云南省参考作物蒸发蒸腾量时空变化特征

韩焕豪，崔远来，王树鹏，黄 英，王 杰，张 雷(.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 43007；. 云南省水利水电科学研究院，昆明 6508)

0 引 言

参考作物蒸发蒸腾量(ET0)对于作物蒸发蒸腾的计算、灌区灌溉规划管理、水循环规律研究等方面具有重要的意义。目前计算ET0的方法很多，其中以能量平衡法应用最为广泛。根据能量平衡法研究得到的ET0公式有多种，被运用最多的是Penman-Monteith公式。

由于全球气候变暖，大部分地区ET0呈下降趋势[1]。在中国，受多种因素影响，ET0时空差异明显，总体呈下降趋势[2]。倪广恒等[3]用GIS反距离空间插值法分析了中国200多个气象站25 a的逐日ET0时空变化特性，表明干旱、半干旱和半湿润地区ET0呈减少趋势，湿润地区则相对稳定。李禄[4]等运用统计检验法分析了太子河流域ET0的演变特征，认为太子河流域ET0呈缓慢下降趋势。马显莹[5]等采用Mann-Kendall方法对云南省4个气象站的ET0进行年内年际变化特征分析，表明ET0随海拔的增加而降低，随纬度的增加而增加。张刘东[6]等分析昆明市近60 aET0与降水情况后得出，受气候因素影响，自2009年以来昆明地区干旱特征显著。

云南省地处我国西南边陲，山多地少，立体气候突出，区域差异较大，ET0的时空变化特征比较复杂，分析ET0的时空变化特征，有助于了解云南需水的分布与演变规律。本文利用云南省25个气象台站1960-2012年逐日气象资料计算ET0，并在此基础上用Mann-Kendall检验法(以下简称M-K检验)分析了其时空变化特性。

1 数据与方法

1.1 数 据

气象数据来自于云南省25个气象站，时间序列为1960-2012年，主要包括逐日最低气温和最高气温、相对湿度、降水量、风速和日照时数，此外有各站点的经纬度和海拔数据。

1.2 方 法

1.2.1ET0计算

采用FAO Penman-Monteith[7]公式计算ET0。

(1)

式中：ET0为参考作物蒸发蒸腾量，mm/d；Δ为饱和水汽压与温度曲线的斜率，kPa/℃；Rn为作物冠层表面的净辐射，MJ/(m2·d) ；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)，在逐日估算时取G=0；T为日平均气温，℃，按最高气温(Tmax)和最低气温(Tmin)的算术平均值计算；u2为2 m高度处的风速，m/s；ea为饱和水汽压，kPa；ed为实际水汽压，kPa；γ为干湿表常数，kPa /℃。

1.2.2Mann-Kendall检验法

采用Mann-Kendal检验对ET0的序列进行趋势分析和突变分析。Mann-Kendall检验法是时间趋势序列分析中被世界气象组织推荐且已广泛使用的非参数检验方法，被广泛应用于分析降水、气温和水质等要素时间序列的趋势变化。M-K检验法不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰[8]，适用于分析实际中的非正态分布问题。在进行突变分析时还可以明确突变开始的时间，并指出突变区域[9]。

Mann-Kendal检验法原理如下[10]：

(1)非参数Mann-Kendall趋势检验。

首先定义检验统计量S：

(2)

式中：sign()为符号函数，当小于、等于或是大于0时，sign(Xi-Xj)的值分别为-1、0和1；S为正态分布，均值为0。

M-K统计量S大于、等于或小于0时分别为：

(3)

其中，Z为正值表示增加趋势，为负值时表示减少趋势。Z的绝对值在大于等于1.28、1.64和2.32时表示分别通过了置信度90%、95%和99%显著性检验。

(2)非参数Mann-Kendall突变检验。

构造序列Sk：

(4)

其中，αij=1,Xi>Xj

0,Xi≤Xj，1≤j≤i。

定义统计变量：

(5)

式中：E(Sk)=k(k+1)/4；Var(Sk)=k(k-1)(2k+5)/72。

UFk为标准正态分布，给定显著水平α，查正态分布表得到临界值Uα，当|UFk|>Uα时，表明序列存在一个明显的增长或减少趋势，所有UFk将组成一条曲线l1，通过信度检验可知其是否具有趋势。把此方法引用到逆序列中重复上述计算过程，使计算值乘以-1，得到UBk，UBk即为另一条曲线l2。分析绘出UFk和UBk曲线图，若UFk的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势；当它们超过信度线时，即表示存在明显的上升或下降趋势；若UFk和UBk的交点位于信度线之间，则此点就是突变开始的时刻。

2 结果及分析

2.1 ET0时间变化特征

根据气候、地理及种植分区等因素将云南省分为滇中、滇东北、滇东南、滇西南及滇西北5个分区。由每个分区中各气象站1960-2012年ET0年值，求平均值得到各分区近53 a来ET0的年均值(见图1)。可知各分区多年平均ET0为872.5～1 240.0 mm，最大值为943.0～1 343.3 mm，最小值为817.7～1 114.5 mm。除极个别年份，5个区的年均ET0按从大到小排列的顺序是滇中>滇西南>滇东北>滇东南>滇西北。其中滇中、滇西南地区年均ET0呈先减小后增加趋势，滇东北和滇西北地区年均ET0变化较小，滇东南地区年均ET0呈不断减小趋势。

图1 不同地区ET0年际变化

通过M-K突变检验得到统计量U的顺序、逆序变化曲线UF和UB，取显著水平0.05得到两条临界线y=±1.96，在临界值之间UB和UF曲线的交点即为突变点。UF>0，表示序列呈上升趋势；UF<0表明呈下降趋势，UF>1.96或UF<-1.96，表示上升或下降趋势明显。

如图2(a)所示为滇中地区ET0长系列年M-K突变检验结果，可知滇中地区年均ET0于1982年发生突变。1960-1982年UF值为0.50，1960-1990年UF值为-1.58，1960-2002年UF值为-4.43，1960-2012年UF值为-2.31，即M-K突变检验分别呈不显著增加趋势、不显著减小趋势、显著减小趋势和显著减小趋势，亦即ET0在时间序列上分别呈不显著增加趋势、不显著减小趋势、显著减小趋势和显著减小的趋势。2003-2012年UF值随时间的增加呈增加的趋势，显著性随时间的增加而减小。

图2(b)、图2(c)、图2(d)和图2(e)分别为滇东北、滇东南、滇西南和滇西北ET0长系列的M-K检验结果，对其按照滇中地区分析方法进行分析统计，结果见表1。

表2为在年尺度上和季节尺度上平均ET0的M-K趋势检验结果，对结果进行统计显示在年尺度上40%的站点没有显著性变化，36%的站点显著增加，24%的站点显著减小。

图2 不同地区平均ET0的Mann-Kendall检验

表1 不同地区平均ET0的Mann-Kendall检验结果

表2 季节和年均ET0 Mann-Kendall 趋势检验

注：*表示通过0.05的显著性检验。

在季节尺度上，春季76%的站点没有显著性变化，24%的站点显著减小；夏季64%的站点没有显著性变化，24%的站点显著增加，12%的站点显著减小；秋季76%的站点没有显著性变化，20%的站点显著增加，4%的站点显著减小；冬季64%的站点没有显著性变化，24%的站点显著增加，12%的站点显著减小。总体表现为以没有显著变化为主，显著增大的站点的数量要大于显著减小的站点的数量。

把各站点4个季节ET0M-K趋势检验结果分别和全年的进行对比发现，春季各站点的ET0变化趋势和全年的相关性最高，全省25个站点中有22个站点的春季ET0变化趋势和全年的是一致的，表明云南省春季蒸发蒸腾量较大，决定了全年蒸发蒸腾量的分布变化特征。

2.2 ET0空间变化特征

不同时间尺度Z值空间分布如图3、图4所示。

图3 年尺度ET0变化

图4 不同季节ET0空间变化

在年尺度上，ET0显著增加趋势的站点主要位于滇西南和滇西北地区，少部分位于滇中地区的东部和滇东北地区的西南部；ET0显著减小趋势的站点主要位于滇中地区，少部分位于滇东北和滇西南地区；滇东南地区、滇中地区和滇西南交接地区以及位于横断山脉的贡山没有显著变化的趋势。

在季节尺度上，春季ET0无显著增加站点，不显著增加的站点主要位于滇西南和滇西北地区，部分位于滇中和滇东北地区；不显著减小的站点主要位于滇中地区及滇西南和滇东南地区靠近滇中的区域；显著减小的站点多靠近干热河谷地带，滇东北和滇东南部分站点也表现为显著减小的趋势。

夏季ET0显著增加的站点主要位于滇西南和滇西北地区，部分站点位于滇东北地区；不显著增加的站点分布于滇西南地区；不显著减小的站点多分布于滇中地区以及滇西南和滇东南靠近滇中的区域；显著减少的站点位于滇中的干热河谷及滇东北和滇东南地区。

秋季ET0显著增加的站点位于滇西南和滇东北；不显著增加的站点分布于滇西南的东北部、滇西北、滇东北及滇西南地区；不显著减小的站点位于滇中地区，滇西南、滇西北和滇东南零星分布；显著减小的站点位于滇中地区。

冬季ET0显著增加的站点位于滇西南、滇西北和滇中地区；不显著增加的站点位于滇西北西北部、滇西南北部、滇东北西南部、滇东南西南部及滇中大部分地区；不显著减小的站点位于滇中的西北部、滇东北及滇西南东部地区；显著减小得站点位于滇中和滇西南靠近干热河谷地区。

3 结 语

利用云南省25个气象站1960-2012年的逐日气象资料计算参考作物蒸发蒸腾量，分析云南省参考作物蒸发蒸腾量时空分布规律得，到得到以下结论。

(1)滇中、滇东北、滇东南、滇西南及滇西北5个分区多年平均ET0为872.5～1 240.0 mm，最大值为943.0～1 343.3 mm，最小值为817.7～1 114.5 mm。

(2)M-K突变分析显示滇中平均ET0于1982年发生突变，滇东北于1968年和2008年的发生突变，滇东南于1971年发生突变，滇西南于2005年发生突变，滇西北于1965年和2001年发生突变；M-K趋势分析显示在年尺度上以没有显著变化为主，显著增大的站点的数量要大于显著减小的站点的数量。在季节尺度上，春季蒸发蒸腾量较大，决定了全年蒸发蒸腾量的分布变化特征。

(3)ET0呈增加趋势的站点主要位于滇西南和滇西北地区，少部分位于滇中地区的东部和滇东北地区的西南部；呈减小趋势的站点主要位于滇中地区，少部分位于滇东北和滇西南地区。

[1] Roderick M L, Farquhar G D. The Cause of Decreased Pan Evaporation over the Past 50 Years[J]. Science, 2002,298:1 410-1 411.

[2] 高 歌, 陈德亮, 任国玉, 等. 1956- 2000年中国潜在蒸散量变化趋势[J]. 地理研究, 2006,25(3):378-387.

[3] 倪广恒,李新红,丛振涛,等.中国参考作物腾发量时空变化特性分析[J]. 农业工程学报, 2006,22(5):1-4.

[4] 李 禄,迟道才,张政利,等.太子河流域参考作物腾发量演变特征及气候影响因素分析[J].农业工程学报, 2007,23(9):34-38.

[5] 马显莹,李 靖,顾世祥,等.高原山区主要气候因子对ET0影响分析研究[J].中国农村水利水电, 2010,(10):9-12.

[6] 张刘东,郭 萍,龚爱民,等.昆明市近60年ET0及气候干旱趋势分析[J].灌溉排水学报, 2013, 32(6):125-127.

[7] Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop Evapotranspiration Guidelines for Computing Crop Water Requirements[M]. FAO Irrigation and Drainage 1998,56.

[8] 汪言在,苟诗薇,张述林.三峡库区(重庆段)降雨侵蚀力变化趋势及突变分析[J].水土保持研究,2012,19(3):1-6.

[9] 于东平,张 鑫,何 毅,等.青海东部高原农业参考作物蒸散量的时空变化[J].农业工程学报,2012,28(2):66-71.

[10] 曹洁萍,迟道才,武立强,等.Mann-Kendall检验方法在降水趋势分析中的应用研究[J].农业科技与装备,2008,(5):35-37.