1968-2018年辽河流域生长季潜散量变化及主控气象因素

王亚蕾,董 晔

(1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院,乌鲁木齐 830054;2.新疆师范大学 商学院,乌鲁木齐 830054)

参考作物蒸散量(reference crop evapotranspiration，ET0)作为一种假想性指标，其联合国粮农组织(FAO)定义为：当作物高度为0.12 m，冠层阻力为70 s/m，反射率为0.23时的假设参考作物，参考表面与宽阔的、高度均匀、生长活跃、完全覆盖地面、水分充足的绿草表面非常相似[1]。计算参考作物蒸散量ET0常用的方法有辐射法[2]、温度法[3]和蒸发皿法等[4]。ET0作为水文循环的重要参数[5]，对它的科学计算可为解决现实问题提供数据参考，研究分析ET0及其变化趋势对农业水资源分配，估算作物需水量[6]，规划区域农业活动以及评价区域干湿变化等[7]方面具有重要参考价值。

随着全球气候异常、世界人口增加和水资源短缺等问题愈加严重，人们开始关注蒸散发的变化，对ET0的研究也越来越广泛。黄娟等[8]根据全国529个气象站1961—2010年的观测数据，表明中国参考作物蒸散量总体呈下降趋势，下降幅度不大，指出中国西北和西南地区近50 a的ET0平均值明显大于东北地区和中部腹地；王鹏涛等[9]研究表明，华北平原ET0在1960—2012年总体呈下降趋势，在空间上呈高低值相间分布；白爱娟等[10]研究表明，青海湖流域1971—2007年ET0呈减弱趋势，夏季减少最为显著，秋冬季存在弱增加的趋势；李雪[11]对辽河流域(辽宁段)的ET0进行研究表明，该河段内11个气象站在1960—2006年ET0大多呈下降趋势，但多数不显著，各气象站ET0随时间非线性变化；吴佳蔚[12]研究表明，在辽河流域的干湿过渡和半湿润区ET0以-17.16，-12.71 mm/10 a的递减速率下降，在半干旱区域以0.87 mm/10 a的递增速率增加。根据已有研究可看出，在不同地区、不同环境条件下ET0的时空变化趋势不同。

蒸散发作为连接陆地循环和大气循环的中间环节[13]，其整个过程会受到众多气象因素的影响。吴霞等[14]研究表明，中国1961—2015年ET0呈减少趋势主要是由风速减小、日照时数降低和水汽压微弱增加共同导致的；钟巧等[15]对影响博斯腾湖流域ET0变化的气象因子进行贡献率分析，结果表明，该流域ET0变化对净辐射最为敏感，其次为风速和最高气温，对相对湿度和水汽压的敏感性较弱；张淑杰等[16]研究表明，影响东北地区1961—2007年ET0变化的主要气象因素为日照时数和风速；张伟科等[17]研究表明，西辽河流域1974—2005年ET0与气温、日照时数和风速呈显著正相关，与平均相对湿度呈显著负相关；王炳亮等[18]研究表明，在辽河三角洲的半干旱区，敏感系数由大到小依次是相对湿度、风速、太阳辐射和平均气温，在半湿润区和滨海干湿过渡区，敏感系数由大到小依次是相对湿度、太阳辐射、平均气温和风速。根据现有研究可看出，ET0随气象因子的变化而变化，ET0的变化主要与气温、日照时数、风速、相对湿度、气压等气象因子相关[19]，在不同气候条件下，各气象因子对ET0的敏感性和贡献率具有较大差异。

1 研究区概况

辽河流域地理位置介于东经116°30′—125°47′，北纬38°43′—45°00′，位于我国东北地区南部，发源于河北省平泉县七老图山脉的光头山，流经河北省、内蒙古自治区、吉林省和辽宁省，最终注入渤海，全长1 345 km，是我国七大河流之一。流域内地势自北向南、自东西两侧向中间倾斜，其西部为大兴安岭、七老图山和努鲁儿虎山，东部为吉林哈达岭、龙岗山和千山，中下游为辽河平原。辽河流域上游山区水土流失严重，植被覆盖度低于30%，多年平均实测最大含沙量为300～700 kg/m3。辽河流域大部分地区位于温带半湿润半干旱季风气候区，年降水量区域变率大，东部地区降水量大于西部地区，但总量大于东北地区其他河流。该流域气温分布不均，平原较高，山地较低，年平均气温在4～9℃，自南向北递减，位于我国一年一熟耕作区，农作物以小麦、玉米、大豆和油料作物为主，是我国重要的商品粮基地，与此同时，辽河流域还是我国重要的工业基地和畜牧业基地，因此该区需水量大，水污染现象严重，又是我国水资源贫乏地区之一。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本文所采用的基础气象数据来源于中国地面气候资料日值数据集(V3.0)，该数据集包含了研究区内具有代表性的23个气象站点的基础数据，各气象站点的分布状况(图1)，从中选取1968—2018年生长季(5—9月)的5项基本气象数据，分别为最高气温(Tmax)、最低气温(Tmin)、日照时数(h)、相对湿度(RH)和风速(u)。

图1 辽河流域气象站点分布

2.2 研究方法

2.2.1 Penman-Monteith公式 本文采用联合国粮农组织FAO推荐的Penman-Monteith公式来计算辽河流域参考作物蒸散量ET0，计算公式如下：

(1)

式中：ET0为参考作物蒸散量(mm/d)；Rn为参考作物表面净辐射[MJ/(m2·d)]；G为土壤热通量[MJ/(m2·d)]；T为平均温度(℃)；es为平均饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa)；Δ为饱和水汽压与温度曲线的斜率(kPa/℃)；γ为干湿常数(kPa/℃)；U2为2 m高处的风速(m/s)[1]。

2.2.2 克里金空间插值分析 克里金空间插值法是建立在变异函数和结构分析上的一种空间插值方法，该方法所确定的权重系数是根据插值过程中某种趋势函数的变动来决定的[20-21]。可以表示为：

(2)

式中：Z(x0)为待估位置x0的估计值；Z(xi)为已知位置的xi观测值；λi为分配给Z(xi)的权重；n为估计使用的观测值个数。

2.2.3 通径分析 通径分析是一种标准化变量的多元线性回归分析[22]，该方法可以得出自变量对因变量的直接和间接影响，进而分析各变量间的相互关系。

3 结果与分析

3.1 辽河流域ET0时间序列变化

3.1.1 辽河流域ET0年际变化 辽河流域内23个气象站点1968—2018年生长季逐日气象数据的ET0处理表明(图2)，该流域多年平均ET0为705.52 mm，最大值763.79 mm(1972年)，最小值643.73 mm(1990年)，年际极差为120.06 mm。从变化趋势看，辽河流域1968—2018年生长季多年平均ET0呈下降趋势，下降速率为-0.302 7 mm/a，与全国及十大流域1956—2000年ET0变化趋势相近，均呈下降趋势，但全国及十大流域的ET0下降趋势较辽河流域ET0下降趋势显著，下降速率为-1.18 mm/a[23]。

图2 1968-2018年辽河流域生长季平均ET0变化趋势

3.1.2 辽河流域生长季ET0月际变化 对辽河流域1968—2018年生长季各月ET0进行线性分析表明(表1)，5—9月平均ET0为168.27，158.91，145.31，130.57，102.71 mm，各月平均ET0占生长季平均ET0的24%，23%，21%，19%，15%，说明5月、6月对生长季ET0的贡献大，占生长季的47%。从变化趋势看，辽河流域近51 a来5—9月平均ET0呈下降趋势，气候倾向率为-0.153 3，-0.134 9，-0.027 9，0.000 6，0.016 6 mm/a，但各月决定系数较小，表明线性拟合效果不好，其中，5月、6月、7月多年平均ET0呈下降趋势，8月、9月多年平均ET0呈上升趋势，但变动的趋势性不显著。从变化范围和幅度来看，辽河流域近51 a来5—9月ET0变化范围在85～195 mm，整体变化幅度不大，5月、6月、7月ET0变化范围在120～195 mm，8月、9月ET0在85～150 mm，7月变化幅度最大。辽河流域1968—2018年ET0最大值为192.36 mm(1974年5月)，最小值为85.03 mm(2016年9月)，极值比为2.26倍。

表1 1968-2018年辽河流域生长季(5-9月)ET0变化

3.2 辽河流域生长季ET0空间分布

3.2.1 多年生长季ET0空间分布特征 对辽河流域1968—2018年生长季ET0进行克里金空间插值分析(图3)，根据空间插值结果可知，该流域ET0空间分布整体上呈中间高，四周低，西部高于东部的分布特征。流域内多年平均ET0变化范围在563.15～807.17 mm，其中，中部地区以开鲁和通辽为中心的ET0分布范围为762.30～807.17 mm，是辽河流域ET0的高值区；西部地区以巴林左旗为中心的ET0空间分布自东向西呈递减趋势，ET0变化范围在736.61～744.03 mm，变动幅度较小；东部地区ET0空间分布差异大，ET0自中心向东南由高至低的分布，最低值位于该区域的东部。

图3 1968-2018年辽河流域ET0空间分布状况

3.2.2 生长季各月ET0空间分布特征 对辽河流域1968—2018年生长季各月ET0进行空间分析，对比分析各月ET0空间变化差异及分布特征，生长季各月ET0空间分布(图4)与多年平均ET0空间分布特征相似，均呈中间高，四周低，西部高于东部的分布特征，ET0变化范围为127.63～196.00 mm，121.78～185.71 mm，114.88～170.97 mm，105.11～150.71 mm，76.90～119.95 mm。其中，5月、6月ET0的高值区位于辽河流域的中部地区，低值区位于辽河流域的东部地区；7月、8月、9月ET0的高值区主要位于辽河流域的中部、西南部和东南部，低值区位于辽河流域的东部。

图4 辽河流域生长季各月(5-9月)ET0空间分布

3.3 辽河流域ET0主控气象因素分析

ET0的变化与气象、地形及土地利用方式等[24]因素有关，本文主要分析影响ET0变化的气象因素。影响ET0的主要气象因素为气温、降水、日照时数、风速、气压、相对湿度等[25]，本文选取最高气温(Tmax)、最低气温(Tmin)、日照时数(h)、相对湿度(RH)和风速(u)5个气象因子来分析其对辽河流域多年生长季ET0的影响程度，以此来确定主控气象因素。

3.3.1 基于逐步回归分析的辽河流域ET0气候影响因素分析 通过逐步回归法对影响辽河流域1968—2018年生长季ET0的气候因素进行分析(表2)，近51 a来各气象因子对ET0的影响程度：日照时数>相对湿度>风速>最低气温>最高气温，各气象因子的回归系数为0.526，-0.402，0.293，0.217，0.201，其中，日照时数对ET0的影响程度最大，表明日照时数为研究区多年ET0的主控气象因素，相对湿度对该区ET0的影响程度仅次于日照时数，表明相对湿度是影响该区域ET0变化的重要气象因素。

表2 辽河流域1968-2018年生长季各气象因子回归系数

5月各气象因子对ET0的影响程度：风速>日照时数>相对湿度>最高气温>最低气温，其中，风速的回归系数为0.392，对ET0的影响程度最大，表明5月ET0的主控气象因素为风速；6月各气象因子对ET0的影响程度为日照时数>相对湿度>风速>最高气温>最低气温，其中，日照时数的回归系数为0.582，对ET0的影响程度最大，表明6月ET0的主控气象因素为日照时数；7月各气象因子对ET0的影响程度为：日照时数>相对湿度>风速>最高气温>最低气温，其中，日照时数的回归系数为0.728，对ET0的影响程度最大，表明7月ET0的主控气象因素为日照时数；8月各气象因子对ET0的影响程度为：日照时数>相对湿度>最低气温>风速>最高气温，其中，日照时数的回归系数为0.760，对ET0的影响程度最大，表明8月ET0的主控气象因素为日照时数；9月各气象因子对ET0的影响程度为：日照时数>相对湿度>风速>最高气温>最低气温，其中，日照时数的回归系数为0.565，对ET0的影响程度最大，表明9月ET0的主控气象因素为日照时数。

3.3.2 基于通径分析的辽河流域ET0气候影响因素分析 利用SPSS 17.0对影响ET0的气象因素进行通径分析，根据所得出的通径系数表以及通径系数原理来计算各气象因子对ET0的直接与间接作用，通径系数见表3。

表3 辽河流域1968-2018年生长季气象因子的通径系数

对所选取的气象因子进行通径分析(表3)，ET0的变化与表中5种气象因素均相关，但各气象因素对ET0的直接作用和间接作用存在差异。日照时数对E的总贡献为0.408，表明日照时数是影响该区域的决定性因素；相对湿度对E的总贡献为0.274，表明相对湿度对该区域ET0的影响程度仅次于日照时数；最高气温对E的总贡献为0.100，表明最高气温对该区域ET0变化的影响程度较小；风速对E的总贡献为0.122，表明风速是影响该区域ET0变化的重要气象因素；最低气温对ET0的贡献为0.018，表明最低气温对研究区ET0的影响程度最小。按各气象因子对E的总贡献进行排序：日照时数>相对湿度>风速>最高气温>最低气温；按直接通径系数进行排序：日照时数>相对湿度>风速>最低气温>最高气温；按各气象因素的间接通径系数进行排序：日照时数>最高气温>相对湿度>最低气温>风速。

通过以上两种统计分析方法对辽河流域1968—2018年生长季ET0的气候影响因素进行分析，结果表明，最高气温、最低气温、日照时数、风速和相对湿度5种气象因素对ET0的影响程度不同，其中，日照时数是影响该流域多年ET0变化的主控气象因素，对ET0的影响程度最大。对生长季各月ET0气象影响因素分析表明，风速对5月ET0的影响程度最大，回归系数为0.392，是该月的主控气象因素，其余各月的主控气象因素均为日照时数，与多年ET0变化的主控气象因素相一致。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

本文研究发现，辽河流域近51 a来ET0呈下降趋势，ET0变化与日照时数呈正相关，与相对湿度呈负相关，这与李雪[11]对辽河流域(辽宁段)1960—2006年ET0变化趋势相近，与影响该河段ET0变化的气象因素相似，均与日照时数呈正相关，与相对湿度呈负相关。但根据前人研究发现，ET0变化趋势及影响因素在不同地区存在差异。钱多等[26]研究表明，毛乌素沙地在1955—2014年ET0呈缓慢上升趋势，并指出气温是影响该区域的主导因子；段娅楠等[27]研究发现，雅鲁藏布江流域ET0呈显著上升趋势，平均气温对该流域的贡献率最大；吕明权等[28]研究表明，嘉陵江流域ET0呈减少趋势，减少斜率为0.43 mm/a，其主控气象因素为风速和太阳辐射。本文认为，由于各地区所处的地理位置以及自身地理条件的不同，导致各地区ET0变化趋势存在差异。ET0是一个复杂的系统，受气温、相对湿度、日照时数等多种气象因素的影响，且近年来随着全球变暖趋势加剧，极端天气频发，导致在不同地区影响ET0变化的主控气象因素不同。

在全球大环境的背景下，本文仅从气象方面来分析影响ET0变化的原因，具有一定的局限性，还需进一步分析影响ET0变化的其他因素，以便为流域内的农业发展、规划与管理进行更科学的指导。

4.2 结 论

(1)辽河流域1968—2018年生长季ET0整体呈下降趋势，多年平均ET0为705.52 mm，下降速率为-0.303 mm/a。近51 a的生长季中，各月ET0变化范围为85～195 mm，其中，5月、6月、7月ET0呈下降趋势，8月、9月ET0呈上升趋势。

(2)辽河流域1968—2018年生长季平均ET0的空间分布呈中间高，四周低，西部高于东部的分布特征，多年平均ET0变化范围为541.68～827.36 mm，最高值出现在辽河流域中部地区，最低值位于辽河流域东部地区。生长季各月平均ET0空间分布特征与多年平均ET0空间分布特征相似，均呈中间高，四周低，西部高于东部的分布特征。

(3)各气象因子对辽河流域1968—2018年生长季ET0的影响程度为：日照时数>相对湿度>风速>最低气温>最高气温，日照时数为辽河流域近51 a年来生长季ET0的主控气象因素，相对湿度次之，最高气温与ET0的相关性最弱。