艾比湖流域潜在蒸散量时空变化特征

秦 鹏，刘 强

(新疆头屯河流域管理局水利管理中心，新疆 昌吉 831100)

潜在蒸散量(Evapotranspiration，ET0)在地表水循环和全球能量平衡中的一个关键环节，其时空演变特征是表征水文资源和生态环境对全球变化的响应的重要指标[1]。在我国干旱半干旱区，水资源极为短缺，由此而引起的干旱对农业生产和人们生活有很大影响[2,3]。潜在蒸散量的评估对于提高水资源的规划、管理水平和水分利用效率至关重要[4]。由于对于蒸散量的实测较为困难，目前学者们基于联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith(P-M)对潜在蒸散量及其对生态环境演变的影响等开展了大量的研究[5,6]。

过去百年全球气温显著增加，这将可能引起全球潜在蒸散量的增加[7]。然而，前人研究中却表明全球变暖趋势下潜在蒸散量的变化具有空间异质性，既有增加趋势也有减少趋势，从而引发了广泛讨论[8,9]。由于潜在蒸散量的复杂性和不确定性，以及与气候因子极为复杂的非线性关系，国内外学者基于敏感分析、相关分析等对潜在蒸散量与气候因子的关系也开展了大量研究[10,11]。作为对气候变化极为敏感的我国西北地区，暖湿化趋势下潜在蒸散量整体呈显著的减少趋势[10,12]。然而，自然地理环境具有空间异质性，在全球变化背景下艾比湖流域气温和降水呈增加趋势、平均风速呈减少趋势[13-15]，气象要素的改变会引起潜在蒸散量的变化进而引起区域水热资源的分配和需求等的改变[16,17]。

艾比湖流域位于我国西北内陆，总面积为5.06 万km2。由于深居内陆，降雨稀少，蒸发强烈，以及不合理的水资源利用方式，导致流域荒漠化程度加剧，成为中国西部沙尘暴主要策源地之一，直接威胁到天山北坡经济带的可持续发展和新亚欧大陆桥的安全运行。而潜在蒸散量的演变对于流域干湿演变尤其是对生态环境的演变有重要的影响，探究气候变化下艾比湖流域潜在蒸散量的变化及其与气象因子的关系有重要意义。而目前对于艾比湖流域潜在蒸散量的研究较少，且都是在大尺度基础上的研究且不深入，尤其是对其气候要素的成因分析报道较少[10,12, 20]；另外，艾比湖流域对气候变化的响应具有独特性。因此，有必要探究气候变化下艾比湖流域潜在蒸散量的变化特征。本文基于艾比湖流域10个气象站1961-2012年的气象资料，探究潜在蒸散量的时空演变特征及其与气象因子的相关性，从而为气候变化下干旱半干旱区干湿演变特征及区域水资源管理提供理论参考。

1 数据来源和研究方法

1.1 数据来源

利用1961-2012年的艾比湖流域内博乐、温泉、精河、阿拉山口、乌苏等10个气象站点平均气温、平均最高气温、平均最低气温、日照时数、平均相对湿度、平均风速等气候资料以及各站的海拔高度、经度和纬度等地理信息，进行参考作物蒸散量的计算及其时空变化特征的研究。研究区域和所选站点分布情况见图1。气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)。行政区划和DEM高程数据来源于地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)。

图1 艾比湖流域气象站点分布Fig.1 Distribution of meteorological stations over the Ebinur Lake Basin

1.2 研究方法

1.2.1 潜在蒸散量的计算

利用联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith 公式[18]计算流域潜在蒸散量:

(1)

式中：ET0为参考作物蒸散量，mm/d；Rn为冠层表面净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；Δ为饱和水气压曲线在气温为T时的斜率，kPa/℃；T为日平均气温，℃；γ为干湿表常数，kPa/℃；U2为距地面2 m 处的风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa。

Penman-Monteith 公式由两项组成：一是由辐射平衡引起的辐射项；二是由气温、风速和水汽压等引起的空气动力项[9-11,17,18]。利用公式(1)计算逐日、逐月、季节和全年的参考作物蒸散量ET0。

1.2.2 数据分析方法

基于趋势分析法和Mann-Kendall突变检验法[10,17]对年和四季的潜在蒸散量的变化趋势进行探究；运用贡献分析[10]和Person相关分析探究潜在蒸散量与气象因子的相关性。

2 结果与分析

2.1 潜在蒸散量年和四季变化特征

过去52 a年潜在蒸散量均值为895.53 mm，其中四季潜在蒸散量均值分别255.78、435.88、174.01和29.87 mm，这表明夏季潜在蒸散量对全年潜在蒸散量贡献最大。变化趋势上，年[见图2(a)]、春季[见图2(b)]、夏季[见图2(c)]和秋季[见图2(d)]的潜在蒸散量呈明显的增加趋势，其中年潜在蒸散量增势为0.93 mm/a；四季中春季和夏季的潜在蒸散量年际变化特征与年潜在蒸散量较相似，都在20世纪60年代呈波动减少的变化特征，在20世纪70-90年代波动较大，在2001-2012年呈明显的增加趋势。秋季潜在蒸散量在研究时段波动较小，其变幅为147.60～196.03 mm。春季增势最为明显(0.53 mm/a)，其次为夏季和秋季(0.37和0.11 mm/a)。冬季潜在蒸散量[见图2(e)]则呈轻微减少趋势，其变率为-0.08 mm/a。

2.2 潜在蒸散量年代变化特征

年代ET0距平值可以看出，自20世纪60-90年代ET0逐渐减少，在90年代达到年代最小；90年代及其以后ET0又逐渐增大，在2000-2012年ET0最大。空间变化上，20世纪60年代ET0整体相对较小，20世纪70年代北部的裕民和托里以及南部的新源ET0有所增加，中部的温泉-博乐-精河一带ET0明显减少；20世纪80年代全流域ET0都明显减少，其中阿拉山口减少最为明显；20世纪90年代ET0比80年代ET0有所增加，南部ET0增加明显，北部则ET0有所减少；2000-2013年，流域ET0增加明显，且增幅较大，中西部和西部的增幅大于南部和北部(见图3)。

图2 艾比湖流域1961-2012年和四季ET0时间变化特征Fig.2 Variation of annual and seasonal ET0 from 1961 to 2012 in Ebinur Lake Basin

2.3 潜在蒸散量空间变化特征

过去52 a，艾比湖流域年均ET0空间分布[见图4(a)]总体表现为北部大于南部，流域ET0平均值为895.54 mm。北部的托里和中西部的博乐年均ET0较大；在中南部，ET0自北向南逐渐减少。流域年ET0的在空间上都呈增加趋势[见图4(b)]，其中在温泉-博乐-精河-乌苏一线增势最为明显，在流域的南部和北部变率较小，但在新源、裕民和托里的增势达到显著水平；其中，巩留和新源ET0最小且增势最弱，总体而言，该流域ET0较大的地区增势较为明显，ET0较小的地区略有增势。春季[见图4(c)和图4(d)]、夏季[见图4(e)和图4(f)]和秋季[见图4(g)和图4(h)]的ET0的空间分布和变化趋势与年ET0大致相似，且北部和西南部增势都达到显著水平，这表明春季、夏季和秋季的ET0空间分布和变化趋势对年ET0的空间分布和变化趋势有较大的贡献和一致性。冬季ET0的空间分布[见图4(i)]和变化趋势[见图4(j)]有明显的东西差异性，大致呈现自西向东逐渐减少的趋势；其中温泉和博乐冬季的ET0较大，东部的乌苏和东北部的托里的ET0较小。变化趋势上，冬季ET0在空间上都呈减少趋势，北部的裕民和托里以及南部的巩留形成最弱减势中心，东部的乌苏和西部的温泉形成最强减势中心；裕民、托里、博乐、巩留和新源的ET0减势达到显著水平。

图3 20世纪60-90年代和2001-2012年变化特征Fig.3 Variation of the departures of ET0 during the 1960s, 1970s, 1980s, 1990s and years from 2000 to 2012

2.4 潜在蒸散量的突变分析和小波分析

注：三角形表示变化趋势达到0.05显著水平，圆点则表示变化趋势未达到显著水平。图4 艾比湖流域1961-2012年和四季ET0空间变化特征Fig.4 Spatial distribution of annual and seasonal ET0 from 1961 to 2012 in Ebinur Lake Basin

为进一步探究潜在蒸散量的时间变化特征，对其进行突变分析和周期分析。图5(a)中UF为蒸散量的Mann-Kendall 顺序统计曲线，UB为逆序统计曲线。UF和UB在1987年交叉并在2000年稳定突破1.96显著水平线，且其Z值为2.09，这表明年ET0在1987年发生增加突变，在2000年达到显著水平。Morlet小波分析可以看出年ET0存在16 a左右的周期；在16 a周期变化中经历了偏大-偏小-再偏大的变化过程。突变分析和小波分析表明年ET0在周期波动中呈现先减少后显著增加的变化特点。

图5 年ET0的突变分析和小波分析Fig.5 Abrupt and wavelet analysis of annual ET0

3 潜在蒸散量的变化与气象因子的关系

表1为过去52 a艾比湖流域气象因子的变化趋势及其在不同时段与ET0的关系。全时段上，日照时数、极端最高气温呈减少趋势，极端最低气温、平均相对湿度、平均风速和平均气温呈增加趋势，其中，极端最低气温增势达到显著水平；日照时数和平均气温与年ET0呈显著的正相关，平均相对湿度与年ET0呈显著的负相关；平均气温对ET0的增加贡献最大，其次是平均相对湿度、平均风速和日照时数，极端最高气温和极端最低气温对ET0的贡献较小。突变前后，极端最高气温和平均气温都呈增加趋势，平均相对湿度和平均风速都呈减少趋势；极端最高气温从增加趋势变为减少趋势，而日照时数从减少趋势变为增加趋势。平均气温突变前后的变化趋势与全时段变化趋势具有一致性，都呈增加趋势，这表明艾比湖流域明显的增温趋势；在全时段和突变前气温对ET0的贡献率都最大，分别为41.26%和32.39%，在突变后的贡献率达到了15.21%，且在全时段和突变前后平均气温与ET0的相关性达到了极显著水平，这表明艾比湖流域增温对ET0增加趋势贡献最大。突变前，极端最低气温、平均相对湿度和平均气温与ET0相关性达到显著水平，而在突变后，除极端最低气温与ET0呈不显著的负相关，其他气象因子与ET0的相关性都达到了显著水平，这表明气候变化下气象因子与ET0关系更为密切，气象因子的变化对区域干湿演变影响更明显。

4 讨 论

已有研究表明，新疆ET0整体呈减少趋势，但局部地区仍呈增加趋势[19,20]。本研究表明艾比湖流域ET0整体呈增加趋势，仅仅在冬季存在减少趋势，这是由于区域对全球变化的响应具有复杂性和差异性[21]。另外，艾比湖流域在1987年之前减少趋势为主，在1987年后以增势为主，且后期的增幅远远大于前期的减幅，导致整个研究时段ET0以增势为主，这与曹雯[22]和王小静[23]研究结果是一致的。

表1 气象因子变化趋势及其与ET0的关系Tab.1 Change trend of meteorological factors and its correlation with ET0

ET0对气候变化的响应主要体现在全球变化下气候因子的变化进而引起ET0的改变[10]。气温与区域ET0尤其是干湿变化密切相关[24,25]，艾比湖流域气温增势明显且对ET0的贡献最大，气温在突变后增势更明显，这表明艾比湖流域ET0可能会继续维持增加的趋势。另外，平均相对湿度、平均风速、日照时数和极端最低气温与气象因子也有显著相关性，这是因为ET0的变化是气候因子共同作用的结果。

在干旱半干旱区，由于降水量较少，ET0对于干旱状况有很大的决定作用，ET0的变化会引起区域水热资源的变化[1,2]。艾比湖流域湖滨地区荒漠化程度正逐渐加剧，春季、夏季和秋季ET0的增加一方面会增加流域农业需水量，促使农垦区增加灌溉，进而造成艾比湖径流减少，加速湖泊面积萎缩[26]；另一方面会进一步加剧流域的干旱和荒漠化程度，使原本脆弱的生态环境更加恶化[27,28]。因此，有必要开展保护生态环境，加强生态管理，促进生态系统良性发展。

5 结 语

本文基于FAO56 Penman-Monteith公式和10个气象站的观测资料对艾比湖流域ET0的时空演变特征及其与气象因子的关系进行了分析。主要结论如下：

(1) 艾比湖流域年、春季、夏季和秋季的ET0都呈增加趋势，年ET0增势为0.93 mm/a；四季中，夏季ET0最大，春季ET0增势最明显，冬季ET0呈减少趋势。

(2) 艾比湖流域春季、夏季、秋季和年ET0空间分布总体都表现为北部大于南部，而冬季ET0在空间上自西向东逐渐减少。变化趋势上，春季、夏季、秋季和年ET0都呈增加趋势，且中部增势强于南部和北部；冬季ET0呈减少趋势，且中部减势强于流域南部和北部。

(3) 年代变化上，20世纪60-80年代ET0空间上都呈减少趋势，20世纪80年代-21世纪初呈增加趋势。其中80年代ET0最小， 2001-2012年ET0最大。年ET0在1987年发生增加突变并存在15 a左右的变化周期。

(4) 气候因子与ET0的变化密切相关，但在突变前后存在差异；其中气温对ET0的影响最大。

基于气象数据和Penman-Monteith 公式探究了艾比湖流域潜在蒸散量时空演变特征及其与气候因子的关系。本研究仅仅探究了潜在蒸散量的时空演变特征，气候变化下区域水热资源的变化不仅仅体现在蒸散量的改变，需要从流域多个要素综合研究，明细流域水热演变的机理。另外，在蒸散量成因分析上，本文仅仅进行了初步分析，结合下垫面要素等进一步开展潜在蒸散发的机理研究，这还有待进一步研究。

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