基于气候分区的甘肃省参考作物蒸发蒸腾量时空分布特征

郑 健， 马 静， 王 燕， 向 鹏， 齐兴赟， 李永春

(1.兰州理工大学 能源与动力工程学院， 甘肃 兰州，730050； 2.兰州理工大学 西部能源与环境研究中心， 甘肃 兰州，730050；3.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室，甘肃 兰州，730050； 4.西北低碳城镇支撑技术协同创新中心， 甘肃 兰州 730050)

1 研究背景

参考作物蒸发蒸腾量(ET0)是指高度在8～15 cm、生长状态良好、不缺水且完全覆盖地面的绿色矮秆作物的蒸发蒸腾量[1]。ET0是作物需水量计算的重要参数，对其进行研究在水文循环、农业灌溉制度和水资源高效利用与转化等方面具有重要意义。国内外学者开展了大量研究[2-5]，Dinpashoh等[6]研究了伊朗的参考作物蒸发蒸腾量，结果表明伊朗ET0在年尺度和月尺度均有显著的增减趋势，且增长趋势比下降趋势更为明显，并且除冬季外，风速是影响ET0的最主要因素。韩洋等[7]研究发现河南省参考作物蒸发蒸腾量ET0在1951-2016年总体呈下降趋势，多年平均ET0在917～1007 mm/a之间，在空间上呈从西北向东南先递增后递减的趋势。吴文玉等[8]研究表明安徽省参考作物蒸发蒸腾量ET0在时间尺度上整体呈下降趋势，空间上呈北高南低的趋势，且平原较大、山区较小。Wang等[9]认为新疆北部ET0的空间分布从东北、西南向中部逐渐增大；东南和西部的差异略大，具有显著的地区差异，区域内日照时数和风速是影响ET0的主要气象因素。王潇潇等[10]研究了内蒙古地区的ET0变化特征，结果表明该地区ET0在空间分布上由西向东逐渐降低，该区域ET0主要影响因素是风速，其次是日平均温度和相对湿度。宋悦等[11]对陕西省ET0研究表明陕西省ET0值在空间上呈现出自南向北逐渐增加的变化规律。康燕霞等[12]采用云模型对甘肃省的ET0进行了研究，结果表明甘肃省l951-2013年ET0呈现出增长趋势，ET0空间分布总体上呈现为西北地区大于东南地区。佟长福等[13]对内蒙古依据全球干旱指数进行分区研究其ET0时空变化，结果表明越湿润的地区ET0越小。

上述对ET0的研究已取得了大量的研究成果，但研究中考虑地形和气候分区对ET0影响的分析研究还显欠缺。

甘肃省位于我国西北部，农业在其经济发展中居于十分重要的地位，但甘肃省属于水资源极度匮乏且分布不均衡的地区，水资源短缺限制了全省的农业发展[14]。同时，甘肃省境内山脉纵横交错，地形地貌复杂，独特的地理位置和地形条件形成了甘肃省多种自然生态环境和气候类型[15]。受气候因子和地形地貌的影响，甘肃省不同区域的ET0的变化趋势和变化程度具有明显差异。因此，研究甘肃省ET0的时空分布特征对于全省提高水资源利用率、制定农业灌溉制度和农业可持续发展具有重要的科学意义。

李栋梁等[15]根据甘肃省气候区的温度指标和干燥度指标以及地理特征将甘肃省分为甘南高寒湿润区、祁连山高寒半干旱半湿润区、河西西部暖温带干旱区、河西走廊冷温带干旱区、陇中北部冷温带半干旱区、陇中南部冷温带半湿润区、陇南北部暖温带湿润区和陇南南部河谷北亚热带湿润8个气候区 ，但其中气候带划分较细，国家气象站点未完全覆盖所有气候带，且祁连山地带终年积雪，是难以耕作之地。因此，本文仅针对甘肃省的地理特征和干湿程度将甘肃省分为陇南-甘南湿润区、陇中南部半湿润区、陇中北部半干旱区和河西干旱区4个区域，利用26个国家气象站点1980-2015年内逐日的气象资料，采用联合国粮农组织提出的FAO-56 Penman-Monteith方程计算逐日、逐年和多年的ET0，分析甘肃省及4个气候分区的ET0时空分布特征和影响因素，以期为甘肃省水资源合理规划和农业结构调整提供科学的参考依据。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况及分区

甘肃省在我国大陆部分的地理中心，黄河上游，地域辽阔，介于北纬32°31′～ 42°57′、东经92°13′～108°46′之间。全省总土地面积45.44×104km2，海拔在1 000～3 000 m。地势自西南向东北倾斜，地形狭长。图1为甘肃省气候分区与气象站点分布图，图2 为甘肃省地形分布图。

图1 甘肃省气候分区与气象站点分布图 图2 甘肃省地形分布图

2.2 数据来源

本文采用的数据来源于中国气象科学数据共享服务网，包含甘肃省26 个国家级气象站点1980-2015 年的逐日的日平均风速U、日照时数N、日最高气温Tmax、日最低气温Tmin、平均相对湿度RH、日平均气温Tmean和海拔等气象资料。

2.3 研究方法

2.3.1ET0计算方法 参考作物蒸发蒸腾量ET0的计算方法有很多种，现在普遍认为由联合国粮农组织灌溉排水丛书第56分册推荐的FAO-56 Penman - Monteith公式[16]具有广泛的运用性，其基于能量平衡和空气动力学建立，被验证具有较高精度[17-18]。公式如下：

ET0=

(1)

式中：ET0为参考作物蒸发蒸腾量，mm/a；ea为实际水气压，kPa；es为饱和水汽压，kPa；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；Rn为作物表面的净辐射，MJ/(m2·d)；T为平均气温，℃；Δ为饱和水汽压-温度曲线斜率，kPa/℃；U2为距地面2 m高处的日平均风速，m/s；γ为湿度计常数，kPa/℃。

2.3.2 反距离权重空间插值法 反距离权重空间插值法(Inverse Distance Weighted，简称IDW)是一种加权平均内插法，该方法假定每个观测值都有着局部影响，这种影响随着距离的增大而减小[19-21]。采用ArcGIS 10.0软件中的空间分析模块IDW空间插值工具，对甘肃省参考作物蒸发蒸腾量ET0和气象因子进行空间插值。

2.3.3 偏相关分析 偏相关系数是指校正其他变量后，衡量多个变量中某两个变量之间的线性相关程度[22-23]。偏相关系数的绝对值越接近1，表明变量之间的线性相关程度愈高，偏相关系数绝对值愈小，表明变量之间的线性相关程度愈低。

本文应用SPSS 软件，计算日平均风速U、日照时数N、日最高气温Tmax、平均相对湿度RH、日最低气温Tmin、日平均气温Tmean与参考作物蒸发蒸腾量ET0的偏相关系数，进而分析各气象因子对ET0的影响程度。

3 结果与分析

3.1 ET0时间变化特征

3.1.1 各分区ET0的年际变化 采用Penman-Monteith公式计算出甘肃省26个气象站点1980 - 2015年的ET0，并绘制各分区ET0的逐年变化、ET0线性趋势线和6 a移动平均图，结果如图3所示。

由图3(a)可看出，陇南-甘南湿润区各年ET0最小值出现在1989年，最大值出现在2006年，最大值与最小值相差463.99 mm/a，均值为937.14 mm/a，各年ET0在平均值上下波动。由6 a移动平均ET0可知，陇南-甘南湿润区ET0在1980-1991年呈下降趋势，降幅为3.5%，在1991-2015年呈上升趋势，增幅为10.3%。由ET0线性趋势线可知陇南-甘南湿润区ET0整体上随年际变化而呈上升趋势，倾向率为3.36 mm/a。

由图3(b)可知，陇中南部半湿润区ET0均值为944.23 mm/a，比陇南-甘南湿润区ET0均值增大了7.09 mm/a，最小值出现在1989年，最大值出现在2004年，最大值与最小值相差180.5 mm/a，各年ET0在平均值上下波动且波动较小。由6 a移动平均ET0可知，在1980-1991年呈下降趋势，降幅为6.2%，在1991-2015年呈上升趋势，增幅为9.0%。由ET0线性趋势线可知陇中南部半湿润区ET0整体上随年际变化而呈上升趋势，倾向率为2.18 mm/a。

由图3(c)可知，陇中北部半干旱区多年ET0值为1 034.04 mm/a，比陇中南部半湿润区ET0增加了89.81 mm/a，最小、最大值出现在1992年和2004年，最大值约为最小值的1.2倍，波动较小。由6 a移动平均ET0可知，在1980-1991年呈下降趋势，降幅为7.7%，在1991-2015年呈上升趋势，增幅为12%。由ET0线性趋势线可知陇中北部半干旱区ET0整体上随年际变化而呈上升趋势，倾向率为2.76 mm/a。

由图3(d)可知，河西干旱区多年ET0最小值出现在1993年，最大值出现在2013年，均值为1 143.24 mm/a，比陇中北部半干旱区ET0增加了10%，最大值约为最小值的1.16倍。由6 a移动平均ET0可知，在1980-1991年呈下降趋势，降幅为7.0%，1991-2015年呈上升趋势，增幅为9.9%。由ET0线性趋势线可知河西干旱区ET0整体上随年际变化而呈上升趋势，倾向率为1.53 mm/a。

图3 1980-2015年甘肃省各气候分区ET0逐年变化、ET0线性趋势线和6 a移动平均

3.1.2 甘肃省ET0的年际变化 图4为1980-2015年甘肃省ET0逐年变化、线性趋势线和6 a移动平均，分析图4可知，甘肃省各年ET0最小值出现在1989年，最大值出现在2013年，均值为1 056.46 mm/a，最大值为最小值的1.2倍，波动较小。由6 a移动平均可知，甘肃省ET0在1980-1991年呈下降趋势，降幅为6.5%，在1991-2015年呈上升趋势，增幅为9.4%。由ET0线性趋势线可知甘肃省ET0整体上随年际变化而呈上升趋势，倾向率为2.34 mm/a。

图4 1980-2015年甘肃省ET0逐年变化、ET0线性趋势线和6 a移动平均

3.2 ET0空间变化特征

为进一步揭示甘肃省ET0空间分布特征，根据甘肃省的26个国家气象站点36 a的逐日气象资料计算各地区多年平均ET0，利用ArcGIS 10.0的反距离权重插值法绘制了甘肃省的ET0和主要因素的分布图，图5为甘肃省多年平均风速、日照时数、平均气温和平均相对湿度空间分布图，图6为甘肃省1980-2015年ET0空间分布图。

由图6可知，甘肃省ET0总体特征为自东南向西北逐渐增加，即依次为陇南-甘南湿润区、陇中南部半湿润区、陇中北部半干旱区、河西干旱区，最小值为864.68 mm/a，最大值为1 309.46 mm/a。由图5可知甘肃省多年平均风速和日照时数总体呈东南向西北逐渐增加趋势，与ET0变化规律一致；多年平均相对湿度自东南向西北逐渐减少，在38%～75%之间变化，河西地区最小，陇中地区次之，陇南-甘南地区最大，与ET0变化趋势正好相反；除个别站点外平均气温随纬度的增加而减小，呈现自东南向西北，由盆地、河谷向高原、高山逐渐递减，但规律不明显，其中武都纬度高，河川、盆地相间，平均气温最高。综上所述，说明甘肃省ET0空间分布受平均风速、日照时数、平均相对湿度和平均气温等的综合影响。

图5 甘肃省多年平均风速、日照时数、平均气温和平均相对湿度空间分布图

图6 1980-2015年甘肃省ET0空间分布图

同时，可以看出甘肃省参考作物蒸发蒸腾量ET0的空间分布还受地形、植被等因素影响。从图2甘肃省地形分布图中可以看出甘肃省区域呈“哑铃”状，南北跨度大，地域辽阔、山脉交错、地形复杂、气候多样，由东南部的湿润气候逐渐过渡到西北部的干旱气候，自然植被自东南向西北呈现出森林-草原-荒漠的水平分布[15]，植被减少导致ET0降低，形成了甘肃省ET0自东南向西北逐渐增加的趋势。

上述分析表明，参考作物蒸发蒸腾量ET0受多种因素的综合影响，但每个因素在不同地区对ET0的影响程度不尽相同。位于甘肃西北部的河西干旱区地势平坦，绿洲与沙漠、戈壁相间分布[24]，光热充足，其多年ET0值在1 060.96～1 231.14 mm/a之间波动，明显高于其他区域，这主要是因为河西干旱区是甘肃省平均风速最大的地区，导致平均相对湿度最小，故多年ET0最大；位于东南部的陇南-甘南湿润区多年ET0值在840.15～1 020.50 mm/a之间波动，明显低于其他区域，主要原因是该区域日照时数偏低，且甘南地区地势高，气候湿润，导致该区域ET0最小。

3.3 ET0时空变化影响因素的偏相关分析

为进一步探讨甘肃省参考作物蒸发蒸腾量时空变化规律形成的原因，对影响ET0的气象因子进行了偏相关分析，由表1甘肃省各气象站点日参考作物蒸发蒸腾量ET0与各气象因子的偏相关系数和显著性结果可知，26个站点的ET0与日平均风速U均表现为极显著正相关，偏相关系数在0.225～0.802之间，均值为0.682，表明甘肃省日平均风速U对ET0影响很大；各站点ET0与日照时数N均表现为极显著正相关，偏相关系数在0.317～0.834之间，均值为0.617，表明甘肃省日照时数N对ET0影响也较为显著；各站点ET0与日最高气温Tmax均表现为极显著正相关，偏相关系数在0.228～0.496之间，均值为0.383，表明甘肃省日最高气温Tmax对ET0影响较大；各站点ET0与平均相对湿度RH均表现为极显著负相关，偏相关系数在-0.669～-0.080之间，均值为-0.350，表明甘肃省平均相对湿度RH对ET0影响较大；除榆中、平凉2站的ET0与日平均气温Tmean表现为显著负相关，山丹、永昌、合作表现为不显著相关，其他21个站点均表现为极显著正相关，偏相关系数在-0.01～0.141之间，均值为-0.075，表明甘肃省日平均气温Tmean对ET0影响很小；除榆中、平凉和岷县3站的ET0与日最低气温Tmin表现为不显著相关，其中榆中和平凉表现为不显著负相关，岷县为不显著正相关，其他23个气象站点均表现为极显著正相关，偏相关系数在-0.059～0.257之间，均值为0.12，表明甘肃省日最低气温Tmin对ET0影响较小。

表1 甘肃省各气象站点日参考作物蒸发蒸腾量ET0与各气象因子的偏相关系数和显著性

注：*为显著，∂=0.05；**为极显著，∂=0.01。

总体分析表明，甘肃省的ET0与日平均风速U、日照时数N、日最高气温Tmax、日最低气温Tmin、日平均气温Tmean均表现为极显著正相关，与平均相对湿度RH表现为极显著负相关。影响甘肃省整体ET0的气象因子的顺序为：日平均风速U>日照时数N>日最高气温Tmax>平均相对湿度RH>日最低气温Tmin>日平均气温Tmean。而对甘肃省各分区统计可得出，影响陇南-甘南湿润区ET0的气象因子的顺序为：日照时数N>日平均风速U>日最高气温Tmax>平均相对湿度RH>日最低气温Tmin>日平均气温Tmean；影响陇中南部半湿润区ET0的气象因子的顺序为：日照时数N>日平均风速U>平均相对湿度RH>日最高气温Tmax>日最低气温Tmin>日平均气温Tmean；影响陇中北部半干旱区ET0的气象因子的顺序为：日平均风速U>日照时数N>日最高气温Tmax>平均相对湿度RH>日最低气温Tmin>日平均气温Tmean；影响河西干旱区ET0的气象因子的顺序为：日平均风速U>日照时数N>日最高气温Tmax>平均相对湿度RH>日最低气温Tmin>日平均气温Tmean。

4 结 论

(1)陇南-甘南湿润区、陇中南部半湿润区、陇中北部半干旱区和河西干旱区的多年ET0值依次增加，从937.14 mm/a上升至1 143.24 mm/a；各区域的ET0值在1980-1991年呈下降趋势，1991-2015年上升趋势，但总体为上升趋势，其中陇南-甘南湿润区倾斜率最大，上升趋势最显著；甘肃省ET0的空间分布总体自东南向西北逐渐增加，且变化程度较明显，最小值与最大值相差440.34 mm/a。

(2)甘肃省的ET0与日平均风速U、日照时数N、日最高气温Tmax、日最低气温Tmin、日平均气温Tmean均表现为极显著正相关，与平均相对湿度RH表现为极显著负相关。

(3)影响甘肃省及各分区ET0的气象因子顺序分别为，甘肃省：U>N>Tmax>RH>Tmin>Tmean；陇南-甘南湿润区：N>U>Tmax>RH>Tmin>Tmean；陇中南部半湿润区：N>U>RH>Tmax>Tmin>Tmean；陇中北部半干旱区和河西干旱区：U>N>Tmax>RH>Tmin>Tmean。即平均风速和日照时数是对ET0变化影响最大的因素，与段春锋等[3]对西北地区ET0主要影响因素研究结果相近。

气候变暖和农业水资源缺口不断增大，使得农业水资源的科学利用成为研究热点，而模拟和预测气候变化对ET0的影响可为农业水资源高效利用和农业种植结构调整提供理论支撑和科学指导。甘肃省地处西部欠发达地区，农业在国民经济中的地位不容忽视，科学地分析甘肃省ET0的时空分布特征，可为甘肃省农业供给结构优化、农业发展方式转变、农作物的空间布局优化、农业生态环境保护提供科学依据。同时，有助于合理分配甘肃省有限的水资源，缓解水资源短缺和分布不均衡的问题，促进甘肃省农业的发展。

本文初步探究了甘肃省和各分区现状ET0及其时空分布规律，但并未涉及气候变化条件下甘肃省ET0的预测工作，在后续的研究中本团队将对气候变化条件下的甘肃省ET0变化开展研究。