甘肃省不同气候区1961-2020年蒸散发时空变化及其影响因子

胡晓萌，张 鑫，雒舒琪，张晓鹏，闫 彩，孙 媛

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.河北天和咨询有限公司，石家庄 050000）

1 研究背景

地表蒸散发（Evapotranspiration，ET）是指植物蒸腾和土壤蒸发的总和[1,2]，作为生态环境和水资源评估的重要环节，蒸散发是用来评估区域气候变化、地表能量和水分平衡的主要指标。由于地表水向大气层的输送有近乎3/4 的降水将以蒸散发形式进行[3]，而且通过对地表水的蒸发降低了当地气温，所以蒸散发在全球水文循环的过程中发挥着连接水热循环的巨大作用[4,5]。国内外针对潜在蒸散发研究在蒸散发模型估算、蒸散发数据应用、时空特征与影响因子方面，段浩[6]等探讨了冠层截留对PML 蒸散发模型的影响，提高了模型对潜在蒸散发的模拟精度；黄瑾[7]等利用卫星观测的逐月蒸散发数据探讨了云贵地区的蒸散发时空变化规律。通过现有研究发现，对地区蒸散发进行准确的时空特征分析及其影响因子分析，有助于对当地的生态水源保护和水资源的优化利用及其合理配置提供理论指导[8,9]。

甘肃省位处全国生态脆弱和气候敏感的多复杂地形区域[10,11]，跨越多个不同气候带，目前对甘肃省潜在蒸散发的研究还仅仅是在一些有典型特点的气候区及气候站点[12,13]，无法概括整个甘肃省不同气候区潜在蒸散发特征的整体情况。故本研究通过将甘肃省进行气候区的划分（8 个气候区：A：河西西部暖温带干旱区；B：河西冷温带干旱区；C：祁连山高寒半干旱区；D：陇中北部冷温带半干旱区；E：陇中南部温带半湿润区；F：甘南高寒湿润区；G：陇南北部暖温带湿润区；H：陇南南部河谷亚热带湿润区），通过划分区域，对每个气候区潜在蒸散发时空特征分析和影响因子的研究，以期得到各气候区潜在蒸散发特点及甘肃省全省的蒸散发特征，为甘肃省的农业结构调整、生态环境涵养、区域水资源与社会经济的匹配发展等提供合理科学依据[14,15]。

2 数据资料及研究方法

2.1 数据资料

选取甘肃省内24 个、省外7 个气象站点(见图1)的1961-2020年逐日气象数据（相对湿度、平均风速、日照时数、平均气温、最高气温、最低气温等），本研究气象站数据从国家气象科学数据中心（http://data.cma.cn/）处下载，将逐日数据汇成月尺度、季尺度和年尺度数据，季节划分为：冬季（上年12-2月）、春季（3-5月）、夏季（6-8月）、秋季（9-11月），以此数据处理完成后进行潜在蒸散发的时空特征和影响因子相关分析。

图1 甘肃省区域不同气候分区概况及气象站点分布图Fig.1 Regional overview and distribution map of meteorological stations in Gansu Province

2.2 研究方法

2.2.1 潜在蒸散发计算公式

本研究通过使用潜在蒸散发Penman-Monteith[16]计算公式来对甘肃省的8个不同气候区进行潜在蒸散法的估算：

式中：△为饱和水汽压-温度曲线斜率，kPa/oC；Rn为净辐射，MJ/(m2·d)；G为地表热通量，MJ/(m2·d)；T为平均温度，oC；γ为干湿计常数，kPa/oC；u2为2 m 处风速，m/s；es为饱和水汽压/kPa；ea为实际水汽压，kPa。

2.2.2 克里金空间插值法

克里金空间插值法是利用已知的空间样本信息的基本原理，用已知点拟合出一合适函数式推求未知点的数值，通过此函数式，构建空间泰森多边形以实现空间相关关系的建立，就实现了离散站点数据向整个研究区面数据的转化，这种插值方法在各领域多有应用[17]，计算公式为：

2.2.3 趋势分析法

通过基于像元的一元线性回归方法[18]，得到1961-2020年时间段的像元数据的潜在蒸散发变化趋势，以此来反映变化整体的变化特征，计算公式：

式中：a为线性倾向率；n为研究时间段（n=60）；ETi为各像元在第i年的潜在散发，mm。a＞0 说明该区潜在蒸散发呈正向增长趋势；a=0 说明蒸散发趋势为0，蒸散发无年际变化；a＜0 说明该区潜在蒸散发呈负向减少趋势，其值大小则表征趋势的强弱程度。

2.2.4 偏相关分析

通过利用Spss 软件进行潜在蒸散发与各气象因子的偏相关分析。该方法的原理是控制其他气象因子不变，求潜在蒸散发与某一气象因子的相关关系，计算公式为：

式中：x为潜在蒸散量；y、z为气象因子；Rxy,z为控制其他气象因子的情况下，潜在蒸散发与该气象因子的偏相关系数，偏相关系数的值介于-1～1 之间，当Rxy,z≥0 时，说明该气象因子与潜在蒸散发呈正相关关系，反之则为负相关关系，Rxy,z绝对值的大小表征相关程度的大小，当P＜0.05 时，则认为潜在蒸散发与该气象因子相关关系显著。

3 结果与分析

3.1 甘肃省不同气候类型区气象因素变化

选取对甘肃省不同气候类型区1961-2020年潜在蒸散发可能具有较大影响的7种气候因素（相对湿度、平均风速、日照时长、降雨量、平均温度、最高温度、最低温度）进行一元线性回归分析，分别得出不同气候区的气象因子变化趋势图（见图2）。

图2 甘肃省各气候区气象因子60 a年际变化Fig.2 Interannual variation of meteorological factors in different climate regions of Gansu Province in 60 Years

通过一元系数来表征气象因子变化速率（见表1）。1961-2020年各气候区平均温度、最高温度、最低温度均极显著上升（P＜0.01，上升速率在0.13～0.24 ℃/5 a之间）；相对湿度除C 区为显著上升外（P＜0.05），其他类型区均有不同程度显著下降；相对风速除G区为极显著上升外（P＜0.05），其他气候区无明显变化；日照总时数趋势稳定，各气候区均无明显变化；B、C气候区年降水量均显著增加（P＜0.05）。

表1 甘肃省各气候区气象因子60 a年际变化一元系数及显著性Tab.1 The univariate coefficient and significance of the 60-year interannual variation of meteorological factors in each climatic region of Gansu Province

3.2 甘肃省潜在蒸散发空间分布格局

从1961-2020年甘肃省各气候区潜在蒸散发分布格局来看（见图3），年均潜在蒸散发、春季潜在蒸散发、夏季潜在蒸散发、秋季潜在蒸散发在空间分布上均呈现出A、B、C 区西部高，其他区低的特点，高值区域日照时数的充足和高气温和风速是造成潜在蒸散量偏高的主要原因，冬季年均潜在蒸散发空间分布则略有不同，冬季潜在蒸散发高值区在以武都站点为代表的H 区，由东南向西北递减；由于甘肃省地理环境复杂，气象因素差异较大，因此不同气候区潜在蒸散发差异较大，数值在710～1 363 mm 之间波动，其中各气候区多年平均潜在蒸散发为：A 区（1 237 mm）、B 区（1 094 mm）、C 区（790 mm）、D 区（996 mm）、E 区（873 mm）、F 区（740 mm）、G 区（842 mm）、H 区（1 027 mm）；各气候区的季节蒸散发贡献度排名为夏季＞春季＞秋季＞冬季。

图3 1961-2020年甘肃省各气候区年均与各季节潜在蒸散发的空间变化特征Fig.3 Spatial variation characteristics of annual average and seasonal potential evapotranspiration in different climate zones in Gansu Province from 1961 to 2020

3.3 甘肃省潜在蒸散发时间变化特征

1961-2020年甘肃省各气候区潜在蒸散发变化率为-2.57～3.31 mm/a，整体呈现出小幅上升的趋势（见图4），其中除A、D、F 气候区潜在蒸散发呈减少趋势外，其他气候区均呈现不同程度上升趋势，82%的区域的潜在蒸散发表现为增加趋势，其中增幅较大的区域主要分布在马鬃山和酒泉站点附近，达到了3.31 mm/a，而呈下降趋势的站点集中在以安西站为代表的河西地区和以皋兰和景泰站点为代表的陇中干旱区。通过对变化趋势进行显著性检验（见图4），甘肃省有26.58%的区域的潜在蒸散发趋势未通过显著性检验（P＞0.05），该区域大部分分布在A 区、B 区中部、D 区、E 区及H 区；其中有13.4%区域潜在蒸散发趋势通过了95%显著性趋势检验（P＜0.05），60%区域的潜在蒸散发趋势通过99%显著性趋势检验（P＜0.01），甘肃省超过73.42%的区域潜在蒸散发呈现出显著的变化趋势，这与气候变化和植被/覆被、土地利用方式改变等人类活动有密不可分的联系。

图4 1961-2020年甘肃省各气候区潜在蒸散发的变化趋势及显著性Fig.4 Variation trend and significance of potential evapotranspiration in different climate zones in Gansu Province from 1961 to 2020

3.4 潜在蒸散量影响因子分析

影响潜在蒸散量的因素十分复杂，一般与气象因素影响甚大。因此本文选取平均气温、风速、日照时数、相对湿度、降水5 个气象要素与甘肃省8 个气候区年均蒸散量并取各气候区的典型站点进行偏相关和显著性分析（见图5和表2）。结果表明：近60 a来，甘肃省各气候区潜在蒸散发对5个气象因子相关性的空间分布不一致。8个气候区的潜在蒸散量对平均温度的相关系数变化范围为0.89～0.94，其中A、B、C、D 区受平均温度相关性更高；潜在蒸散发变化对风速相关程度在空间上有较强的差异性，以敦煌站点为代表的A 区高值区，相关系数高达0.72，和以华家岭为代表的E区相关系数0.11的低值区域，其他区域对风速的相关系数在0.5 范围附近，差异不大；潜在蒸散发变化对日照时数的相关系数范围为0.38～0.73，其中D、E、F、G、H 区对日照时数相关性高，而以敦煌、马鬃山为代表站点的A、B 气候区和祁连山高寒半干旱C气候区对气象因子日照时数的相关程度要略低；甘肃省所有气候区均对相对湿度呈现出不同程度的负相关关系，其中除甘肃省东北各气候区潜在蒸散发对相对湿度的相关系数较低以外，其他站点对相对湿度的相关系数在0.5 范围左右；通过偏相关分析，气象因子降雨对潜在蒸散发的变化未表现出明显的相关关系。

图5 1961-2020年甘肃省各气候区对气象因子偏相关分析图Fig.5 Partial correlation analysis of meteorological factors in each climatic region of Gansu Province from 1961 to 2020

表2 甘肃省各气候区典型气象站点潜在蒸散发与各气象因素的偏相关分析Teb.2 Partial correlation analysis of potential evapotranspiration and meteorological factors from typical meteorological stations in different climate regions of Gansu Province

4 结 论

（1）1961-2020年各气候区平均温度、最高温度、最低温度均极显著上升（P＜0.01，上升速率在0.13～0.24 ℃/5 a 之间）；相对湿度除C 区为显著上升外（P＜0.05），其他类型区均有不同程度显著下降；相对风速除G 区为极显著上升外（P＜0.05），其他气候区无明显变化；日照总时数趋势稳定，各气候区均无明显变化；B、C 气候区年降水量均显著增加（P＜0.05）。随着气候变化和人类活动，近60 a 来甘肃省各气候区气温都逐步上升，且除祁连山高寒气候区外，其他气候区湿度有变干的趋势，未来甘肃省气候正朝着热、干趋势发展。

（2）甘肃省年均、春季、夏季和秋季潜在蒸散发均呈现出A、B 区高、其他气候区低的分布特征，冬季则表现为E、G、H 区高、其他气候区低的特征，在空间潜在蒸散量的贡献上来看，河西地区对潜在蒸散发做出较大贡献，然而潜在蒸散发空间分布不均且差异较大，年均潜在蒸散发波动范围在710～1 363 mm，在季节尺度上，各气候区潜在蒸散发大小表现为夏季＞春季＞秋季＞冬季。

（3）1961-2020年甘肃省各气候区潜在蒸散发的趋势变化率为-2.57～3.31 mm/a，超过73.42%的区域潜在蒸散发呈现出显著的变化趋势，A 区、D 区西部、E 区西部呈不显著下降趋势，其中除在A区、B区中部、C区中部及东部、D区东部、E区西部以及H 区无显著趋势（P＞0.05）外，其他区域部分均显著上升或下降（P＜0.05），相对湿度的减少和温度升高、风速增大等综合作用会持续促进研究区潜在蒸散发的变化趋势。

（4）通过对各气候区的潜在蒸散发与气象因子的相关分析，发现各气候区对气象因子的响应差距较大，集中体现在气温、风速和日照时数上。潜在蒸散发对气温、风速、日照时数呈显著的正相关关系，其中甘肃省西北区域（A、B、C、D 区）对平均气温的相关系数明显高于东南区域的（E、F、G、H 区）；A、B、C、D、G、H 区的潜在蒸散发受风速影响的相关性大于E、F 区域；甘肃省所有气候区潜在蒸散发均对相对湿度呈负相关关系，其中除D、E、G 区东部潜在蒸散发对相对湿度的响应不太明显外，其他各区域潜在蒸散发对相对湿度的相关系数在-0.5 范围左右；通过偏相关分析，气象因子降雨对潜在蒸散发的变化未表现出明显的相关关系。