變化和人類活動對其水文循環過程產生了劇烈影響，深入了解ET0的時空變化特征對塔里木河流域水資源的合理配置有重要意義。

2 研究區概況

塔里木河流域位于新疆南部，塔克拉瑪干沙漠北部，四周為山地，介于北緯34°20′～43°39′，東經71°39′～93°45′(圖1)，流域的面積達103萬km2，約為新疆面積的61.27%。塔里木河流域遠離海洋，年降水量小于120 mm[11]，具有典型的大陸性氣候特征[12]。

圖1 塔里木河流域氣象站分布

3 數據來源與方法

3.1 數據來源

本文在中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)下載了流域及周邊40個氣象站1970～2019年氣象數據。塔里木河流域數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)及氣象站點分布情況如圖1所示。根據逐日氣象數據計算日潛在蒸散發量，再統計月、季節、年尺度的潛在蒸散發，并通過ArcGIS對各站點數據進行插值得到塔里木河流域潛在蒸散發的時空特征。

3．2 方法

3.2.1 潛在蒸散發的計算方法

本文采用Penman-Monteith方法計算潛在蒸散發，其計算公式為：

(1)

式(1)中：ET0表示潛在蒸散發量，mm/d；Rn表示凈輻射,MJ/(mm2·d)；Δ表示飽和水汽壓斜率，kPa/℃；G表示土壤通熱量，MJ/mm2·d；λ表示汽化潛熱，MJ/kg；γ表示干濕常數，kPa/℃；T表示平均溫度,℃；U2表示兩米高風速，m/s;es表示飽和水氣壓，kPa；ea表示實際水氣壓，kPa。

3.2.2 數理統計分析方法；

本文采用反距離加權法(Inverse distance weighting，IDW)[13]對塔里木河流域40個站點的潛在蒸散發值進行空間插值得到塔里木河流域潛在蒸散發分布變化的空間特征，采用Man-Kendall趨勢檢驗法(MK)[14]分析塔里木河流域1970～2019年潛在蒸散發時空變化特征及顯著性變化，并運用Pearson相關性分析不同站點蒸散發與氣象因素之間的關系。

4 結果與分析

4.1 潛在蒸散發時間特征

如圖2所示，塔里木河流域1970～2019年ET0多年平均值為1169.89 mm,波動范圍為1061.45～1244.82 mm，總體上呈現下降趨勢，下降速率為0.58 mm/a，階段變化表現為先減少后增加的特點,轉折點為1993年，1970～1993年以5.58 mm/a的速率呈減少趨勢，1993～2019年以4.03 mm/a的速率呈上升趨勢。對塔里木河流域季節尺度潛在蒸散量的變化趨勢進行分析，如圖3所示，季節上，流域多年潛在蒸散量表現為夏季>春季>秋季>冬季，流域夏季、春季和秋季ET0呈下降趨勢,冬季呈上升趨勢。

圖2 塔里木河流域年潛在蒸散發

4.2 潛在蒸散發空間分布特征

塔里木河流域1970～2019年ET0的空間分布規律如圖4和圖5所示。由圖4可知，流域ET0空間差異較為明顯，總體表現為東高西低,多年平均蒸散量最大的站為七角井站(1893.333 mm),最小量為巴音布魯克站(665.723 mm)，有11個站點蒸散發達到了1200 mm以上，主要分布在流域東部。在季節分布上，由圖5可知，四個季節潛在蒸發量的空間分布也有所不同，其中，春季與秋季潛在蒸散發空間分布相似，表現為東部和南部蒸散發量較大。春季潛在蒸散發量在199.52～475.08 mm之間，平均值為371.65 mm；秋季潛在蒸散發量在127.59～303.05 mm之間，平均值為240.12 mm。夏季除西北阿圖什地區外，其余蒸散發量大的站點主要在流域東部，夏季潛在蒸散發量在320.01～754.71 mm之間，平均值為590.86 mm；冬季則主要表現為南部區域蒸發量比北部區域大，潛在蒸散發量在19.75～91.08 mm之間，平均值為67.75 mm。

圖3 塔里木河流域季節潛在蒸散發

圖4 塔里木河流域潛在蒸散發年空間分布

4.3 潛在蒸散發變化趨勢

圖6和圖7為運用Mann-Kendall趨勢檢驗法計算出的塔里木河流域潛在蒸散發多年和各季節的趨勢變化。由圖6可知，在變化的空間分布中，年尺度和4個季節尺度的分布均表現為流域東北和西部呈增加趨勢，中部呈減少趨勢。在年尺度上，流域潛在蒸散發整體呈下降趨勢，潛在蒸散發下降的站點多于增加的站點，23個站點年潛在蒸散發呈減少趨勢，17個呈增加趨勢。其中，有15個站點減少趨勢顯著(p<0.05)，12個站點增加趨勢顯著。季節趨勢變化上，春季有18個站點呈上升趨勢，其中13個站點ET0增加趨勢顯著(p<0.05)，12站點減少趨勢顯著；夏季有17個站點呈增加趨勢，23個站點呈減少趨勢，在增加的站點中，8個增加顯著，顯著減少的站點有17個；秋季和冬季呈增加趨勢的站點分別有18和21個，其中顯著增加的均為10個。顯著下降的點，冬季有5個,秋季為14個。

圖5 塔里木河流域潛在蒸散發季節空間分布

圖6 塔里木河流域潛在蒸散發年空間變化特征

4.4 影響因素分析

以往研究顯示，不同區域ET0與氣象因子之間的關系也會存在不同[14～16]。本文通過站點ET0與氣象因子的相關關系，對塔里木河流域潛在蒸散發變化的影響因素進行分析。如表1所示，在月尺度上，塔里木河流域潛在蒸散發量與風速、溫度、太陽輻射和日照時數存在正相關關系，其中與太陽輻射相關系數最大。潛在蒸散發與氣壓、相對濕度存在顯著負相關關系。

圖7 塔里木河流域潛在蒸散發季節空間變化特征

表1 塔里木河流域潛在蒸散發與氣象因子相關系數

5 結語

(1)近50年來，塔里木河流域潛在蒸散發呈減少趨勢(0.58 mm/a)，存在蒸發悖論現象，這與高歌等[17]和劉敏等[18]研究的中國潛在蒸散發減少趨勢有相似的結論。階段呈先下降后上升的趨勢，潛在蒸散發時空差異明顯。

(2)在季節上，塔里木河流域潛在蒸散發春季、夏季和秋季呈下降趨勢，冬季呈增加趨勢。

(3)塔里木河領流域潛在蒸散發與氣象因子存在顯著的相關性，尤其是太陽輻射和溫度與潛在蒸散發相關性最為顯著。