玛河灌区参考作物蒸发蒸腾量时空分布特征与成因分析

王萌萌，吕廷波，何新林，辛明亮，曹玉斌

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000)

0 引 言

全球气候变暖，地表蒸散发速率发生改变，导致水资源出现再分配，从而对全球水分和能量循环产生重大影响，因此研究全球变暖情景下蒸散发时空分布是非常必要的[1,2]。参考作物蒸发蒸腾量是计算实际蒸发蒸腾量的重要参数，是研究水文循环的重要组成部分，是地区灌溉农业发展、水资源持续利用的重要依据。近几十年来，众多学者针对不同研究区域的蒸散进行相关研究并得到了研究成果，李禄等人通过长系列资料分析得出太子流域近45年ET0呈缓慢下降趋势，日照时数是其影响主要因素[3]；杨永红等人根据资料对ET0进行日变化、月变化及年变化的分析，得到西藏高原区ET0空间分布规律[4]；牛凯杰、岳元、冯禹、宋悦等人也进行了不同区域ET0的时间、空间变化特征，影响因素分析的相关研究[5-10]。

西北干旱区属于大陆性气候，干燥少雨，绿洲面积仅占9 %，自然再生能力低，对水资源具有高度的依赖性。王小静等人通过对西北旱区的ET0变化趋势进行研究，发现ET0发生了重要的改变，此改变可能加剧该区的水资源短缺等状况，影响到该西北地区的农业生产和可持续发展[11]。玛河灌区位于新疆维吾尔自治区天山北麓玛纳斯河冲积平原上的大型灌区，灌区水资源的科学配置及合理利用直接影响农业生产的可持续发展。本文基于玛河灌区内的23个自动气象站2011-2014逐日气象资料和国家级气象站石河子站1959-2014年的逐日气象资料计算该灌区的ET0，并运用了小波分析、Krging插值法及偏相关分析法分析了该灌区ET0时空变化特征，各气象要素对ET0的影响程度，以期为该灌区水资源的合理规划提供科学的参考依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 灌区概况及相关气象资料

玛纳斯河流域中游平原灌区(简称玛河灌区)位于新疆天山北麓的准噶尔盆地南缘，介于85°00'E～86°32'E，44°10'N～45°14'N，灌区面积约8.40×103km2，年降水量110～200 mm，年蒸发量1 500～2 000 mm，日照2 550～3 100 h，无霜期148～187 d，是典型的干旱大陆性气候。地形南高北低，包括莫索湾灌区、新湖总场灌区、石河子灌区、金沟河灌区、安集海灌区、玛纳斯灌区及下野地灌区七个灌区。研究所用的气象资料是玛河灌区内的23个自动气象站2011-2014逐日气象资料和国家级气象站石河子站1959-2014年的逐日气象资料，主要指标包括：日最高气温(Tmax)、日最低气温(Tmin)、日平均气温(Tmean)、平均风速(U)、相对湿度(RH)、日照时数(h)等。

图1 研究区范围及气象站点分布图

1.2 研究方法

1.2.1 参考作物蒸发蒸腾量的计算

采用FAO灌溉排水丛书第56分册推荐的Penman-Monteith公式计算ET0，公式形式如下：

(1)

式中：ET0为参考作物蒸发蒸腾量，mm/d；Rn为植被表面净辐射量，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率，kPa/℃，γ为湿度计常数，kPa/℃；T为空气平均温度，℃；u2为在地面以上2 m高处的风速，m/s；es为空气饱和水汽压，kPa；ea为空气实际水汽压，kPa。

1.2.2 小波分析

文中采用Morlet复值小波对ET0进行小波变换得到关于时间序列变化的小波特征，能够直观的描述出ET0随时间的变化状况。不同时间尺度下的小波系数可以反映系统在该时间尺度下的演变特征和突变特征：正的小波系数对应研究对象的偏高期，负的小波系数对应偏低期。

1.2.3 偏相关分析

偏相关分析是在对其他变量的影响进行控制，衡量多个变量中某两个变量之间的内在线性关系[12]。两个变量之间的高度相关并一定就是变量本身内在决定的联系，偏相关分析能够更合理更可靠的描述两个变量之间的关系。偏相关系数的绝对值越大，越接近1说明两个变量之间的相关程度愈高，反之相关程度愈低。

1.2.4 Kriging插值

Kriging插值是根据待插值点与邻近实测空间位置，对待插值点的空间值进行无偏最优估计[13]。它能将预测误差最小化，将预测标准误差与预测值之间的不确定性进行了量化。Kriging插值法针对不同研究区域及尺度可选择不同类型，本文采用的是经验贝叶斯Kriging值法。

2 结果与分析

2.1 玛河灌区ET0时空变化分析

2.1.1 玛河灌区ET0空间变化分析

为了揭示玛河灌区内ET0空间分布特征，根据灌区内的24个气象站2011-2014的气象资料计算的数据，利用ArcGIS 10.1经验贝叶斯Kriging法插值绘制了全灌区ET0分布图。

从图2可知，ET0总体特征为从西南向东北呈递增趋势。其中灌区内存在一个明显高值区域和一个低值中心，高值区位于东北方向边界处的莫索湾灌区及新湖总场灌区，年ET0均值均达到983 mm以上；低值中心位于西南方向的下野地灌区和安集海灌区交界处，年ET0均未超过950 mm。在玛河灌区，ET0受地形起伏影响，地形由南向北海拔逐渐降低相应的ET0呈现南低北高规律。莫索湾灌区及下野地灌区平均海拔较低，靠近古尔班通古特沙漠，其平均温度较高，在6.9～9.1 ℃之间，为蒸发蒸腾提供了良好的地理环境，是该区域ET0较大的主要原因，金沟河灌区及石河子灌区平均海拔较高，靠近天山山脉其温度较低，在5.9～7.3 ℃之间，故其该区域年ET0较小。

2011-2014全灌区ET0的年平均值为972 mm，介于913.99(132团)～1 024.92 mm(莫索湾)之间，ET0存在一定的空间差异，最大值与最小值的比约为1.12，变异系数为0.07，属于弱变异。就整个灌区而言，灌区大部分的ET0介于945.32～970.54 mm之间。

图2 玛纳斯河灌区年ET0均值空间分布

2.1.2 玛河灌区ET0时间变化特征分析

对1959-2014年的ET0进行趋势分析：近56年来，玛河灌区ET0随时变化呈增加的趋势增加速率为0.51 mm/a，ET0年最大、最小值出现在1962年和1984年，分别为1 025.50 mm和813.42 mm；灌区ET0在20世纪70-90年代呈下降趋势，在1990年以后呈上升趋势(图3)。

图3 ET0距平和累计距平曲线

在年际变化上，ET0各年代距平均值先减后增。20世纪80年代负距平达到最大，说明该时段为ET0最小的10年；2010-2014年正距平达到最大，说明该时段可能是ET0最大的10年。从累计距平曲线3(b)得出灌区在20世纪80年代后期90年代初期发生一次较为明显的突变，累计距平值达到了最小值，前期ET0相对较高，中期明显降低，后期明显升高，特别是90年代后上升趋势更为明显。

为了探究ET0随时间的变化状况，对其进行Morlet小波复值分析，周期特征变化见图4。从图4(a)可以看出玛河灌区不同时间尺度所对应的ET0结构也不同，在15～20 a时间尺度上石河子地区ET0振荡周期非常明显，期间经历了“少-多-少”的循环交替变换过程，直到2014年曲线没有完全闭合，说明该地区ET0在2014年之后的一段时间将会是继续增加。从图4(b)可以看出在年ET0在16及41 a的时候取得峰值，以41 a为第一主震荡周期预测玛河灌区的ET0的变化，可知在2014年后玛河灌区ET0处于偏高期。

图4 1959-2014年ET0 Morlet小波变换及小波方差图

2.2 ET0时空变化影响因素分析

2.2.1 ET0的空间变化影响因素分析

ET0是温度、风速、日照时数等各气象要素的共同作用，且考虑到气象资料的完整性，结合玛河灌区地貌情况，根据气象站点的高度、纬度等差异，从24个气象站点中选取石河子站、乌兰乌苏站、炮台站、莫索湾站、149团站、142团站6个代表站。利用SPSS 19.0软件分析的偏相关分析分析玛河灌区的6个站点逐日ET0与日最高气温(Tmax)、日最低气温(Tmin)、日平均气温(Tmean)、平均风速(U)、相对湿度(RH)、日照时数(h) 6个气象要素之间的关系。

由表1可以得出：6个气象站点的逐日ET0与气象因子的相关系数由高到低依次为日照时数、日最低气温、风速、日最高气温、相对湿度、日平均气温；除日照时数与日最低气温与逐日ET0正相关，其余4个气象要素与ET0相关关系有正有负。石河子站、莫索湾站、乌兰乌苏站的逐日ET0与日照时数通过了P=0.05 水平显著性双尾检测；炮台站逐日ET0与相对湿度、日照时数2个气象要素通过了P=0.01水平显著性双尾检测；149团与142团的逐日ET0分别与风速和日最低气温达到了显著性水平。

ET0空间分布呈现西南低东北高，考虑到高度及纬度原因，结合各代表站气象要素与ET0的相关程度，可知靠近天山山脉灌区的西南方向的ET0主要是由最低气温及日照时数影响，而靠近沙漠灌区的东北方向ET0主要受日照时数及风速影响。

表1 玛河灌区6个站点逐日ET0与气象要素的相关系数

注：**表示在 0.01 水平(双侧)上显著相关，*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关(下同)。

2.2.2 ET0的时间变化影响因素分析

为了进一步探讨气象要素对ET0时间变化的影响，基于石河子56年的长序列气象资料，对年ET0与日最高气温(Tmax)、日最低气温(Tmin)、日平均气温(Tmean)、平均风速(U)、相对湿度(RH)、日照时数(h)及降水量(P) 7个气象要素进行偏相关分析。

从分析表中的偏相关系数可以得出：①年ET0与气象因子的相关系数关联程度由高到低依次是风速、日照时数、最低气温、相对湿度、平均气温、最高气温和降雨量；ET0与平均气温、相对湿度、降雨量呈负相关，与其他气象因素呈正相关；ET0与最高气温、降雨量相关性不显著，与其他气象要素显著性较高；②ET0与风速相关性极强，与最低气温、日照时数、相对湿度相关性较好，与平均气温相关性较弱，与最高气温、降雨量相关性极弱。

造成近56年灌区ET0增加的原因主要是风速，虽然最高气温、降雨量、平均气温在一定程度上影响ET0，但在该灌区影响并不显著，这一结论与造成天山北坡ET0变化的主要原因保持了一致[14,15]。

表2 年ET0和各气象要素偏相关分析分析表

3 结论与讨论

(1)玛河灌区ET0的年平均值为972 mm，空间分布受地形影响，ET0分布呈现西南较低、东北较高的分布规律。玛河灌区位于天山北坡、毗邻古尔班通古特沙漠南缘，地势、地形存在差异，故温度也存在差异，导致参考作物蒸发蒸腾量较低的地区分布在南部山前地区，较高的地区分布在北部沙漠边缘。

(2)近56年ET0呈增加趋势，增加速率为0.51 mm/a，1989年是正负距平的转折点。该灌区年ET0在15～20 a时间尺度上振荡周期非常明显，经历了“少-多-少”的交替过程，通过第一主震荡周期预测在2014年后该区的ET0仍处于偏高期。

(3)玛河灌区ET0的空间存在变化原因主要与气象要素有关，灌区西南部的ET0主要是由最低气温及日照时数影响，东北部的ET0主要受日照时数及风速影响。近56年来，风速是影响ET0变化的主要因素，最低气温、日照时数及相对湿度对ET0影响相对较弱。

玛河灌区ET0下降主要是在20世纪70-90年代，其后开始增加，说明20世纪90年代前后ET0的变化存在差异，而这个时期西北干旱区的升温正好开始停滞，因此在后续的研究中，可以从不同年代际ET0的变化特征及其影响因素进行分析，客观地分析该灌区ET0变化特征，为水资源的合理分配提供科学的依据，缓解未来水资源的短缺程度。

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