云贵高原参考作物蒸散量时空特征及成因分析

刘泉杉，吴宗俊，崔宁博,2,3*，朱世丹，郑顺生

(1. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065; 2. 南方丘区节水农业研究四川省重点实验室，四川 成都 610066; 3. 中国农业科学院农田灌溉研究所农业农村部作物需水与调控重点实验室，河南 新乡 453000)

spatial and temporal distribution characteristics;contribution rate

参考作物蒸散量(reference crop evapotranspiration，ET0)作为估算作物需水量的基础，是连接地表能量循环和水循环的纽带，也是热量、水分平衡的重要组成部分.ET0是影响灌溉决策的关键因素，对提高农田水分利用效率、实现精准灌溉有重要作用[1-3].气象变化是影响ET0变化的重要因素，然而全球气候剧烈变化，自然灾害愈加频发，已成为制约经济社会可持续发展的瓶颈，将给农业生产带来巨大的挑战.因此研究气象因子变化的作用机制和规律，以探索其对ET0的影响，在应对气候变化方面具有重要意义，能够缓解气候变化导致农业生产的负面影响[4].

针对中国不同区域气象因子时空变化，已有大量的研究成果[5-6].近百年来，中国陆地平均增温速率高于全球平均值，达到0.9～1.5 ℃，导致蒸散量和水分循环发生了明显变化.云贵高原地处中国西南部，地形复杂，气候多样，灾害性天气种类较多，对农业生产危害严重.近年来受全球气候变暖影响，高温天气引起的少雨、干旱气候事件时有发生，特别是汛期严重少雨干旱天气造成人畜饮水困难，作物减产甚至绝收，对生态安全造成明显威胁[7].谢锐敏等[8]研究发现，1961—2013年中国粮食主产区年内ET0均呈锯齿状下降，且ET0在四季呈现出在夏季最大，春季、秋季、冬季依次减小的特征.相关研究[9]表明地表温度上升有望加速水文循环并增加ET0，但很多地区温度呈上升趋势，ET0却呈显著下降趋势[10].对于“蒸散发悖论”，有学者认为气象要素变化是导致其变化的主要原因[11-12].PATLE等[13]研究认为日照时数和风速减少是引起ET0变化的主要气象因子.GUAN等[14]研究发现黄淮河流域平均气温升高削弱了风速和辐射量对ET0的响应强度，使流域ET0增加.

气候变化和人类活动对农业生产影响日益加剧，探究云贵高原ET0与气象因子的时空变化特征及成因对当地农业生产与灌溉十分必要.文中基于中国42个气象站点近56 a(1961—2016年)的风速、太阳辐射、相对湿度和平均气温等数据，对云贵高原主要气象因子及ET0的变化特征进行定量分析，探究其时空变化特征，揭示影响ET0变化的主要气象因子.以期研究结果可为云贵高原气候变化对水循环的影响、农业需水预测和农业灌溉管理等研究提供基础参考；并制定相关农业生产防灾措施，为规避可能的气候风险和农业保产提供科学指导.

1 材料与方法

1.1 研究概况与数据来源

云贵高原是中国四大高原之一，位于100°～111°E，22°～30°N，海拔为400～3 500 m；属亚热带湿润区，太阳辐射年总量径向分布差异大，东部为3 400～3 800 MJ/m2，西部为5 000～6 000 MJ/m2，年平均气温为5～24 ℃，年降水量为600～2 000 mm，风速为1.1～3.2 m/s.

选取云贵高原的42个气象站点1961—2016年逐日气象资料数据，包括2 m处风速(u2)、太阳辐射(Rs)、相对湿度(RH)以及日平均气温(Tmean)等.研究区域站点分布如图1所示(H为高程)，云贵高原气象站点数据资料来源于中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn).根据中国气象季节划分方法为标准，以3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12—2月为冬季.

图1 云贵高原气象站点分布示意

1.2 研究方法

1.2.1 Penman-Monteith模型

Penman-Monteith模型基于空气动力学和水量平衡原理，理论严谨且计算精度高，被联合国粮农组织(FAO)推荐为计算参考作物蒸散量的标准，PM模型具体表达式为

(1)

式中：ET0为参考作物蒸散量，mm/d；Rn为作物表面上的净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；Tmean为空气平均气温，℃；u2为2 m高处的风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；Δ为饱和水汽压曲线的倾率；γ为湿度计常数，详细内容参照文献[1].

1.2.2 Mann-Kendal检验

Mann-Kendall是基于秩的非参数检验方法.该方法用于检测气象时间序列数据的变化，可有效减少异常值干扰，并且可定量分析时间变化趋势，得到的结果更加准确[15]，已获得广泛使用.MK统计量为

(2)

式中：S为检验统计量；xk和xt为时间序列X的样本数据值；n为数据集合的长度；t为时间序列.

sgn的定义为

(3)

式中：θ为xk-xt.

当n≥30时，统计量S大致服从正态分布，均值为0，方差为

(4)

标准化计算过程如式(5)和(6)所示.

(5)

(6)

式中：1

1.2.3 贡献率计算

利用多元回归方法计算气象因子对ET0的贡献率[8].计算方法：对主要气象因子及ET0进行离差标准化处理；以ET0为因变量，进行多元回归分析.贡献率具体计算方法如式(7)和(8)所示.

YET0=a1X1+a2X2+a3X3+…+anXn，

(7)

(8)

式中：YET0为标准化后的参考作物蒸散量；X1，X2，X3，…，Xn分别为标准化气象因子值；a1，a2，a3，…，an为回归系数；Wi为某一气象因子对ET0的贡献率.

2 结果与分析

2.1 气象因子在年尺度时空的变化特征

2.1.1 气象因子年际变化

图2为云贵高原近56 a(1961—2016年)气象要素年际变化.由图可知，u2和Tmean呈逐年上升趋势，Rs和RH呈下降趋势.图2a显示u2的线性趋势为0.001 2 (m·s-1)/a，年均值为1.17 m/s，在1961—1969年和1992—2000年出现先减小后陡然增大的变化，整体呈平缓上升趋势.图2b显示Rs的线性趋势为-0.007 3 (MJ·m-2·d-1)/a，年均值为14.17 MJ/(m2·d)，年际间呈波动下降趋势，下降趋势达到显著(P<0.05)，这可能是由于空气污染致使大气中气溶胶和悬浮粒子增加，加强了对Rs的吸收、反射和散射作用[16].图2c表明RH的线性趋势为-0.074 6%/a，年均值为81%，整体呈极显著下降趋势(P<0.01)，可能与云贵高原气温升高引起大气水汽含量减少有关.图2d显示Tmean的线性趋势为0.018 ℃/a，年均值为22.8 ℃，呈极显著波动式上升趋势(P<0.01).综上，受全球变暖影响，云贵高原气候变暖显著，近56 a来平均上升了约1 ℃，整体呈干热化趋势.

图2 云贵高原近56 a(1961—2016年)气象要素年际变化

2.1.2 Mann-Kendal检验

云贵高原近56 a各气象因子Mann-Kendall突变结果如图3所示，图中TSD为时间序列数据.图3a显示u2在1964—1968年和1995—2000年呈局部下降趋势，其余年份均呈上升趋势.突变点发生在1969，1996和2001年；1969年突变后u2明显增大，1976—1997年增幅达到显著(P<0.05)；1996年突变后u2下降趋势明显，到2001年又出现缓增趋势.

图3 云贵高原近56 a(1961—2016年)各气象要素Mann-Kendal验证结果

由图3b可知，Rs整体下降趋势明显，1988年后降幅达到显著(P<0.05).Rs在1977年附近存在突变点，突变后降幅增大，可能与人类活动导致大气中气溶胶排放量增加，以及日照时数减少有关.

由图3c可知，RH在1967—1973年呈局部缓增的趋势，1973年后下降趋势明显，1988—1998年、2005年后降幅达到显著(P<0.05).突变点发生在2001年，突变后降幅骤增，可能是由于全球变暖引起大气环流系统的水汽输送异常.

由图3d可知，Tmean整体上升趋势明显，1972年后增幅变大，1998年出现突变点，突变后增幅达显著(P<0.05)，说明由于城市化进程等人类活动引起气候变暖，导致云贵高原气温显著上升.

2.1.3 气象因子空间变化特性

图4为云贵高原近56 a(1961—2016年)各气象因子空间分布特征.由图4a可知，云贵高原地区u2空间变化不连续，贵州中部地势平缓，云南东部为高原迎风坡，受到地形条件影响，该区域u2较大，故云南西南部则较小.由图4b可知，云贵高原Rs空间差异明显，呈西部(云南)大东部(贵州)小的分布，云南纬度低且山地气候显著，Rs较大；贵州地处低纬山区，大部分地区云量占到80%，全年日照时数不超过1 400 h，辐射量较小.图4c表明处于背风坡的云南西南部的RH较大，并且受西南季风影响，所带来的水汽遇到高原山脉受到阻断；贵州除西北部地区RH较小外，其余地区空间差异不明显.图4d显示云贵高原作为高原型亚热带季风区，Tmean呈现出南高北低、西南最高、西北最低的分布，研究区Tmean主要受到大气环流、地形等因素的影响，地域温差较大.

图4 云贵高原近56 a(1961—2016年)各气象因子空间分布特征

2.2 ET0时空变化特征

2.2.1ET0年际变化

图5为云贵高原近56 a(1961—2016年)ET0年际变化特征.由图5a可知，研究区ET0整体呈波动上升趋势，线性趋势为0.287 1 mm/a，年均值为1 081 mm，变化范围为1 029～1 151 mm.图5b显示ET0在1961—1980年平缓波动，1980—2003年呈现下降趋势，1993—2003年降幅显著(P<0.05)，2003年后ET0呈明显的上升趋势.研究区ET0在1962，1963和2009年发生突变，2009年突变后ET0增幅明显.1961—1993年Rs和RH明显下降，而Tmean上升较缓，该阶段云贵高原ET0呈显著下降趋势，1993年后Tmean升高达到显著，因此ET0出现快速上升趋势.

图5 云贵高原近56 a(1961—2016年)ET0年际变化特征和Mann-Kendal验证结果

2.2.2ET0空间变化特征

基于反距离权重插值法对云贵高原近56 a 多年和四季ET0的空间分布进行插值分析，如图6和7所示.由图6可知，云贵高原ET0呈现出西高东低的分布.贵州全境多年ET0为843～950 mm/a，云南多年ET0为1 100～1 200 mm/a，仅有南部少数站点多年ET0达到1 200 mm/a以上.在云南西北部ET0明显较小，因为该地区海拔一般为3 000～4 000 m，终年积雪，气温较低，影响蒸散量.云南南部的元江、蒙自和屏边站点是ET0较大的地区，其大值中心位于元江站点，多年平均值达到1 400～1 510 mm/a，因该地区Rs和Tmean均较大，进而影响ET0.云南地处低纬度地区，是典型的亚热带季风气候区，全年平均气温较高，太阳辐射较强，获得更多能量的同时也存在更多的热量交换，故云南ET0较高.

由图7可知，云贵高原春、秋、冬季ET0均呈西高东低、夏季ET0呈西低东高的分布，因夏季西部辐射量大于东部，进而影响ET0分布.春季ET0较大区域位于云南中东部高原迎风坡，夏季ET0较大区域位于贵州东部平原，秋季ET0较大区域位于云南西南部的高原背风坡，冬季西部ET0较大.由于云南季风气候特征明显，雨热同季，降雨集中在5—10月，降雨量达到全年的85%左右，冬春季多日照、气温高、辐射较大，所以春冬季ET0呈明显西高东低的分布；贵州属亚热带湿润季风气候，夏季Tmean较云南高，冬季平均气温较云南低，4—9月集中了全年70%以上的日照和太阳辐射，故贵州在夏季ET0较大.综上所述，ET0在云贵高原出现明显的季节性时空分布特征.

2.3 气象要素贡献率分析

研究[16]表明气候变化会较大程度影响ET0，且气候特点不同，气象因子对ET0的影响程度也有差异.表1为气象要素与云贵高原四季ET0的回归方程系数a；R2为拟合系数.由表可知，四季的u2，Rs和Tmean与ET0呈正相关，RH与ET0呈负相关，且影响云贵高原四季ET0的主导因素是Rs和Tmean，其R2均在0.99以上，并达显著水平.

表1 气象要素与云贵高原四季ET0的回归方程系数

表2为气象要素对云贵高原四季ET0的贡献率τ.

表2 气象要素对云贵高原四季ET0的贡献率

由表2可知，春季Rs对ET0变化贡献率为0.412，是影响ET0的主要气象因子；影响夏季ET0变化的主要因素是Tmean，贡献率为0.435；在秋、冬季，Rs对ET0变化仍占主导地位，贡献率分别为0.431和0.442.针对全年而言，Rs贡献率最大，为0.597，u2贡献率最小，为0.004.综上所述，Rs是影响云贵高原多年ET0变化的主导驱动因子.

2.4 气象因子相关性分析

研究发现近56 a云贵高原u2和Tmean呈逐年上升趋势，Rs和RH整体呈下降趋势.气象要素的变化成因复杂，且气象因子间存在复杂的作用机制.对各气象因子进行相关性分析，得到结果见表3和4.

表3 云贵高原四季各气象因子相关系数

表4 云贵高原全年各气象因子相关系数

由表3可知，春季RH与u2呈极显著负相关；Rs与u2呈极显著正相关，与Tmean呈显著正相关，与RH呈极显著负相关，说明春季日照时间变长，Tmean升高，Rs增大，而由于u2增大有利于大气中气溶胶扩散，并影响水汽压差变化使得RH下降，因此进一步增大了地表辐射.夏季RH与u2呈显著负相关，与Rs呈极显著负相关；Tmean与u2呈极显著负相关，与Rs呈显著正相关，因为此时云贵高原处于湿季，西南风带来充足的水汽，RH增大从而减小地表辐射，但由于Tmean的显著升高，减小了RH对Rs的影响.秋季u2与RH呈显著负相关，与Tmean呈极显著负相关，而Tmean与RH呈显著正相关，说明云贵高原当夏季风向冬季风转换时u2会影响Tmean的变化，同时也带走水汽，RH减小.冬季RH与Rs呈极显著负相关，此时云贵高原处于干季，盛行西北风，RH较低，地面太阳辐射增大；Rs与Tmean呈极显著正相关，说明在冬季云贵高原日照减少，Tmean降低，云量增加引起辐射减小.

由表4可知，RH与u2和Tmean呈极显著负相关，是因为u2变大和Tmean升高使水汽压差发生显著变化引起RH减小；u2与Tmean呈显著正相关，常年盛行的季风带来了更多的水热能量使得风速变大的同时Tmean也因此升高；Rs与其余3个气象因子均不相关，且Rs呈逐年下降趋势，说明可能是由于云量变大或人类活动导致的空气污染严重而致Rs减小.

3 讨 论

研究中发现，Rs是影响云贵高原近56 a春、秋、冬季ET0的主导驱动因子，Tmean是影响夏季ET0的主导驱动因子.各气象因子间具有相关性且相互作用，在春、冬季，Rs受RH影响最大，相关系数分别为-0.849(α<0.01)和-0.644(α<0.01)，说明春冬季湿度低，空气中水汽对辐射的折射等损失减小，增大了到达地面的Rs.在夏季，u2对Tmean影响最大，相关系数为-0.471(α<0.01)，由于云贵高原夏季盛行西南风，大量水汽使其降水丰富.在秋季，Rs与各气象因子均不相关，可能受云量或降水影响更大.

研究中还发现，云贵高原的ET0在近56 a呈波动上升趋势，增幅为0.287 1 mm/a，在一定程度上会导致作物灌溉需水量增加，需要采取相应的节水灌溉措施提高农业用水效率.由表2可知，春季气象因子贡献率按因子排序由大到小为Rs，Tmean，RH，u2，这是因为云贵高原冬春干季多日照，气温升高，RH较低，Rs增大，因此Rs和Tmean对春季ET0变化影响较大.在夏季贡献率按因子排序由大到小为Tmean，Rs，RH，u2，这是由于云贵高原雨热同季，并且Tmean升高明显，所以Tmean是影响夏季ET0变化的主要因子.秋、冬季贡献率按因子排序由大到小为Rs，Tmean，u2，RH，这是由于干湿季季风转换，u2显著影响云贵高原的Tmean和Rs.纵观全年，云贵高原各气象因子贡献率按因子排序由大到小为Rs，Tmean，u2，RH，这是因为云贵高原地形以高原山地为主，表现出明显的季风和低纬气候，雨热同季、干湿季分明，受季风和锋面的影响，云层厚且降水较多，Rs总量较少.因此，Rs是影响云贵高原ET0变化的主导因子.

4 结 论

文中研究基于云贵高原42个代表性站点近56 a(1961—2016年)逐日气象数据，利用Mann-Kendall检验分析探究主要气象因子的时空变化规律，运用多元回归方法定量研究了各气象因子对ET0的贡献率.得到主要结论如下：

1) 各气象因子年际变化趋势较明显，风速(u2)和气温(Tmean)呈逐年上升趋势，增幅分别为0.001 2 (m·s-1)/a和0.018 ℃/a，太阳辐射(Rs)和相对湿度(RH)整体呈下降趋势，降幅分别为0.007 3 (MJ·m-2·d-1)/a和0.074 6%/a.

2) 云贵高原近56 aET0整体呈波动上升趋势，增幅为0.287 1 mm/a，在1961和2009年出现局部突变，2009年后ET0增幅明显.云贵高原ET0空间分布特征显著，东部大部分ET0分布区间为1 100～1 200 mm/a，西部ET0的分布区间为843～950 mm/a，整体呈西高东低的分布；云贵高原东西部春季ET0范围分别为236～363和363～489 mm/a，夏季ET0范围分别为340～400和274～340 mm/a，秋季ET0范围分别为170～230和230～305 mm/a，冬季ET0范围分别为97～195和200～301 mm/a，整体呈西高东低的分布，春、秋、冬季ET0西高东低，而夏季ET0东高西低.

3) 全年各气象因子对ET0贡献率按因子排序由大到小为Rs，Tmean，RH，u2；春季其贡献率按因子排序由大到小为Rs，Tmean，u2，RH；夏季其贡献率按因子排序由大到小为Tmean，Rs，RH，u2；秋、冬季其贡献率按因子排序由大到小为Rs，Tmean，u2，RH.