1959—2018年內蒙古參考作物騰發量時空變化特征分析

王 斌,喬帥帥,劉繼發

(1.廣東中灝勘察設計咨詢有限公司,廣東 肇慶 526040;2.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院,內蒙古 呼和浩特 010018;3.托克托縣新營子鎮綜合保障和技術推廣中心,內蒙古 呼和浩特 010200)

參考作物騰發量(ET0)是水文系統中的重要參數,在作物需水量估算、水文模擬、灌排設計、干旱風險和評價以及氣候變化等方面發揮著重要作用[1-3]。聯合國糧農組織將其定義為:“假設作物高度為0.12 m,反照率為0.23,冠層阻力70 s/m,相當于生長旺盛,冠層可以完全覆蓋地面,而且有充足的水分供應的開闊綠葉草地蒸散”[4]。ET0主要特點為只受氣象條件影響,不受作物品種、地表狀況和土壤水分狀況的影響[5],是一種假想狀態下的作物冠層蒸散。其次,受地域限制和氣象條件不同的影響,不同地方ET0的時空表現特征及氣象要素貢獻程度均不一致。

目前,關于計算參考作物騰發量的計算公式很多,如Thornthwaite、Hargreaves、McCloud和Penman-Monteith公式,其中Penman-Monteith的計算對氣象條件要求較高,包含了日平均氣溫,日最高氣溫、日最低氣溫、風速等較為全面的氣象要素。因此,使用Penman-Monteith計算參考作物騰發量,能夠得到較為精確的計算結果,且無論是在干旱還是濕潤的氣候環境中,此方法都較為適用[6]。在氣候變化背景下,近些年來對于參考作物騰發量和以此為基礎的作物需水和氣象干旱指標,相關學者進行了大量的研究。如佟長福等[7]利用1981—2012年逐月氣象數據計算了內蒙古不同氣候區的參考作物騰發量。湯英等[8]計算了1951—2009年寧夏自治區參考作物騰發量,多年平均值為982 mm,呈增加趨勢。溫日紅等[9]基于Penman-Monteith公式評估了1961—2015年遼寧省的全年和四季的參考作物騰發量,結果發現均呈減少的變化趨勢。聶堂哲等[10-11]通過計算以參考作物騰發量為基礎的作物需水量,分析了黑龍江省春玉米和水稻不同生育階段的有效降雨、作物需水和灌溉需水規律。張玉靜等[12]選取標準化降水蒸散指數SPEI分析了近50年來華北地區的干旱變化趨勢,結果發現隨著氣溫升高,華北平原暖干旱將進一步加劇。秦鵬程等[13]發現東北地區的干旱風險突出,地區差異性顯著。這些結果豐富了參考作物騰發量在生態環境等各方面的應用。

內蒙古地區東西跨度長,橫跨東北、華北、西北三大地理區域,植被主要以草原為主,是中國重要的畜牧業生產基地。內蒙古農業主要以旱作農業為主,隨著氣候變化的影響,內蒙古地區成為受氣候變化影響敏感的地區之一[14],而參考作物作物騰發量是研究氣候變化眾多指標的基礎。本文利用內蒙古50個氣象站點計算了內蒙古參考作物騰發量,分析了內蒙古全區及年內四季參考作物騰發量時空分布特征;在對內蒙古氣候分區的基礎上,探討了不同氣候區的參考作物騰發量年代際變化;最后分析了年際參考作物騰發量周期性變化。此研究可為內蒙古地區水資源分配及干旱風險評估提供基礎依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

內蒙古地帶狹長,位于中國北部邊疆,自東北向西南分布,介于北緯37°30′～53°20′,東經97°10′～126°29′[14](圖1)。東西長達2 400 km,南北寬約1 700 km,平均海拔為1 000 m左右。地區面積可達118.3萬km2。該地區地貌復雜,平原、山地和高原鑲嵌分布,主要以高原為主,特殊的地形地貌影響著水熱資源的分布。內蒙古屬于溫帶大陸性氣候,四季分明,春季升溫快,多風;夏季氣溫高,且短促;秋季降溫快,霜凍影響顯著;冬季寒冷且漫長,多寒潮天氣。

圖1 內蒙古地區站點分布

1.2 氣象數據

研究所需氣象數據均來自于中國氣象數據服務網(http://data.cma.cn),主要包括1959—2018年50個站點的日平均溫度(℃)、日最高溫度(℃)、日最低溫度(℃)、高程(m)、經緯度、日照時數(h)、風速(m/s)、降雨量(mm)和相對濕度(%)。其中,對缺測數據進行插補,若缺測數據小于等于5日,采用線性插值替代,若缺測數據大于5日,缺測數據采用近幾年數據的平均值代替。

1.3 參考作物騰發量(ET0)計算

對于內蒙古每個氣象站點的參考作物騰發量(Reference Crop Evapotranspiration,ET0),本文采用聯合國糧農組織(FAO)推薦的Penman-Monteith方法進行計算[4],見式(1):

(1)

式中 ET0——參照作物需水量,mm;T——計算時段內的平均氣溫,℃;Δ——飽和水汽壓-溫度曲線上的斜率,kPa/℃;Rn——太陽凈輻射,MJ/m2/d;G——土壤熱通量,MJ/m2/d;γ——溫度計常數,kPa/℃;es——飽和水汽壓,kPa;ed——實際水汽壓,kPa;U2——離地面2 m高處的平均風速,m/s。

利用ArcGIS10.2中自帶的空間分析工具對參考作物騰發量及其氣象傾斜率的空間分布進行繪制。

1.4 氣候傾斜率、變異系數和突變檢驗

本文采用一次線性方程描述ET0的時間變化趨勢[10],見式(2):

y=at+b

(2)

式中y——氣象要素的時間序列值;t——y相對應的年份;a、b——回歸系數。

以10 a表示氣象要素每10 a的變化速率,其正值表示該氣象要素呈增加趨勢,負值則表示該氣象要素呈減少趨勢。

參考作物騰發量的時間變異性采用變異系數(Cv)來表示[15]。其區間Cv≤0.1、0.1

Mann-Kendal檢驗法能很好地反映某一事物在時間尺度上的變化趨勢及突變檢驗,目前已廣泛在水文、降雨和氣溫等領域得到應用[16-18]。Mann-Kendall檢驗是一種非參數檢驗,其統計變量Z值分別大于等于1.64、2.32、2.56時,表示該要素趨勢變化通過了95.0%、99.0%和99.9%的顯著性檢驗。對于時間序列的參考作物騰發量,通過分別繪制UF、UB兩個統計量的曲線圖,其交點對應的年份則為參考作物騰發量的突變年份。

1.5 小波分析

小波分析通過對某一信號或者函數進行小波函數逼近,將時間序列分解成時域和頻域,可以用來分析氣候變化的內在結構和不同時間尺度上的周期性變化[19]。小波函數的選擇至關重要,本文采用Morlet小波函數分析內蒙古地區參考作物騰發量的周期變化,其表達式為:

φ(t)=eict·e-t2/2

(3)

式中t——復數;c——常數。

對于離散型時間序列進行Morlet小波變化,見式(4):

(4)

式中a、b——小波的周期長度和時間平移;Wf(a,b)——小波變化系數。

同時計算小波方差,確定參考作物騰發量變化的主周期,見式(5):

(5)

1.6 氣候區劃分

干燥度指數能夠綜合反映干濕氣候實際狀況。聯合國環境規劃署(UNEP)將干燥度指數指數定義為年平均降雨量與年平均潛在騰發量的比值。利用干燥度指數對內蒙古50個氣象站點進行氣候區劃分,將內蒙古大致分為特干旱氣候區(UNEP≤0.08),干旱氣候區(0.08

2 結果

2.1 參考作物騰發量時空變化

內蒙古ET0及其氣候傾斜率時空變化見圖2。由圖2a可知,在空間分布上,內蒙古全區ET0為566～1 682 mm,ET0自西向東總體表現為減少的趨勢。其中,ET0高值區主要分布在巴彥淖爾盟的海力素、阿拉善盟的阿拉善右旗、額濟納旗、吉柯德和拐子胡附近,其平均ET0在1 402 mm以上,拐子胡的ET0值最大。低值區主要分布在呼倫貝爾地區的博客圖、額爾古納、小二溝,圖里河和興安盟的阿爾山附近,其平均ET0均小于678 mm,圖里河的平均ET0最小。內蒙古ET0氣候傾向率空間分布由圖2b可知,ET0氣候傾斜率在-30～47 mm/10a。其中,包頭、集寧、達茂旗和寶國吐下降趨勢較大,其值在12 mm/10以上。上升趨勢較大的地區主要分布在錫林浩特、滿洲里、呼和浩特、海力素、拐子胡和吉柯德等地區,其值在20 mm/10a以上。空間分布上整體表現為中西部地區和東南部地區呈下降趨勢,其余地區呈上升趨勢。內蒙古ET0時間變化趨勢見圖2c,1959—2018年ET0平均值為1 018 mm,最大值為1 102 mm,出現年份為2017年。最小值為921 mm,出現年份為1959年。通過5 a滑動平均ET0可知,ET0在1959—1981年一直處于緩慢上升趨勢,ET0由921 mm上升為1 014 mm,上升幅度為10%。1981—2001年,ET0先表現為下降趨勢后表現為上升趨勢,ET0值由1 014 mm下降為958 mm之后再次上升為1 060 mm,2001年之后變化較小。1959—2018年ET0氣候傾斜率平均值為4.2 mm/10a,整體表現為上升趨勢,且趨勢顯著(p<0.01)。由變異性分析可知,ET0在時間序列上表現為弱變異性,利用Mann-Kendall對ET0進行突變檢驗,由圖2d可知,1959—1990年,UF曲線大于0,表明該時期ET0呈增加趨勢,1991—2006年UF曲線小于0,ET0呈減少趨勢,2006年之后呈增加趨勢。雖然UF曲線和UB曲線存在多個交點,但是UF曲線的上升和下降趨勢并未超過顯著水平的臨界值,因此ET0不存在突變點。

2.2 內蒙古ET0季節空間變化

內蒙古不同季節ET0空間變化見圖3。其中春季ET0空間分布見圖3a,其值范圍為185～511 mm,平均值為332 mm,低值區分布在額爾古納、阿爾山和圖里河附近,高值區主要分布在吉柯德和拐子胡附近,春季ET0約占全年ET0的33%。夏季ET0空間范圍值為285 ～750 mm,平均值為457 mm,低值區主要分布在博客圖、圖里河和阿爾山附近,高值區分布與春季相似,夏季ET0約占全年ET0的45%(圖2b)。秋季ET0空間范圍值在82～348 mm,平均ET0為189 mm,低值區主要分布在呼倫貝爾的阿爾山、小二溝、額爾古納和圖里河附近,高值區分布與春季相似,秋季ET0約占全年ET0的18%(圖2c)。冬季ET0空間分布最大值為99 mm,最小值為7 mm,平均ET0為40 mm,低值區分布在海拉爾、圖里河、小二溝和額爾古納附近,高值區主要分布在阿拉善的阿拉善左旗、吉蘭太、拐子胡和阿拉善右旗,約占全年ET0的4%。在空間分布上,除冬季外,春、夏、秋季空間分布與年值分布相似,自西向東呈減少的趨勢。其次,春、夏、秋季為作物生長主要生育期,ET0所占比例較大,約占總ET0的96%。

a)春季

2.3 不同氣候區ET0變化

內蒙古全區及不同氣候區的統計參數見表1,特干旱氣候區ET0平均值最大(1 458 mm),濕潤半濕潤氣候區ET0平均值最小(636 mm)。隨著氣候區由特干旱氣候區到濕潤半濕潤氣候區轉變,ET0呈逐漸減少的變化趨勢。不同氣候區ET0變異系數均小于0.1,變異系數較小,呈弱變異性,極差均小于0.05,年際變化不強烈。1959—2018年內蒙古不同氣候區年均ET0時間變化見圖4,特干旱氣候區ET0最大值出現在1987年,為1 562 mm,最小值出現在1996年,為1 332 mm。干旱氣候區ET0最大值為1 318 mm,出現年份為1972年,最小值為1 105 mm,出現年份為1964年。半干旱區最大值為1 074 mm,出現日期為2017年,最小值為906 mm,出現日期為1992年。干旱半濕潤氣候區ET0最大值為857 mm,出現年份為2017年,最小值為691 mm,出現年份為1960年。濕潤半濕潤氣候區ET0最大值和最小值分別為734、564 mm,出現年份分別為2007、1984年。在時間尺度上,各氣候區有較為相似的變化趨勢。

表1 內蒙古不同氣候區參考騰發量基本統計參數

圖4 內蒙古不同氣候區ET0時間變化特征

通過計算內蒙古不同氣候區1959—2018年6個年代際的累計正負距平值及年數,結果見表2,不同氣候區均在20世紀90年代末發生突變,1989—1998年累計距平值均為負值,負距平值年數為6～10 a。1999年以后至今各氣候區累計負距平再次轉為正距平值,正距平年數出現回升,為5～10 a。特干旱氣候區在1959—1969年為累計負距平,之后在1969—1988年轉為累計正距平值,在1989—1998年轉為負距平,正距平年數出現回落,之后再次轉為負距平。干旱氣候區、干旱半濕潤氣候區和濕潤半濕潤氣候區年代際變化表現較為相似,1999年之前,除干旱區外負距平累計值(64～368 mm)均大于正距平累計值,負距平出現年數為5～10 a,在此之后轉為累計正距平值。在1979年之前,半干旱氣候區累計距平均表現為正值(157～180 mm),正距平年數為5～7 a,在1979—1998年累計距平由正值轉為負值,之后再次轉為正值,正距平年數為6～7 a。

表2 內蒙古不同氣候區ET0年代際變化特征

2.4 年際ET0周期性變化

趨勢分析和突變檢驗在時間尺度上很難看出ET0周期性變化,因此對ET0進行小波分析變化見圖5,該圖清楚地表達了內蒙古近60 a ET0在時間尺度上的周期變化趨勢特點。由圖可知,ET0周期性檢驗結果明顯存在以59、24、14、7、4 a時間尺度的周期規律。其中在59 a時間尺度上少-多循環交替變化出現在1959—2018年;中心時間尺度為24 a的3次交替變化主要出現在1970—2018年;中心時間尺度為14 a的7次循環交替變化出現在1959—2018年;中心時間尺度為7、4 a時間尺度的循環交替較多,主要出現在1959—2018年。ET0小波方差圖表明在59、14、24 a周期峰值比較明顯,在7、4 a周期峰值較弱,其中在59 a處峰值最大,周期震蕩最強為第一主周期,14 a處為第二主周期,24 a處為第三主周期。這3個主周期控制著內蒙古地區ET0近60 a的變化規律。

3 結論與討論

鄭磊等[21]和佟長福等[7]分別統計了內蒙古不同時期氣象站點和不同氣候分區下的ET0,本文在此基礎上基于1959—2018年近60 a氣象資料分析了內蒙古區域ET0年和季尺度時空變化特征;分析了不同氣候區的年代際變化規律;最后分析了ET0周期性變化。與現有研究相比,增加了ET0空間趨勢變化和周期變化,同時利用統計方法分析了不同氣候區ET0的年代際變化,對ET0趨勢變化描述更為準確。通過與鄭磊等[21]相關研究進行比較,ET0最大值和最小值極差為0.01～0.05,相差較小。由于統計時段不同,不同氣候區的ET0差值為-31～18 mm,保證了該研究計算結果的正確性。主要結論如下。

a)內蒙古地區近60 a來ET0年平均值為1 018 mm,其范圍為566～1 682 mm,空間分布上自西向東表現為減少的分布趨勢,氣候傾斜率為4.22 mm/10a,整體呈顯著上升趨勢。

b)內蒙古不同季節ET0從大到小依次為:夏、春、秋、冬季。春、夏、冬季等作物生長季的總ET0約占全年總值的95%,空間分布與年值相似。

c)隨著氣候區由特干旱氣候區向濕潤半濕潤氣候區移動,ET0呈現逐漸減少的趨勢,各氣候區的變異系數較小(0.044～0.072),極值比小于0.30。特干旱氣候區年代際變化表現為累計距平值由正值轉為負值再次正值,而干旱氣候區、干旱半濕潤氣候區和濕潤半濕潤氣候區時間變化相似,表現為負值到正值再到負值的變化,半干旱氣候區則表現為由正值到負值的變化趨勢。

d)小波分析法表明在內蒙古ET0在實間尺度上存在多個周期性變化,其中,在59、14、24 a左右時間尺度上周期性最強,在7、4 a時間尺度上周期性較弱。

在氣候變化背景下,內蒙古增溫速率為0.38℃/10a,明顯高于全球變化趨勢[22-23],內蒙古濕潤氣候區范圍較小,干旱區范圍較大,氣溫升高帶來的干旱風險將進一步增大。由于空間降雨不均,導致ET0與干旱發生頻率不協調,內蒙古東部地區ET0少,干旱發生頻率高,西部地區ET0大,干旱頻率低,西部地區干旱整體呈減輕趨勢,東部地區干旱有加劇趨勢[24-25]。因此,在應對氣候變化帶來的影響時,應當注意內蒙古地區間的差異,保證自然資源的合理利用。