汉江上游流域潜在蒸散量敏感性分析

2019-09-25 06:33肖薇薇

水资源保护 2019年5期

安彬, 肖薇薇

(1.安康学院旅游与资源环境学院, 陕西安康 725000; 2.安康市汉江水资源保护与利用工程技术研究中心,陕西安康 725000; 3.秦巴国土资源利用与环境保护协同创新中心, 陕西安康 725000;4. 陕南生态经济研究中心, 陕西安康 725000)

潜在蒸散量ET0作为区域实际蒸散量的理论上限，是地表水循环和热量平衡的重要组成部分，对评价区域农业水资源利用、气候干湿度等具有重要意义[1-3]。由于实际的蒸散量获取较为困难，往往采用模型法进行近似计算。目前，应用最为广泛的是联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO)推荐的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith，P-M)方程，也是学界公认的高精度模型计算法[4]。基于此，诸多学者针对行政区[5-7]、流域[8-10]、地理分区[11-12]等不同空间尺度的ET0时序变化特征进行了大量研究，研究均表明ET0的变化具有复杂性、高度异质性[13]。此外，结合敏感性分析、偏相关分析等方法，国内外学者开展了ET0的变化成因研究[14-15]。发源于秦岭南麓的汉江是长江最长支流，是南水北调中线工程的重要水源地，尤其是位于汉江上游的陕南地区，也是我国重要的生物多样性保护生态区。在全球气候变化的背景下，汉江上游流域呈现年降水减少、年均气温上升的趋势[16-17]。为了解汉江上游ET0变化趋势和原因，利用汉江上游典型气象站逐日气象数据，采用彭曼-蒙蒂斯方程计算逐日ET0，运用敏感分析法计算ET0对不同气象因子的敏感系数，探讨敏感系数与ET0的关系及ET0发生变化的原因，以期为合理调配南水北调中线工程水资源提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

选择汉江上游流域的汉中、石泉和安康3个气象站，从中国气象科学数据共享服务平台http:∥data.cma.cn/获取各站点1960—2015年逐日平均风速、平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度和日照时数资料，各站点的位置、海拔等信息见表1。依据3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月—次年2月为冬季的标准进行季节划分。

1.2 研究方法

1.2.1ET0的计算

采用FAO推荐的彭曼-蒙蒂斯方程计算逐日ET0，此公式基于能量平衡和空气动力学原理，在不同的环境和气候背景下具有较强的广泛适用性，可避免根据气候条件进行参数校正[4]，公式为

(1)

式中：Δ为饱和水汽压曲线斜率，kPa/℃；Rn为作物表面的净辐射量，MJ/m2；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；γ为湿度计常数，kPa/℃；t为平均气温，℃；U2为2 m高处的风速，m/s；ea为饱和水汽压，kPa；ed为实测水汽压，kPa。

1.2.2 敏感性分析

研究ET0对气象因子的敏感分析是通过设置不同气候变化情景，假定其他气象因子不变，分析单个气象因子变化引起ET0的变化，进而量化ET0变率对气象因子变率响应程度的方法[4,9,18]。利用Mccuen[19]提出的无量纲相对敏感系数，以表征ET0对气候因素变化的敏感性，且便于不同量纲的气象因子变量进行排序、评价，其计算公式为

(2)

式中：SX为ET0对气候要素X的敏感系数；ΔX为气候要素的变化；ΔET0为ΔX导致的ET0变化。

研究最高气温、最低气温、相对湿度、平均风速、日照时数5个气象因子变量分别变化±10%的情况下，依次计算ET0对各气象因子的敏感系数。SX为正值表明ET0与气象因子X变化一致，负值则变化相反。|SX|越大表明气象因子变量对ET0的影响越大，如SX=-0.1，代表气象因子X减少(增加)10%，在其他气象因子不变的情况下，ET0将增加(减少)1%。同时参照Lenhart等[20]将敏感系数分为4个等级，记为Sd：当|SX|<0.05时，Sd为忽略等级；当0.05≤|SX|<0.20时，Sd为中等；当0.20≤|SX|<1.00时，Sd为高；当|SX|≥1时，Sd为非常高。

1.2.3 气象因子对ET0的贡献率

根据尹云鹤等[21]提出的气象因子对ET0的贡献率计算方法，将敏感系数与气象因子的多年相对变化相乘，由此得到气象因子引起气候要素的变化程度，计算公式为

CX=SXRX

其中

(3)

ET0变化趋势采用线性回归模型法进行计算、检验[22]，以上计算、统计工作均在SPSS 22 中完成，图件采用OriginPro 8.5 绘制。

表1 汉江上游流域典型气象站点位置及气象因子年均值

2 结果分析

2.1 ET0及气象因子的变化特征

图1为1960—2015年3个气象站(汉中、石泉和安康)5个气象因子(最高气温、最低气温、日照时数、相对湿度、风速)及ET0的均值年内逐日变化。由图1可见，汉江上游不同气象因子及ET0的年内变化趋势不一致，这是受太阳周年运动及地形等地理要素的共同影响。从图1(a)(b)可以看出，3站点的最高气温和最低气温年内变化呈单峰型，其峰值均出现在7月下旬至8月上旬，谷值则出现在1月。日照时数年内波动变化明显，呈双峰型分布，秋冬季日照处于较小幅度变化的低谷区，最大峰值出现在夏季7—8月，次峰值在春末夏初(图1(c))，两次峰值之间的谷值与汉江上游此时正处于梅雨季节有关。从相对湿度的年内逐日变化(图1(d))可看出，3站均呈余弦函数形状，最大值出现在9月、最小值出现在冬末春初；汉中站相对湿度最小值大于安康、石泉站。风速年内变化呈现不显著的正弦函数形状，3月为最大值，9月为最小值(图1(e))。ET0年内逐日变化与日照时数相似，呈现双峰型、最大峰值出现在8月，次峰值出现在6月，最小值则出现在12月(图1(f))。

图2为1960—2015年3个气象站ET0的逐年变化，表2为1960—2015年3个气象站气象因子变化率。由图2可见，汉江上游多年平均ET0为826.23～909.82 mm，其空间上自东向西递减。各站点ET0的年际变化均呈下降趋势，其中石泉年ET0呈显著减小趋势，达到-1.436 mm/a，汉中和安康年ET0呈不显著减小趋势，变化率分别为-0.289 mm/a、-0.715 mm/a。各站年代际ET0均值呈波动变化，1960 s的ET0最大，1980s的ET0最小，1990 s后有所增加，至2000年后又开始下降。由表2可见，3站点的最高气温和最低气温均呈显著上升趋势，汉中站平均气温亦呈显著上升趋势；日照时数方面，汉中和石泉站呈显著下降趋势，安康站呈不显著下降趋势；相对湿度除汉中站呈显著下降趋势外，石泉和安康站均为显著上升趋势；石泉站风速表现为显著下降趋势。

(a)最高气温

(b)最低气温

(c)日照时数

(d)相对湿度

(e)风速

(f)ET0

图1 1960—2015年3个气象站5个气象因子及ET0的均值年内逐日变化

(a)汉中

(b)石泉

(c)安康

2.2 ET0对气象因子的敏感性

2.2.1敏感系数的年际变化

表3为ET0对气象因子敏感系数多年均值及敏感程度。从表3可以看出，ET0对相对湿度的敏感程度最高，对风速的敏感程度最低，各站敏感程度排序基本一致。ET0对最高气温、最低气温、相对湿度的年均敏感系数均为负值，表明ET0随着这3个气象因子的增加而下降。对最低气温敏感程度除汉中为“中”外，其他均达到了“高”。ET0对日照时数和风速的年均敏感系数均为正值，对日照时数敏感程度除安康达到“高”外，其他均为“中”。

图3为ET0对3个气象站5个气象因子敏感系数的年际变化。由图3可见，3个气象站的ET0对5个气象因子的敏感程度均为“中”以上等级，敏感程度从小到大依次为风速、日照时数、最低气温、最高气温、相对湿度。ET0对各气象因子敏感系数的年际变化趋势不同，可能与各站点的植被类型、海拔和下垫面综合情况有关。汉江上游ET0对相对湿度最为敏感，这与长江流域[23]、澜沧江流域[24]、关中渭惠渠[14]、甘肃[25]、黄土地区[26]等区域最为敏感的气象因子相同。

2.2.2 敏感系数的年内变化

图4为ET0对3个气象站5个气象因子敏感系数的年内变化。由图4可见，除风速外的3站各气象因子敏感系数年内分布相近。最高气温、最低气温和相对湿度的敏感系数均为负值，变化分别介于-0.419～-0.112、-0.449～ -0.048、-0.924～ -0.157，表明ET0随着这3个气象因素的增大而减少。日照和风速敏感系数则为正值，为0.034～0.428和0.000～0.242。最高气温、最低气温和风速的年内敏感系数均呈开口向上抛物线分布，其中最高气温和最低气温敏感系数峰值发生在9月、谷值发生在1月，而风速敏感系数峰值发生在1月、谷值发生在9月。ET0对日照时数敏感系数9月份达到最大，12月份为最小，呈单峰型变化。就相对湿度敏感系数而言，其变化幅度大，最大值出现在8月、最小值均出现在12月，年内呈双峰型分布。

表2 1960—2015年3个气象站气象因子年变化水平

注：*、**表示线性趋势分别通过0.05、0.01置信水平检验。

表3 ET0对气象因子敏感系数多年均值及敏感程度

注：A、B、a、b依次表示敏感系数的变化趋势呈显著上升、显著下降、上升、下降。

(a)汉中

(b)石泉

(c)安康

2.3 气象因子对ET0的贡献率

为了定量探究汉江上游ET0对气候变化的响应，计算汉中、石泉、安康站5个气象因子的多年相对变化及其对ET0的贡献率(表4)，进而确定引起各站ET0变化的成因。由表4可知，1960—2015年最高气温、最低气温相对变化率均为正值，因其敏感系数为负值，导致两个气象因子对ET0的贡献率小于0。日照时数相对变化率呈负值，相对湿度、风速相对变化率各站正负表现不一，这是因为ET0与温度、湿度、风速、日照等气象因子以及地形、植被、实际蒸散发之间呈现复杂的非线性关系[21,27-28]。汉中日照时数相对变化率最大，高达-31.461%，石泉和安康风速相对变化率最大，分别为-16.845%和-8.330%。从各项气象因子对ET0的贡献率来看，汉中站日照时数贡献率最大，达到-6.219%，即日照时数是引起该站ET0变化的主导气象因子，这与其日照时数的相对变化率较大有关。相对湿度是石泉和安康ET0变化的主导气象因子，其贡献率分别为-3.783%和-1.752%。