塔里木河流域潜在蒸散发特征分析

王婷婷，刘冬燕，蔡玙潇

(上海师范大学 环境与地理科学学院，上海 200233)

1 引言

潜在蒸散发(potentialevapotranspiration，ET0)指下垫面供水条件不受限制时的蒸发量[1]，作为蒸散发的理论上限，是流域水文循环和能量循环的重要组成部分，是流域干湿情况的决定因子之一[2，3]。研究表明，全球60%的降水以蒸散发的形式再次回到大气[4]，对研究区的潜在蒸散发特征进行深入研究，可更好地理解气候对水文的影响过程从而分析潜在蒸散发变化的原因，对实现水资源的科学管理有重要的意义。目前，常用Hargreaves[5]、Priestley-Taylor[6]、Hamon[7]、Thomthwaite[8]、Rohwer[9]、Penman-Monteith方法[1]来估算潜在蒸散发。其中世界粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith方法具有广泛的适用性，在干旱半干旱地区的蒸散发计算中具有较高的精度[10]。20世纪90年代以来气候变化和人类活动对其水文循环过程产生了剧烈影响，深入了解ET0的时空变化特征对塔里木河流域水资源的合理配置有重要意义。

2 研究区概况

塔里木河流域位于新疆南部，塔克拉玛干沙漠北部，四周为山地，介于北纬34°20′～43°39′，东经71°39′～93°45′(图1)，流域的面积达103万km2，约为新疆面积的61.27%。塔里木河流域远离海洋，年降水量小于120 mm[11]，具有典型的大陆性气候特征[12]。

图1 塔里木河流域气象站分布

3 数据来源与方法

3.1 数据来源

本文在中国气象数据网(http://data.cma.cn/)下载了流域及周边40个气象站1970～2019年气象数据。塔里木河流域数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)及气象站点分布情况如图1所示。根据逐日气象数据计算日潜在蒸散发量，再统计月、季节、年尺度的潜在蒸散发，并通过ArcGIS对各站点数据进行插值得到塔里木河流域潜在蒸散发的时空特征。

3．2 方法

3.2.1 潜在蒸散发的计算方法

本文采用Penman-Monteith方法计算潜在蒸散发，其计算公式为：

(1)

式(1)中：ET0表示潜在蒸散发量，mm/d；Rn表示净辐射,MJ/(mm2·d)；Δ表示饱和水汽压斜率，kPa/℃；G表示土壤通热量，MJ/mm2·d；λ表示汽化潜热，MJ/kg；γ表示干湿常数，kPa/℃；T表示平均温度,℃；U2表示两米高风速，m/s;es表示饱和水气压，kPa；ea表示实际水气压，kPa。

3.2.2 数理统计分析方法；

本文采用反距离加权法(Inverse distance weighting，IDW)[13]对塔里木河流域40个站点的潜在蒸散发值进行空间插值得到塔里木河流域潜在蒸散发分布变化的空间特征，采用Man-Kendall趋势检验法(MK)[14]分析塔里木河流域1970～2019年潜在蒸散发时空变化特征及显著性变化，并运用Pearson相关性分析不同站点蒸散发与气象因素之间的关系。

4 结果与分析

4.1 潜在蒸散发时间特征

如图2所示，塔里木河流域1970～2019年ET0多年平均值为1169.89 mm,波动范围为1061.45～1244.82 mm，总体上呈现下降趋势，下降速率为0.58 mm/a，阶段变化表现为先减少后增加的特点,转折点为1993年，1970～1993年以5.58 mm/a的速率呈减少趋势，1993～2019年以4.03 mm/a的速率呈上升趋势。对塔里木河流域季节尺度潜在蒸散量的变化趋势进行分析，如图3所示，季节上，流域多年潜在蒸散量表现为夏季>春季>秋季>冬季，流域夏季、春季和秋季ET0呈下降趋势,冬季呈上升趋势。

图2 塔里木河流域年潜在蒸散发

4.2 潜在蒸散发空间分布特征

塔里木河流域1970～2019年ET0的空间分布规律如图4和图5所示。由图4可知，流域ET0空间差异较为明显，总体表现为东高西低,多年平均蒸散量最大的站为七角井站(1893.333 mm),最小量为巴音布鲁克站(665.723 mm)，有11个站点蒸散发达到了1200 mm以上，主要分布在流域东部。在季节分布上，由图5可知，四个季节潜在蒸发量的空间分布也有所不同，其中，春季与秋季潜在蒸散发空间分布相似，表现为东部和南部蒸散发量较大。春季潜在蒸散发量在199.52～475.08 mm之间，平均值为371.65 mm；秋季潜在蒸散发量在127.59～303.05 mm之间，平均值为240.12 mm。夏季除西北阿图什地区外，其余蒸散发量大的站点主要在流域东部，夏季潜在蒸散发量在320.01～754.71 mm之间，平均值为590.86 mm；冬季则主要表现为南部区域蒸发量比北部区域大，潜在蒸散发量在19.75～91.08 mm之间，平均值为67.75 mm。

图3 塔里木河流域季节潜在蒸散发

图4 塔里木河流域潜在蒸散发年空间分布

4.3 潜在蒸散发变化趋势

图6和图7为运用Mann-Kendall趋势检验法计算出的塔里木河流域潜在蒸散发多年和各季节的趋势变化。由图6可知，在变化的空间分布中，年尺度和4个季节尺度的分布均表现为流域东北和西部呈增加趋势，中部呈减少趋势。在年尺度上，流域潜在蒸散发整体呈下降趋势，潜在蒸散发下降的站点多于增加的站点，23个站点年潜在蒸散发呈减少趋势，17个呈增加趋势。其中，有15个站点减少趋势显著(p<0.05)，12个站点增加趋势显著。季节趋势变化上，春季有18个站点呈上升趋势，其中13个站点ET0增加趋势显著(p<0.05)，12站点减少趋势显著；夏季有17个站点呈增加趋势，23个站点呈减少趋势，在增加的站点中，8个增加显著，显著减少的站点有17个；秋季和冬季呈增加趋势的站点分别有18和21个，其中显著增加的均为10个。显著下降的点，冬季有5个,秋季为14个。

图5 塔里木河流域潜在蒸散发季节空间分布

图6 塔里木河流域潜在蒸散发年空间变化特征

4.4 影响因素分析

以往研究显示，不同区域ET0与气象因子之间的关系也会存在不同[14～16]。本文通过站点ET0与气象因子的相关关系，对塔里木河流域潜在蒸散发变化的影响因素进行分析。如表1所示，在月尺度上，塔里木河流域潜在蒸散发量与风速、温度、太阳辐射和日照时数存在正相关关系，其中与太阳辐射相关系数最大。潜在蒸散发与气压、相对湿度存在显著负相关关系。

图7 塔里木河流域潜在蒸散发季节空间变化特征

表1 塔里木河流域潜在蒸散发与气象因子相关系数

5 结语

(1)近50年来，塔里木河流域潜在蒸散发呈减少趋势(0.58 mm/a)，存在蒸发悖论现象，这与高歌等[17]和刘敏等[18]研究的中国潜在蒸散发减少趋势有相似的结论。阶段呈先下降后上升的趋势，潜在蒸散发时空差异明显。

(2)在季节上，塔里木河流域潜在蒸散发春季、夏季和秋季呈下降趋势，冬季呈增加趋势。

(3)塔里木河领流域潜在蒸散发与气象因子存在显著的相关性，尤其是太阳辐射和温度与潜在蒸散发相关性最为显著。