白洋淀西部平原參考作物騰發(fā)量長期變化趨勢及其成因

高惠嫣，朱 睿，劉宏權(quán)，杜秀萍，陳任強(qiáng)，柴春嶺

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北保定 071001；2.保定市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，河北保定 071000）

0 引 言

根據(jù)IPCC 第五次評估報(bào)告，全球地表持續(xù)升溫，1880-2012年全球平均溫度升高0.85 ℃［1］。中國氣候變化的趨勢與全球氣候變化趨勢基本一致，近50 a 平均地表氣溫增溫速率接近0.22 ℃/10 a［2］。華北平原1960-2013年平均溫度整體呈現(xiàn)顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.23 ℃/10 a［3］。隨著氣候變化和人類活動的影響，蒸散發(fā)的變化受到的關(guān)注也越來越多［4-12］。黃河流域［13，14］、淮河流域［15，16］、海河流域［17，18］、長江流域［19］等地ET0的變化分析結(jié)果表明，不同地區(qū)蒸散發(fā)的變化形式及其成因都不盡相同。Mann-Kendall（MK）趨勢檢驗(yàn)法［20，21］是非參數(shù)檢驗(yàn)，不需要待檢序列服從某一概率分布。該方法是目前氣象水文領(lǐng)域進(jìn)行趨勢判斷的主要方法，在蒸散發(fā)量、溫度、日照、降水、徑流等氣象水文要素時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用較廣［16，18，22-29］。

白洋淀流域位于華北平原中部，地勢西高東低，由大清河山區(qū)和大清河淀西平原組成。潴龍河、孝義河、唐河、清水河、漕河、瀑河等穿過淀西平原流入白洋淀。淀西平原水資源開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境狀況，直接影響流入白洋淀的水量及水環(huán)境，繼而影響雄安新區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)安全。許多學(xué)者［30-34］對白洋淀流域在氣候、生態(tài)環(huán)境、地下水位變化等方面進(jìn)行了深入研究。本文采用FAO 推薦Penman-Monteith 公式［35-38］計(jì)算了淀西平原1955-2018年逐日參考作物騰發(fā)量（Reference Evapotranspiration，ET0），分析了參考作物騰發(fā)量及其構(gòu)成項(xiàng)輻射項(xiàng)和空氣動力學(xué)項(xiàng)的長期變化規(guī)律，利用Mann-Kendall 非參數(shù)檢驗(yàn)法分析了參考作物騰發(fā)量及其主要驅(qū)動因素平均溫度、相對濕度、日照和風(fēng)速的變化趨勢，并利用偏相關(guān)分析獲得ET0和主要驅(qū)動因素之間的關(guān)系，揭示該區(qū)域氣候和蒸散發(fā)變化規(guī)律，為應(yīng)對氣候變化對農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的影響、發(fā)展旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)、促進(jìn)水資源合理開發(fā)利用、改善白洋淀水生態(tài)環(huán)境、維護(hù)雄安新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況及方法

1.1 研究區(qū)概況

淀西平原屬于海河流域大清河水系，位于白溝河、潴龍河以西，百米等高線以下的地區(qū)面積12 323 km2（見圖1）。區(qū)內(nèi)地勢平坦開闊，土層深厚，質(zhì)地良好，作物單產(chǎn)水平較高，是中國糧食主產(chǎn)區(qū)之一。典型農(nóng)作制度為冬小麥-夏玉米一年兩熟制。白洋淀流域及周邊有保定、蔚縣等7個(gè)國家基本氣象站，其中保定站位于淀西平原內(nèi)，代表性較好，地理位置東經(jīng)115°34'，北緯38°53'。保定站氣象資料來源中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/），1955-2018年逐日氣象資料包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和相對濕度等6個(gè)參數(shù)。

圖1 淀西平原位置圖Fig.1 Location map of the Dianxi Plain

1.2 計(jì)算分析方法

1.2.1 參考作物騰發(fā)量計(jì)算方法

用FAO 推薦的Penman-Monteith 公式計(jì)算逐日參考作物騰發(fā)量ET0，計(jì)算公式：

式中：ETo為參考作物騰發(fā)量，mm/d；ETrad為參考作物騰發(fā)量輻射量，mm/d；ETaero為參考作物騰發(fā)量空氣動力學(xué)量，mm/d；Rn為作物表面的凈輻射量，MJ/（m2·d）；G為土壤熱通量，MJ/（m2·d）；u2為2 m 高處日平均風(fēng)速，m/s；T為日平均氣溫，℃；r為常用的干濕表中的固定常數(shù)，kPa/℃；Δ為飽和水汽壓ea與溫度曲線的斜率，kPa/℃；ea為飽和水汽壓，kPa；ed為實(shí)際水汽壓，kPa；

1.2.2 Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)

在Mann-Kendall［39，40］檢驗(yàn)中，原假設(shè)H0為時(shí)間序列數(shù)據(jù)（x1，x2，…，xn），是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本；備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn)。對于所有的i，j≤n，且i≠j，xi和xj的分布是不相同的。定義檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S為：

式中：sign（）為符號函數(shù)。

S為正態(tài)分布，其均值為0，方 差Var(S)=n(n- 1 )( 2n+ 5 )/18。

M-K統(tǒng)計(jì)量S大于、等于、小于零時(shí)分別為：

在雙邊趨勢檢驗(yàn)中，對于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，則原假設(shè)H0是不可接受的，即在置信水平α上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。Z為正值表示增加趨勢，負(fù)值表示減少趨勢。Z的絕對值在大于等于1.28、1.64、2.32時(shí)表示分別通過了信度90%、95%、99%顯著性檢驗(yàn)。

1.2.3 非參數(shù)Mann-Kendall法突變檢測

設(shè)氣候序列為x1，x2，…，xn，Sk表示第i個(gè)樣本Xi＞Xj(1 ≤j≤i)的累計(jì)數(shù)，定義統(tǒng)計(jì)量：

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，Sk的均值和方差分別為：

將Sk標(biāo)準(zhǔn)化：

其中UF1= 0。給定顯著水平α，若|UFk|＞Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化。所有UFk可組成一條曲線。將此方法引用到反序列，把反序列xn，xn-1，…，x1表示為表示第i個(gè)樣本Xi＞Xj(1 ≤j≤i)的累計(jì)數(shù)。當(dāng)i'=n+ 1-i時(shí)，則反序列的UBk由下式給出：

式中：UB1= 0；i，i'= 1，2，…，n。

給定顯著性水平，如α=0.05，那么臨界值U0.05= ±1.96。若UFk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0 則表明呈下降趨勢。UFk在臨界線內(nèi)變動，表明變化曲線趨勢和突變不明顯，當(dāng)它們超過臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk和UBk兩條曲線在置信區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)交點(diǎn)，則交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻即為突變開始的時(shí)間，超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域；若交點(diǎn)出現(xiàn)在臨界線外或出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)，可結(jié)合其他檢驗(yàn)方法進(jìn)一步判斷是否為突變點(diǎn)。

2 結(jié)果分析

2.1 參考作物騰發(fā)量長期變化規(guī)律

2.1.1年際變化規(guī)律

用Penman-Monteith 公式計(jì)算淀西平原1955-2018年逐日參考作物騰發(fā)量，求和得到年參考作物騰發(fā)量。用M-K方法分析年參考作物騰發(fā)量長期變化趨勢和突變，具體結(jié)果見圖2～3。

圖2 1955-2018年淀西平原參考作物騰發(fā)量變化趨勢分析Fig.2 The trend and mutation analysis of ET0 during 1955-2018 in Dianxi Plain

分析圖2 可知，1955-2018年淀西平原參考作物騰發(fā)量總體呈下降趨勢。計(jì)算參考作物騰發(fā)量M-K統(tǒng)計(jì)值為-4.779 7，通過了0.01 的顯著性檢驗(yàn)，表明年參考作物騰發(fā)量降低趨勢非常明顯，ET0傾向率為-19.5 mm/10 a。1955-2018年多年平均參考作物騰發(fā)量為1 070.5 mm，參考作物騰發(fā)量變化范圍在921.2～1 238.2 mm。從參考作物騰發(fā)量突變分析圖可以知，1991年以后，參考作物騰發(fā)量UFk曲線超出界限，其下降趨勢顯著。1991-2002年UFk曲線呈現(xiàn)“V”，1996年參考作物騰發(fā)量在“V”底部，其值為970.8 mm。

參考作物騰發(fā)量由輻射項(xiàng)和空氣動力學(xué)項(xiàng)等兩項(xiàng)組成，對1955-2018年64 a 的參考作物騰發(fā)量構(gòu)成項(xiàng)、輻射項(xiàng)和空氣動力學(xué)項(xiàng)進(jìn)行了分析，多年平均輻射項(xiàng)為655.0 mm，最大值為718.0 mm，最小值為568.7 mm；多年平均空氣動力學(xué)項(xiàng)為415.1 mm，最大值為542.3 mm，最小值為242.9 mm。多年平均輻射項(xiàng)占參考作物騰發(fā)量的百分比為61.2%，年際間變化范圍54.2%～73.6%；多年平均空氣動力學(xué)項(xiàng)占參考作物騰發(fā)量的百分比為38.8%，年際間變化范圍為26.4%～45.8%，如圖3 所示。參考作物騰發(fā)量、輻射項(xiàng)和空氣動力學(xué)項(xiàng)在64年長期變化趨勢基本一致，均呈下降趨勢。參考作物騰發(fā)量下降趨勢比輻射項(xiàng)和空氣動力學(xué)項(xiàng)明顯。輻射項(xiàng)和空氣動力學(xué)項(xiàng)M-K統(tǒng)計(jì)值分別為-4.130 9 和-2.415 9，均通過了0.01 的顯著性檢驗(yàn)，表明輻射項(xiàng)和空氣動力學(xué)項(xiàng)降低趨勢顯著。

圖3 1955-2018年淀西平原參考作物騰發(fā)量、輻射項(xiàng)、空氣動力學(xué)項(xiàng)年際變化規(guī)律Fig.3 The variation regularity of ET0，ETrad and ETaero during 1955-2018 in Dianxi Plain

2.1.2年內(nèi)變化規(guī)律

分析圖4 可知，1955-2018年多年平均日參考作物騰發(fā)量年內(nèi)呈單峰曲線，多年平均值為2.9 mm/d；6月11日最大，其值為6.1 mm/d。輻射項(xiàng)年內(nèi)變化與參考作物騰發(fā)量變化趨勢相同，亦呈單峰曲線，多年平均值為1.8 mm/d；6月19日最大，其值為3.8 mm/d。空氣動力學(xué)項(xiàng)年內(nèi)變化呈雙峰曲線，兩個(gè)峰值范圍分別出現(xiàn)在4-6月和9-10月，第一個(gè)峰值為2.3 mm/d，第二個(gè)峰值為1.1 mm/d，第一個(gè)峰值比第二個(gè)大，且持續(xù)時(shí)間長。參考作物騰發(fā)量6月最大，其值為162.8 mm/月，12月最小，其值為25.0 mm/月。輻射項(xiàng)7月最大，其值107.9 mm/月；12月最小，其值為6.6 mm/月。從4月至10月以輻射項(xiàng)為主，輻射項(xiàng)占參考作物騰發(fā)量的比例53.0%～80.2%，其他時(shí)段空氣動力學(xué)項(xiàng)占的比例大些，其值為52.4%～73.6%。

圖4 參考作物騰發(fā)量、輻射項(xiàng)和空氣動力學(xué)項(xiàng)年內(nèi)變化規(guī)律Fig.4 The trend of the annual average daily ET0，ETrad and ETaero

2.2 氣象因素變化規(guī)律

采用M-K方法分析了淀西平原1955-2018年共64 a 的長期氣候變化趨勢，包括平均溫度、相對濕度、日照小時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速等，結(jié)果見表1和圖5～10。

分析表1 和圖5 可知，淀西平原年平均溫度64 a 來總體呈上升趨勢，M-K統(tǒng)計(jì)值為4.605 9，通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，表明年平均溫度增加趨勢非常明顯，溫度傾向率為0.23 ℃/10 a。多年平均溫度12.86 ℃。其中，從1955-2010年平均溫度呈明顯上升趨勢，2011年平均溫度開始下降，2012年平均溫度降低至近期最小值12.00 ℃，而后年平均溫度開始上升。每10 a 平均溫度變化范圍是-0.97～0.77 ℃。溫度上升期也是我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期，20 世紀(jì)80年代以后我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，平均溫度不斷升高；近期隨著對生態(tài)環(huán)境的關(guān)注，經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策的調(diào)整，平均溫度開始震蕩下降，人類活動是平均溫度變化的重要影響因素。由UF（k）和UB（k）兩條曲線交點(diǎn)的位置可以確定淀西平原年平均溫度突變的位置，具體年份是1985年。1985年以后平均氣溫增加趨勢非常明顯，2008年以后年平均氣溫出現(xiàn)下降趨勢，2012年平均溫度局部最小值12.00 ℃，而后平均氣溫開始比較平穩(wěn)。1992-2018年UF（k）曲線超出臨界線范圍，即出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域，該時(shí)段平均氣溫上升趨勢顯著。突變分析結(jié)果與趨勢分析相同。

表1 1950-2018年淀西平原氣象因素M-K統(tǒng)計(jì)值Tab.1 M-K value of meteorological factors in Dianxi Plain

圖5 1955-2018年淀西平原平均溫度變化趨勢分析Fig.5 The trend and mutation analysis of mean annual temperature during 1955-2018 in Dianxi Plain

由表1 和圖6 可知，淀西平原年平均相對濕度64 a 來總體呈下升趨勢，M-K統(tǒng)計(jì)值為-2.207 4，通過了0.05 的顯著性檢驗(yàn)，表明年平均濕度降低趨勢明顯，濕度傾向率為-0.58%/10 a。多年平均相對濕度為61.69%，1964年平均相對濕度最大，其值為76.22%。每10 a平均相對濕度增大和減小交替變化，但變幅較小，最大-3.27%。由UF（k）和UB（k）兩條曲線交點(diǎn)的位置可以確定淀西平原年平均濕度突變的位置，具體年份是1979年。1995年以后，UF（k）曲線超出臨界線，表明1995年以后年平均濕度下降趨勢顯著，到2010年達(dá)到局部小值，該年平均濕度為53.46%，而后平均濕度開始上升。

圖6 1955-2018年淀西平原相對濕度變化趨勢分析Fig.6 The trend and mutation analysis of mean relative humidity during 1955-2018 in Dianxi Plain

由表1 和圖7 可知，淀西平原年日照小時(shí)數(shù)64 a 來總體呈下升趨勢，M-K統(tǒng)計(jì)值為-7.103 0，通過了0.01 的顯著性檢驗(yàn)，表明年日照小時(shí)數(shù)降低趨勢非常明顯，日照時(shí)數(shù)傾向率-138.85 h/10 a。多年平均日照小時(shí)數(shù)為2 427.90 h，20世紀(jì)80年代，年日照小時(shí)數(shù)最高，其值為2 659.01 h/a，而后呈階梯狀下降，每10 a平均下降256.75 h。1990年后，UFk曲線超出界限，表明1990年以后年日照時(shí)數(shù)下降趨勢顯著。

圖7 1955-2018年淀西平原年日照時(shí)數(shù)變化趨勢分析Fig.7 The trend and mutation analysis of annual sunshine hours during 1955-2018 in Dianxi Plain

由表1 和圖8 可知，淀西平原年平均風(fēng)速64 a 來總體呈下降趨勢，M-K統(tǒng)計(jì)值為-4.484 3，通過了0.01 的顯著性檢驗(yàn)，表明年平均風(fēng)速降低趨勢非常明顯，風(fēng)速傾向率為-0.09 m/s/10 a。多年平均風(fēng)速為2.04 m/s，1955年風(fēng)速最大，其值為2.51 m/s。20世紀(jì)70年代以前，每10 a平均風(fēng)速呈上升趨勢；70年代以后，每10年平均風(fēng)速呈階梯狀下降；2010 以后，年平均風(fēng)速有所回升，其值為2.02 m/s。由UFk和UBk兩條曲線交點(diǎn)的位置可以確定淀西平原年平均風(fēng)速突變的位置，具體年份是1981年。1987年以后，UFk曲線超出界限，表明1987年以后平均風(fēng)速下降趨勢顯著。

圖8 1955-2018年淀西平原平均風(fēng)速變化趨勢分析Fig.8 The trend and mutation analysis of average wind speed during 1955-2018 in Dianxi Plain

2.3 參考作物騰發(fā)量與氣象因素的關(guān)系

采用SPSS19.0 軟件，分析了淀西平原1955-2018年逐日參考作物騰發(fā)量與日平均溫度、相對濕度、平均風(fēng)速以及日照時(shí)數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，樣本數(shù)量為23 376 個(gè)，非缺失值例數(shù)23 376，其他結(jié)果見表2。

表2 參考作物騰發(fā)量與氣象因素偏相關(guān)性分析結(jié)果Tab.2 Correlation analyses of ET0 and meteorological factors

由表2可知，在相對濕度、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速作為控制變量的條件下，參考作物騰發(fā)量與平均溫度偏相關(guān)系數(shù)0.909，自由度為23 371，顯著性檢驗(yàn)P值為0，說明參考作物騰發(fā)量與平均溫度呈線性正相關(guān)，而且具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系；在平均溫度、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速作為控制變量的條件下，參考作物騰發(fā)量與相對濕度偏相關(guān)系數(shù)為-0.371，自由度23 371，顯著性檢驗(yàn)P值為0，參考作物騰發(fā)量與相對濕度呈線性負(fù)相關(guān)，而且相關(guān)關(guān)系較強(qiáng)；在平均溫度、相對濕度和平均風(fēng)速作為控制變量的條件下，參考作物騰發(fā)量與日照時(shí)數(shù)偏相關(guān)系數(shù)0.608，自由度23 371，顯著性檢驗(yàn)P值為0，說明在該條件下兩者之間線性正相關(guān)性更強(qiáng)；在平均溫度、相對濕度和日照時(shí)數(shù)為控制變量的條件下，參考作物騰發(fā)量與平均風(fēng)速偏相關(guān)系數(shù)0.534，自由度23 371，顯著性檢驗(yàn)P值為0，說明兩者實(shí)際相關(guān)性更強(qiáng)一些。

從偏相關(guān)分析來看，參考作物騰發(fā)量與平均溫度、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速呈線性正相關(guān)，相關(guān)性由強(qiáng)到弱排序依次為平均溫度、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速；參考作物騰發(fā)量與相對濕度呈線性負(fù)相關(guān)。1955-2018年淀西平原平均溫度增加顯著，傾向率為0.23 ℃/10 a；日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和相對濕度均呈顯著下降趨勢，日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和相對濕度的傾向率分別為-138.85 h/10 a 和-0.09 m/（s·10 a-1）和-0.58%/10 a。近64 a 參考作物騰發(fā)量呈顯著下降趨勢，傾向率為-19.5 mm/10 a，參考作物騰發(fā)量與平均溫度呈相悖關(guān)系，在淀西平原“蒸發(fā)悖論”［24，41-42］也存在。淀西平原參考作物騰發(fā)量下降的主要原因是日照時(shí)數(shù)減少和平均風(fēng)速降低。

3 研究結(jié)論

采用FAO 推薦的Penman-Monteith 計(jì)算了淀西平原1955-2018年逐日參考作物騰發(fā)量，并分析了參考作物騰發(fā)量ET0及其構(gòu)成項(xiàng)輻射項(xiàng)ETrad和空氣動力學(xué)項(xiàng)ETaero年際和年內(nèi)變化規(guī)律。采用M-K方法分析了參考作物騰發(fā)量及其主要驅(qū)動因素平均溫度、相對濕度、日照和風(fēng)速等氣象因素的長期變化趨勢及突變情況。在此基礎(chǔ)上分析了氣候變化對參考作物騰發(fā)量的影響，為應(yīng)對該區(qū)域氣候變化對農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的影響、發(fā)展旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)減少水資源開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。主要結(jié)論如下。

（1）1955-2018年近64 a 淀西平原參考作物騰發(fā)量總體呈下降趨勢，M-K統(tǒng)計(jì)值為-4.779 7，通過了0.01 的顯著性檢驗(yàn)，表明年參考作物騰發(fā)量降低趨勢非常明顯，ET0傾向率為-19.5 mm/10 a。多年平均日參考作物騰發(fā)量年內(nèi)呈單峰曲線，多年平均值為2.9 mm/d；從4月至10月以輻射項(xiàng)為主，輻射項(xiàng)占參考作物騰發(fā)量的比例53.0%～80.2%，其他時(shí)段空氣動力學(xué)項(xiàng)占的比例大些。

（2）采用M-K方法分析了淀西平原64 a長期氣象因素的變化趨勢和突變情況。淀西平原多年平均溫度12.86 ℃，平均溫度呈顯著上升趨勢；多年平均相對濕度、日照小時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速分別為61.69%、2 427.90 h和2.04 m/s，3個(gè)因素總體均呈下降趨勢，且下降趨勢非常明顯。

（3）從偏相關(guān)分析來看，參考作物騰發(fā)量與平均溫度、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，相關(guān)性由強(qiáng)到弱排序依次為平均溫度、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速；參考作物騰發(fā)量與相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)。近64 a 淀西平原平均溫度增加顯著，平均溫度傾向率為0.23 ℃/10 a；日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速均呈顯著下降趨勢，日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速傾向率分別為-138.85 h/10 a 和-0.09 m/（s·10 a-1）；考作物騰發(fā)量呈顯著下降趨勢，傾向率為-19.5 mm/10 a，其主要原因是顯著下降的日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速。 □